行业前沿｜可持续城市和社区的能效设计与优化

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作者：罗伯·乔丹（Rob Jodan），斯坦福伍兹环境研究所，2022.08.05

译者：JM茉莉

斯坦福大学最新的一项研究可以帮助政府更明智的使用联邦新基础设施基金里的数亿资金。该研究论文发表在 3 月 31 日的《可持续城市前沿》（Frontiers in Sustainable Cities）上。论文首创性的提出了一个新的技术框架，设计最节能的城市建筑群，包括污水处理、供冷、供暖与供电等系统。具体方法是通过集成社区的电力和水厂，优化每小时的电力和水的需求和供应。与服务于更大区域的传统能源系统相比，该方法显着降低了社区的运行成本和污染。与此同时，推广此方法也能催生更多的步行友好、宜居和经济的城市。

“我们可使用此框架着眼长期目标、预测发展效果、将计划量化，而非盲目建设”，该研究的主要作者普雅·拉扎德·赫布斯特（Pouya Rezazadeh Kalehbasti）说。做此项研究时，普雅还是斯坦福工程学院土木与环境工程专业的一名研究生。

图｜韩国松岛鸟瞰图，迈克尔·莱佩奇（Michael Lepech）
这座由建筑师和城市规划师共同设计的城市，是可持续的高科技城市生活的典范。

城市问题亦是解决方案

据联合国估计，城市的能源消耗量和二氧化碳排放量超过全球总量的三分之二。随着全球变暖和人口持续增长，城市水源压力与日俱增。而解决之道在于供电、供水和污水处理系统的协同设计。有别于传统的功能各自分离的大型集中式工厂，本地的集成化管理可实现多重效率，例如，利用电力系统闲置的电能或热能运行废水系统，或使用废水来冷却发电系统。

使用先进技术，将电厂和水厂合二为一，设计可以相对紧凑——约两到三栋低层建筑的规模，高效回收废水至饮用水系统中。这样的工厂无异味，可使用太阳能等可再生能源，排放量低或零排放，可以满足 100～1,000 座建筑物的需求，具体取决于建筑物的大小和容纳的居民数量。在美国、中国和一些国家，尤其是欧洲和加拿大，已建成 4,000 多座综合电力和供水系统。私营企业和大学（如斯坦福大学）在合作实践中，已看到能源效率的显着提升。

系统优化

为优化方法，研究人员对两个场景进行了 20 年的模拟运行建模。第一个场景，混合建筑和设计为传统的电网供电的传统中央污水处理厂的能源系统；第二个场景，将包含先进的正、逆渗透和滤膜技术的废水处理系统集成到建筑和能源设计中。

分析发现，与传统的分离式能源系统相比，建筑使用“电力-供水”集成系统对社会、环境和经济的碳排放影响可减少 75% ，设备生命周期成本降低20%。主要原因在于废热的再利用、废水处理过程中的电能再利用，以及用低排放，乃至零排放的本地能源系统代替区域电网来运行废水处理系统。

该方法有望向城市规划师和基础设施设计师提供一系列社区最佳配置设计。他们可以协调设计集成电力和水厂与区划规则，例如对工业建筑施加限制，以实现更环保和经济可持续的城市社区。此项研究的合著者、土木与环境工程系的Michael Lepech教授表示：“通过将现有基础设施与新的城市技术相结合，并协同优化它们的性能，我们发现了通向全球碳减排的新的、实质性的途径。这令人兴奋。”

研究人员希望城市规划师将该框架的扩展版本用于设计其他系统，包括垃圾清理和交通控制。随着技术的进步，该框架还可以融合新的效率，例如利用电厂热量来干燥废水生物固体，从而减少处理需求并创造可再生生物燃料的来源。

土木与环境工程系Craig Criddle教授也是该研究的合著者。Lepech还是韩国仁川环球校区斯坦福中心的教职员，该中心致力于智能、可持续城市和城市社区的研究。Lepech和Criddle还是斯坦福环境研究所的高级研究员。Criddle是William and Cloy Codiga资源回收中心的主任，该中心是斯坦福校园内的一个设施，用于测试和加速有前途的技术商业化，以从废水中回收清洁水和能源。这项研究由斯坦福大学土木与环境工程系的Leavell Fellowship on Sustainable Built Environment和AP Thailand资助。

英文原文

编者注：

斯坦福能源系统创新 (SESI)代表了大学能源供应从 100% 以化石燃料为基础的热电联产厂向电网供电和更高效的电热回收系统的转变。 SESI 由斯坦福在 2009 年至 2011 年间独立开发，它可能是世界上第一个采用国际能源署推荐的建筑供暖和制冷技术路线图的大型示例。

自 1980 年代以来，斯坦福大学在其所有设施中都采用了能源计量，以了解能源的使用方式和地点。2009 年 10 月，斯坦福大学发布了一项全面而长期的能源与气候行动计划。现在是第三版，该计划包括：