浅析新能源技术在城市创新中的应用

【References】 2010 年第 30 期 0.前言 能源的发展推进人类文明前行， 而城市是人类文明的重 要组成部分，伴随人类文明与进步发展起来。 一部城市的演化 史切实体现了能源转变带来的演进。 人类每次在能源技术上 取得进步，就必然应用在所聚居的城市上，能源因素对城市发 展起着重要的作用。 总体而言，能源对城市选址、规模、人口迁 移和城市形象等都有着重要和独特的影响。 可以说城市发展 的历史就是人类对能源依赖性逐渐增大的历史。 [1] 正如 David E. Nye 在其著作前言 [2]中所写下的：科学技术 不仅仅是一堆发挥特定功能的机器组合， 它是世界社会化的 一部分，电气化不仅是不可替代的历史推动力，更是使时代有 别于时代，文化迥异于文化的社会进程。 1.能源与城市的起源 人类最早的城市起源于大约一万年前， 萌发于中东两河 流域的美索不达米亚平原、 埃及尼罗河流域的冲积平原以及 我国黄河流域。 这些地区由于土壤肥沃、农产过剩，居民无须 担心食物缺乏，因此可以投入制造及发明行业，城市崛起和城 市文明开始传播。 成就了灿烂的古巴比伦文化，古埃及文明以 及我国古代的夏、商、周王朝。 此时的城市尚处于雏形阶段，人 类利用能源的技术手段也还停留在对自然之力的初步掌握 上，但无可争辩的是能源创造并丰富了城市文明。 在殷墟和郑州商城遗址， 出土了大量的青铜器铸造作坊 和制陶作坊，从司母戊大方鼎到青铜编钟、食具、兵器、工具； 从仰韶文化半坡遗址的红陶到红山文化蛋壳黑陶； 由古埃及 到古巴比伦，再到三星堆，金碧辉煌的金银器巧夺天工、明亮 夺目的玻璃、玉器精美绝伦。 林林总总的器具物品浓缩了城市 生活、折射出人类文明之光。 而在这些器物上无不深深烙印着 能源的印记：金属的开采冶炼，陶器、玻璃的加工烧制，玉器的 打制琢磨，这其中有人力到水力加工的技术革新，更包含从动 植物燃料到化石燃料的变化。 城市与能源的命题就此展开。 2.能源与中古时代的城市 希腊城邦到中世纪欧洲，这一阶段的西方世界，每个城市 和它控制的农村，构成一个小单位，形成相对封闭、自给自足 的庄园经济，工商业并不发达，城市发展停滞不前。 但是能源 的利用毕竟改变了城市历史进程。 在古希腊文明发源地的克 里特岛，完善的给排水系统成为市政建设的重要组成，水能水 利的便捷甚至改变了城市居民的风俗习惯。 而军事领域中的 希腊火，这一强力武器掌握在拜占廷帝国手中，使得强悍的阿 拉伯帝国千年时间无法西进，西方的城市文明得以延续，这种 神奇的燃烧武器正是石油与松香等物质的混合物， 这就是人 类对石油的早期认知和使用， 而这一能源的利用改变了对城 市的防御进攻方式，从而扭转了整个世界历史。 在东方，新兴 的商业城市开始崛起。 作为文明的承载体，能源的变革也同样 导演着城市的变化，春秋时期开始有了生铁的冶炼，到了汉武 帝时期采用炒钢法锻造钢铁， 钢铁取代了硬度相对较低的青 铜，使得农具、工具更为坚固，大大提高了社会生产力。 作为钢 铁冶炼的伟大能源—煤炭， 也开始一步步走上人类文明的舞 台。 待到元朝马可·波罗游历中国的时候，这种“黑色会燃烧的 石头”已经在各类日常生产生活中广泛使用。 3.能源与大航海时代的城市 大航海时代是人类文明， 尤其是西方世界文明迅猛发展 的时代。 一个个新兴城市从地中海沿岸转移到大西洋沿岸，西 班牙、葡萄牙、荷兰、英国等一个个海上霸主的兴起，大量从海 外殖民地掠夺的财富使得欧洲的城市化进程大大加快， 也改 变了城市的阶级构成，商人成为城市中新生的权利阶层。 而从 本质而言， 火药作为人类历史的伟大发明， 奠定了大航海基 础，西方世界得以源源不断的征服掠夺新大陆财富。 这是人类 在掌握利用能源的路途中的又一次飞跃。 火药的发明为能源 的使用打开了另一扇窗口。 骑士们的城堡变得无险可踞，在大 炮的怒吼下摇摇欲坠。 西方世界的城市建设，城市阶层就必然 要揭开崭新的一页。 4.能源与工业革命时代的城市 “工业革命的基础是煤炭替代木材，煤炭尽管已经被人类 认知且使用了三千年，但在此之前对其的认知仅仅是皮毛，相 比起燃烧的木柴，它颜色肮脏，气味难闻，并且需要不同的技 术和手段收集开采，燃烧的烟雾也更有毒。 ”[3]这是 16 世纪的 伦敦，此时城市的发展与今天的发展中国家类似，城市面积在 不断的增长，离城市稍近的森林被砍伐，木材运输的距离不断 增加，导致木材越来越昂贵，穷人只好转向使用煤炭。 一位历 史学家这样写到：“即使在伊丽莎白一世王朝的晚期， 贵族们 也还坚守使用木炭的传统，十分抗拒使用煤炭，来自上流社会 的女士压根不会进入使用煤炭取暖的房间， 不食用煤炭烧烤 的肉食。 英格兰清教徒们拒绝接受被煤炭烟火烘烤熏染的牛 排。 ”[4] 但是人类文明的脚步从来不会因为这些旧观念而多做停 留，煤炭的应用造就了工业革命。 1785 年英国机械师瓦特制成 改良蒸汽机。 1807 年美国人富尔顿制成第一艘汽船,1819 年一 艘美国轮船成功地横渡大西洋。 英国工程师史蒂芬孙发明了 火车机车。伦敦的夜晚开始由刺目呛鼻的煤气灯点亮。这一切 的背后都缘于能源技术的革新。 煤炭的热能转变为膨胀的蒸 汽，蒸汽带动了机器的轮轴和力臂。 工业革命促使科技快速的 进步，进而造成许多工厂的建成。 由于工厂大多设置在交通方 便的大都市附近，造成农民不断涌入这些都市，城市化的现象 也开始由工业革命起源的英国向世界各国扩张。 正如一部新大陆美国的开拓史，“东部的煤炭是推举美国 工业力量在 19 到 20 世纪喷薄的源泉。 假如不是因为煤炭，美 国的都市化就不会如历史记载一般进行， 来自爱尔兰以及其 它欧洲国家的移民就不会为能在煤矿找到一份稳定工作而踏 上新大陆， 煤炭的热潮和其引发的巨大利益直接导致了美国 社会历史中的诸多挑战。 ”[5] 工业革命是一场深刻的社会变革， 对人类社会的各方各 面都产生了极其深远的影响。 工业革命创造了巨大的生产力， 促进了经济的快速发展。 使社会日益分裂为二大直接对立的 阶级:工业资产阶级和工业无产阶级，城市中的阶级对立更加 明显。 5.能源与第二次工业革命时代的城 浅析新能源技术在城市创新中的应用 陈春光 (1.天津大学化工学院 中国 天津 300072；2.黄岛出入境检验检疫局 山东 青岛 266555） 【摘 要】本文通过城市发展演化历史与能源技术革新应用的历程，浅析能源在城市社会化进程中所发挥的作用，存在的隐 患，指出开发应用新能源技术，对于建设低碳环保社会，实现“城市，让生活更美好”这一城市创新目标具有的重要意义。 【关键词】新能源；城市发展；低碳社会 ◇高教论述◇ 34 2010 年第 30 期 第二次工业革命从 19 世纪 70 年代开始， 科学技术主要 集中表现为以下三个方面:新能源（电力，石油）的发展和利用； 内燃机和新交通工具的创制；新通讯手段的发明。 这三方面都 紧紧围绕着能源技术的创新。 人类从此走向了电力和石油时 代。 19 世纪 70 年代发电机研制成功。美国人爱迪生发明电灯 泡。德国人西门子制成第一辆有轨电车。19 世纪 80 年代，德国 人卡尔本茨设计出内燃机，1885 年制成三轮汽车。 1903 年美 国人莱特兄弟制成飞机并试飞成功。 有线电报,有线电话的发 明成功。意大利马可尼制造出无线电通讯设备,并于 1899 年在 英国向法国发报成功。 发电机解决了城市的动力来源， 电灯改善了城市的公共 照明系统，电车、内燃机、汽车以及飞机直至今日还仍旧是构 成城市内部和城市之间交通网络的载体。 而电报电话更是压 缩了地理空间，环球城市与城市之间变得天涯咫尺。 第二次工 业革命使得纽约曼哈顿岛上摩天大厦、钢铁森林拔地而起，城 市的概念和功能越发接近今天的。 城市不再简单是栖身 地和聚居点，开始承载人类更多的梦想。 6.能源与二次大战后的现代城市 二战后，乡村人口大量回流都市，造成都市人口暴涨、发 展快速，由于市区人口日益拥挤，都市面积大幅增加，与之邻 近的城镇和郊区相连，因此形成了许多大型的都会区。 都市化 的现象日益明显。 全球有超过 30 亿的人口定居于都市，欧洲、 美国及日本等战后发达国家的都市发展已近饱和状态。 现代 城市既展现出前所未有的生产力，创造出巨大的物质财富，同 时又成为以人工手段改造自然环境最为彻底的地方。 二战结 束之后，经济的复兴带来了大规模的重建，吴良镛教授指出： “尽管战后建设成绩斐然，然而直到六、七十年代人们才惊异 的发现，建设对环境的破坏之严重性并不亚于战争”。 但是现代城市同样高度集中了工业和人口，众多工厂、房 屋、 道路摧毁了原有的自然生态系统， 建造了复杂的人工环 境； 人类对于能源的无止境的渴求， 使自然资源供应能力紧 张，生态环境承受极大压力，污染负荷远远超过城市生态环境 的自我调节能力，城市生态环境严重破坏。 7.能源与石油危机下的城市 发生于上世纪 70 年代和 90 年代的三次石油危机， 虽然 是人为的能源危机， 但确实引发了世界能源市场长久的结构 性变化，整个人类社会不得不开始反思，对石油等化石能源的 过度依赖将会导致人类社会的发展止步不前。 石油危机对于 城市也同样意义深远， 西方社会城市的高能耗生活方式在石 油的短期供应缺乏下无以为继。 离开了原先似乎唾手可得的 石油资源，城市的工业生产、生活方式以及消费观念都被彻底 颠覆。 作为高能耗生产方式代表的福特工业社会生产分配社 会体系开始倒塌， 后福特工业社会时代和后现代城市进 入了人们的视野 [6]。 城市的能源供应随之转向多样化：原子能 的合理利用，大规模水力、火力电站的建设，装机容量超过千 兆瓦的巨型电站等开始成为城市的能源支柱。 另一方面，整个 人类社会寻求新能源的脚步也开始大大加快。 8.能源技术与未来城市发展 2003 年英国政府发表 《能源白皮书 》 (UK Government 2003)， 题为 “我们未来的能源： 创建低碳经济 (Our Energy Future，Creating a Low Carbon Economy)”， 首次提出 “低碳经 济”(Low Carbon Economy)概念，引起国际社会的广泛关注。 [7]低 碳经济是实现城市可持续发展的必由之路。 低碳城市，就是在 城市实行低碳经济，包括低碳生产和低碳消费，建立资源节约 型、 环境友好型社会， 建设一个良性的可持续的能源生态体 系。 [8]低碳经济必然要求人类的能源生产方式发生改变。 要提 高能源转化使用效率和应用绿色能源， 其核心是能源技术创 新和创新。 8.1 城市节能与能源循环利用 能源转化使用效率的提高包含了节能措施和能源的循环 利用。 城市的节能不仅要通过先进的技术与管理手段来提高 能源利用效率，实现能源消耗的降低，还要控制与能源消耗有 关的服务需求，即通过减少需求有效地降低能源消耗。 [9] 城市节能的发展趋势表现在：大力加强建筑节能，一方面 采用新的节能材料和设备， 另一方面研究开发红外热反射技 术、高效节能玻璃、太阳能利用技术和建筑节能计算机技术等 新的建筑节能技术，。 [10] 城市生活垃圾这一“放错了地方的财富”，已被公认是一 种可提供能源的资源， 采用高效流化床焚烧技术处理固态垃 圾可获得良好的效果，在完成垃圾处理的同时，获得的能源可 用于城市热能和电力供应。 [11]而城市污水下水道污泥同样可以 通过高压热裂解、蒸馏等化学物理手段制造液体燃料 [12]。 作为 城市能源的有力供应。 8.2 绿色能源的应用以及对城市建设的作用 绿色能源可概述为清洁能源和再生能源。 狭义地讲，绿色 能源指氢能、风能、水能、生物能、海洋能、燃料电池等可再生 能源， 而广义的绿色能源还包括在开发利用过程中低污染的 能源，如天然气、清洁煤和核能等。 从城市经济可持续发展的 角度看，开发绿色能源具有重要的现实意义。 坚持节约发展、 清洁发展、安全发展，实现可持续发展。 [13] 氢能汽车的使用是目前氢能利用的一大亮点： 对于发展 低碳经济，改善城市空气质量，建设生态、环保城市有十分重 要的意义。 2010 年，我国在北京、上海、大连、郑州等 20 个城市 开展节能与新能源汽车的试点工作。 本届世博会上世博园区 的 196 辆观光车采用了安全、便捷、环保的氢燃料。 同时配套 建设的加氢站是目前世界单体规模最大的一座加氢站。 而太阳能技术是解决未来城市能源问题最重要的突破 口，未来的城市应该是太阳能的城市，通过太阳能的规模化应 用，有效减少化石能源的消耗和温室气体排放。 北京奥运会期 间，北京的比赛场地及其相关场所 90％使用太阳能照明。 青岛 奥帆中心安装采用了太阳能景观灯， 此类太阳能路灯工程在 国内已有很多。 [14]通过太阳能屋顶或幕墙等方式，利用光伏组 件收集太阳能，产生电能后向住户供电。 也可以与公共电网相 连接，组成并网光伏系统。 这种并网系统因有太阳能、公共电 网同时给负载供电，既充分利用了光伏系统所发的电能，供电 可靠性又得以增强；同时，建筑本身消耗不完的电量也可反馈 给电网，起到调峰作用。 风能也在新型城市的转变中扮演了重要角色： 过去素有 “煤电之城”美誉的阜新市正在打造百万千瓦风电城。 年发电 量可达到 36 亿千瓦时，每年可节约 110 多万吨标准煤，减少 二氧化硫，二氧化碳等有害气体排放 4 万多吨，减少废渣排放 5 万多吨。 [15] 方兴未艾的生物能源也为城市的发展建设提供了新助 力，利用生物技术发酵处理城市生活垃圾，建造大规模沼气工 厂，可为城市供热和提供燃气。 回收地沟油等厨余垃圾，生产 生物柴油，可用于车辆驱动和工业生产。 海洋潮汐能和地热能同样是新能源的有力组成， 我国共 拥有 20 多座潮汐电站，浙江温岭的江厦电站市我国第一座潮 汐电站，已经安全运行 31 年，技术水平走在世界前列。 西藏的 羊八井地热电站总装机 2.5 万千瓦。为日光之城拉萨供电已超 过 14 亿千瓦小时，达到拉萨总用电量的 80%。 高原之城的生 活离不开涌动于地壳深处的热力。 在城市新能源的法规条例方面，根据《可再生能源法》，为 落实国务院节能减排战略部署， 加快发展新能源与节能环保 新兴产业，推动可再生能源在城市建筑领域大规模应用，财政 部、住房城乡建设部日前制定了《可再生能源建筑应用城市示 ◇高教论述◇ 35 【References】 2010 年第 30 期 ● 范实施》。 在近年来实施可再生能源建筑应用示范工程的 基础上，将组织开展可再生能源建筑应用城市示范工作，对纳 入示范的城市， 中央财政将予以 5000 万元至 8000 万元不等 的专项补助。 [16] 8.3 新能源技术在未来城市中的应用展望 本届世博会上，太阳能光伏发电、风能、生物质能、新能源 汽车、水源/地源热泵等先进技术的大规模利用，向人们展现了 未来城市发展的美好前景。 展现了可再生清洁能源将取代传 统化石能源，成为未来城市能源利用的主要形式。 面向未来， 我国政府将着眼于城市的可持续发展， 继续加大科技创新力 度，加快发展方式转变，让科学技术引领城市未来发展。 [17] 古希腊哲学家亚里士多德曾经说过：“人们为了活着，聚 集于城市；为了活得更好，居留于城市”。 同样，“城市，让生活 更美好”正是今年上海世博会的主题。 未来城市向着多元化、 综合性发展。 当前，世界正由工业社会走向信息社会，未来城 市是社会信息网络中的一个节点，是人、环境和科学技术的结 合。 城市的功能和价值取向已不仅仅是为了满足人们居住、工 作、游息和交通等基本需要。 作为人类文明的主要载体，城市 的文化精神和教育功能，城市环境的连续和美化，城市传统的 回归和借用等等，都越来越为现代人所认识和重视。 这所有的 一切，都要归根于新能源技术所将推动的社会转变、城市的创 新将引领人们走向 21 世纪，这一“新的城市世纪”。 科 【参考文献】 ［1］沈清基.可再生能源与城市可持续发展.城市规划,2006,30,(7). ［2］Electrifying America. 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