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【菱泰能源】净零建筑能耗城区能源管理新技术

本文来源: 菱泰能源 责任编辑: 发布日期:2018-08-17

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 净零建筑能耗城区的运行管理

实现净零建筑能耗城区的关键是运行,净零能耗是一个运行管理的目标。在运行管理中有3点与一般区域能源管理不同:

1) 净零建筑能耗城区的所有建筑都必须是实质性节能的。建筑物的超低能耗是实现净零能耗的必要条件。所有建筑的能耗水平都应优于民用建筑能耗标准中的引导值或各地建筑能耗限额标准中的先进值。个别建筑因为功能需要而无法满足超低能耗标准时,必须通过权衡计算,在城区层面上加以补偿。这给城区的运行管理带来挑战,必须综合考虑园区内所有建筑的能耗特性和运行状态,并实时控制能源系统供应侧和需求侧的平衡,以最小代价达到净零目标。在所有技术措施中,提高能效和降低负荷是优先选项,然后才是利用可再生能源(RE)。在可再生能源利用中,优先利用现场资源,最后才是通过交易利用其他资源(见图1,2)。


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2) 净零建筑能耗城区可以使用常规能源和化石燃料,但必须在1年的运行周期内生产足够的可再生能源,以抵消或超过所使用的非可再生能源。 因此,净零建筑能耗城区的能源系统是一个多能互补系统,其能源管理的关键一是如何协调“多能”,二是如何实现“互补”。因此,不能沿用传统区域集中式能源系统的管理理念,而要更多地借鉴和应用近年来蓬勃发展的能源互联网技术。

3) 净零建筑能耗必须通过全年运行能耗的检测加以验证,需要在城区层面建立能耗监测系统。 但这不是过去单体建筑意义上“从顶到底”的能耗监测,城区建筑既是能源消费者,又是可再生能源(特别是屋顶光伏)的生产者,即新型的所谓“产消者(prosumer)”,需要通过智能微网和传感器网,利用大数据分析,实现城区能源系统的优化管理和能源交易。

因此,净零建筑能耗城区的能源管理必须遵照能源互联网的理念。近年来国内外对多能源系统的运行和管理有许多研究成果和技术进展,本文做了初步的梳理。

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城区多能源系统的能源管理新技术

2.1 多源集成的能源总线系统(energy bus system)

实现净零建筑能耗城区,可以通过热泵技术利用自然界存在的低品位的可再生热源(国外也称之为anergy,指退化的热量或不能做功的能量)资源,例如地埋管地源、地表水源等。但这些资源具有空间分布不均匀、品位和密度较低的特点,由于建筑红线的限制,在单体建筑中应用难度较大。整合区域内的各类低品位热源,利用分布式的热泵做功提升热量的品位,充分利用建筑负荷的参差率,通过空间分布和使用时间上的调节,可以在城区规模上共享有限的资源,用较小的系统容量满足较大的园区整体建筑负荷需求,这就是提出能源总线系统的初衷。例如,在城区尺度应用地源热泵,通过能源总线技术就可以充分利用分散和零星的埋地面积,可以利用冷却塔作为夏季补充的热汇、利用太阳能热水作为冬季补充的热源。同时,水源热泵系统也可以做成分布式的,用小容量、高效率的机组(例如磁悬浮离心机)在建筑物或街区附近就近供冷供热。

在城区层面有大量可以利用的低品位余热废热,如电厂冷凝水、核电站冷却水排水、数据中心排热、大型变电站水冷系统循环水、热电联产机组排烟和城市污水等,过去由于空间分布距离过大和缺乏基础设施的原因,这些余热被废弃,成为破坏城市环境的痼疾。通过能源总线集成,将这些低品位余热变成水源热泵的热源,实现冬季“无燃烧供暖”。也可以实现“水环热泵”式的热回收,例如,夏季用能源总线回水管道中的温度较高的水作为水源热泵热水器的热源,在供冷的同时提供生活热水。

关于能源总线,《城区需求侧能源规划和能源微网技术》(上册)中有详细论述。近年来对能源总线的能耗特性、管网水力计算等方面有了进一步的研究;同时国内也有了在住宅小区、工业园区和城区的应用案例。

欧洲的典型案例是瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)在苏黎世郊区洪格堡建成的科学城园区。校园面积32万m 2,规划到2025年建筑面积将达到44.2万m 2 。因为容积率不大、单体建筑规模也不大,故采用分布式水源热泵系统供冷供热。总供热量15 GW·h,供冷量13 GW ·h。计算需要800根U形地埋管换热器(200 m深),选择了5~9个埋管位置,根据工程进度逐步开发、模块化推进。在园区建成能源总线(瑞士人称之为网(anergy grid))系统,为分布式热泵提供热源/汇。

2.2 多能源载体的能源枢纽(energy hubs)

2.2.1 能源枢纽概念

净零建筑能耗城区一定是多能源供能。如果说低品位的热源需要集成应用的话,高品位能源与可再生能源将通过不同能源载体(电力、燃气、蒸汽、热水等)输送到城区,经过再次转换(热电联产、热泵、锅炉、换热器等)变成建筑所需要的冷、热、电和热水等能源。利用互联网中的枢纽(或路由器、集线器)概念,使城区多能源载体(multi-energy carrier)的输送和转换过程得到很好的调节和调度。

能源枢纽概念(见图3)是2007年由瑞士苏黎世联邦理工学院Geidl博士等人提出的。能源枢纽是多能源供应端和需求端之间的交互界面,它建立了城区多能源输入和多能源输出之间的关系,例如电力、燃气和城市供热的输入,供热、供冷、供热水和供电的输出。能源枢纽的概念反映了能源供需间的转换、调节、储存和耦合关系,相当于单变量系统中的传递函数。能源枢纽内包含了所有的能源转换技术,如冷热电联供、变压器、吸收式热泵、电力驱动式热泵、锅炉、换热器、制冷压缩机、蓄热装置等。相当于互联网中的集线器或路由器,是能源互联网中的重要节点。


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2.2.2 能源枢纽在能源互联网中的地位和作用

尽管10年前就出现了能源枢纽概念,但真正发展是近几年进入能源互联网时代。现在的城区能源系统特点是:1) 去中心化。能源流像信息流一样,可以在世界上任何一个角落生产,通过互联网传输,不再依赖大型电厂这样“巨无霸”级别的能源中心。2) 可再生能源的加入。如太阳能、风能、地热能和生物质能的应用,实现真正意义上的分布式能源。3) 能源管理扁平化。城市能源的生产(production)→传输和转换(utility)→用户(consumer)(P-U-C)的结构关系正在由从顶到底的P2C模式转变为扁平化的C2C模式。由于可再生能源的应用,使得每一幢建筑都变成一座“发电厂”,每一个用户都变成生产者,而转换/传输(U)环节则成为交易平台和转换枢纽。不同能源载体之间的协同效应通过利用它们各自的优点来实现。例如,电力可以以极低的损耗长距离输送,而热水和冷水则可以用相对简单和便宜的技术大规模储存。因此,能源枢纽概念可以实现能源互联网中多能源系统的管理和系统的优化运行。优化目标首先应是成本最小化。

2.2.3 能源枢纽的模型

能源枢纽模型可以用矩阵形式表达为

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图4中的模型有两级耦合矩阵。一般设定优化目标为投资成本最小和运行成本最小。利用优化算法,可以将能量枢纽优化设计问题分解为能量枢纽系统设备配置和系统能量分配的双层优化问题进行求解。在净零建筑能耗城区中,还要考虑到能耗最小和化石能源与可再生能源之间能耗的匹配。

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2.2.4 能源枢纽的规划

能源枢纽的建模和优化要考虑以下因素。

1) 确定规模: 研究供应量与负荷的匹配,系统规模与城区规模的对应,以及投资和运行的经济性等因素。

2) 运行策略: 根据实际运行的动态负荷,调整能源的产出量,以及承担生产的能源品种,达到经济上最优。

3) 储能配置: 储能装置的形式和容量。

4) 系统性能: 系统能效、供能品质、系统适用性和可靠性。

能源枢纽模型是净零建筑能耗城区多能源系统的很好的规划工具,值得进一步开展研究。

2.3 分布式能源系统的能源区块链(energy block chain)技术

2.3.1 区块链概念

区块链概念是2008年由Nakamoto提出的。区块链本质上是一种基于非对称加密算法的分布式账本技术,该分布式账本上产生的每一笔交易都必须经过全部节点的共识机制检验通过后才能被记录。这是一种去中心化的点对点交易体系,除被加密的隐私信息外对任何参与者公开数据,用一系列算法保证数据安全,因此它不需要信用担保。区块链由众多节点共同组成一个端到端的网络,不存在中心化的设备和管理机构。区块链技术被认为是继大型计算机、个人计算机、互联网、移动互联网之后的第5次信息技术革命。因此,世界上很多行业和研究机构对区块链技术表现出浓厚的兴趣,也在个别国家和金融等少数领域得到初步应用。

比特币是以区块链作为底层技术的数字货币之一。截至2018年2月19日,比特币的价格突破11000美元。由于比特币不需要各国中央政府的信用背书和监管,不需要经过银行的交易平台,所以被世界上大多数国家政府所否定。在美国,只是将比特币定义为大宗商品。我国政府则明确比特币“不具有与货币等同的法律地位,不能且不应作为货币在市场上流通使用”。但包括中国在内的各大国都在加紧研究区块链技术在各领域的应用,都想在这可能到来的信息技术革命中占据前沿位置。

2.3.2 区块链技术在净零建筑能耗城区能源管理系统中的应用

区块链是一个去中心化的对等网络,其运行方式是分布式集体运作。这一网络结构形态和运行方式与城区分布式能源系统在能源互联网形态下的协同自治运营模式有相似之处。城区的电力、热力、燃气等不同能源系统长期处于分立自制的状态,分属于不同的能源机构管理,这些能源机构在各自领域又都具有垄断地位,在经营上是排他的。而像屋顶光伏这样的可再生能源系统却可能是分散的,分别归属于各幢单体建筑的业主。这些建筑既产能又用能,在城区层面上难以设立一个中心化调度机构进行运行管理。因此在净零建筑能耗城区中需要通过去中心化的协同实现可再生能源利用的最大化。要在城区层面实现能耗数据公开透明、能源管理协同自治,以及点对点的能源交易,这些都与区块链技术的理念相吻合。

德国能源机构DENA的一份报告展望了区块链技术在城区能源系统中可能的应用领域。第一大功能是能源系统的过程优化,包括:1) 智能电表、去中心化能源系统和各种小微支付的账单管理;2) 能源设备和家电的销售、顾客服务以及产品的改善;3) 基于能源监测系统和数据采集,对去中心化能源系统及能源微网的自控和优化;4) 智能能源系统中的能耗计量和数据传递,包括其标准化;5) 电动汽车公共充电站的运行管理与交易管理;6) 与合作伙伴的数据交换、与电网运行者的通信,以及与社会各方的知识交换;7) 去中心化城区能源互联网的管理,也可用于需求侧管理以增强能源系统的灵活性;8) 对数据的鉴定和验证,保护隐私和信息技术安全。第二大功能是建立能源平台和市场,包括居住建筑的产消者之间的点对点(P2P)交易和企业之间的B2B交易。通过交易平台的建立,实现城区能源的去中心化生产、去中心化能源管理,提供净零建筑能耗城区能源系统的解决方案和可再生能源系统的集成。

因此,区块链技术在分布式能源系统尤其是净零建筑能耗城区能源系统中有应用前景,可以为城区的净零能耗目标提供技术支撑。

2.3.3 区块链技术应用的障碍

区块链技术始于虚拟货币比特币,本质上只有数据流,而在能源互联网中应用需要面对数据流和物理流(能量流、流和能源载体流),实际过程比比特币等更复杂。

目前,在能源领域对区块链技术开展研究的还主要是电力专业和控制专业人员。由于热和电等不同能源系统的物理特性和调节模式差别很大,其源网荷储的特性及控制方式、控制间隔时间、信号指令等很难统一,因此需要建立一个标准化平台进行协调,平台数据能在多个能源系统之间同步。

在传统货币银行学中存在“不可能三角”,也称为“三元悖论”,即开放经济下一国无法同时实现货币政策独立、汇率稳定与资本自由流动,最多只能同时满足两个目标,而放弃另外一个目标。相类似,当前的区块链技术也存在“不可能三角”,即无法同时达到“高效低能”“去中心化”及“安全”的要求。比如,为了保证安全性,区块链的计算效率较低。而且,参与者越多,即交易点越多,区块链的安全性越好。而城区层面的能源系统规模不可能很大。

更重要的是,区块链的去中心化理念是与现行的能源供应侧天然垄断的体制格格不入的。尽管区块链技术的应用可以做到让供应侧和需求侧多方受益,但供应侧受益的前提是现有的能源公司要转型成为能源服务公司,从以“管”为主、有唯一的定价权转变为以提供平台服务为主、服从市场化定价,但这种转型过程艰难。

为避免区块链技术与现行能源政策不相容的问题,也可以考虑图5中的准区块链模式。即出现一个负责调度和优化管理的能源中心,但产消者之间的交易还是通过去中心化的平台实现,产消者的受益和支出都记录在所有的账本(即数据钱包)中。而能量流受能源中心的控制,不能完全实现公平和透明。这种方式在净零建筑能耗城区中较容易实现。


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2.4  泛在绿色城区控制网络协议(UGCCNet)

2.4.1 UGCCNet的基本概念

2011年,经美国电气和电子工程师协会标准(IEEE-SA)批准,由我国企业主导制定的IEEE 1888标准(Ubiquitous green community control network protocol,UGCC Net,泛在绿色社区控制网络协议)发布。2015年3月,国际标准化组织ISO/IEC宣布该标准为全球能源互联网产业首个ISO/IEC国际标准(ISO 18880)。这一标准宏观上是能源互联网领域的TCP/IP标准。可以联结分散的、不同格式的能源数据,构建应用领域宽泛的、跨专业平台的能源互联网。由于它基于TCP/IP开放体系,应用下一代网络IPv6,因此可以容纳海量数据,适于城区或城市级别的传感器物联网所采集的大数据,使能源管理上升到新的平台。其主要技术特征为:统一的通信方式、共享的数据和服务、开放的软件代码和服务开发、兼容各种控制协议。图6为UGCCNet的系统构架示意图。


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2.4.2  UGCCNet在净零建筑能耗城区中的应用

UGCCNet通过TCP/IP远程网络和传感器物联网,可以对城区范围内的耗能设施统一管理和智能控制。城区能源系统是一个复杂的异构网络。城区中各幢建筑可能有不同功能和不同业主,所采用的建筑设备和终端能源系统来自不同的制造商,有不同的控制协议和网络架构。因此,UGCCNet的底层用了CSV数据格式,兼容BACnet,LonWorks,ZigBee和ModBus等几乎所有建筑设备领域中的工业控制协议,可以支持对可再生能源和分布式能源的远程分布式管理。其主要应用为:

1) 可再生能源和分布式能源的电力调度;

2) 蓄热和蓄电控制;

3) 用户端能源生产与消费的输入、输出控制和计量与计费;

4) 能源总线源/汇的协调控制和管网控制;

5) 多能源系统源、网、荷、储的协调控制;

6) 城区建筑能耗大数据的采集、监测、统计与分析;

7) 新增设备的接入;

8) 系统运行状态的实时诊断和演示。

UGCCNet除了城区能源管理的功能之外,还可以承担智慧城区的其他管理功能,实现智慧城区中能源、环境、交通、行政、教育、医疗、购物和娱乐的智能化管理。尤其在5G无线网络行将普及的节点上,UGCCNet必将成为城区管理的主要平台技术,并为利用能源互联网、大数据、区块链等技术实现净零建筑能耗城区目标提供了基础设施。

2.5 大数据(big data)技术

2.5.1 大数据的概念

所谓大数据,指的是传统数据处理应用软件不足以处理的大或复杂的数据集。联系到城区能源管理系统,尽管有EMS能源管理系统的大量检测数据和能耗监测系统大量的记录,但目前这些数据并没有得到很好的开发应用,因此这些数据还算不上大数据。大数据具有3V特征,即volume(数据量大)、velocity(信息输入、输出的速度快)与variety(数据的多样性),有的还加上第4个“V”,即veracity(数据的真实性)。目前的建筑和城区的能源管理系统还不具备这些特性。首先是数据量有限。比如,1台冷水机组有30个运行参数,假定每15 min采样一次,全年运行300 d,每天16 h,则单台机组全年数据量大约只有20 MB,而且这些数据主要用于机组的闭环控制,只能通过简单的回归,找出制冷机能耗与气象参数等少数影响因素的关系,并不能衍生出其他有用的信息。而能耗监测系统则主要记录各时间点的建筑能耗(主要是电耗),也没能精细地分项计量。例如因为电路配置的局限,无法区分照明、插座和空调末端的能耗,也就没有办法准确诊断建筑能耗高低的原因。总之,是数据的多样性不够。图7显示了常规能源管理系统(EMS)与基于大数据的能源管理系统的区别。


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2.5.2 净零建筑能耗城区能源管理中的大数据应用

要在净零建筑能耗城区的能源系统中利用大数据进行能源管理,需要通过以下一些与以往的能源管理系统有所不同的环节:

1) 数据的收集和储存。 借助城区泛在网络,建立城区级的传感器物联网(IoT)。改变过去建筑自控系统只采集有限个系统代表点信息的做法,在城区能源系统源、网、荷、储的每个关键节点上都要采集数据(例如管网中每个阀门、每个局部阻力节点)。除了物理数据采集,还需要环境参数(气象参数、地源热泵的地温/水温)、行为参数(特别是各建筑的人流量)等影响因素的动态信息,并结合智能能耗计量表采集的数据。数据的采样间隔一般应小于15 min。

2) 数据准备。 通过数据清理、数据整合、数据提取、数据转化和数据加载等流程,使数据满足使用的需要。然后通过数据选择,用算法和工具提取分析中有用的数据。

3) 数据分析。 可以根据城区具体情况,定义净零能耗的运行关键绩效指标( KPI )或建立城区正常运行状态下能耗的参考模型。将运行数据与 KPI或参考模型参数进行对标,得到运行数据的偏差。通过对数据深度挖掘,找到能耗与各种影响因素的关系,比如与人流量的关系、与城区微气候和被动技术可利用性的关系等,从而确定能耗偏差的原因,对运行策略和运行时间表进行修正。

4) 高级数据分析。 用回归、相关、聚类、预测、建模和优化等各种手段,对城区为实现净零建筑能耗目标而实施的能源系统运行策略进行分析和总结,生成系统运行的月报、季报和年报及能耗绩效的特别报告,以指导运行和系统调适。

大数据在净零建筑能耗城区能源管理中的应用将传统管理系统以物为主的能耗管理模式转变为以人的需求为主。现在的技术条件,已经可以将人的活动、人的行为、人的需求等转化为数据,与系统运行状态和能耗建立关系,从而找到最佳的运行策略。但问题是用什么手段检测人的状态、了解人的需求,尽管目前有5G网络、GIS定位系统、各种传感器、可穿戴设备、移动通信等各种手段,但因为涉及人的隐私和用户的业务机密,在使用这些手段时必须慎重。另外,人的需求有时是主观感觉,如人的舒适感往往用投票的办法经统计来确定。因此,如何合理获得用户的投票需要研究。但无论如何,“基于大数据”的能源管理系统如果不结合用户的响应、不顾及人的因素,就没有实际意义。

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建筑直流供电技术
3.1 净零建筑能耗城区利用直流供电技术的必要性

净零建筑能耗城区的能源系统中可再生能源的占比很高。在城区层面的可再生能源利用有几个特点:

1) 以可再生能源发电为主。 在城区建筑中利用最多的是光伏发电,光伏发出的电力是直流电,通过逆变器转换为交流电并入电网。光伏所生产的直流电在转换成交流电过程中损失的能量高达23%。

2) 风电发出的是交流电。 但为了克服其频率的波动性和发电的间歇性等弊病,避免对电网的干扰,先要通过整流转换为直流,然后再通过逆变器转换为交流电并网。

3) 可再生能源的蓄电电池和城区能源系统中的燃料电池使用时是通过化学能与电能之间的转换,提供的是直流电。

4) 净零建筑能耗城区中冷热电负荷较小,通过城区层面的负荷平准化使得负荷与光伏发电之间有更好的一致性,因此利用直流供电可以提高系统效率20%以上。

在超低能耗或净零能耗建筑中,采用直流供电会带来很多效益:

1) 越来越多本来需要交流转换直流的电器设备可以不必转换,由此可以减少综合能源损失10%~20%。现代建筑中交流供电是标配,但大部分家用电器和建筑电器实际用的都是220 V直流电。这些电器的电源输入端都有整流电路,把交流220 V电压变换成直流300 V左右的电压,然后再进一步变换成电器所需要的各种直流电压。一个美国家庭每年由于交、直流转换导致的电力损失高达500~1 000 kW·h。

2) 信息技术的发展,使得以太网供电技术(PoE)应用越来越多,即利用以太网的布线基础架构为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)在传输数据信号的同时,还能为此类设备提供直流供电。目前以太网端口供电功率已经达到80~100 W。

3) 能源互联网的基础——物联网中的大量传感器同样也需要基于网络的直流供电平台。

4) 为提高家电效率,越来越多的产品采用直流电动机驱动;空调、制冷机、洗衣机等家电广泛采用变频技术。

5) 随着电子工业第三代半导体(宽带隙半导体)技术的突破,新的直流供电产品会不断涌现(如家庭流媒体设备、高照度LED灯等)。

6) 有利于分布式能源(燃料电池、光伏等)的运行,无须转换直接并入电网,包括电动汽车的电池并入电网作为应急电源用。

7) 蓄电装置如电池可以无须转换直接供电。

8) 可以用可再生能源直接为插电式电动汽车和混合动力汽车充电。

图8给出了直流电和交流电混合供电的智能微网的结构示意图,这也是在目前阶段比较好的城区供电方案。


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如果在净零建筑能耗城区中,直流供电能覆盖整个城区,则可以得到非常显著的节能效果。图9显示了美国中等规模城市采用直流供电预期所能达到的节能效果。

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3.2 需要解决的问题

1) 建筑物内电压等级问题。 因为各种电器要求的电压相差很大,如果在建筑物内设置过多的压等级,势必会使配线复杂化,使用户无所适从;而如果简化电压等级,会要求各种电器将原来的AC/DC转换改变成DC/DC转换,尽管DC/DC转换效率高于AC/DC,但毕竟还是会带来损失,使直流供电的节能效果打了折扣,同时也降低了设备的可靠性。究竟以哪一个电压等级为准,需要权衡。低电压供电安全性好,但对于一定功率的电器而言,电压低电流就大,电流大线缆损失就大,并会对节能效果产生影响;高电压供电安全性差,断路时会产生电弧,一般要求在120 V以下。目前较多的意见倾向于2个电压等级,即350(380)V和48 V。也有3个电压等级的方案(再增加一个110 V电压,如图8所示)。高电压等级主要用于区域供电和某些大功率设备,采取直连方式;低电压等级主要用于室内插座。

2) 建筑直流供配电的技术标准。 以前的建筑供配电标准和各种电器产品标准都是基于交流供电的,需要作很大的调整,这也是涉及多方利益的大事。比如室内墙插座,要用于直流就必须区分正负极;要有不同电压等级就必须有明显标志。目前美国等发达国家已经着手相关标准的制订。建立标准是技术高地,中国的建设规模首屈一指,必然是城区直流供电最大的市场,理应占领这一高地,与世界各国一起推动净零建筑能耗城区的发展。

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结论

能源总线、能源枢纽、能源区块链、泛在绿色城区控制网络、基于大数据的能源管理系统,以及建筑直流供电等新技术、新理念,适合多能源、分布式、共享式的净零建筑能耗城区能源系统的特点,有广阔的应用前景。对这些技术的研究,国内外都刚刚起步,处于同一起跑线,还需要做大量深入细致的研究工作。中国正处在城镇化进程的高峰期,有大量的实践机会,相比发达国家更有在技术上领先的优势。


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