从工业4.0到城市4.0

引言

目前，全球约50%~60%的人居住在城市，这个比例在全球各地不尽相同。未来一段时间城市人口将迎来巨大增长，到2050年，全球将会有75%的人口迁居到城市。城市人口的主要增长动力在亚洲，非洲和拉丁美洲也会有较大增幅，届时我们将会见证许多人口密集的大城市诞生。如果对城市进行系统分析，就会发现未来超大城市的一些赋能器。我们必须寻找一个更环保、更宜人的城市环境，为城市里的工业园增添更多绿色，使用更多可再生能源，同时借助开放城市数据和城市大数据系统来赋能。受到当前工业领域实践的启发，基于在数据、材料和能源领域拥有的丰富经验，我们将探讨工业4.0能够给城市4.0带来哪些启示。

展望2050年时全球的能源供应，会发现人类面临着诸多挑战。到2050年，能源消耗将会急剧增长，人类将面临非常严峻的未来。在应对策略上未来将会在主流能源消费节约上下功夫，同时电动交通和能源供应的效率也会大幅提升，但仍然面临能源缺口，这个缺口需要可再生能源来填补。因此，需要思考如何把可再生能源集成到能源系统中去，同时对整个能源结构的效率进行全新的审视，挖掘在其中所具备的巨大潜力。

1.能源供应格局将发生诸多改变

脱碳进程将对人类产生深远影响，由多样化的可再生能源、各类软硬件系统、能源和供热运营系统等要素构成的欧盟的能源供应格局将会发生很多变化。同时，要对能源供应系统重新审视，比如在未来赋能消费者也参与市场运营，消费者现在可以是一个小型发电供应商，15分钟后他可能又是消费者，要素在新系统的角色会变化，相应的职能也会不同。

2.能源的经济性与社会性问题

新系统的所有这些技术变化也只是未来全球能源变革的一个方面，能源的经济性与社会性问题同样不容忽视。经济性问题指的是什么呢？比如在系统完善方面，我们可以开发新的硬件和软件解决方案让能源系统更加稳定，但是却不能将系统背后的大部分商业案例融合进来。另外，众所周知，在大城市没有安装可再生能源设备的空间，未来需要解决脱碳问题，通常会将这些设备安装在城市外围，而如果安装在外围，前面提到的那些不同的要素融合就是问题。

1.技术难点

可再生能源的波动性较大。在德国可再生能源比例很高，有时可再生能源的电力生产可能会超过消纳能力。尽管这些是更加清洁的能源，但是根据目前系统的要求，仍然需要关闭这些产能，从经济性角度而言这也是一种成本。在运营方面，每年至少要削减30亿吉瓦的可再生能源产能，因此需要从技术上找到更好的方案，以使得可再生能源更好地融入当前的电力系统中。也就是说，可再生能源是我们的能源基础，但是却又要面临无可改变的可再生能源的波动特性。

新系统的稳定性问题。通过引入一个能源系统参与方，最终致力于创建一个脱碳化、本地化的系统；就负载而言，无论是工业还是个人，甚至城市本质上也是一个能源负载池，从运营和经济性方面考虑的话，必须要让负载尽可能的保持弹性，新的系统中以更好地实现对可再生能源的兼容性。同时，结合可再生能源的波动性较大的特点，需要新的能源存储方案，以及需要另一种能源或行业来把能源转换成其他能源形式，以使得系统更加稳定，效率进一步提升。

2.解决之道

在弗劳恩霍夫IFF这方面的重点课题是创建各类数字化系统评估系统和应用，藉此来支持未来的系统运营更加经济高效且技术更加稳定。

（1）IFF有各种能源运营中心以及虚拟现实系统，这能够帮助我们研究未来将上线的新功能，通过在近现实环境中测试这些功能，最后在行业中推广应用。

（2）将在研究平台上开发各种新算法，应对未来能源系统将面临的动态变化问题，届时将会有更多可再生能源、新的市场参与者进来，新服务也层出不穷，新系统也将更加复杂。

（3）开发基于验证平台创建新的业务服务模型。例如物流方面，通过尝试开发各种数字化应用，例如通过安装数字化3D模块提高仓库管理灵活性，让系统运行、物流、仓库流程实现数字化，进而实现第一时间就能看到信息；基于这些信息，仓库数据、工业实验室等，创建一个新的系统来提高效率，这在环保的同时也会提升运营的经济性问题；最后，在当前高度自动化的物流中心基础上实现更高级别的自动化。

3. 从规划到实施的系统化解决方案

弗劳恩霍夫IFF不仅在能源、运营和物流运营方面发力，在物流规划、能源规划方面也有涉及。至少在欧洲，面临的一个大问题是场地空间。比如由于场地限制需要关闭大发电厂的解决方式，我们可以利用规划工具，为小型社区安装太阳能智能电网，通过这个应用，人们就可以规划基础设施。这样不仅仅是在技术上、经济性上，同时具有社会效益，比如说如果开启可再生能源进程，将会创造新的工作机会。

具体思路是，通过集成一个非常高效的解决方案来规划并运营新的系统。将能源行业转型分解到社区层面，从概念规划阶段就开始介入，一方面考虑大幅消减能源需求，以及与之相对应的二氧化碳排放减少，另一方面融合之前提到的那些可再生能源。为了实现这个目标，IFF开发了一个名为District Energy Concept Adviser的工具，这个工具的目标群体是市政府决策者、地方政策制定者，以及开发商和房地产协会，这样即便没有太多可用信息、并且对地区未来规划一无所知，他们也可以在最初始的阶段就规划地区未来的能源理念。这个工具易于使用，而且由于信息不多，也不做太细致的规划，也不涉及规格尺寸方面的量化，但是会评估未来这个地区的能源潜力，例如不同可再生能源融合、不同能源设备、不同的供应、不同的需求等。去年弗劳恩霍夫通过能源效率社区项目为国际能源署开发了各种能源接口。

4.应用案例

在德国斯图加特的项目提供了社区能源系统化解决方案。弗劳恩霍夫 IFF 在斯图加特一片场地上规划了一个新的片区，新城区需要为 600 家住户提供住所，这里会有服务行业，要使用能源优化建筑（这么做会大幅减少对法律要件的需求，在这个情形中减少了 45% ），同时集成了新型创新区域性供热系统，提供了优质的供热来源。

在这个案例中，为这个区域的不同住宅单元，服务行业单元开发了建筑原型，未来在这个地区，我们将可以看到这个区域优化的建筑结构；供热是通过市政废水管道系统完成的，下水道主渠在规划图上用红线标注出来，这样就可以为能源优化建筑获得所需的供热。在这个地区可以应对不同负荷、场景，开发工具中可以看到当地供热管道及高温 / 常温输水管道，从中可以辨识这种方案是否有效，也可以藉此判断你为这个区域预判的能源供应系统能否解决能源需求。在这里，不同的变量和不同的建筑原型可以通过建筑基础设施大幅降低能源需求，因此在非常早期的阶段，用户就可以评估哪个系统在其所在的区域中效果将会更好，当然这个地区也可以开发成一个称之为“能源 + 社区”的模式，在未来几年，我们将会在德国陆续看到这种新地区发展模式。

去年，弗劳恩霍夫 IFF 小规模试验了第一个能源+社区。它联通了当地的网络和电网，这个系统可以从当地社区吸纳能源，也可以将能源输送到当地社区的电网，因此其他建筑可以查看自己的需求，根据需要从当地社区输入能源。总之，会在电力使用上实现能源平衡，这就是能源+平衡。尽管这个社区很小，我们依然可以创造能源，提供给其他建筑设施和行业，其他地区则没有这种能源产能超过能源需求的潜力，我们也可以把样例缩小到具体建筑层面，德国有很多能源 + 建筑示范。例如，德国第一个能源+建筑是柏林的一个军方机构，房屋实现了能源富裕目标，法兰克福还有一个更大的能源+建筑群，对于过去几年德国开发的这些示范建筑，我们通常通过性能监控和评估来管理，也会通过网络进行操控。如果要分析这些建筑的级别，则需要看下这些建筑的智能水平。比如我们可以通过基于模型的控制来实现智能建筑的能源节约，这样我们就可以借助物联网的力量，学习其他行业的经验，最终实现建筑 4.0 的目标。

（本文由张冬梅根据 Gunnar Grün 和 Przemyslaw Komarnicki 在2020浦江创新论坛-新兴技术论坛I上的演讲视频整理，未经演讲者本人审阅。）

作者简介

Gunnar Grün，德国弗劳恩霍夫协会建筑物理研究所副所长，德国斯图加特大学声学与建筑物理系教授，弗劳恩霍夫-上海交通大学“城市生态发展”项目中心指导委员会成员, 从事室内环境舒适度、系统集成建筑能源效率方面的研究。

Przemyslaw Komarnicki，德国弗劳恩霍夫协会工业流程和自动化研究所能源和基础架构系统项目负责人，马格德堡大学电力系统工程学教授，致力于高效、安全的能源供应，特别是未来能源系统和设备方面的研发、设计和运营阶段的数字化运用和服务。

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