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简介 第1章 城市能源系统日趋增长的重要性3 1.1 动机3 1.1.1 城市化4 1.1.2 空间聚集4 1.1.3 气候变化和其他挑战6 1.1.4 当地机构6 1.2 需考虑的工作假设和问题8 1.3 本书架构10 第2章 城市能源系统的概念化12 2.1 城市能源系统的物理模型12 2.1.1 城市作为热力学系统13 2.1.2 城市作为代谢系统15 2.1.3 城市作为复杂系统16 2.2 城市能源系统的社会-技术模型18 2.2.1 家用能源技术18 2.2.2 大型技术系统19 2.3 定义城市能源系统20 第3章 城市能源系统简史：以伦敦为例22 3.1 简介22 3.2 从狩猎采集到殖民的转变25 3.3 早期城市化26 3.3.1 早期的可再生能源27 3.4 伦敦的扩张和向煤炭的转型28 3.5 道路､铁路和管道网络30 3.5.1 伦敦的下水道33 3.6 电力城市34 3.7 结论36 第二部分 城市能源使用与技术 第4章 建筑能源服务需求：改造潜力41 4.1 简介41 4.2 建筑物的燃料和电力需求41 4.2.1 建筑物的燃料需求42 4.2.2 建筑物的电力需求45 4.2.3 燃料和电力需求的社会学层面46 4.3 改造建筑物的潜在益处和实际障碍48 4.3.1 潜在益处49 4.3.2 实际障碍56 4.4 未来策略59 4.5 结论61 第5章 分布式多联供与区域能源系统63 5.1 简介63 5.2 分布式多联供：概念与建模64 5.2.1 一般概念与技术64 5.2.2 DMG系统的黑箱建模68 5.3 区域能源系统70 5.3.1 分布式能源与集成的益处70 5.3.2 综合能源规划的挑战71 5.3.3 未来的区域能源系统72 5.4 评估区域能源系统的环境性能73 5.4.1 与传统能源系统的比较及思考73 5.4.2 三联供分布式能源系统排放评估74 5.5 三联供区域能源系统数值案例75 5.5.1 区域能源系统描述75 5.5.2 案例研究与结果76 5.6 区域能源系统在低碳未来中扮演的角色77 5.7 结论78 第6章 城市能源系统中的生物质能和其他可再生能源：潜力､转换途径和未来趋势79 6.1 简介79 6.2 城市可再生能源79 6.2.1 太阳能80 6.2.2 水能和海洋可再生能源81 6.2.3 风能81 6.2.4 地热能81 6.3 城市生物质能81 6.3.1 生物质能源和潜力82 6.3.2 用于城市及城郊区域的生物质能路径89 6.3.3 城市能源系统中的生物质能和生物能源91 6.4 结论97 第7章 城市交通技术98 7.1 简介98 7.2 车辆和燃料技术100 7.2.1 燃料101 7.2.2 传动系统102 7.2.3 电网在交通系统中的角色103 7.3 智能交通系统106 7.3.1 智能基础设施108 7.3.2 智能汽车109 7.3.3 城市物流110 7.4 智能机动方案110 7.5 对城市能源系统的影响111 第三部分 分析城市能源系统 第8章 城市能源系统建模115 8.1 简介115 8.1.1 城市能源系统建模方法115 8.1.2 模拟城市区域的动态演化117 8.1.3 土地利用与交通集成模型118 8.2 Meta分析综述119 8.2.1 城市能源“系统设计”的文献综述119 8.2.2 城市能源系统的土地利用交通模型120 8.2.3 城市能源系统建模的挑战121 8.3 SynCity建模框架122 8.3.1 布局模型124 8.3.2 Agent活动模型AMMUA 124 8.3.3 资源流模型TURN 124 8.3.4 服务网络模型126 8.4 结论128 第9章 优化与系统集成129 9.1 简介129 9.1.1 城市能源系统的优化建模130 9.2 用于城市能源系统设计的MILP模型131 9.2.1 层级非均匀时间离散化132 9.2.2 角标133 9.2.3 资源守恒133 9.2.4 输入与输出134 9.2.5 资源转换技术134 9.2.6 传输技术135 9.2.7 存储技术136 9.2.8 性能指标和目标函数139 9.3 规划的案例分析140 9.3.1 资源与技术141 9.3.2 目标函数142 9.3.3 结果143 9.4 改造案例分析146 9.4.1 改造建模146 9.4.2 分析与结果147 9.5 结论149 第10章 受生态启发的城市能源系统优化建模150 10.1 简介150 10.2 城市作为生态系统：城市代谢的概念150 10.3 环境影响评价方法151 10.3.1 物质流分析151 10.3.2 生态足迹153 10.3.3 生命周期评估154 10.4 EIA与过程优化技术结合157 10.5 一个假想的案例分析157 10.5.1 输入数据与假设158 10.5.2 模型方程158 10.5.3 结果159 10.6 为城市能源系统设计选择EIA方法160 10.7 结论161 10.8 使用的符号162 第11章 基于活动的城市能源系统建模163 11.1 基于活动的模型之潜能163 11.2 土地利用运输模型与基于活动的模型的历史164 11.3 什么是基于活动的模型166 11.4 基于活动的模型中目前最先进的技术168 11.5 土地使用-交通模型中的能源170 11.6 一个应用案例：AMMUA 171 11.7 基于活动的建模方法之关键分析173 11.7.1 数据173 11.7.2 模型系统复杂度173 11.7.3 不同的建模规范173 11.7.4 应用背景的复杂性173 11.8 结论174 第12章 城市能源系统模型的不确定度和敏感度分析175 12.1 简介175 12.2 后常规科学与城市能源系统176 12.3 不确定度与敏感度分析178 12.3.1 不确定度分析178 12.3.2 敏感度分析184 12.4 案例：实现Newcastle-upon-Tyne未来的碳排放目标185 12.4.1 问题定义186 12.4.2 挑选参数及分析设定187 12.4.3 结果与分析191 12.5 结论193 第四部分 实施方案 第13章 城市能源系统中的管理转型197 13.1 简介197 13.2 理论转型197 13.2.1 发展中国家的燃料转型198 13.2.2 社会技术系统转型198 13.3 技术转型：哥本哈根的区域供热案例202 13.3.1 起源203 13.3.2 对比政策环境203 13.3.3 经验教训204 13.4 发展中城市的转型：肯尼亚Nakulu的案例205 13.4.1 收入和燃料消耗间的关系206 13.4.2 能源使用的环境影响208 13.4.3 技术和政策解决方案209 13.4.4 总结210 13.5 结论211 第14章 未来城市212 14.1 简介212 14.2 关于未来212 14.3 城市能源预测213 14.4 “概念城市”的未来214 14.5 单一公司的小镇216 14.6 大型复合城市的土地利用216 14.7 总体规划217 14.8 作为城市规划工具的未来情景218 14.9 城市场景中的特殊因素219 14.10 结论220 第15章 结论221 15.1 城市能源系统的持续重要性221 15.2 城市能源使用和技术222 15.3 分析城市能源系统223 15.4 实施方案224 15.5 汇总224 附录A 优化技术226 A.1 背景参考文献和工具226 A.2 模型分类227 A.2.1 变量和线性分类227 A.2.2 风险和不确定度228 A.3 混合整型线性规划MILP 229 A.3.1 优劣势229 A.3.2 MILP公式化策略229 A.3.3 求解策略230 参考文献231 內容試閱： 可靠的能源供给是城市的命脉。无论我们生活在一个只有几百人的小镇还是有着千万人口的大城市，每天都需要依靠能源来提供重要服务。能源给我们的建筑物供热供冷，照亮黑夜，为我们的办公室和工厂供能，为车辆提供燃料。即使在无法获取天然气和电力的非现代化城市中，动植物废弃物和生物质的供给对于满足供热和烹饪等日常需求也是必不可少的。但享用这些能源服务绝不能被视为理所应当，而且在接下来的几十年里城市能源系统将会面临更多挑战。 《城市能源系统：一种综合方法》试图捕捉此类复杂系统变化的本质。此书提出了一系列案例研究和前沿分析工具，以促进我们加深对这些被过度期待的基础设施的认识。本书的副标题取为“一种综合方法”，以此反映笔者的信念——通过对需求方式和单个技术进行集成，并充分考虑城市独特的社会背景和经济情况，城市能源系统的效率会有显著提高。 《城市能源系统：一种综合方法》引申于帝国理工学院的BP城市能源系统研究项目。该项目于2005年底启动，同时创立了帝国理工学院能源未来实验室，成为整个帝国理工学院能源研究的中心。开展该项目的主要目的是采用一种多学科、系统化的方法来确定在城市能源系统设计和运行中采用综合分析的益处，以确定城市能源强度和温室气体排放的降低潜力。该项目的设立在于人们日益认识到，城市能源系统和基础设施的资源消耗 对于实现更加可持续的生活方式至关重要。 该项目的灵感来自于复杂工程系统（如炼油厂）的建模、优化以及系统工程和过程集成的巨大成功。具体涉及建立一个城市能源系统的模型框架，并从广义概念上进行细化鉴别，该模型框架在优化城市能源系统设计和运行、利益评估，以及协助寻找合适的商业模式以实现利益最大化等方面具有巨大潜力。 该项目假设，尽管个别城市能源系统已经被优化，但是对不同能源系统和不同城市能源消费进行的交叉优化尚未开展。这样全系统层面的优化已经在其他系统及行业（如炼油厂和石化工厂）中产生了数十个百分点的效率增益。另一假设是，建模平台和计算工具的发展非常迅速，如同计算能力一样。尽管如此，与城市能源相关的研究挑战，其复杂程度无疑超过个位量级，涉及多种能源载体，并受数以百万 计主体的日常决策影响。 经过6年多的时间，该项目已接近尾声，而《城市能源系统：一种综合方法》这本书代表其开展过程中一个重要的里程碑。通过项目开展，我们在城市能源系统建模框架与模型开发方面取得了较大突破，这些工具为城市能源系统的设计和运行提供了独特的视角。然而，新的挑战仍在源源不断出现，这个领域依旧吸引着几乎每一个学科的研究人员。我们期望本书能吸引广大的读者群体。对于工程师，书中展示的建模技术可提供新的见解，案例研究将说明如何将创新的解决方案付诸实践。对于政策制定者和非工程技术人员，本书提供了各类城市能源技术的介绍，以便了解相关这些技术的主要特点以及它们与其他系统的关联。而对于学生，本书将会是城市能源系统相关知识的一站式平台，为这一跨学科领域的具有挑战性的重要问题提供了全面而系统的综述。 James Keirstead和Nilay Shah 伦敦

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