第 15 章智能手机：水联集成微电网
15.7 结论
这项研究的目的是量化一体化微电网可以提供的灵活性和自给自足程度。 为了得到这个答案，一个 50 个家庭的居民区被认为是 “Smarthood”，其中有一个分离的多环水生设施，能够为 Smarthood 的所有 100 名居民提供鱼类和蔬菜。 结果是有希望的：由于高热质量、灵活的泵和自适应照明的结果，水泵系统具有高度的灵活性，整体自给自足程度达到 95.38%，使其几乎完全自给自足和电网独立。 水上乐器系统负责 38.3% 的功耗和 51.4% 的热量消耗，因此水生设施对整个系统能源平衡的影响非常高。 早期的研究（德格拉夫 2018）表明，如果不依赖外部生物量来源驱动卫生防护中心，很难达到 60% 以上的自我消费水平。 即使把这一来源包括在内，技术经济上可行的最大自我消费也不超过 89%。 在 Smarthood 中，热电联产中心的生物量投入部分来自水生系统本身，以及灰水和黑水的回收。 较高的自我消费，加上对外部生物量投入的依赖程度较低，自我消费量达到 95%，使得拟议的水生微电网从自给自足的角度来看，性能优于作者所知的任何其他可再生微电网。 因此，本章的作者强烈认为，经过充分的实验，将水生温室系统纳入微电网，可产生在地方一级创建高度自给自足的食品 — 水 — 能源系统的巨大潜力。
· Aquaponics Food Production Systems15.6 讨论情况
为 Smarthood 概念提出的能源系统能够通过利用各个系统组件提供的灵活性, 实现近乎完全的电网独立性. 水生系统，特别是，有一个积极的 ** 表 15.4** 水生系统的灵活需求 表 海神 tr 类 = “标题” 日 组件 /th 日 数量级 /th 日 灵活性 /th /tr /thead Tbody tr 类 = “奇数” td 行跨度 =3 泵 /td td 0.05—0.15 kwsube /分支管理方案/苏加利用方案 /td td 行跨度 =3 并非所有泵都必须连续运行。 主要工艺（氧气控制、氨控制、COSub2/Sub 控制、储罐更换、悬浮固体控制）必须持续运行。 pH 缓冲液加液、反洗程序、水交换或备用氧气等较小的工艺无需连续运行 /td /tr tr 类 = “偶数” td 1—3 /小组 /td /tr tr 类 = “偶数” td 8,76—28,26 毫米/分/年 /td /tr tr 类 = “奇数” TD 行跨度 =2 照明 /td td 80—150 瓦/多功能喷雾器 /td TD 行跨度 =2 植物需要 ~4—6 小时的黑暗，其余的一天，他们可以人为地点燃。 这使得大约 0（夏季）到 12 小时（冬季）的灵活额外照明 /td /tr tr 类 = “偶数” td 容量系数为 10 — 20%，这将导致 28—105 Mwhsube/小/年度克苏贝/分级 /td /tr tr 类 = “奇数” TD 行跨度 =2 空间供暖（地板下）和水产养殖罐加热 /td td 444 千瓦位/小方/上度保护单位2/单位/年份 /td TD 行跨度 =2 由于混凝土地面的高热量以及 RAS 罐内的水量大，热负荷非常灵活 /td /tr tr 类 = “奇数” td 177,8 兆瓦/分/年 /td /tr tr 类 = “偶数” TD 行跨度 =2 蒸馏装置 /td td 50千瓦/小米/小/年 /td TD 行跨度 =2 蒸馏装置在热水（70—90 ℃）上运行，可以 具有显著的灵活性（MEMSYS 2017） /td /tr tr 类 = “奇数” td 166,4 兆瓦/分/年 /td /tr /tbody /表格
· Aquaponics Food Production Systems15.5 结果
表 15.3 显示了房屋和水生温室设施的电力和热消耗总量 (根据表 15.1 和 15.2 中的数据模拟)。 水生温室设施负责 38.3% 的功耗和 51.4% 的热量消耗。 因此，由于所有住宅能源和蔬菜/鱼类生产都是在当地进行，因此，对于一个住宅微型电网集成的水产设施的电力需求略高于当地总能源需求的三分之一。 热量需求约占总热量的 50%，这在很大程度上归功于在高温水中运行的蒸馏装置。 如图 15.4 和 15.6 所示，Smarthoods 能源系统能够在大部分时间平衡生产和需求。 参考案例中，电网进口电力的总份额为 4.62%。 有时可以观察到稍微的功率不平衡，这可归因于对于当前版本的模型而言，大多数情况下控制不佳。 例如，热电联产中心在数小时内多次从打开状态切换到关闭状态，导致电力过剩。 对于更加优化的控制系统来说，这种行为不会发生，因为可以与热泵配合使用，以便提供精确的电力和热量。 15.5.1 灵活性 该系统具有极高的灵活性，这是由于热电联产中心和水生设施具有灵活的照明和泵，以及高温缓冲能力，以及 ** 表 15.3** 微电网不同方面的电力和热负荷 表 海神 tr 类 = “标题” th 日 住宅 /th 日 水上乐园设施 /th /tr /thead Tbody tr 类 = “奇数” 平均需求/td td 17.2 千瓦 /td td 10.2 千瓦 /td /tr tr 类 = “偶数” 高值需求/td td 47.
· Aquaponics Food Production Systems15.4 方法
一个拥有 50 个家庭的居民区被认为是 “Smarthood”，其中有一个分离的多环水生设施，能够为 Smarthood 的所有 100 名居民提供鱼类和蔬菜。 对于 Smarthood 的详细模型，采用了阿姆斯特丹郊区居民区的假设参考案例，其中包括 50 户家庭（住房），每户平均住户 2 人（共 100 人）。 此外，一个城市水生设施包括一个温室、水产养殖系统、一个 UASB 和一个蒸馏单元。 根据荷兰典型家庭和温室的数据，对不同组成部分进行尺寸测量 (见表 15.1)。 #15.4.1 能源系统模型 建立了一个能源系统模型，可以模拟各种组件的能量流动，其主要规格见表 15.2。 无害环境管理能够计算一年中每个小时每个组件的能量流量。 ** 表 15.1** 荷兰每个人/家庭的食物和能源需求 表 沙特 TR TD/td 平均值（每资本/年）/次 共计 (100 人)/第一次 /th /tr /thead Tbody TR 大肠杆菌 =4食物/th /tr TR 蔬菜消费量（荷兰）/td td 33 千克素/苏普（而推荐使用 u73 千克/u /td td 7300 公斤 /td td 欧洲食品安全协会 /td /tr tr 类 = “奇数” TDD 所需温室面积 /td td 约 4 毫秒/水泵 /td td 400 毫斯普/水泵 /td td 根据最小值估计。 消费建议 /td /tr tr 类 = “偶数” TD鱼消费/td td 20 公斤 /td td 2000 公斤 /td td 粮农组织 (2015 年) /td /tr tr 类 = “奇数” TD/需要水产养养产量/需要/td td 0.
· Aquaponics Food Production Systems15.3 目标
这项研究的目的是量化微电网与分离式多环水电系统集成在一起的自给自足程度和灵活性。
· Aquaponics Food Production Systems15.2 智能手机概念
为了充分发挥食品 — 水 — 能源联系在分散微电网方面的潜力，一个完全一体化的方法不仅侧重于能源 (微电网) 和食品 (水电)，而且还侧重于利用当地的水循环。 将各种水系统（如雨水收集、储存和废水处理）纳入水生一体化微电网，产生了效率、复原力和循环性的最大潜力。 从现在起，完全一体化和分散的食品-水-能源微电网的概念将被称为 Smarthood（智能社区），并在图 15.2 中描述。 在 Smarthoods 概念中实施水生动力学的好处在于它有助于优化综合营养素、能量和水流（图 15.1）。 这种集成潜力远远超出了已经提到的 ** 食品 － 水 － 能源之间的联系 ** 全球 30% 以上的能源需求用于农业 全球 70% 以上的淡水需求用于农业 ！ 图片-3 ** 图 15.1** 食品 — 水 — 能源之间的关系显示了能源、水和食品生产之间的相互作用（根据 2015 年国际可再生能源机构） img src = “媒体/图像-20201002190013698.png” ALT = “智能模型中的解耦水电系统” 样式 = “缩放：67%;”/ ** 图 15.2** 按照 Smarthoods 概念设计的分散式地方环境中的解耦水生系统（如 [第 8 章]（/社区/文章/第 8 章-解耦-水壶系统）的集成。 绿色箭头显示水生系统在多大程度上可以与整个系统相互作用。 红色箭头表示热流，蓝色箭头水流动和黄色箭头功率流动 能源和食品系统之间的交叉。 例如，发生的可生物降解废物流可在厌氧反应堆 (例如 UASB) 中进行处理，并产生沼气和生物肥料 (Goddek 等人, 2018 年)。 即使是脱矿废物污泥也可以用作传统耕地上的液体粪便。
· Aquaponics Food Production Systems15.1 导言
由于利用风能和屋顶太阳辐射的分散式能源发电技术的兴起，转向完全可持续的能源系统，部分需要从集中式发电和配电系统转向分散式系统。 此外，将供热和运输部门纳入电力系统将导致高峰需求量大幅度增加。 这些发展需要对能源基础设施进行大规模和昂贵的改造，而现有生产资产的利用率预计到 2035 年将从 55% 降至 35%（Strbac 等人，2015 年）。 这提出了一个重大挑战，但也是一个机会：如果能够在 microgrids 中本地平衡能源流动，那么对昂贵的基础设施升级的需求就可以最大限度地降低，同时为主电网提供额外的稳定性。 出于这些原因，“微电网已被确定为智能电网的一个关键组成部分，用于提高电力可靠性和质量，提高系统能源效率”（Strbac 等人，2015 年）。 微电网可以提供急需的弹性和灵活性，因此很可能在未来的能源系统中发挥重要作用。 据估计，到 2050 年，一半以上的欧盟家庭将自行发电（Pujianto 等人，2007 年）。 因此，需要释放微电网内的灵活资源，以平衡间歇性的可再生能源发电。 城市农业系统，如水生动物（DOS Santos 2016），可以提供这种急需的能源灵活性（戈德克和科尔纳 2019；Yogev 等人，2016 年）。 植物可以在广泛的外部条件下生长，因为它们在自然界中习惯这样做。 这同样适用于水产养殖系统中的鱼类，它可以在广泛的温度范围内茁壮成长。 这些灵活的工作条件允许对能源输入要求产生缓冲效应，从而在系统内创造了很大程度的灵活性。 水产养殖系统所体现的高热量允许在系统内储存大量热量。 灯可以根据电力的充足情况开启和关闭，从而通过将其转化为宝贵的生物质，基本上限制了过剩的发电。 泵可与发电峰值时间（例如中午）同步运行，以限制净峰值功率（峰值剃须）。 最佳蒸馏装置（[第 8 章]（/社区/物品/第 8 章解耦-水壶系统））也具有非常灵活的热需求，一旦热量或电力供应过剩，即可关闭（即热泵将电能转换为热能）。 所有这些方面都使得水生系统非常适合为微电网提供灵活性。 除了提供消费灵活性之外，还可以进一步集成多环水生产系统，以提供生产灵活性。 沼气是由 UASB 在水生设施中生产的副产品。 这种沼气可以通过在微电网中加入微型热电联产生燃烧，以便产生热量和电力。 因此，在微电网中集成水生子系统可以提高供求两方面的能源灵活性。
· Aquaponics Food Production Systems