是在贩卖梦想，还是在解决问题？Twitter上关于智慧城市叙事的发展

《Sustainable Cities and Society》：Selling Dreams or Solving Problems? The Evolution of the Smart City Narrative on Twitter

部署小型垂直轴风力涡轮机可减少输电损耗并提供夜间发电，但其环境效益受制于不确定性。本文通过混合生命周期输入输出方法，分析单台风机及在布鲁塞尔5193个屋顶的规模化部署，得出五项关键结论：1）过程分析低估能源与环境绩效61%和52%，需采用混合方法；2）屋顶风能潜力空间差异显著；3）环境投资回报率（GHGROI）依赖替代能源类型；4）优先在高层建筑部署；5）VAWT可作为可行可再生能源，提供季节性和夜间发电，减少电池需求及排放。

　　### 小型城市风力涡轮机的环境影响与可行性研究

在应对全球气候变化的背景下，城市中部署小型风力涡轮机成为一种可能的解决方案，有助于减少电力传输损耗并提供夜间发电能力。然而，尽管小型城市风力涡轮机的潜力受到越来越多的关注，其环境影响和生命周期性能仍存在不确定性，这限制了其大规模应用的可行性。本文旨在通过全面的参数分析，评估小型城市垂直轴风力涡轮机的生命周期能源与温室气体排放表现，并探讨在布鲁塞尔等城市区域中大规模部署的可行性。

### 问题的背景与重要性

气候变化的威胁促使人类在接下来的几十年内采取迅速行动以减少温室气体排放，其中依赖可再生能源是一个关键策略。风能和太阳能作为主要的可再生能源形式，其发展速度在近年来显著提升。根据国际可再生能源机构（IRENA）的数据，从2010年到2022年，太阳能和风能的发电量分别增长了3900%和512%。太阳能的增长主要归功于光伏板的广泛应用，而风能则以大型风力涡轮机为主，占92%的风能发电，其余则来自海上风力涡轮机。相比之下，小型风力涡轮机在城市环境中的部署尚未得到充分研究。

小型城市风力涡轮机能够提供多种能源优势。首先，城市中的风资源在高大建筑的屋顶上尤为显著，这为本地能源生产提供了机会。其次，本地能源生产可以显著减少电力传输损耗，这一点在光伏系统中已有验证。第三，小型风力涡轮机不受太阳能的昼夜间断性影响，能够在白天和夜晚持续发电。最后，风能与太阳能在季节性上存在互补关系，例如在某些地区，冬季风力较强而阳光较少，这有助于弥补太阳能发电的不足。

然而，小型城市风力涡轮机的部署也伴随着一定的环境影响，如对生物多样性的潜在影响、光晕效应以及可能的噪音和振动。因此，研究其环境影响对于实现可持续能源目标至关重要。

### 研究的现状与不足

尽管已有部分研究探讨了小型风力涡轮机的生命周期能量和温室气体排放，但这些研究存在显著的局限性。首先，多数研究依赖于基于过程的生命周期库存分析，这种方法低估了风力涡轮机的嵌入能量和温室气体排放，因为其无法全面捕捉复杂的全球供应链。其次，许多研究未能充分考虑城市环境中的风流情况，例如仅在城市外围或不采用先进的计算流体力学（CFD）模拟。第三，多数研究关注的是单个风力涡轮机，而未考虑其在城市规模上的部署，因此难以评估其整体性能和环境影响。

这些研究的局限性表明，需要一种更为全面的方法，结合先进的CFD模拟和混合生命周期库存分析，以准确评估小型城市风力涡轮机的环境影响。此外，还需考虑风力涡轮机在不同屋顶高度和不同风况下的表现差异。

### 研究方法与数据来源

本文采用了一种综合的研究方法，包括数据收集、生命周期库存分析、风流模拟以及参数分析。首先，研究人员收集了多种数据，包括单个小型垂直轴风力涡轮机的材料数据和城市建筑的三维模型。然后，通过混合生命周期库存方法，计算了风力涡轮机的嵌入能量和温室气体排放。该方法结合了基于过程的精确数据和基于输入输出的宏观经济数据，以确保对整个供应链的系统性评估。

接下来，利用CFD模拟技术，研究人员对布鲁塞尔的建筑屋顶进行了风流分析。通过建立详细的三维模型，研究人员能够准确捕捉城市冠层的风速和风向变化。CFD模型的建立基于过去40年的统计风数据，并通过机器学习模型对模拟结果进行了预测和优化。此外，研究人员还考虑了不同屋顶高度和不同风况下的风力涡轮机部署，以评估其在不同条件下的性能表现。

为了评估风力涡轮机的环境影响，研究人员还进行了参数分析，考虑了不同水平的不确定性，如嵌入能量和温室气体排放的不确定性。此外，还考虑了风力涡轮机的使用寿命，以确保对环境影响的全面评估。

### 研究结果与分析

研究结果显示，基于过程的生命周期库存方法低估了风力涡轮机的嵌入能量和温室气体排放，分别低估了61%和52%。这意味着，若采用混合生命周期库存方法，可以更准确地评估风力涡轮机的环境影响，从而为政策制定和实际部署提供更可靠的数据支持。

在布鲁塞尔的案例研究中，研究人员发现，仅13.4%的屋顶满足风力涡轮机的安装条件，即每年至少产生300千瓦时的电力。这表明，风力涡轮机的部署受到局部风况的显著影响，需要对风流进行详细分析和优化。此外，风力涡轮机的生命周期能源和温室气体排放表现也受到所替代能源类型的影响。在替代日益脱碳的电网时，温室气体排放回报率（GHGROI）通常低于1，而在替代燃气发电时，GHGROI则可以达到1.52，显示出更显著的环境效益。

研究还发现，风力涡轮机的能源回报率（EROI）和温室气体排放回报率（GHGROI）在不同屋顶高度和风况下存在显著差异。例如，布鲁塞尔的高大建筑屋顶通常具有更高的风速，因此能够提供更高的能源回报率。然而，风力涡轮机的部署需要综合考虑风流、建筑高度以及所替代的能源类型，以确保其在城市环境中的可行性和可持续性。

### 研究的创新点与政策建议

本文的创新之处在于首次将混合生命周期库存方法与城市风流模拟相结合，以评估小型垂直轴风力涡轮机的环境影响。此外，本文还首次在城市范围内应用该方法，结合了先进的计算流体力学模拟、三维建筑几何和高精度数据，为城市风能利用提供了新的视角。

基于研究结果，本文提出了多项政策建议。首先，建议在所有城市高大建筑中强制进行风能潜力的计算流体力学模拟，以确保风力涡轮机的合理部署。其次，建议对风力涡轮机的材料组成和生命周期环境性能进行透明公开，以支持进一步的研究和可行性分析。此外，考虑到风力涡轮机的环境效益可能受到电价和补贴政策的影响，建议将生命周期环境影响纳入财务成本评估，以确保决策的全面性。

### 研究的适用性与未来方向

本研究的结果具有广泛的适用性，可以推广到其他具有相似城市结构和风况的城市。例如，比利时、法国、荷兰等国家的城市可能具有类似的风能潜力和电网结构，因此可以借鉴本文的方法进行本地化研究。然而，研究也存在一些局限性，如数据来源的地域限制和建筑几何的简化处理。未来的研究可以考虑使用更全面的混合生命周期库存数据库，以提高研究的准确性。此外，还需要进一步研究风力涡轮机的结构加固需求和生命周期结束后的回收利用潜力，以完善其环境影响评估。

### 结论

小型城市风力涡轮机在应对气候变化和实现可持续能源目标方面具有重要潜力。然而，其环境影响和可行性受到多种因素的影响，包括风况、所替代的能源类型以及建筑结构。因此，需要采用综合的方法，结合先进的计算流体力学模拟和混合生命周期库存分析，以确保对风力涡轮机的全面评估。此外，政策制定者需要关注风力涡轮机的部署条件和财务激励措施，以促进其在城市环境中的广泛应用。