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| 編輯推薦： |
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《可持续能源——技术、规划和政策基础》在全球能源问题日益严峻的大背景下，介绍说明可持续能源这一得到广泛认可的解决方案，内容涉及科学、技术、设计、经济、金融、规划、政策、政治和社会等诸多维度，整合了能源数据分析、工程设计、生命周期经济成本效益、环境影响评估及规划和政策等方面的内容，展现了多年来能源模式、高效可再生能源系统及能源规划政策的研究实践综合成果，令可持续能源理论科学化，并通过实例使理论在技术层面更易理解。《可持续能源——技术、规划和政策基础》可供广大能源、环境等领域研究人员和技术人员阅读参考，还可供对新能源、碳减排等感兴趣的社会各界人士阅读，同时，可作为能源、环境等专业的高年级本科生和研究生教材使用。
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| 內容簡介： |
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《可持续能源——技术、规划和政策基础》首先介绍了能源模式和发展趋势与能源基本原理，而后探究了可持续能源在建筑、电力、交通和土地方面的实际应用，此外还讨论了可持续能源相关的政策和规划，并附有丰富的图表、模型和实例，全面地展现了可持续能源的发展历程、专业基础、实际应用、发展前景和相关政策规划等。本书可供广大能源、环境等领域研究人员和技术人员阅读参考，还可供对新能源、碳减排等感兴趣的社会各界人士阅读，同时，可作为能源、环境等专业的高年级本科生和研究生教材使用。
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| 關於作者： |
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宋欣，水电水利规划设计总院教授级高工。多年从事可持续能源、清洁能源的科研工作，具有丰富的相关工作经验。
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| 目錄：
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第一部分能源模式和发展趋势
第1章能源危机和利用模式2
1.1我们的能源困境3
1.2历史的观点：能源与文明4
1.3全球能源供应和消费6
1.4美国的能源供应和消费14
1.5本章总结21
第2章能源与可持续性23
2.1可持续能源标准24
2.2化石燃料的资源限制25
2.3化石燃料的环境限制35
2.4核能：曾经的伟大希望，现在正在衰落43
2.5向清洁能源的过渡正在发生：能效和可再生能源45
2.6本章总结52
第3章能源未来54
3.1不断变化的能源系统的复杂性55
3.2未来规划和展望56
3.3官方对能源未来的展望：美国EIA和IEA展望63
3.4未来能源情景：不同的假设、不同的路径、不同的未来69
3.5可能的能源未来：可持续能源路线图73
3.6能源市场力量和投资情景80
3.7本章总结84
第二部分能源的基本原理
第4章能源科学的基本原理88
4.1简介88
4.2能源科学基础89
4.3机械能93
4.4热能96
4.5电能100
4.6化学能104
4.7太阳能108
4.8核能114
4.9本章总结118
第5章能量分析与生命周期评估120
5.1生命周期思想和可持续性分析的原则121
5.2能量分析122
5.3能源审计、能源数据监测、能源控制和管理129
5.4能源系统经济分析133
5.5能源和材料系统的环境分析143
5.6本章总结152
第三部分建筑与能源
第6章建筑物的能源效率154
6.1住宅和商业建筑155
6.2场地能源和一次能源156
6.3热损失计算简介157
6.4窗户的热损失163
6.5墙体、天花板和地面的热损失167
6.6渗透作用热损失171
6.7总体热损失系数176
6.8供暖规模制定178
6.9年均供暖费用179
6.10提高能效的影响182
6.11供暖、通风和空调系统184
6.12热泵188
6.13本章总结192
第7章接近净零能耗：建筑物太阳能应用193
7.1太阳能资源193
7.2节能建筑设计策略199
7.3制冷负荷202
7.4被动式太阳能供暖210
7.5生活用水加热系统217
7.6接近净零能耗的太阳能房屋224
7.7本章总结225
第8章全建筑净零能耗226
8.1绿色建筑和绿色社区的发展226
8.2全建筑能源技术：电气设备和照明设备230
8.3建筑物能源效益准则：面向全建筑能耗241
8.4全建筑生命周期：建筑中的隐含能源245
8.5绿色建筑评估249
8.6零能耗建筑256
8.7面向全社区能源257
8.8本章总结258
第四部分可持续电力
第9章集中式电力系统260
9.1简介260
9.2电磁：电力的技术基础261
9.3实现现代电能应用：爱迪生、威斯汀豪斯和英萨尔261
9.4电力基础设施263
9.5电能的产生269
9.6传统发电厂的经济效益276
9.7本章总结282
第10章分布式能源284
10.1以分布式能源进行电网平衡284
10.2另一种挑战：“鸭型曲线”286
10.3需求侧管理（DSM）288
10.4需求响应项目291
10.5能源储存之一：蓄热295
10.6能源储存之二：储电298
10.7分布式发电（DG）302
10.8本章总结308
第11章光伏系统310
11.1光伏的历史310
11.2晶体硅太阳能电池311
11.3光伏制造316
11.4从单元到模块再到阵列最终到系统317
11.5太阳能性能评估319
11.6光伏系统的经济性323
11.7离网光伏系统329
11.8本章总结331
第12章大规模可再生能源333
12.1分布式太阳能333
12.2公用事业规模的可再生能源系统融资336
12.3风力发电338
12.4集中式太阳能（CSP）系统347
12.5本章总结350
第五部分可持续交通和土地利用
第13章交通能源与高效交通工具354
13.1交通中的能源使用356
13.2交通运输车辆能效362
13.3汽车排放和燃料标准：主要的三级减排，2017—2025年368
13.4新兴车辆技术：行业变革者？371
13.5车辆技术：未来燃料消耗减少和制造成本383
13.6本章总结391
第14章替代燃料、生物燃料和生物质能393
14.1替代运输燃料394
14.2生物质燃料的前景和潜力401
14.3生物乙醇燃料406
14.4生物柴油和可再生柴油413
14.5其他生物质能和新兴生物技术416
14.6天然气和氢气作为运输燃料419
14.7本章总结420
第15章全社区能源、交通和土地利用422
15.1社区交通422
15.2共享、电动、自主交通：城市客运新时代430
15.3可持续交通、宜居社区和土地利用436
15.4交通以外：土地利用、城市热岛和太阳能接入445
15.5社区能源和气候行动规划448
15.6本章总结451
第六部分能源政策与规划
第16章可持续能源的市场转型454
16.1市场转型的基本因素454
16.2技术经济解决方案456
16.3政策解决方案461
16.4社会解决方案469
16.5本章总结473
第17章能源政策474
17.1国际能源政策展望474
17.2联邦能源政策493
17.3联邦能源政策的总结和前景512
第18章美国各州和社区的能源政策和规划516
18.1州能源政策517
18.2社区能源规划与政策539
18.3本章总结556
参考文献558
中英文词汇对照表580
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本书的第一版于2008年出版，不到十年后，全球向可持续能源的转变顺利进行。本版遵循了第一版的大部分内容和格式，但进行了重大修订，以反映能源使用模式的重大变化。变动包括在能源效率和可再生能源方面的大规模投资，尽管燃料价格创下历史新低，但这些投资有利于减缓化石燃料的消耗量和碳排放的增长速度。本版阐述了理解并积极参与向可持续能源的转变所需的新的分析方法和数据。
我们面对的能源挑战和对应的解决方案是多维度的，涉及科学、技术、设计、经济、金融、规划、政策、政治和社会等多方面。因此，理解和推进向可持续能源的转变需要多学科的结合，涉及技术方面的科学家、工程师、设计师和经济学家（“技术人员”）以及规划者、政策制定者、社会科学家和民间团体（“模糊人员”）。我们的目标是使模糊的社会理论科学化，而让技术层面的理论变得更加易于理解。学习清洁能源转型的所有学生都需要理解涉及的数字，并能够使用、分析和解释它们。他们需要了解技术和设计过程，同时了解实现能源转型所必需的政策和社会机制。
为了实现这一目标，本书整合了能源数据分析、工程设计、生命周期经济成本效益、环境影响评估以及规划和政策措施等方面的内容。这本书是80年来能源模式、高效的可再生能源系统以及能源规划和政策教学与研究的综合成果。本书由六个部分组成：
Ⅰ.能源模式和发展趋势
Ⅱ.能源的基本原理
Ⅲ.建筑与能源
Ⅳ.可持续电力
Ⅴ.可持续交通和土地利用
Ⅵ.能源政策与规划
本书第一部分通过回顾能源对经济、环境质量和生活质量的重要性，为读者提供了“能源素养”，包括当下全球和美国的能源生产和消费模式以及未来的能源前景。第二部分提供了关于能源物理、工程和经济学的基础知识，因为其涉及能源生产、转换和消费。第三、第四和第五部分探讨了三个最重要的用能行业的技术和发展机会，包括建筑、电力和交通行业。本书前五个部分讨论了一些政策问题，而政策和规划是第六部分的重点。第六部分介绍了能源政策的基本原理，以及公共政策和消费者选择在能源市场可持续化转变过程中的关键作用。能源是21世纪最复杂的问题之一，本书认为向可持续能源的转型正在发生。
理解数字是本书的另一个前提，如果不理解数字，就无法理解能量。技术人员赞成这一点：“数字方面的事马虎不得。”在本书中，能源分析方法和经济分析的目的是让读者定量地认识和理解能源系统。重点是简单、实用、基于粗估和电子表格的用于小规模系统的设计、调整和分析的工具，包括经济成本效益评估。除了分析方法，本书还广泛使用案例研究来展示当前的已有经验并说明各种可能性。在开始本书的阅读之前，简要介绍一下向可持续能源转变的最新情况。
向清洁、负担得起的可持续能源转型
社会开发和利用能源的能力推动了人类文明的进步，促进了人口和经济的增长。化石燃料改变了世界。就在117年前，也就是1900年，在石油和电力时代开始时，世界人口为20亿，全球经济规模为1万亿美元。今天，化石燃料使用量增加了100倍，世界人口增长到76亿，经济规模达到75万亿美元。文明的发展需要能量。
但是世界能源系统是不可持续的。虽然化石燃料在20世纪提供了巨大的好处，但燃料的提取、加工、运输和燃烧也损害了人类健康和环境，包括采矿影响、石油泄漏，特别是空气污染。最重要的是，以碳为基础的化石燃料燃烧导致的CO2排放已经引发了全球变暖，科学告诉我们，除非我们能尽快控制CO2排放量，能够在本世纪中叶之前将碳排放减半，且在2100年之前将其减少到零，否则全球变暖将产生灾难性的影响。这一方案在2015年12月的《巴黎协定》中得到195个国家的认同。实现这一目标需要能源转型，并通过技术、能源市场、政策和社会选择的进步，在能源供应阶段脱碳和提高能源使用效率。我们需要能源来实现可持续发展。我们需要清洁的、负担得起的、可持续的能源。
尽管2017年化石燃料市场供过于求，燃料价格也处于十年来的最低点，但向可持续能源的转型正在发生。尽管全球仍有84%的市场能源依赖于化石燃料（美国为81%），但能源使用效率的提高正在减缓能源需求的增长，随着价格下降，可再生能源如太阳能、风能等正在世界各地迅速发展。
以下是当今能源使用和新兴能源转型的一些指标。
（1）需求
在欠发达国家需求增长的推动下，全球能源需求量持续增长，尽管2015—2016年的增速要慢得多——为0.9%。发达国家的需求自2000年以来一直保持稳定，美国2016年的能源需求量低于1998年，尽管在此期间其人口增长了17%，经济增长了35%。
（2）化石燃料
尽管数十年来燃料价格低迷，导致2015—2016年需求上升，但发达国家的石油消费继续停滞不前，2016年美国的石油需求量比2005年减少5%。创纪录的美国天然气产量压低了燃料价格，并增加了国内消费，特别是电力消费，但代价是煤炭消费的下降，从2008年到2016年，美国的煤炭消费下降了37%。全球煤炭需求从2000年到2013年增长了64%，但在中国和美国需求都减少的作用下，煤炭需求在2013年便达到了顶峰。由于得克萨斯州、北达科他州和宾夕法尼亚州的水力压裂技术的应用，美国石油和天然气产量从2007年迅速增长到2015年的创纪录水平。因此，石油进口占消费量的比例从2008年的62%下降到2015年的37%。美国所有能源的净进口量占能源需求的比例从2005年的31%降至2015年的9%，这是自20世纪70年代初以来未曾出现过的水平，接近能源独立。2016年价格偏低制约了油气产量，净进口量比例升至13%。
（3）碳排放与气候变化
当今全球能源系统面临的主要问题是气候变化。化石燃料CO2排放已将大气中的CO2浓度（体积分数）从1880年的260μL/L提高到2017年的407μL/L，引起全球变暖，在2016年达到创纪录的高温。过去的17年是有气温记录以来最热的18年中的17年，其中包括2014、2015、2016和2017四个最热年份。气候变化的影响，包括极端天气、海平面上升和生态系统影响的迹象正在全世界范围内被观察到，并将在未来几年内持续增加。《巴黎协定》旨在通过减少碳排放来缓解这些未来的影响。尽管全球与能源相关的CO2排放量从2000年到2013年增长了37%，但2014—2016年内的排放量并没有增加。从2000年到2016年，发达国家的排放量减少了8%，美国的排放量减少了14%。从2000年到2013年，中国的排放量快速增加，但2014—2016年没有增长，原因是煤炭使用量减少。
（4）能源效率
在化石燃料价格创纪录低位的情况下，能源需求增长缓慢令人惊讶。能源需求量受经济增长速度的影响，但更为重要的方面在于其受能源效率显著提高的影响，如建筑、车辆、照明、电气设备和土地利用等方面的技术创新和设计水平都取得了很大的进步。净零能源建筑、电动和混合动力汽车、LED照明、双效电机、智能电子控制和紧凑的城市形态对能源使用产生了重大影响。这些技术和设计刚刚开始获得市场份额。特别是在发展中国家，能源需求增长一旦站稳脚跟就停滞不前。
（5）可再生能源
可再生能源（水能、生物质能、风能、太阳能和地热能）占全球和美国市场能源的份额仍然仅为约11%，但太阳能和风能是增长最快的能源。从2010年到2016年，全球太阳能光伏装机容量每年增长38%，达到305GW，美国太阳能每年增长64%，达到40GW。全球风电装机容量每年增长16%，达到487GW；美国风电装机容量每年增长14%，达到82GW。在美国，2015—2016年间，风能和太阳能占所有新发电能力的60%，相比之下，天然气占34%，10%的煤炭发电产能被淘汰。几乎所有的风电容量都来自公用事业规模的风电场，但大约5/8的太阳能装机容量是公用事业规模（>1～2MW），其余是分布式小系统，主要分布在住宅（<20kW）和商业（<1～2MW）建筑的屋顶和地面上。风能和太阳能的发展受系统成本稳步下降和政府激励政策的刺激，因此，风能和太阳能得以在许多电力市场与现有的燃煤、核能和天然气发电厂相互竞争。在美国，奥斯汀能源公司（Austin Energy）以不到2.8美分/（kW·h）的价格签署了2017年太阳能采购合同，埃克西尔能源公司（Xcel Energy）的风能合同平均报价为1.8美分/（kW·h）。能源价格持续下跌。
（6）分布式能源
分布式能源（DERs）的发展，包括太阳能和其他与电网互联的能源、能效改进和需求响应技术，为社区能源自力更生和提高效率提供了机会。各种所有权和业务选择促进了发展，包括公用事业管理的计划和系统、独立的发电商、物业所有者系统、第三方能源服务公司、第三方太阳能租赁和购电协议以及社区共享系统。DERs的有效实施还需要调整传统的电力公用事业商业模式。DERs倡导者、公用事业公司和州公用事业监管机构继续就最有效、最高效和最公平的方法展开辩论，这是2017—2018年度重要的能源政策问题之一。
（7）清洁能源投资
2015年，全球对清洁能源（几乎全部是风能和太阳能）的投资达到创纪录的3600亿美元，其中亚太地区占54%，美洲占24%。在美国，2016年太阳能行业的就业人数增长到26万人，风能行业的就业人数增长到8.8万人，超过从事油气开采的18万人和煤矿开采的5.3万人。越来越多的公司承诺100%使用可再生能源，其中包括43家在RE100倡议下承诺的公司。其中包括宜家、谷歌、微软、高盛、塔吉特和沃尔玛。截至2016年，塔吉特和沃尔玛分别在其美国门店的屋顶上安装了容量为148MW的太阳能发电系统。
（8）化石燃料金融危机
与此同时，化石燃料行业，特别是石油和煤炭行业，面临着金融挑战。2016年1月，《华尔街日报》（WSJ）报道称，25%的美国煤炭生产商破产，包括拱形煤炭（Arch Coal）、阿尔法自然资源公司（Alpha Natural Resources）、爱国者煤炭（Patriot Coal）和沃尔特能源（Walter Energy）。2016年1月，规模较小的石油生产商正在申请破产，WSJ报道称，由于加拿大和美国的石油勘探和生产公司2015年估计负债3530亿美元，“按当前价格计算，北美油气生产商每周都在亏损近20亿美元”。与此同时，化石燃料投资大幅下降。皮博迪煤炭（Peabody Coal）的股价从160美元跌至5美元。2017年，美国的政策变化可能会增加化石燃料投资，但全球能源市场对石油和煤炭的影响可能比政策影响更大。
（9）化石燃料撤资
似乎市场状况还不够糟糕，一场以遏制气候变化为目的的化石燃料的全球性撤资运动正在如火如荼地进行。无化石组织（Fossil Free）列出了498家机构，它们从化石燃料公司撤走了所管理的3.4万亿美元资产。其中许多撤资决定都是基于道德原因做出的，但也有越来越强烈的商业因素导致撤资，而非继续投资化石燃料。如果要采取积极行动将全球气温上升控制在2℃以内，在没有经济高效的碳捕集与封存技术（CCS）的情况下，价值100万亿美元的化石燃料资产可能永远不会被利用，包括目前石油储量的一半、天然气储量的四分之一和煤炭储量的80%。因此，许多投资者认为化石燃料经济的前景更悲观，化石燃料投资的回报也很低。
（10）低碳核能和CCS
随着核电的大规模扩张和CCS的实施，碳排放可能会减少。核能提供了全球5%的能源（10%的电力）和美国8%的能源（20%的电力），但该行业正在衰落。1989年，全球有420个运行中的反应堆，到2002年才增长到438个的峰值；到2016年，有402个运行中的反应堆。目前在建的反应堆约有58座，其中36%在中国，26%在俄罗斯和印度。但有些新反应堆和其他反应堆，包括美国的四个，都受到成本超支和融资困难的困扰。正在建造美国四个新反应堆的西屋公司（Westinghouse）于2017年破产，这给美国未来的新核电增添了又一层阴云。全行业的问题，如反应堆老化，福岛核事故后的安全问题、退役问题以及永久性废物管理的不确定性，都将阻碍核电的任何实质性增长。此外，CCS也没有实现预期目标。一些示范项目并没有表明它是一种经济可行的能从化石燃料中隔离碳排放的方法。
（11）能源政策
《巴黎协定》是影响向清洁能源转型的重要国际政策指令。全球气温比工业化前水平最大上升2℃，到2100年实现零碳排放的目标雄心勃勃，但具体的国家承诺远远达不到这一雄心壮志。国家、州和地方各级政府的公共政策对于继续推进减排和清洁能源投资是必要的。包括欧洲国家、中国和印度在内的主要碳排放国已经为可再生能源和能源效率设定了积极的目标。在美国联邦一级，国会对主要的清洁能源和气候变化目标一直保持沉默，但奥巴马政府采取了强有力的行政行动，包括《清洁空气法》规定的新的和现有的发电厂排放、车辆效率标准、家电能效和公共土地上的煤炭开发。2017年，特朗普总统发布了行政命令，要求重新审查，并可能取消或减少其中的许多政策。2017年6月，特朗普宣布他打算让美国退出《巴黎协定》。这些命令以及他对来自化石燃料行业的内阁和机构官员的任命（他们对发展清洁能源和缓解气候变化的必要性持怀疑态度），可能会阻碍美国的可持续能源和气候保护的进程。这一切让我们拭目以待。与此同时，尽管联邦政策发生了变化，但许多州、城市、机构和私营公司仍在推进清洁能源的发展。各州可能会通过其公用事业监管、建筑法规和清洁能源激励措施在向可持续能源过渡过程中发挥重要作用。国家监管机构确定了分布式能源中必要的公用事业角色，包括需求侧效率、互联和净计量、可再生投资组合标准和公益基金。美国拥有模范能源政策的州包括加利福尼亚州、马萨诸塞州和纽约州。地方政府影响土地使用、建筑法规执行、交通和住房。拥有模范能源计划的美国城市包括俄勒冈州的波特兰、西雅图、奥斯汀和波士顿。110多家私营公司（包括通用汽车、苹果、谷歌、沃尔玛）承诺100%使用可再生电力。可持续能源运动正在发展壮大。
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