CN102236833B

CN102236833B - 实现能源优化利用的泛能网及提供能源交易和服务的方法

Info

Publication number: CN102236833B
Application number: CN201010173519.1A
Authority: CN
Inventors: 甘中学; 孟滨申; 刘征剑; 韦安; 汤青; 张凡
Original assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: CN102236833A; US20130238158A1; US9778719B2; WO2011134432A1

Abstract

本申请公开了一种用于实现能源优化利用的泛能网，包括以传输泛能流的虚拟管道互联网络架构连接在一起的节点，在所述节点之间双向传输泛能流，所述节点包括系统能效控制器，以及连接至系统能效控制器的其他节点、能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个，其中，所述系统能效控制器控制其他节点、能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置的至少一个的泛能流的输入和输出。此外，还公开了泛能网的节点、接入终端、虚拟标签、虚拟管道、以及利用泛能网提供能源交易和服务的服务器及其方法。泛能网实现了多能源(多种类型的能源和/或来自多个地理位置的能源)的耦合利用、管理和交易服务，利用其系统能效控制器优化能源利用的全过程，从而提高了系统能效。

Description

实现能源优化利用的泛能网及提供能源交易和服务的方法

技术领域

本发明涉及能源利用的系统和方法，具体地，涉及用于实现分布式能源优化利用的泛能网及其节点、接入终端、虚拟标签、虚拟管道、以及利用泛能网提供能源交易和服务的服务器及其方法。

背景技术

迄今为止，人类的现代生活主要基于对石油、煤炭、天然气等为代表的一次化石能源的各种利用。全世界大半个世纪依托化石能源发展的一个严重后果，便是全球气候和环境日益恶化。气候变化已成为全球经济发展面临的强硬约束，环境问题已成为全球可持续发展最严重的挑战。

另一方面，化石能源由于持续消耗而趋于枯竭。已经预测全球石油储量大约在2050年左右宣告枯竭；全球天然气储备估计在2050年左右枯竭；全球煤的储量可以供应169年。因此，能源问题已经是社会和经济发展的一个根本性问题。

解决能源问题的关键是发展低碳经济，即采用清洁的替代能源、提高能源利用效率和再利用，以减少温室气体和其他污染物的排放，同时获得整个社会的最大的产出。通过能源技术创新和制度创新，减缓气候变化并实现人类的可持续发展。低碳经济被人们认为是继工业革命、信息革命后，第五波改变世界经济的革命浪潮，而低碳、高效能将成为未来生活主流模式。

现有技术主要关注作为能源形式之一的电能的利用，其中已经采用了利用信息技术提高电能利用效率的技术。

我国学者武建东提出的互动电力网是在开放和互联的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电力网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电力网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理。然而，针对互动电力网还没有提出具体的技术方案，仍然欠缺可行性。

在美国，奥巴马上任后提出的能源计划中的智能电力网是建立美国横跨四个时区的统一电力网；发展智能电力网产业，最大限度发挥美国国家电力网的价值和效率，将逐步实现美国太阳能、风能、地热能的统一入网管理；全面推进分布式能源管理。

美国电气电子工程师协会(IEEE)制订了智能电力网的标准和互通原则(IEEEP2030)，包括以下三个方面的内容：电力工程(powerengineering)，信息技术(informationtechnology)和互通协议(communications)。

此外，美国GEenergy也阐述了“智能电力网”(或称为“能源互联网”)的概念，即在现有的电力网提供双向的信息流、多向的能量流和闭环自动控制，使得人们可以对能源利用进行智能化决策，有利于管理和提高能源利用效率。尽管根据信息流的信息进行闭环自动控制是未来电力网的重要方向，但GEenergy还没有提出具体的技术方案。

Taft等人的美国专利申请US20090281677公开了用于改善电力网管理的“智能电力网”，其中主要包括以下几个方面：一是通过传感器连接资产和设备提高数字化程度；二是数据的整合体系和数据的收集体系；三是进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理。通过对电力生产、输送、零售的各个环节的优化管理，使得相关企业提高运行效率及可靠性、降低成本。

转让给EnergyandPowerSolutions公司的美国专利申请US20090281677公开了用于优化能源利用和减轻环境影响的系统和方法，其中通过通信网络收集应用端(即耗能设施)的数据，进行处理和分析，使得该应用端的管理者可以发现有潜力节能减排的方面。

转让给V2Green公司的美国专利申请US20080039979公开了一种用于电能汇聚和分配的系统和方法，其中将分布式电源联合供电提供的电能经过电力网提供给应用端，并且供电端、应用端和电力网的信息通过互联网发送到流控制中心。该专利申请还提出了将电动车辆的电池和超电容器作为联网的电能存储装置，电能存储装置间歇地或永久地连接在电力网上。

上述现有技术通过将现有电力网与网络通信技术相结合，实现了电能生产、传输和利用的智能化。

然而，除了上述已经特别指出的缺点外，现有的能源利用方案还存在以下三方面的问题。

首先，以上现有技术仅仅涉及单一能源(即电能)利用的能效优化，以设备节能或企业节能为主，并没有实现多种类型的能源的整合和优化，没有实现城市和区域节能。

在图1所示的现有技术的能源利用系统的示意图中，发电厂11、锅炉12和燃气生产或储存装置13分别经由电力网21、热力网22、燃气网23独立地向用户提供电能、热能和燃气，以供用电装置31、取暖装置32和燃气灶具33等使用。这三种能源的生产、输送和使用是完全独立的，三种能源网分别优化，产能和用能匹配，以稳态优化为主。

然而，还没有提出将不同类型的能源/能源耦合利用的方案。

其次，如图1所示，典型地，各种能源在其利用系统中从生产端单向传输到应用端。在已经提出的智能电力网的方案中，通过智能仪表等收集的信息可以在信息网络中双向传输。此外，如果利用分布式能源联合供电，则应用端也可以利用太阳能发电等发电并将其传输到电力网中。因此，在智能电力网中，电能也可以是双向传输的。

然而，还没有提出针对电能之外的能源形式实现分布式能源生产和双向传输的方案。

最后，在现有技术的智能电力网的方案中，信息经由信息通信网络传送，然而通常仅仅用于供电端、应用端和电力网之一的管理或决策，而没有针对电能生产、传输和应用的全过程进行能效优化。供需端分别优化，不能实现供需端的动态协同优化。

发明内容

针对现有能源利用系统的上述缺点，本发明人提出了新的能源利用系统和方法。

本发明的目的是提供一种实现多能源(多种类型的能源和/或来自多个地理位置的能源)的耦合利用、实现分布式能源的管理和决策、以及针对能源利用的全过程进行能效优化的泛能网的方案。

本发明的另一目的是提供能源交易和服务的方法，其中根据应用端的选择，利用泛能网向应用端提供多种类型的能源中的至少一种。

根据本发明的一方面，提供一种用于实现能源高效协同耦合利用的泛能网，包括以传输泛能流的虚拟管道互联网络架构连接在一起的节点，在所述节点之间双向传输泛能流，所述节点包括系统能效控制器，以及连接至系统能效控制器的其他节点、能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个，其中，所述系统能效控制器控制其他节点、能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置的至少一个的泛能流的输入和输出。

所述泛能流包括能量流、物质流、信息流相互耦合协同而形成的逻辑智能流。

根据本发明的另一方面，提供一种泛能网的节点，包括系统能效控制器，以及连接至系统能效控制器的其他节点、能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个，其中，所述系统能效控制器控制其他节点、能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置的至少一个的泛能流的输入和输出。

根据本发明的又一方面，提供一种泛能网的接入终端，包括系统能效控制器，以及连接至系统能效控制器的能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个，其中，所述系统能效控制器控制能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置的至少一个的泛能流的输入和输出。

根据本发明的又一方面，提供一种用于泛能网的虚拟标签，所述虚拟标签包括对能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个进行表记、传感和控制产生的信息的数据封装。

根据本发明的又一方面，提供一种用于泛能网的虚拟管道，所述虚拟管道连接所述节点并在所述节点之间传输泛能流。

根据本发明的又一方面，提供一种利用提供能源交易和服务的方法，其中所述泛能网包括作为泛能网的节点之一的交易服务器，所述交易服务器控制直接或间接与之连接的节点的能源交易和服务，所述方法包括以下步骤：

a)多个能源生产装置和/或能源储存装置将包含能源有关信息的虚拟标签传输到泛能网中；

b)交易服务器根据多个能源生产装置和多个能源储存装置的虚拟标签以及能源应用装置的需求生成实时价格；

c)能源应用装置从交易服务器获得能源生产装置和能源储存装置的虚拟标签以及实时价格信息；

d)能源应用装置根据获得的信息选择能源来源；

e)能源应用装置通过虚拟管道获取能源。

根据本发明的又一方面，提供一种提供能源交易和服务的交易服务器，所述交易服务器作为泛能网的节点之一，控制直接或间接与之连接的节点的能源交易和服务，所述交易服务器包括：

存储装置，用于存储多个能源生产装置和/或能源储存装置的包含能源有关信息的虚拟标签；

实时价格生成装置，根据多个能源生产装置和多个能源储存装置的虚拟标签以及能源应用装置的需求生成实时价格，

其中所述交易服务器根据能源应用装置的请求，向其提供能源生产装置和能源储存装置的虚拟标签以及实时价格信息。

泛能网建立了创新性的智能泛能流理念，创造了智能能源——一种全新的能源体系，包括全新的能源结构、全新的能源生产和应用方式、全新的能源转换方式。智能能源是在综合利用可再生能源和环境势能的基础上，以泛能网为载体通过信息流、能量流及物质流的耦合即泛能流管理实现能源的智能协同、全生命周期的循环，进而使系统能源效用达到最优。

泛能网基于系统能效技术，通过能源生产、储存、应用与再生四环节能量和信息的耦合，形成系统多品类混合能源能量输入和输出跨时域的实时协同，其核心是通过对四环节系统内部以及系统与环境间的能量流、物质流、信息流进行优化控制，实现整个能源系统在全生命周期内的能量利用效率的最大化。能效控制系统对各能量流进行供需转换匹配、梯级利用、时空优化、以达到系统能效最大化，最终输出一种自组织的高度有序的高效智能能源。

泛能网采用互联网信息通信技术，不但优化了能源结构，提高了系统能效，而且创新了商业和市场模式。

即使不采用CDM碳税交易这样的办法，也可以解决化石能源的短缺危机。例如，石油如果日渐枯竭，其价格必然上升，以石油为能源的方案如燃油汽车、燃油发电必然会没有竞争力，以太阳能等可再生能源的方案，在泛能网机制下必然会很快显示出旺盛的竞争力。

附图说明

图1示出了现有技术的实现多种类型的能源利用的系统的示意图。

图2a-2f示出了多种类型的能源的生产装置的实例。

图3a-3d示出了能源利用的四环节及其与物理管网的关系。

图4示出了泛能网的拓朴图。

图5示出了泛能网的逻辑结构。

图6示出了包含能效匹配站的能效四环节系统的示意图。

图7示出了能效匹配站的示意图。

图8a和8b分别示出了利用传统电力网和泛能网实现能源利用的系统能效的示意图。

具体实施方式

首先，对本申请中使用的术语说明如下：

“泛能网”：泛能网包括以传输泛能流的虚拟管道互联网络架构连接在一起的节点，在节点之间双向传输泛能流。节点包括系统能效控制器，以及连接至系统能效控制器的其他节点、能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个。其中，系统能效控制器控制其他节点、能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置的至少一个的泛能流的输入和输出，泛能流包括能量流、物质流、信息流相互耦合协同而形成的逻辑智能流。

信息、能量、物质的传输设备(管网或运输工具)构成了泛能网中的传输设备，

泛能网包括能源的全生命周期(能源生产，能源应用，能源储存，能源再生)，通过系统能效控制器、能效增益装置等泛能网关设备连接，以泛能流为能源、物质、信息的载体而形成的一个闭环的智能能源网络系统。

“泛能流”：包括能量流、物质流、信息流相互耦合协同而形成的逻辑智能流。泛能流传输介质可以在通过物理上、逻辑上的耦合，可以在一起同步在传输设备当中同步传输。泛能流(態流)是有智能控制的火用流。

“能量流”：包括电能、热能、压力能、潮汐能、机械能，等。

“物质流”：选自冷、热、电以及能源再生装置产生的产品中的至少一种，包括天然气、热水、冷水、蒸汽、CO₂、沼气等的至少之一。物质流即可能是能源载体(如热水、冷水)，也可能是能源自身(如用于发电的生物质、沼气)。

“信息流”：包括能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置的虚拟标签及能源的实时价格信息等。

“泛能网关”：泛能网关连接的是泛能网的终端，包括系统能效控制器和可选的能效增益装置，泛能网关完成泛能流在网络节点之间的分配、缓存以及转换。

“系统能效控制器”：系统能效控制器通过泛能网连接四环节设备的智能终端、泛能网节点以及泛能网关，根据实时监测的能量流、信息流及物质流的流量和流向以及四环节各设备的运行状况，预测未来一段时间内的能量流、物质流及信息流的流向变化和流量增减，并及时调整四环节的智能终端、泛能网节点以及泛能网关等泛能网设备的控制参数，达到系统能效最优的同时充分利用环境势能和可更新(火用)。系统能效控制器既是实现信息和能量交互协同的核心枢纽，也是实现系统自组织有序化的物理载体。

“环境势能”：指太阳能、地热能、风能等能源，只要是在四环节系统所处的地域空域之内而非从外界获取的，也不至于影响外界能源获取的，都应视为系统的环境势能。

“能效”：能量利用的效率或效果，包括一组如热效率、电效率、(火用)效率等衡量系统对能量品位和数量利用效果的参量。

“系统能效”：在系统中能源利用的效率或效果，包括一组如热效率、电效率、(火用：exergy)效率等衡量系统对能源品位和数量利用效果的参量。系统能效改善的重要方面是能源供需品位和数量的匹配，是对人类产能和用能方式的改善。

能源利用的四环节

本发明人对家庭、区域、城市多层次的能源利用系统进行分析，发现能源利用系统都包含能源生产、能源储存、能源应用、能源再生四环节。

在能源生产环节中，通过一系列装置将人们难以利用的化石能、生物质能源以及太阳能和风能，转化为可供人类直接使用的电、气和热/冷能的环节。在任何一个区域，由于自然资源禀赋或社会、技术发展程度的不同，能源生产环节的一次能源构成都会存在较大的差异，也会因此，形成了具有自身特色的能源生产端二次能源结构。

能源生产应该是多种类型的能源的生产，即能源的全价开发。例如：电厂最终不仅仅输出电，应该是电热联产的系统；太阳能效率较低，那么开发的产品应该是太阳能热电联产模块；生物能源也可以实现热电冷联产的模块。

在能源应用环节中，对二次能源结构的需求变化则更为复杂，不但不同的用能端具有不同的能源需求的结构和比例，即使同一应用端能源需求的数量和品位也会发生变化。这种现状造成了能源的极大浪费。目前，从能源生产环节到应用环节，能源利用效率大概仅有30％，因此非常需要一种能效转换和提升机制把能源生产环节产出的能源在应用环节最大限度的利用起来。

在能源应用环节应该使用高效的集成系统，而不是单一的能源形式和能源技术的应用，例如建筑行业采用先进的外围护结构实现建筑的保温，采用高效的热泵系统，变频的中央空调系统等等；在工业领域使用先进的节能换热设备，先进的反应设备；在交通领域使用先进的发动机技术等等，即应用端通过系统的集成技术体系，实现有用能真正效率的提升。

在能源储存环节，可对电能、热能、冷能、机械能等各种类型的能源进行存储，通过一次借势与二次借势，最大限度的利用环境势能，提高系统的能源利用效率。

所谓一次借势：指的是直接利用太阳能或地热能为应用环节供应能源的过程，这种利用是即时的，没有延滞的。在没有用途或难以利用的情况下从环境中收集，并在另一时期或地点产生了明显用途或便于利用的能源的过程，称为二次借势。例如，利用能源储存环节，通过地下含水层把冬季的冷水储存起来，等到夏天作为建筑物暖通系统的冷冻水使用，为大厦制冷，或利用地埋管将冬季的冷能储存于土壤中，留到夏天使用。

能源储存的方式一般分为两种：一种是储存的过程中，能源的种类不发生改变；另外一种是将一种形式的能源转化为另外一种形式的能源，进行存储。也即，在后者的能源储存环节中还包括能源转换。例如，利用电解水将太阳能电池发的电转化为化学能，以氢气和氧气的形式加以存储。

能源储存环节的优化包括提高能源储存的效率，减少储存过程中能源的损失；储存过程中的控制优化。

能源储存环节在四环节系统中的作用有如下几点：1、用于储存系统中产生的或环境中吸取的能源，以待一段时间以后需要时使用，从而提高能源的利用效率；2、实现一次借势与二次借势，从而达到系统能效增益。

能源再生环节，指收集能源系统应用环节、生产环节、储存环节的余能，并重新提供给本系统其它环节利用(如能源生产环节或能效增益装置)。如本系统利用了外系统的余能，则该部分应计入能源生产环节，而不应算作再生环节。

能源再生环节是系统内的非线性环节。由于再生环节的能量输入主要来自于系统内部其他环节产生的余能，其输出端也是系统内部的其他环节，这样就形成了系统内部的一个闭环反馈。当再生环节吸收余能后，将形成一个系统能效的正反馈循环，从而产生能效的非线性效应即能效增益。

在能源生产环节和应用环节能量匹配的基础上，加上储存环节和再生环节的调节，可以实现混合能源的梯级利用和过程优化。例如，通过对热能的储存，可以实现热能的梯级利用。

应当注意，能源生产、能源储存、能源应用、能源再生四环节的概念并不限于常规的含义。例如，传统的发电厂是常规的电能生产企业，但在本申请中进一步将发电厂内部的发电机等作为能源生产环节，将其内部的排放物回收系统作为能源再生环节，并将其内部的用电设备作为能源应用环节。因此，传统的发电厂构成下文所述的泛能网中的一个节点，而不认为是单独的能源生产环节。

传统的电力网提供有限的电能储存能力，即包含容量有限的能源储存环节。供电端必须持续地产生电能以维持该链路上的能量流。而在传统的电能利用系统中，通常不包括能源再生环节。例如，在应用端，一部分电能以电器产生的废热的形式释放到大气中而舍弃。

基于以上发现，本发明人提出了包括系统能效控制器、能源生产、能源储存、能源应用、能源再生的能效四环节系统。

参见图2a-2f，能源生产装置101包括但不限于太阳能发电/供热装置1011、风力发电装置1012、地热发电/供热装置1013、核能发电/供热装置1014、火力发电/供热装置1015和冷热电联产装置1016。

冷热电联产装置1016为选自燃气轮机、内燃机、燃料电池、辐射板耦合太阳能板(PVR)、冷热电联供系统(CCHP)中的一种。其中，CCHP建立在能源的梯级利用概念基础上，将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程-体化的多联产总能系统，在CCHP中，发电机组与空调机组共用发动机，可以显著提高能源利用效率，减少二氧化碳化物及其他污染物的排放。

进一步地，参见图3a，能源生产装置101的原料主要包括太阳能、地热、风能、地热、核物质、煤以及生物质等，将原料转化为三种不同形式的混合能源——气(燃气)、电、热。三种原料分别进入燃气网、电力网和热力网送至应用端的能源应用装置103。此外，能源生产装置101还可以产生热水/冷水，经由热水/冷水管网提供给能源应用装置103。

优选地，在能源生产装置中，一次能源通过能源生产环节被转化成可供应用环节直接利用的电、热、冷、气等二次能源。

例如，生物质先在生物燃气装置1017中经过配料、发酵、净化、分离四阶段处理生成甲烷气，然后作为原料提供给冷热电联产装置1016；煤先在常压催化装置1018中气化生成煤气，然后作为原料提供给冷热电联产装置1016。

优选地，所述能源生产装置包括利用发电装置产生的废气、废热产生热能的热能生产装置，和/或利用发电装置产生的废气、废热产生电能的电能生产装置。

进一步地，参见图3b，能源储存装置102包括但不限于储电装置1021和储热/储冷装置1022，其中储电装置1021例如是全钒液流电池、锂离子电池，储热/储冷装置1022例如是储热/冷罐。

能源储存装置102接收能源生产装置101提供的电能、热能、热水/冷水，并根据需求将其提供给能源应用装置103。

进一步地，参见图3c，能源应用装置103包括但不限于充电站1031、加气站1032、工厂用电设备1033、别墅1034、公寓1035、智能能源服务系统1036。

能源应用装置103产生诸如二氧化碳、废水的排放物并将其提供给能源再生装置104。

进一步地，参见图3d，能源再生装置104包括但不限于二氧化碳处理装置1041(例如微藻吸碳生物能源工厂)和废水处理装置1042。

在系统能效控制器的优化调整下完成物质流、能量流和信息流的协同、不同品位能源的动态匹配以及梯级利用。

泛能网的拓朴结构

进一步地，本发明人提出泛能网的多能源利用方案，其基本架构是双向传输耦合协同的信息流、能量流以及物质流的互联网，从而形成智能能源网络体系。

泛能网传输的能量流包括但不限于电能和热能。此外，在泛能网中还传输物质流，如天然气、热水、冷水、CO₂、沼气等。

泛能流是三流即能量流、物质流、信息流相互耦合协同而形成的逻辑智能流；在泛能网中，泛能流流动到泛能网中的每一个节点中，从而各个节点以双向的泛能流为载体而相互联系在一起。泛能流的实质是：三流耦合和协同；通过三流耦合和协同产生非线性效应即能效增益；泛能流就是智能流，因此泛能网的智能是基于三流耦合和协同的智能化。

图4示出用于实现多能源利用的泛能网的拓朴图。泛能网包括由节点100互联形成的网络。泛能网的节点可以包括四环节的全集或子集，即能源生产装置101、能源储存装置102、能源应用装置103和能源再生装置104中的一个或多个。

泛能网不仅允许接入传统的电能生产企业和传统的家庭，更为重要的是允许接入新型的分布式能源，例如，配备有太阳能发电或风能发电的家庭、配备有地热泵的生活小区。通常，分布式能源系统位于能源应用装置附近。

系统能效控制器105与节点100中的能源生产装置101、能源储存装置102、能源应用装置103和能源再生装置104中的任一个相连，并且与上一级、同一级和/或下一级的其他节点相连，用于控制泛能流经由虚拟管道106在四环节之间以及节点之间的输入和输出。

在优选的实施例中，节点100还直接或间接地连接到交易服务器200，任一节点中的能源应用装置都可以从交易服务器200获得所需能源类型的有关信息并从其购买能源，然后经由虚拟管道106获取该能源。

虚拟管道106包括用于传输信息流的互联网和区域网、用于传输能量流的电力网和热力网、用于传输物质流的燃气网、热水/冷水管网、二氧化碳回收管网、废水回收管网甚至是物质运输工具的集合。物质流或能量流网络连接区域四环节中的所有装置和设备。

虚拟管道106是泛能流传输的载体。在泛能网的虚拟管道106中流动的能量流或物质流带有虚拟标签，可以简单地理解为当前可见的带有感知信息标签的能源模块组合和能源模块组合。

虚拟管道106的交汇点即成为泛能网100的节点，系统能效控制器105在节点处实现能源终端的接入和路由。泛能流可以在网络的任何节点间畅通无阻的流通。泛能流的管道可以有物理实体的支撑，也可以是无物理实体的虚拟管道，比如，跨越太平洋的物理实体管道可以为虚拟的，并没有修建这样可见的管道，甚至可以延伸到其它星球。虚拟管道必须要与有物理实体的管道共生，这样的物理实体管道可以简单的理解为在当前能看到的如天然气管道、电力线、水管、输油管道，还可以是飞机、轮船、汽车、火车等与信息通信管道耦合而成的，形式多样，如信息通信与传输电能合一的电力线，或者天然气管道与信息通信光纤相耦合的管道。节点设备完成泛能流终端的接入与路由。管道与节点设备提供商承担管道与节点设备的研发与支撑，管道建设与运营的运营商承担建设与维护。

泛能网的每一层或者每一级子网，都是基于能效四环节系统的基础架构而构建的。大到宇宙，小到微观粒子，都是以能源的四环节为基本要素而构建的一个系统。在现实世界中，从城市的能源网络，再到园区，到家庭，都是一级一级细分下去的一个四环节的能源网络，因此我们说在一个物理区域中，形式上分布的能源网络，实际上是有一个严格的按照四环节层层嵌套，环环相扣的一个有序的能源网络，这种结构上的有序性，为在这个区域中系统能效的最优化建立了一个结构最优化的物理基础。

某些节点以及其下级的子节点包括系统能效控制器、以及能源生产、能源储存、能源应用、能源再生四环节的全集，从而构成上述的能效四环节系统。

然而，另一些节点可能只包括系统能效控制器，以及能源生产、能源储存、能源应用、能源再生四环节的子集，例如，如前所述，传统的发电厂并不是四环节系统，但只要利用系统能效控制器将其连接到泛能网，就可以构成一个节点。本发明的泛能网允许接入传统的发电厂、传统的家庭以及新型的分布式能源系统(如家庭太阳能发电装置、区域风力发电装置)，只要最终在整个网络上构成完整的能效四环节系统即可。

虚拟标签是对能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个进行表记、传感和控制产生的信息的数据封装。

虚拟标签是在泛能网中传输的信息流的一部分，使得信息流与泛能网中传输的能量流和物质流耦合在一起。例如，在泛能网中，在特定场景下传输带有虚拟标签的电能，在特定场景下传输带有虚拟标签的电能及天然气的组合模块，在特定场景下传输带有虚拟标签的电能及热能的组合模块，在特定场景下传输带有虚拟标签的电能及沼气及冷能的组合模块。

例如，虚拟标签包括以下信息：

能源类型：电、天然气、热、冷、CO₂、沼气等类型，其中之一种或几种的组合；

生产者：厂家、或可控区域、或虚拟参与交易单位；

碳排放：碳税、碳指标、减税及补贴；

其它：日期、地点等。

接入终端消耗和提供的将是这样的更高级的能源形式，称之为泛能。泛能流接入终端必须接入到这样的网络上才能获取或提供泛能，泛能流终端可以是各种规模和形式的设备，目前可见的火力发电厂、核电发电厂、太阳能光电一体化设备、汽车充放电池、太阳能充电站、沼气池、风力发电站、电脑、冰箱、燃气轮机、单体建筑、城市、区域、家庭，总之，将目前的一切能源应用、能源生产、能源储存、能源再生终端设备再增加支持泛能网接入的接口模块加以改造。

例如，混合动力车在将其充放电电池增加虚拟标签、充放电线接口、通信模块接口，就可以接入泛能网，实现从泛能网中获得和/或提供带有虚拟标签的电能。

利用泛能网的交易和服务

在上述基础设施的泛能网中，可以开发各种服务与运作支撑体系，用以支撑泛能供需服务与交易。基于泛能网的交易模式不再是当前传统的供需双方直接买卖交换模式，供需之间增加了一个中间转换环节，虽然供需之间的选择看起来仍是直接选择的，需方可以从分布于全国乃至地球的供方中任意自由组合选择，但选择后交易的完成必须要经过中间转换环节，这个中间环节就是建立在泛能网基础上的交易服务。

参见图4，交易服务器200作为泛能网的节点之一，控制直接或间接与之连接的节点的能源交易和服务，所述交易服务器包括：存储装置，用于存储多个能源生产装置和/或能源储存装置的包含能源有关信息的虚拟标签；实时价格生成装置，根据多个能源生产装置和多个能源储存装置的虚拟标签以及能源应用装置的需求生成实时价格，其中所述交易服务器根据能源应用装置的请求，向其提供能源生产装置和能源储存装置的虚拟标签以及实时价格信息。

利用交易服务器200提供能源交易和服务的方法包括以下步骤：

d)能源应用装置根据获得的信息选择能源来源；

e)能源应用装置通过虚拟管道获取能源。

经营该交易服务的实体可以与建设泛能网基础设施的实体分离。该交易服务大体具有的功能和技术为：基于类似目前的地理信息技术、GPS技术、云计算、云存储技术为供需双方提供P2P的专有服务方案，比如，一个家庭用户可以从泛能网上的任意一家供方选择后服务器针对该用户会实时自动计算一个价格，这样不同的家庭用户虽然选择的是同一个供方，但价格分布特点会是基于网络的实时价格，这个价格不是供方制定的常数价格而是基于供方的卖价针对该用户计算出来的价格，是个实时分布式函数。经营交易服务的公司必将出现类似与现在的谷哥、亚马逊的公司。从需方来看尽管看起来是直接购买某个供方的泛能，但实际使用的物理能未必是该供方的，可能就是交易服务就近调度的附近的另一个供方的。只要接入到泛能网，供需之间的自由选择范围极大增加，物理上的不可能就变为可能，这就是泛能网的技术魅力和技术进步带来的革命性的进步。

在虚拟泛能网交易市场中，中间商从能源生产装置批发其所生产的能源，通过交易平台转售或零售给能源应用装置、能源储存装置、或能源再生装置。中间商的角色可以用金融系统中的银行来类比，其中之一的重要功能是客户的存(如泛能供给)和取(如泛能应用)。买方按虚拟标签所示从中间商买来的能源(泛能)并不一定是能源生产装置生产的，但它的虚拟标签一定是该能源生产装置生产的，就像客户从银行取出的纸币并不一定是该客户存入的纸币一样。至于中间商是通过什么技术手段来完成该交易的，能源买卖双方并不关心，他们只关心最后的价格和品质。

中间商的技术手段，包括基于泛能网的平台，其中虚拟管道可以帮助中间商降低能源损耗、减轻运输成本，从而实现节能排放和增效。

对于区域能源可以通过泛能网关以虚拟工厂的形式参与虚拟能源市场，家庭用户可以捆绑参与能源市场以增加话语权。

利用泛能网的交易服务提供智能化、个性化的服务，其智能的发达程度是分层次和阶段的，有一个进化过程。当前我们的能源应用方式基本以人的意愿进行，浪费很大。泛能网能够注入人类的智慧，变得聪明起来，通过感知能源应用环境，提供节约高效的能源应用方案，环境改变了，能源应用方式也遂之改变，人与物、物与物之间的泛能环境互感、互动，基于泛能网的这种能源应用机制使得各方都聪明起来，达到人与人互智，在这样的竞争机制下，先进高效的环境友好的清洁能源方案必然会胜出，能源危机就会化危为机，人与自然就会和谐共生。目前可以看到的可再生能源如太阳能、风能、水能等，再生能如沼气、氢气，可能会在未来胜出。可以想象未来我们的城市生活环境会是什么样，以我们生活的社区为例，在建设之初除了盖房子外，重要的是要规划房子所处的环境充分利用自然环境能源，创造与自然和谐的生态系统，综合规划太阳能利用、风能利用、地热能的利用、再生能源的利用、因地制宜的选择自然资源能源，社区可以作为一个能源综合梯级利用的子系统，将成为泛能网的接入终端，既可以是用能需方也可以变为产能供方，可以自由平等的参与泛能网的交易。社区中的家庭也可以组成一个泛能网接入终端，也可以与所处社区自由平等的参与泛能网的交易，这样传统的能源应用观念就会被打破，比如，可能存在一个大企业用的能是由很多家庭的富余、廉价、多品种能源的集合，目前的能源应用方式这样的机会是不可能发生的。

泛能网的逻辑结构

图5示出了泛能网的逻辑结构的示意图，其中作为示例说明了泛能网的机-机互感层的四种类型的节点201-204，泛能网的人-机互动层的智能服务平台300、以及泛能网的人-人互智系统400。

家庭节点201包括太阳能板101a、蓄电池组102a、电器设备103a和小型微藻吸碳装置104a，并且经由家庭网关105a接入泛能网。

楼宇或社区节点202包括太阳能板101b、沼气池101b’、蓄电池组102b、智能楼宇103b，并且经由区域网关105b接入泛能网。在该节点没有设置能源再生装置。

交通行业节点203包括太阳能充电站101c、沼气池101c’、蓄电池组102c、智能交通系统103c，并且经由交通行业网关105c接入泛能网。在该节点没有设置能源再生装置。

城市节点204包括太阳能发电站101d、蓄电池组102d、用电设施103d和大型微藻吸碳工厂104d，并且经由城市网关105d接入泛能网。

泛能网还提供了人-机互动层的智能服务平台300，在该智能服务平台上提供互联网通信服务301、能效优化服务302和交易服务303。能效优化服务302包括能源匹配、能源路由、能效增益、能效控制等。

泛能网还导致了新的人-人互智系统400的产生，其中提供了专家决策功能。该互智系统包括与能效四环节系统相对应的机构，即能源生产机构401、能源储存机构402、能源应用机构403和能源环保部门404，以及泛能网人-人互智层的系统能效控制机构。

能源生产、储存、应用与再生四环节通过无处不在的表记与传感，实现信息与能源的耦合，再通过联网与控制实现机-机互感层的智能，这种智能是人类将已有能源应用规律固化到联网与控制设备中去的结果。

泛能网是分布式智能网络和集中式网络的集成，由物理的多个层次：家庭、区域和城市等组成，每个层次都由能效四环节系统组成；以虚拟的三个层次：互感、互动和互智为特征。传统的智能电力网、燃气网、热力网、物质流网、信息网通过泛能网的系统能效控制器的横向耦合协同，以互感、互动、互智虚拟逻辑三层次为特征的纵向耦合协同，使其成为一个巨型的人工智能能源网络系统。

泛能网的家庭、区域、城市将是分布式能源的主要对象，与清洁能源如太阳能、风能、地热能的分散特点相对应，泛能网中的家庭、区域、城市不但是能源应用单位，也是因地制宜的能源生产、储存单位，以泛能网互感、互动、互智为平台，形成一个清洁、高效、智能、安全的网络。

比如以家庭为例通过温度、光照度、人体感知等传感器可以感知人员的活动，进而调节各房间的照明和空调等设备的设定，这就是对环境的互感；家庭能源管理系统(HomeEnergyManagementSystem，HEMS)通过对气价和电价的算法给出用电还是用气的建议，这就是耦合协同后的互动；经过一段时期的用户详细用电、气、水、冷热信息收集之后，还可以利用人工智能技术构建家庭能源应用模型，并进一步采用时空等优化技术将HEMS智能编程变为自动智能响应。

在人-机互动层，泛能网提供了人机互动的平台，人可以根据更高层的命令及系统内部各种控制设备的运行情况生成合理的操作指令，并将指令下达给互感层的受控设备，人机互动主要是解决机机互感解决不了或不好解决的能效问题，给人的智能提供了手段和管控平台。

基于泛能网的网络服务平台，接收底层动态(实时和非实时)反馈的信息，根据对事件类型的定义分析是否形成事件以及事件类型，难以决策的事件通过人-人互智层的人人互智网络形成决策命令，据此下达相应的决策命令给人-机互动层处理。

泛能网通过互感、互动、互智解决了机与机、人与机、人与人的网络关系。

泛能网是一个信息、能量和物质通过智能协同而融为一体的智能能源网络体系。它是一个无所不在、遍及人类生活中每个角落的集人类世界的“智”与物质世界的“能”统一和谐的泛网络体系。它的“能”体现在基于多品类混合能源(如电、热、气等)、四环节全生命周期(包括能源生产、储运、应用和再生)而构建的能源系统。它的“智”体现在由互感(机-机)、互动(人-机)、互智(人-人)而构成的三层次决策优化体系目标。“智”与“能”的融合一方面解决了基于能效四环节系统构建的能源网络的系统能效最优化的目标，另一方面解决了人的智力对泛能网系统能效的非线性的改变效果。如能源政策的改变对区域能源系统的作用远大于物理层面设备对系统节能的贡献。

泛能网具有第一个特征中描述的“智“的特征。这个智是一个逻辑上的优化决策体系，包含了机—机互感，人—机互动，人—人互智的三层智能优化决策。第一层横向优化：所谓的机—机互感指的是依靠机器的智能感知实现对能效四环节系统的最基本的控制和优化，使得在无需人干预的情况下，系统能够稳定可靠的运行。这种智能可以理解为固化在机器中的基本的算法和程序。第二层横向优化：人—机互动是人要根据一定的优化目标对系统进行干预，使得机器的固化程序(行为)发生改变，最终完成一定的优化目标，如经济目标，局部能效最优化目标等等。第二层横向优化：人—人互智实际上是社会决策体系，简单的理解就是人们为了解决一件事情而进行的一个互商，最终形成一个决定，也可以类比理解为人们正对一件事情做了一个优化的决策(目标)。

三层纵向优化：三层的智能决策优化是相互关联，相互依存的。人—人互智的决策，要依赖人—机接口下达，解析到机器层面去执行，因此三层逻辑优化决策体系并不对应某一物理层面，在某一物理层面可以包含至少一个层次的优化。举例而言，在四环节的控制系统中，实际包含了控制层，管控层，调度层等，整体的控制优化是依靠机器(控制器，优化器)，人(操作员，决策者)来共同完成的。

特别需要指出的是，泛能网的三层智能优化决策体系区别于传统的信息智能系统，前者解决的智能化是能效四环节系统的整体优化决策，不是单一的环节或者单一能源形式，因此它的目标、策略、机制是完全区别于现有的或者传统的IT网络、控制网络、单一能源网络的。

系统能效控制器和能效增益装置

系统能效控制器105包括终端、交换器、路由器、逻辑控制器、楼宇控制器、工控机、专用控制系统/控制器中的至少两种。

系统能效控制器105获取与之连接的能源生产装置101、能源储存装置102、能源应用装置103和能源再生装置104的状态信息，并将控制命令传送到每一个装置，从而形成了完整的闭环控制，以执行能效优化。

应当注意，在图4中示出了一个节点的系统能效控制器105，但该系统能效控制器105的作用不限于节点内。在泛能网中的各个节点的系统能效控制器105可以执行协同控制。例如，上一级节点的系统能效控制器105不仅控制该节点中的能源生产装置101、能源储存装置102、能源应用装置103和能源再生装置104，而且还控制下一级节点中的系统能效控制器。

系统能效控制器105通过对各设备的稳态操作参数进行微调来降低整体能耗。在热能的梯级利用中增加余热效率，以提高系统的能源转换效率。

例如，系统能效控制器105连接至多个能源生产装置101，并响应系统能效的变化启动/或停止所述多个能源生产装置101中的至少一个能源储存装置102包括储热/冷罐，并且启动/或停止能源储存装置102以执行跨时段或跨季节储热/冷。

例如，能源生产装置101包括太阳能发电装置，能源储存装置102包括全钒液流电池、锂离子电池中的至少之一，并且启动/或停止能源储存装置102以平衡能源生产装置101的输出功率的波动。

系统能效控制器105实现上述的机机互感，因而，实现能源生产装置101、能源储存装置102、能源应用装置103和能源再生装置104的闭环控制。

此外，系统能效控制器105为管理者提供用于优化能效及执行控制的决策信息。

实现如下的优化控制策略：

能源生产环节和应用环节的能量匹配调节，实现动态调峰，时空优化；

在能源生产环节和应用环节能量匹配的基础上，加上储存环节和再生环节的调节，可以实现混合能源的梯级利用和过程优化；

在四环节能效闭环控制基础上，通过系统能效控制器的信息集成，可以实现区域混合能源的动态匹配，动态平衡和动态优化。实现了区域系统能效的增益。

综上所述，系统能效控制器区别于传统的控制器的不同主要在于其对于混合能源的统一调配，而不是单个的调节，体现了系统能效的核心思想。

系统能效控制器105可以控制下一级的环节能效控制器，并且环节能效控制器可以进一步控制环节内的驻点能效控制器。例如能源生产环节能效控制器的输入是来自于电、热、气的驻点能效控制器，产生了混合能源的输入，再到能源生产环节能效控制器，能源生产环节能效控制器通过二次调节，产生的混合能源能量匹配输入到应用环节能效控制器。系统能效控制器105实现环节能效控制器和驻点能效控制器的协同调节，直到在应用端的能效达到了目标值为止。

一次能源通过能源生产环节被转化成可供应用环节直接利用的电、热、冷等二次能源，尽管相比传统的应用方式，这种能源梯级利用的模式明显的提高了系统的能源利用率，但能源生产环节的能源结构却相对固定，这与应用环节对二次能源需求比例的不断变化形成了矛盾。常见的生产端电、热比例通常为1∶1，而常见的应用端电、热比例为1∶2至1∶3，这种情况通常意味着需要直接消耗高品位的一次能源来获取所需要的低品位热量或冷量。这种采暖和制冷需求的热量和冷量的品位非常低，直接采用一次能源制取将造化较大的资源浪费。

能效增益装置包括系统能效控制器和相连接的势能泵。势能泵与分布式发电装置、热/冷生产装置、热/冷存储装置以及和能源应用装置相连接，其中所述势能泵消耗电能生产装置提供的电能，将能源应用装置103产生的废热提升到可利用的较高品位能，并且将提升后的热能输送到热能存储装置102或者直接供给能源应用装置103。

例如，势能泵为热泵。

系统能效控制器105根据能源应用装置的状态信息，在能源应用装置103产生废热时启动能效增益装置收集和提升废热，并将产生的热能存储到能源储存装置102中(在“串联”配置的情形下)或者直接供给能源应用装置(在“闭环”配置的情形下)利用。

能效增益装置以及能源生产、储运、应用和再生构成扩展的四环节系统，实现混合能源的闭环利用和能效增益。势能泵(例如热泵)和能源储存装置102配合，完成余热、余压、地热的循环和利用，输出的混合能源直接或间接提供给能源应用装置103匹配利用，实现了四环节混合能源的循环利用，通过多次吸收环境势能，可以逐步的实现能效的增益效果，减少输入的一次能源的比例，加大可再生能源的比例，减少CO2的排放，实现低碳利用。

能效增益装置通过势能泵如热泵等设备将环境中的低品位、不可直接被能源应用环节利用的环境势能进行品位提升，用少量的高品位能量如电能驱动数倍于自身的环境势能达到可被利用的较高品位。因此，包含能效增益装置的扩展四环节系统，其能源利用效能大大的提高了。

能效优化及评估

能源系统的优化方法按照层次的高低和对整体系统影响的大小可以大致分为五个层次：

结构优化

主要指对系统整体能量流程的拓扑结构的重大改变，按照能效四环节系统设计思想，从系统能效优化和增益出发，在空间和时间结构上设计、优化和规划能源系统。四环节构成能源全生命周期利用的闭环系统，可以构成系统能效的结构层面的正反馈，达到系统节能、能效增益效果。如串联系统改为并联系统，并联系统改成串联系统，或者对能效系统四环节过程增加或减少一个或多个环节，比如从只有应用环节改变为增加生产、能源储存环节。结构优化对系统影响重大，传统上来说只是在系统设计过程中凭借经验进行优化，一旦系统结构定型就很难再做改变。如果是专门设计的结构较为灵活的流程，则有可能通过动态调节某些装置达到整体结构动态优化的效果。这时候的优化算法可以用来自动调节结构参数，通过参数的调节达到改变能源结构的优化效果。

方式优化

对系统较重要的单个设备的升级换代及能源利用方式的突破性创新，从而导致系统整体能效的较大提升。例如使用热泵与能源储存相结合的能效提升技术充分利用环境势能，大幅度提高电热转换效率；采用蓄热式燃烧技术明显提高煤气化转化率。

时空优化

时空优化是系统能效控制器的先进控制策略之一，一次借势和二次借势则体现了时空优化的特点，将环境势能的质和量与系统能量应用环节的需求匹配，以实现环境势能向系统有用能的转换。时空优化的目的是达到对能源时间和空间的运行特性同时进行优化，达到四环节能效系统全生命周期的效率最优。其中时间维度的优化包括能源生产与应用的动态匹配，昼夜调峰，跨季节能源储存等等，例如采用能源储存电池调节太阳能电池功率波动，采用储冷热技术调节建筑物昼夜温差，增大供暖/制冷的COP系数；采用跨季节储冷热的技术进一步提高热能利用效率。空间优化包括对不同空间领域的能量互补调节，如根据建筑物内人员的活动规律及实时监测的数据动态调节建筑物不同区域的照明、供暖及电器设备的运行状况，在保证正常功能的前提下实现节能效果。

过程优化

过程优化是在化工系统优化中经常使用的成熟技术。在系统能效优化技术中同样使用此方法对能源系统优化，以能量流、物质流、信息流三流耦合协同、达到最佳匹配，实现系统能效的过程优化目标。过程优化可以在设计阶段进行，通过各种化工流程模拟软件进行能源系统的模拟仿真，并根据仿真结果进行系统工艺参数的设计和设备的选型。在系统运行阶段，可以通过简化的过程模拟进行实时或准实时的模拟优化，即时优化各装置的控制参数。通过对各设备稳态操作参数进行调节，提高系统能源利用效率，降低整体系统能耗，过程优化的参数调节的范围一般不包括改变系统拓扑结构的参数，参数一般为连续变量且远离非线性突变的临界点。例如在热能的梯级利用中增加余热效率，提高系统的能源转换效率。

驻点优化

单个设备或者装置的优化改进，但不包括革命性创新技术，或者单个设备的提高对整个系统能效提高作用较小。例如建筑物内的智能电器节能，低功耗IT设备节能，工业机泵设备采用变频技术并精确调节频率以达到最佳效率。

系统能效评估体系根据DCS采集的实时数据或者由HYSYS动态模拟数据进行能效分析，包括：

(火用)分析模型：根据温度、压力、流量、组分等参数确定各股物质流和能量流得物理(火用)、化学(火用)和扩散(火用)；使用燃料-产品定义确定各单元的生产功能，并确定各环节的(火用)损、(火用)效率和(火用)损系数；

热经济学模型：建立系统的特征方程、(火用)成本方程、热经济学成本方程，获得各股(火用)流的(火用)成本及(火用)经济学成本；利用热力学第二定律及热经济学结构理论构建了一套完整的四环节(火用)分析及热经济学分析方法。以能源生产环节为例，使用基于燃料—产品定义的热经济学模型、(火用)成本和热经济学成本模型量化设备之间的生产交互过程，分析系统成本形成的热力学过程及其分布规律。

性能诊断模型：使用热经济学诊断模型，以参考工况数据为基准，获得实际工况与参考工况之间的偏差，分析并量化导致偏差的原因；

优化模型：建立考虑效率(Efficiency)-经济(Economy)-环境(Environment)的3E优化模型，对系统进行综合优化、设计优化和运行优化。

单一系统的优化：

能源生产环节：多品种混合能源联产、循环生产。

传统的单一品种能源的生产过程能效较低，系统能效的能源生产环节是指由多种能源生产设备组成的混合能源生产，如各种形式的热电联产、气汽联产，能源生产环节由能源生产环节能效控制器进行控制，根据泛能网的能源供应需求动态调节能源生产的种类和数量。系统能效技术中能源生产的调配策略与传统的供需匹配策略不同，其最大的特点是能源生产环节和能源应用环节并非直接联系，而是通过一个叫泛能网关的中间层连接。泛能网关由能效增益装置和能效匹配站组成，能效增益装置由势能泵和系统能效控制器组成，泛能网关可以在实现能源数量和品位匹配的基础上吸取环境势能，实现能效增益。能源生产环节和泛能网关都具有进行能源数量和品位匹配的功能，因此四环节系统是一个具有双层动态匹配结构的能源系统，实际运行过程中的转换匹配策略由系统能效控制器根据泛能网和四环节装置的运行状况监测进行动态优化和调控。

包含能效匹配站的能效四环节系统

能效四环节系统是一个能量自组织系统，它既是一个系统，也是任何一个能量自组织系统的最基本单元。通过自身的空间和时间结构设计，使其作为能量自组织系统具有如下的功能和特征：

a)开放系统：系统通过环境势能和信息智能的吸取，可吸收足够大负熵流，使系统始终保持在熵减过程中；

b)闭环环节：四个环节是闭环的，可以构成结构层面的正反馈；

c)势能泵和控制器的组合，构成相变层面的正反馈；

d)能量的质和量的匹配，时空优化；

e)三个流的最佳匹配，过程优化；

f)单一系统的优化：

i.生产环节：混合能源的生产，循环生产

ii.储存环节：一、二次借势和能量转换

iii.应用环节：恒值系统，动力系统

iv.再生环节：非线性环节(正反馈)

v.能效增益装置：外界两次借势，内部混合介质基于序变量的相变优化。

能效四环节系统首先是一个开放系统，即可以不断和外界环境交换物质、能量和信息的智能进化系统。能效四环节系统通过吸取环境的可更新火用及低品位环境势能，使系统能效产生增益，通过吸收环境的负熵，实现系统的自组织和有序化，使系统的效率和智能不断提高，实现系统自我升级和自我进化。能效四环节系统的核心系统能效控制器通过信息网连接四环节设备的智能终端，泛能网节点以及泛能网关，根据实时监测的能量流、信息流及物质流的流量和流向以及四环节各设备的运行状况，预测未来一段时间内的能流、物流及信息流的流向变化和流量增减，并及时调整四环节设备和泛能网设备的控制参数，达到系统能效最优的同时充分利用环境势能和可更新火用。简而言之，系统能效控制器既是实现信息和能量交互协同的核心枢纽，也是实现系统自组织有序化的物理载体。能效四环节系统吸收环境势能的物理载体为势能泵，势能泵自身的动力来自环境中的可更新火用(如太阳能)，同时可以吸收低品位的环境势能，实现系统能效增益。能效匹配站同时具有能量流量调节和能量种类转换的功能，根据系统能效控制器的信息流输入，动态调节输入输出能流的种类、流量和品位，实现能源种类和品位的动态匹配，实现能源供需流向的有序化。泛能网是将信息网、能量网和物质网融为一体的智能能源网络，泛能网是泛能流的物理载体，它与传统网络的最大区别是它不仅向系统能效控制器输送信息流，而且可以根据系统能效控制器的信息流反馈随时调节网络的拓扑结构和泛能流的传输模式，将能量、信息和物质耦合到一起实现能效最高和智能协同。能效四环节系统通过环境势能和信息智能的吸取，可以吸收足够大的负熵流，使系统始终保持在熵减过程之中，不断向更智能更有序的方向进化。

系统能效的能源生产环节是指由多品种能源构成的混合能源生产，如各种形式的热电联产、气汽联产，能源生产环节由生产环节能效控制器进行控制，根据泛能网的能源供应需求动态调节能源生产的种类和数量。系统能效技术中能源生产的调配策略与传统的供需匹配策略不同，其最大的特点是能源生产环节和能源应用环节并非直接联系，而是通过一个叫泛能网关的中间层连接。泛能网关由能效增益装置和能效匹配站组成，泛能网关可以在实现能源种类和品位匹配的基础上吸取环境势能，实现能效增益。能源生产环节和泛能网关都具有进行能源种类和品位匹配的功能，因此能效四环节系统是一个具有双层动态匹配结构的能源系统，实际运行过程中的转换匹配策略由系统能效控制器根据泛能网和四环节装置的运行状况监测进行动态优化和调控。

图6示出了包含能效匹配站的能效四环节系统的示意图。该能效四环节系统包括：能源生产装置101、能源储存装置102、能源应用装置103、能源再生装置104四个环节和势能泵601、冷热电联供装置602。能效匹配站包括系统能效控制器105、势能泵601、冷热电联供装置602。能效增益装置包括系统能效控制器105、势能泵601。

由能源生产装置101产生的泛能流提供给能效匹配站，系统能效控制器105将该泛能流分配给能效匹配站的冷热电联供装置602或势能泵601或能源储存装置102。

通过能效匹配站匹配提升的泛能流向能源应用装置103输出，系统能效控制器105也可协调能源储存装置102向能源应用装置103输出泛能流。

能源应用装置103未耗尽的余能进入能源再生装置104或势能泵101。

能源再生装置104和势能泵601将回收或提升的泛能流返回供给能源生产装置101。

系统能效控制器105依据能源应用装置103的泛能需求综合调控能效四个环节和能效匹配站。

在能效匹配站内部，当能源生产装置101、能源储存装置102供出的泛能满足能源应用装置103需求时，系统能效控制器105不启动能效匹配站工作。

当能源生产装置101、能源储存装置102供出的泛能不能满足能源应用装置103需求，但启动势能泵601可以满足时，系统能效控制器105优先启动势能泵601工作。

当能源生产装置101、能源储存装置102、启动势能泵601同时工作仍无法满足能源应用装置103需求时，系统能效控制器105将启动冷热电联供装置602，满足能源应用装置103的需求。

能效匹配站

图7示出了能效匹配站的示意图。能效匹配站包括：系统能效控制器105，势能泵601、冷热电联供装置602。

能效匹配站的所有设备均受系统能效控制器105的协调控制。

燃气通过燃气控制器721后，定量进入冷热电联供装置602，冷热电联供装置602发出的电力送入供电控制器722，所产生的冷量或热量送入供热控制器724。

风光互补光热一体化装置701发出的电力送入电力控制器725。电力控制器725将电力分配给势能泵601或储电装置707或供电控制器722。供电控制器722将电力向系统外部能源应用装置输送。电力控制器725也可从储电装置707中获取电力。

风光互补光热一体化装置701采集的热量送入储热装置702，使用时将热量提供给采能控制器723。

导冷热管704、辐射制冷装置705采集的冷量送入储冷装置706，使用时将冷量提供给采能控制器723。

采能控制器723将热量或冷量分配给势能泵601，经提升后送入供热控制器724，采能控制器723也可直接将热量或冷量分配给供热控制器724。供热控制器724将热量或冷量向系统外部能源应用装置输送。

系统能效控制器105接收系统内外信息，势能泵601可以独立满足能源应用装置的需求时，不启动冷热电联供装置602，切断燃气控制器721；不满足时启动上述装置协助供能。

风光互补光热一体化装置701发出，并送往电力控制器725的电力，优先供给供电控制器722向能源应用装置输出；盈余时优先送往势能泵601；如还有富余，送往储电装置707。

电力不敷需要时，电力控制器725将从储电装置707中取电送往电力控制器725。如还不敷需要，系统能效控制器105将启动冷热电联供装置602向电力控制器725发送电力。

在夏季，风光互补光热一体化装置701采集的太阳光热量被送入储热装置702，冬季，储热装置702的热量被送入采能控制器723，如果热量温度大于50℃，采能控制器723将直接向供热控制器724供热，供热控制器724再向能源应用环节103输出。如果热量温度小于50℃，采能控制器723将热量向势能泵601供出，由势能泵601提升后再向供热控制器724进而向能源应用环节103输出。不足时由系统能效控制器105启动冷热电联供装置602补足。

在冬季，导冷热管704采集的大气冷量被送入储冷装置706，夏季，储冷装置706的冷量被送入采能控制器723，如果热量温度小于10℃，采能控制器723将直接向供热控制器724供冷，供热控制器724再向能源应用环节103输出。如果热量温度大于10℃，采能控制器723将冷量向势能泵601供出，由势能泵601提升后再向供热控制器724进而向能源应用环节103输出。不足时由系统能效控制器105启动冷热电联供装置602补足。

夏季的夜晚，辐射制冷装置705将热量向大气辐射，并将冷量储存到储冷装置706，白天时供给采能控制器723，按照同样策略运行。

图8a和8b分别示出了利用传统电力网和泛能网管理电能利用的系统能效的示意图，其中曲线c1a和c1b分别表示传统电力网中的供电量(即供给)和用电量(即需求)随时间的变化，曲线c2a和c2b分别表示泛能网中的供电量(即供给)和用电量(即需求)随时间的变化。

在传统电力网和泛能网中，供电量基本上是稳定的，不随时间而变化(如曲线c1a和c2a所示)。然而，在传统电力网中，用电量随时间的变化导致供需之间的不匹配，从而使得传统电力网的系统能效很低。相反，在泛能网中，由于在节点中引入了分布式发电装置和电能储存装置，因此可以起到“削峰填谷”的作用，使得用电量始终与供电量匹配(如曲线c1b和c2b所示)，从而提高了系统能效。

应当注意，本发明的泛能网通过对各个节点的能效控制器的互动控制，可以统一调度整个网络范围内的分布式发电装置和电能储存装置，从而使得“削峰填谷”的作用最大化。这大大超出了智能电力网中提出的分布式发电装置的入网管理的概念。

进一步地，如前所述，本发明的泛能网利用相互耦合的能量流、物质流和信息流，实现多能量(多种类型的能量和/或来自多个地理位置的能量)的耦合利用。

尽管已经结合特定的优选实施例描述了本发明，但应当理解的是，本发明所包含的主旨并不限于这些具体的实施例。相反，本发明的主旨意在包含全部可替换、修改和等价物，这些都包含在所附权利要求的精神和范围内。

Claims

1.一种用于实现能源高效协同耦合利用的泛能网，包括以传输泛能流的虚拟管道互联网络架构连接在一起的节点，在所述节点之间双向传输泛能流，

所述节点包括系统能效控制器，以及连接至系统能效控制器的能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个，

其中，所述系统能效控制器控制与其连接的节点的泛能流的输入和输出，

所述泛能流包括能量流、物质流、信息流相互耦合协同而形成的逻辑智能流；

其中，所述系统能效控制器根据实时监测的能量流、信息流及物质流的流量和流向以及各设备的运行状况，预测未来一段时间内的能量流、物质流及信息流的流向变化和流量增减，并及时调整泛能网设备的控制参数，达到系统能效最优的同时充分利用环境势能和可更新。

2.根据权利要求1所述的泛能网，其中所述能源生产装置包括分布式能源系统。

3.根据权利要求2所述的泛能网，其中所述分布式能源系统位于能源应用装置附近。

4.根据权利要求2或3所述的泛能网，其中所述分布式能源系统包括发电装置。

5.根据权利要求4所述的泛能网，其中所述发电装置为选自冷热电联产装置、风力发电、温差发电、燃料电池、太阳能发电装置的至少一种。

6.根据权利要求5所述的泛能网，其中所述冷热电联产装置为选自燃气轮机、内燃机、燃料电池、辐射板耦合太阳能板(PVR)、冷热电联供系统(CCHP)中的一种。

7.根据权利要求4所述的泛能网，其中所述发电装置利用能源应用装置产生的废气、废热和压差发电。

8.根据权利要求1所述的泛能网，其中所述能源生产装置包括利用发电装置产生的废气、废热产生热能的热能生产装置，和/或利用发电装置产生的废气、废热产生电能的电能生产装置。

9.根据权利要求1所述的泛能网，其中能源储存装置为全钒液流电池、锂离子电池、储热/冷罐中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的泛能网，其中能源应用装置包括充电站、加气站、工厂用电设备、别墅、公寓、智能能源服务系统。

11.根据权利要求1所述的泛能网，其中能源再生装置包括微藻吸碳装置、废水再生装置、废热再生装置。

12.根据权利要求1所述的泛能网，其中所述系统能效控制器包括终端、交换器、路由器、逻辑控制器、楼宇控制器、工控机、专用控制系统/控制器中的至少两种。

13.根据权利要求1所述的泛能网，其中所述系统能效控制器获取与之连接的能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置的状态信息，并将控制命令传送到能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置，以执行能效优化。

14.根据权利要求1所述的泛能网，其中所述能量流包括电能和热能。

15.根据权利要求1所述的泛能网，其中所述物质流为选自冷、热、电以及能源再生装置产生的产品中的至少一种。

16.根据权利要求15所述的泛能网，其中所述物质流包括天然气、沼气、蒸汽、热水、冷水、CO₂的至少之一。

17.根据权利要求15所述的泛能网，其中所述能源再生装置产生的产品为螺旋藻。

18.根据权利要求1所述的泛能网，其中所述信息流包括能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置的虚拟标签及能源的实时价格信息。

19.根据权利要求18所述的泛能网，其中所述虚拟标签是能量流、物质流的属性信息以及输送来源地/目的地的数据封装。

20.根据权利要求1所述的泛能网，其中通过光纤、电力线载波和电缆中的至少之一传输所述信息流。

21.根据权利要求1所述的泛能网，其中所述系统能效控制器实现机机互感。

22.根据权利要求1所述的泛能网，其中所述系统能效控制器为管理者提供用于优化能效及执行控制的决策信息。

23.一种泛能网的节点，包括系统能效控制器，以及连接至系统能效控制器的能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个，

24.一种泛能网的接入终端，包括系统能效控制器，以及连接至系统能效控制器的能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个，

其中，所述系统能效控制器控制能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置的至少一个的泛能流的输入和输出，

25.根据权利要求24所述的接入终端，其中所述接入终端为包含太阳能发电装置和电能应用装置的家庭。

26.一种用于根据权利要求1所述的泛能网的虚拟标签，所述虚拟标签包括对能源生产装置、能源储存装置、能源应用装置和能源再生装置中的至少一个进行表记、传感和控制产生的信息的数据封装。

27.根据权利要求26所述的虚拟标签，其中所述虚拟标签包括以下信息：

能源类型：电、天然气、热、冷、CO₂、沼气类型，其中之一种或几种的组合；

生产者：厂家、或可控区域、或虚拟参与交易单位；

碳排放：碳税、碳指标、减税及补贴；

其它：日期、地点。

28.根据权利要求26所述的虚拟标签，所述虚拟标签作为泛能网中传输的信息流的一部分。

29.一种用于根据权利要求1所述的泛能网的虚拟管道，所述虚拟管道连接所述节点并在所述节点之间传输泛能流。

30.根据权利要求29所述的虚拟管道，所述虚拟管道包括用于传输信息流的互联网和区域网、用于传输能量流的电力网和热力网、用于传输物质流的燃气网、热水/冷水管网、二氧化碳回收管网、废水回收管网、物质运输工具的集合。

31.一种利用根据权利要求1所述的泛能网提供能源交易和服务的方法，其中所述泛能网包括作为泛能网的节点之一的交易服务器，所述交易服务器控制直接或间接与之连接的节点的能源交易和服务，所述方法包括以下步骤：

d)能源应用装置根据获得的信息选择能源来源；

e)能源应用装置通过根据所述虚拟管道获取能源。

32.根据权利要求31所述的方法，其中在步骤e)中，所述能源应用装置从能源生产装置获取能源。

33.根据权利要求31所述的方法，其中在步骤e)中，所述能源应用装置从能源储存装置获取能源。

34.根据权利要求32或33所述的方法，其中，所述能源生产装置、所述能源储存装置和所述能源应用装置位于所述泛能网的相同节点或不同节点。