能源模块-总览
尽管我们认为核能是人类未来的希望,但鉴于其危险性以及核废料对空间的侵占,在世界初期以水能为主似乎是一个更优的选择。——《余行京洛会议附件(第 22457 号)》
能源来源
水力发电:$53,760,000\mathrm{kWh}$(约),占比约为 $93\%$(年发电 $350$ 天)
太阳能发电:$3,874,000\mathrm{kWh}$(约),占比约为 $7\%$
(以建筑主体顶端全部面积发电,且建筑高度约 $800m$ 为准计算)
注:太阳能数值如下表 1,可能会有偏差。各常数的说明见表 2。
表1 太阳能的数值
建筑高度(m) | 平均建筑面积(m²) | 建筑主体光伏平均发电功率(kWh/year) | 常数 | |
---|---|---|---|---|
200 | 42500.00 | 15496940.96 | 建筑实体体积/建材体积 | 10.00 |
300 | 28333.33 | 10331293.98 | 建材总体积 | 1000000.00 |
400 | 21250.00 | 7748470.48 | 非主体建筑建材量 | 150000.00 |
500 | 17000.00 | 6198776.39 | 平均层高 | 4.80 |
600 | 14166.67 | 5165646.99 | 光伏发电效率 | 0.30 |
700 | 12142.86 | 4427697.42 | 日照功率GHI | 3.23 |
800 | 10625.00 | 3874235.24 | 日照功率修正系数 | 1.03 |
900 | 9444.44 | 3443764.66 | ||
1000 | 8500.00 | 3099388.19 |
表2 各常数的说明
常数 | 说明 |
---|---|
建筑实体体积/建材体积 | 此项为估计值。 |
建材总体积 | |
非主体建筑建材量 | 此项为估计值。用于水力发电系统、电力运输系统等等独立于主体建筑的建筑。 |
平均层高 | |
光伏发电效率 | 估计值。 |
日照功率GHI | kWh/(m²·day) |
日照功率修正系数 | 估计值。由于光伏发电板可以转动,实际GHI大于理论GHI。 |
电力回收:详细见能源细节设计。
其他能源:暂定仅用于工业所必须的方面,如:化工业。在利用化工原料之时,顺便利用其中的化学能。主要用于重工业。
能源消耗
部分数据来源:国家统计局官方网站。用到的数据如[1]所示。
工业用电:约 $33.96\%$
- 重工业:约 $22\%$
- 轻工业:约 $11\%$
交通用电:约 $9.43\%$
公共服务用电:约 $9.43\%$
生活用电:约 $9.43\%$
2022 年,人均电力生活消费量为 $987$ 千瓦时/年。我们在计算中取人均能耗是 $1200$ 千瓦时/年,那么总生活用电为:$2934000$ 千瓦时/年。农业(立体农业):约占 $37.7\%$
农业产量应当控制在满足 $2600$ 人生活为宜,留足冗余。每人每天 $0.35$ 公斤谷物,共计每年 $332150$ 千克,考虑到粮食浪费问题,我们要产 $340$ 吨谷物,蔬菜及水果 $380$ 吨,$57$ 吨肉,$57$ 吨鱼,$38$ 吨蛋,$285$ 吨奶制品,$26$ 吨油(折合 $65$ 吨油菜籽)。- 谷物能源消耗粗计算
谷物总种植面积:植物工厂的谷物产量通常较高。例如,小麦在植物工厂中的年产量可以达到每平方米约 $2\sim 3$ 公斤$^{[2]}\space$。要生产 $340$ 吨谷物,假设每平方米产量为 $2.5$ 公斤,需要约 $136,000$ 平方米的种植面积。
耗能:植物工厂的能耗主要来自照明、温控和营养液循环系统。根据一些研究,植物工厂的能耗大约为每平方米每年 $200\sim300$ 千瓦时$^{[3]}\space$。以此计算,$136,000$ 平方米的植物工厂年耗能约为 $27,200,000\sim40,800,000$ 千瓦时。为尽可能节省能源,我们取植物工厂年耗能约为 $27,200,000$ 千瓦时/年。 - 蔬菜能源消耗粗计算
蔬菜总种植面积:植物工厂的蔬菜产量通常较高。例如,生菜在植物工厂中的年产量可以达到每平方米约 $20\sim30$ 公斤$^{[4]}\space$。要生产 $380$ 吨蔬菜,假设每平方米产量为 $25$ 公斤,需要约 $15,200$ 平方米的种植面积。
耗能:植物工厂的能耗主要来自照明、温控和营养液循环系统。根据一些研究,植物工厂的能耗大约为每公斤蔬菜 $8.25$ 度电$^{[5]}\space$。以此计算,生产 $380$ 吨蔬菜的年耗能约为 $3,135,000$ 千瓦时/年。 - 立体农业的创新设计可以节省能耗:
白色的墙的反射率大约为 $80\%$。我们采取“球形立体”农业见能源创新设计。平面形的植物工厂光通量的利用率为 $90\%$,而如果采用“球形立体”农业,我们可以将光能利用率提升至 $100\%$。
在总能耗中,光能约占 $60\%^{[6]}$,所以经过优化,我们的最终农业耗能为:$28514900$ 千瓦时/年,约占总能耗的 $49.5\%$。
- 谷物能源消耗粗计算
畜牧业:采取适度自然放牧。“适量”意为保证不影响自然生态,意为将我们想要放牧的生物引入生态链;而对于我们少数的人来说,我们不需要放牧非常多的生物,也就不会 影响自然的生态平衡。既然我们采用如此的畜牧手段,它的能耗可以忽略不计。当然我们的世界也存在对于禽类的养殖来满足基本的肉类食品需求
垃圾 0 污染处理:由于存在回收,该部分能源几乎全部计入工业。
能源优先级
我们优先考虑生存问题,再将能源分配给工业设施、娱乐设施等部分。总体按照“马斯洛需求层次理论”进行划分。
- 高优先级:农业、医药行业、电热和水供应业等
- 中优先级:畜牧业、交通运输业、通信业、教育业、轻工业等
- 低优先级:文化艺术、娱乐业、重工业、建筑业等
参考资料
[1] https://docs.qq.com/sheet/DWWJneGtzd09rWFl5?tab=000002 《年度行业能源数据》
[2] https://www.chinairn.com/hyzx/20240116/171401810.shtml
[3] https://zhuanlan.zhihu.com/p/567010405
[4] https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=eab9638861b7fac08723c52b0ceb616a
[5] https://www.163.com/dy/article/HMCTG4UC0514AUG0.html
[6] https://k.sina.com.cn/article_7517400647_1c0126e4705903yuye.html “在电能中,光源的消耗占到 $60\%$左右,同时还包括空调等控温设备。”