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http://blog.sciencenet.cn/blog-268546-941852.html
表1，三维城市与二维城市比较
三维城市 二维城市
人口密度（人/平方公里） 250000 10000-20000
人均能源使用 低 高
人均占用土地面积（平方米） 4 50-100
人均生活空间（平方米） 100 约50
人均公共设施空间（平方米） 50 10到20
气候 四季如春 四季分明
自然灾害 无 有
城市基础设施 一次建成，良好 需要经常更新维护
城市智能化 自然实现 实现困难
建筑寿命 长 短
城市建筑重构 简单 复杂
工业用品寿命 长 短
城市快速配送 容易，可自动化 难以自动化
卫生条件 极好 取决于城市管理水平
人均寿命 很高 高
养老 居家，集中都方便 困难
急救系统 快速便捷无障碍 取决交通情况
城市效率 很高 一般
交通 快速便捷无冲突 困难
可享受的商业和公共服务 多 少
商业，公共设施服务服务范围 大 小
治安 好 取决于城市管理水平
生活环境 很好 取决于季节、气候、位置、污染、管理
生活中的事故和意外 少 多
锻炼 规律，方便 不规律，不方便
焦虑程度 低 高
健康状况 好 取决于卫生条件、工作压力、环境
住房 价格低 价格高
工作时间 短 长 |
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发帖数: 198 | 3 绿化海洋
与陆地相比，海洋显得非常贫瘠。
海洋，或者陆地供养人类、或者各种动物的能力，取决于它的初级生物质生产能力，主
要表现为光合作用能力。每平方米海洋的初级生物质生产能力只有一般温带森林的十分
之一。占地球表面积71%的全部海洋的生物质生产能力，还不如有很大比例荒漠和冻土
冰原的陆地。广阔的大洋中心，大部分是缺少生命的“荒漠”。海洋中生命丰富的地区
，主要是珊瑚礁，河流入海口，海岸附近，等。因为这些水域有一些关键营养元素来源。
生命离不开水和一些矿物质。陆地上矿物质丰富，只要有水，就会有动植物生存。海洋
不缺水，但是会缺少矿物质。只要有矿物质供应，海洋生物就会繁盛。陆地上的沙漠和
远洋是生命要素供应不平衡的两个极端。与沙漠相比，“荒漠”海洋的面积大的多，可
以养育生命的空间也大得多。
海洋中的化学元素本来非常丰富，但是浮游植物的生长繁殖会消耗一些关键的元素如铁
、磷，等。如果这些元素浓度过低，浮游植物就无法繁殖了。没有浮游植物，就没有以
它们为食的浮游动物，以及食物链上端的小鱼、大鱼，等。近海，珊瑚礁，河流入海口
，由于有这些营养元素补充，浮游植物生长旺盛，其它海洋生物也很丰富。远离陆地的
大洋中部，缺乏这些关键营养元素，成为“荒漠”。
大洋中心偶尔也会有来自陆地的大规模沙尘暴，和火山爆发，带来的营养物质降落。一
旦发生这种事件，海洋中部生物总量会突然大增。例如2008年阿拉斯加阿留申群岛的一
次火山爆发，在营养缺乏的东北太平洋撒下了大量火山灰，导致两年后阿拉斯加湾一条
河里的洄游红大马哈鱼数量猛增20倍。
陆地生物链的底层是各种植物。海洋里面，特别是远洋，缺乏高等植物。生物链的底层
是微小的浮游植物。在条件适宜的情况下，浮游植物的生长繁殖速度比高等植物高得多
。因为高等植物需要复杂的输运过程，来保证全体细胞得到足够的营养。但浮游植物非
常小，只要温度和养分适宜，很快就可以成熟并繁殖。
人为地为贫瘠的海洋补充营养元素也会产生同样的效果。这种对蓝色海洋的“绿化”可
以改善海洋生态环境，增加远洋鱼类产出，还能固定大气中的二氧化碳，缓解全球变暖
效应。
对于大规模绿化海洋，有些人担心会改变自然生态。大规模绿化海洋的结果是，海洋中
的生物质保有量大幅增加。既可以提高固碳量，缓解全球气候变化，还可以增大生物圈
总量，保护各种濒危海洋动物，也可以为人类增加海洋动物蛋白的供应能力。如果经过
充分研究和尝试，绿化海洋可以成为人类反哺地球母亲的一项重大事业。
远洋的矿物质补充，除了依靠大气环流输运之外，海底生物周期的上浮进食也可以起到
一定作用。它们会把少量的海底矿物质带到海面上来。一种绿化海洋的方法就是依靠太
阳能和风能，用长长的水管直接将海底的水抽到海面上来。局部实验的结果很好。海底
的水很冷，密度略大，往上抽需要耗费一些能量，但是不多。如果抽浑一点的水更好，
因为矿物质含量高，需要抽的水量少，对海面的温度影响也很轻微。
这种方法绿化海洋，比在陆地上绿化沙漠容易多了。因为绿化沙漠需要很长的引水渠，
水资源量也是一个大问题。而海洋的平均深度不到四公里，抽水难度小，消耗的能源也
少。
随着海面生物总量的增加，海底生物量也会同步增加。因为海底生物的最终食物来源还
是海面。海底生物增加，由它们周期上浮带来的矿物质也会增加。这一效应可以降低海
洋绿化的工程难度。 |
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发帖数: 198 | 4 《下一次革命》之高原温室农业
中国西部除了干旱之外，春秋的风沙和冬季的寒冷，也是发展农业的不利因素。如果能
建温室，可以最大程度地降低这些不利因素的影响。同时，最大程度地利用高原地区阳
光充足，气温较低的优势。阳光充足意味着白天容易维持温度，气温较低意味着不需要
消耗很多能量制冷。夜间温度低，还有利于植物保持养分。
中国北部，包括内蒙，河北北部，东三省西部等，有大量宜耕土地，并不干旱，风沙也
不太严重，同样拥有西部适宜发展农业的自然条件（阳光充足，温度不太高，昼夜温差
大），非常适合发展温室农业。
有一点似乎令人奇怪，中国的太阳能资源，或者说用于植物生长的阳光资源，中国的北
方比南方更丰富。主要原因是西部及北部地势高，被云及低海拔（浑浊）空气遮挡的阳
光少。查一查中国太阳能资源分布图就可以发现这一点。
植物生长需要充足的阳光，一定的温度，一定的养分，和充足的水分。在中国的西部和
北部，阳光资源更加丰富，如果能够人为增加地表温度，会比南部更适合发展农业。而
对温室来说，只要有阳光，温度自然会提升到合适的程度。温室中的水分和养分本来就
可以得到最大程度的利用。由于总的气温较低，温室不像在南方那样需要很强的降温措
施，从而有助于降低能源消耗和运行成本。强烈的阳光和很大的昼夜温差，对昆虫的生
长不利。所以这些地区的自然病虫害也较少。
西部也是可再生能源非常丰富的地区，包括风能，太阳能，水力等。如果需要对作物补
光，延长作物的每天的光合作用时间，缩短成熟时间，会有丰富的绿色电力供应。植物
补光并不需要非常规律。效果是累积的，即使来电不稳定也没有关系。有就补一点，没
有就不补，最多成熟晚几天。
在前面论证太阳能的困难的时候，我们说过，要开发数十万平方公里土地发展太阳能是
非常困难的。但是结合高原温室农业发展则有很大的前途。因为高原太阳光能丰富，而
植物对太阳光的利用有一个极限，为每平方米100瓦。但是高原太阳光能高峰时可以达
到每平方米1000瓦，植物无法利用。如果把这部分太阳能利用起来，即在温室顶部铺设
一定比例的太阳能电池板，既可以充分利用太阳能，又可以减少温室的降温需求，是一
个两全其美的方案。
温室中的植物由于温度、湿度、水分、光照、养料都足够丰富，生长很快。但是还缺乏
一个必要的因素，那就是空气中的二氧化碳。二氧化碳是植物光合作用必不可少的。对
于露地种植，这不是一个问题，因为空气中自然含有一定浓度的二氧化碳，况且也无法
控制。一般来说二氧化碳浓度越高，植物生长越快。但在温室中，植物生长很快，容易
很快降低二氧化碳浓度。城市周边，二氧化碳浓度本来就偏高，只要持续换气就可以了
，但一般也会补充一些二氧化碳。但在高原地区，二氧化碳浓度偏低，必须在温室中补
充。
中国的西北部也是化石能源资源丰富地区，有大量的煤炭和坑口电站，每年排出大量二
氧化碳。如果把这些电站的排放收集起来，作为温室的碳肥，无疑皆大欢喜。但长期来
看，这些电站是要停掉的。在几十年的时间内，逐步停掉内地的火电站，保留西部的火
电站，可以保证温室对二氧化碳的需求。如果火电站不够了，那么还可以走人工碳循环
的路线，即封闭农业和畜牧业，让碳在人工控制的小范围内循环。
可以将三维城市和温室基地用管道连接起来，或者在三维城市中用物理、化学的方法捕
获二氧化碳，运输到温室。畜牧业基地可以直接和温室基地间隔布置，建立独立的生态
圈。
在有足够的能源发展独立于自然的室内种植以前，在西部和北部开发温室农业是很好的
选择。考虑到温室土地利用效率的倍增能力，西部开发一平方公里温室，至少可以代替
东部经济发达地区六平方公里耕地。东部可以保留部分土地开发温室，种植瓜果蔬菜，
这样可以降低瓜果蔬菜的运输费用和损失，而将粮食搬到西部和北部的温室中种植。
也许有人会问，三维城市已经非常节约土地了，还要发展温室，搬迁粮食种植干什么？
土地不是够用了吗？理由如下：我们的长远目的重建是一个自然的“自然”，尽量降低
人类对自然的影响，为地球上其它的动植物留下更多的生存空间。西北部是自然条件恶
劣地区，本来没有多少动植物。我们改造过来保证人类食物供应，可以最大程度地减小
对自然环境的影响。
实际上我们需要要把所有的耕地都改造成温室，这样才能建立一个健康、有保障、受气
候变化和自然灾害影响小的农业。
那么，中国的西部和北部，并不是传统的种植农业地区，将农业基地建在这里，合适吗？
需要知道的是，温室农业和传统农业有很大的差别。它们对自然环境和资源的要求是不
一样的。
作物生长的条件是阳光，温度，水分，和含有必需养分的土壤。传统农业完全依靠气候
条件和肥沃的土壤。有了灌溉和肥料之后，对气候和土壤的要求降低，但是仍然需要保
证环境的温度及光照。传统条件下，只能依靠地理位置和气候条件来保证。即使有现代
农业技术的帮助，传统露地农业仍然有不少问题，比如灌溉的能力有限，病虫害不好控
制等。大范围干旱的情况下，灌溉技术也无能为力。露地农业对严重一些的其它自然灾
害，如暴风，暴雨，冰雹，等，也没有很强的抵抗能力。
温室农业唯一需要的外部资源是阳光。温度可以在很大范围内控制，水分、养分都不是
问题。西部北部阳光充足，昼夜温差大，降尘量少，都是发展温室农业的天然优势。所
以，要发展温室农业，西部和北部是更好的选择。
国际上，现代农业，或者叫温室农业，设施农业，主要不是在传统农业地区发展。除了
日本主要是因为土地不足以外，以色列，美国，还有西班牙南部的自动化设施农业都是
在沙漠或者戈壁地区。即使温室花卉养殖发达的荷兰等地，也不是传统的农业地区（因
为纬度太高）。
现在南方也有很多塑料大棚。在南方，大棚在冬天的优势比较明显，但在夏天有很多弊
端。夏天南方气温高，昼夜温差小，大棚内温度更高，湿度也很高，超过了作物生长的
适宜温度区间，作物反而生长不好。昼夜温差小，生长季节夜间延续时间也很长，这样
作物在夜间消耗养分也多，白天合成的养分难以积累，导致农作物的产量和品质都下降
。普通大棚的降温只能掀开塑料膜，这样大棚的意义就没有了。
基于同样的原因，由于环境温度高，温室大棚建在南方降温成本过高，作物的生长条件
不如北方。
大片温室人工降温非常困难。太阳直射时功率可以高达1千瓦每平方米，一亩地近700千
瓦，即使制冷效率很高，至少也需要200千瓦，每小时电费超过100元，一天超过1000元
。夏季如果按一百天计，仅制冷的电费成本就会超过10万元。这显然是不可能接受的。
况且大面积制冷，废热甚至没有地方可以排放。南方夏季高温期间，不但白天温度高，
夜间温度也很高。如果要维持较低的温度，夜间也需要制冷。在高原由于环境温度低，
可以适当设计温室，以节能的方式散热和控温。
南方多暴风雨和虫害，北方多风沙和雪害。
对于大片的温室，只有局部位置需要加强对大风的防护，温室采用钢结构，加强设计和
施工可以避免风沙的危害。只要温室结构不破坏，风沙对植物生长是没有影响的。
对于温室来说，雪害不容易成灾。一是因为降雪量不像降水量那么大，一般定义的暴雪
，降水量只有暴雨的十分之一左右。二是温室依靠阳光加热，土壤和多层玻璃保温，能
够常年维持在一定的温度。下雪持续时间不会很长，能够很快融化，不容易积累。我们
也不用在特别冷，雪灾特别严重的地方建温室。
温室的成本高。现在农产品基地更多采用塑料大棚。简易的大棚以竹竿和木头为拱架。
优点是取材容易，施工方便，造价低廉，平均每平方米仅需5元人民币；但它的缺点是
强度低，抗风、雨、雪能力差，容易朽烂，需要经常维修和更换，操作管理也不方便。
竹木支架跨度小，大棚内空间狭小，需要很多柱子，棚内工作不方便，增大了劳动强度。
增强的钢架式大棚以方钢管为拱架，涂防锈漆或镀锌防锈。强度高，抗风雨雪能力强，
跨度大，大棚空间大，操作管理方便，使用寿命较长，可达10-15年。钢架大棚成本比
较高，约每平方米30元人民币。
塑料大棚的保温效果不太好，夜间需要覆盖保温层，白天在太阳直射下温度又容易过高
。过高的温度增大蒸发量，增加湿度，导致霉菌大量繁殖，引起减产及作物品质下降。
玻璃联排温室的造价每平方米100元左右。但国内目前的“玻璃温室”，“阳光温室”
智能化程度还不够。本章用的“温室”一词专指自动控温，自动灌溉，自动施肥，自动
监测，等等，的智能温室。小面积智能温室投入很大，主要是控制部分的成本高。框架
，玻璃，管道等的成本并不高。控制部分对于大面积的温室也是一样的，所以规模上去
后，控制部分的成本平均起来会大幅下降。
温室可以为作物提供优化的生长条件。我们经常在新闻中看到，某一科研单位开发的新
品种，可以使粮食作物亩产达到多少公斤，比如说亩产1500公斤的玉米，“吨粮田”，
等等，但是那么多年来，经过长期努力，全国粮食（包括稻谷、小麦、玉米）亩产平均
仅仅只有353公斤（2012年）。考虑到南方很多土地已经实现了多季种植，这个数字是
非常低的。试验田的产量都很高，但是一旦推广，产量马上下降。这是因为试验田有很
好的其它条件，如光、温、肥等，种植人员的专业水平也要高一些。
对粮食产量有决定影响的因素，除了种子之外，其它物理条件也非常重要，比如雨水，
积温，光照等。在全部耕地面积中，比例更大的是低产田。作物生长需要的各种条件，
只要一项不具备或者不足，就足以大幅度影响产量。这些条件在露地是很难控制的，但
是在温室则可以。温室可以充分发挥良种的优势，提高粮食产量。
除了产量之外，物理条件不够，粮食的品质也会受到很大影响。目前国内几大粮食品种
的优质率在50%上下。温室能够提供优化的生长条件，优质率更有保证。
我们也可以看到，自动化智能温室的产量非常高，瓜果蔬菜类是露地的十几倍到几十倍
，那么推广之后，是不是也会发生同样的“推广难”问题呢？刚开始的时候，应该是会
有的，因为大量人员需要培训。
温室与露地相比，还有一个重大差别：智能温室是可以复制的，但是土地和气候不可以
。经过人员培训之后，所有的温室都应该能按照设计的性能工作。智能温室专业性很强
，但是可以将用户界面做得很友好。就像汽车制造很专业，但是司机只需要定期开车到
4S店就可以了。在物联网充分发展的三维城市时代，只需要少量专业人员，甚至专家系
统（种植管理软件），监控温室、维持设备正常运行就行。 |
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发帖数: 198 | 5 基于压缩空气蓄能的全可再生能源系统
大规模蓄能是一件很困难的事情。比如将一百万千瓦一天的能量储存起来，需要60万吨
铅酸电池，或12万吨钠硫电池，或15万吨锂电池，或9000万吨水提升100米。可是2012
年中国电力装机已经有11亿千瓦，用电量已经达到5万亿度。假定三维城市时代，主要
依靠太阳能和风能，电能蓄存能力需要达到一年总用电量的十分之一，也就是相当于存
储5000亿度电。如果用最经济的铅酸蓄电池，需要180亿吨。全世界一年铅酸蓄电池的
产量才450万吨，并且已探明铅矿储量只有8500万吨。如果使用锂电池，情况更不乐观
。储存5000亿度电至少需要20亿吨锂电池，而全球锂产量只有3.4万吨（锂电池重量跟
用到锂的重量不是一回事）。需要几十万年才能把那么多锂开采出来，但锂在全世界的
探明储量只有1300万吨。这里还没有讨论它们的成本和充放电次数。所有的电化学电池
，在大规模储能方面都有同样的问题。也就是说，如果希望用化学电池的方式实现大规
模蓄能，以调节风能和太阳能的输入输出，是不可能实现的，百分之一也实现不了。
目前成熟的大规模蓄能手段只有抽水蓄能电站。抽水蓄能电站已经有很多的工程上的例
子，主要用途是电力消费的调峰填谷。储存5000亿度电需要多少水呢？大约需要将1万
亿吨水提升200米，也就是将长江入海口一年流量的水提高200米。如果把这些水覆盖江
苏，浙江，安徽，福建四个省，可以达到10米深。普通的抽水蓄能电站一般只有几千万
立方米，不到这一数字的万分之一。所以抽水蓄能也不可能实现如此规模的蓄能。
百分之十年总用电量的储能量，是一个比较合适的估计数字。如果只考虑昼夜的差别，
那么只需要存半天。但是风能和太阳能都有季节因素，有可能十天半个月发不了什么电
。如果还有其它能源作补充，这一比例还可以低一些。
那么，有什么技术可以实现大规模的蓄能呢？其实还有一种技术，就是压缩空气蓄能，
可以满足间隙性可再生能源的大规模蓄能要求。300大气压的压缩空气可以实现每公斤
500千焦耳或者每升170千焦耳的储能能量密度，按质量计与锂电池相差不远，按体积计
只有锂电池的四分之一。但是空气本身并没有成本，成本来自容器。如果使用高压罐，
大约每0.5公斤罐体材料可以提供1升的容积。这样按罐体材料质量计算的能量密度，大
约是锂电池的一半。但是锂电池的价格很高，高压罐的罐体材料是普通的钢材或者铝材
（作为内胆），加上外层加固用的碳纤维或者玻璃纤维。这些材料成本价格大约是10元
人民币左右1公斤，只有锂电池的几十分之一。考虑到高压罐的使用寿命一般是20到30
年，远长于充电电池的寿命，作为存储介质，高压气罐的成本应该在电化学电池的百分
之一以下。
对于压力容器，最关键的指标是罐体材料的抗拉强度。几乎任何材料拉成细丝后，抗拉
强度都非常高。抗拉强度越高，需要的材料就越少，罐体的安全系数也越高。普通结构
钢的抗拉强度只有3000大气压左右，高强度钢能达到7000，但玻璃纤维能达到40000，
碳纤维能达到60000左右。玄武岩是地球上最常见的一种岩石之一，储量极其丰富。把
它融化后制成丝，抗拉强度也能达到四五万大气压。
压缩空气蓄能是非常有前途的大规模蓄能方案，但是尚未形成产业，相关研究也还很不
够。国际上，已经一些公司开发出小规模的产品，可以实现很高的充放能效率。
压缩空气除了直接蓄能以外，还可以实现很多看起来不太可能实现的功能，比如充放能
效率超过百分之百，也就是充进去1度电，放出来超过1度电。有两种方法可以实现这一
点。一是在寒冷的地方压缩，然后再炎热的地方膨胀做功，由于内能和气体的绝对温度
成正比，如果在0度左右的高原压缩空气，在27度左右的城市环境中膨胀空气，空气的
能量就会多出10%。还有一种方式是利用高度差，比方在海拔1550米左右的高原（风能
集中地区）压缩空气到200大气压，再用管道将压缩空气传送到在海拔50米左右的城市
，压缩空气气压自然会上升到250大气压左右，因为压缩空气很重，在联通的管道里，
底部压强大，顶部压强小。这样又可以得到额外的一些能量。这些能量来自高原空气本
身的势能。相对同一地点的压缩空气蓄能，高原压缩，低海拔地区利用，可以不费代价
地多得到温度差，势能差，压强差三份能量（有重复计算）。
如果使用300大气压的压缩空气，同样储存5000亿度电，大约需要100亿立方米的高压容
器，折合钢材、玻璃纤维等材料为50亿吨。虽然这也是一个很大的数字，但是钢材、铝
、玻璃、还有玄武岩等，都是很平凡的资源，根据我们前面对各种资源的分析，在几十
年的范围内，并不很难实现。而电化学方法和抽水蓄能在几十年内都是不可能做到的。
100亿立方米300大气压的空气，放出来大约等于30000亿立方米，重约40亿吨，略不到
地球空气总量的百万分之一，因此基本不会影响地球大气的功能。在全球变暖的场景下
，少一些空气有助于降低地球表面温度，能够缓解全球变暖，但是幅度很小。
大规模蓄能技术与三维城市关系不是很大，但是与未来大规模利用可再生能源关系很大
。如果没有大规模蓄能，风能和太阳能等可再生能源的利用率很难超过20%。一旦实现
了大规模蓄能，就可以百分之百地使用可再生能源。
三维城市每天要消耗很多电。这些电最后都会变成热，需要靠空气管理系统排出城市。
等温压缩空气蓄能，在压缩的时候排出热量，发电的时候吸收热量。如果直接在三维城
市里利用压缩空气发电，则电总的热贡献是零。也就是电发出的热都被发电机吸收了，
这样可以大幅降低排热系统的功率。另外，在高原或者沿海压缩的空气，直接排放到三
维城市里面，也可以改善城市的空气质量。
除了大规模蓄能以外，三维城市里，普通设备的蓄能要求并不是很强。因为一直都在室
内，可以随时充电。没有电动汽车的需求，但是有电动代步工具的要求。由于旅行距离
短，普通的蓄电池足够了。
对于平时在室外道路上运行的电动汽车和电动自行车，充电非常不方便。三维城市的代
步工具本来就在室内使用，充电很方便。
三维城市之间采用高效的轨道交通，城市内采用大量的电梯。这些交通方式如果考虑蓄
能的话，能量的消耗还可以大幅降低。比如电梯，每天上上下下，平均下来并不做功。
如果我们让下的电梯拉动上的电梯，不需要消耗什么能量。可以设计出电梯的能源回收
方案，下的时候（其实是减速或者匀速下降的时候）发电，存起来，上的时候用。如果
再在很多电梯间调度，下降的电梯发电，上升的电梯用电，只是不匹配的时候才把电存
起来或者从外界取电，这样就可以节省大量电能，也不需要很多蓄电池。
三维城市之间的轨道交通也是类似的，加速的时候用电，减速的时候发电，同样可以节
约很多能源。
其实现在的轨道交通，特别是地铁就是这样工作的。地铁从一站到另一站纯粹消耗在动
力上的能源非常少，甚至不如该地铁列车在空调和照明上用的电量大。 |
