基于碳排放模型的城市空間規劃方法研究

1城市低碳發展與單位gdp能耗氣候變化給世界和人類帶來了巨大挑戰。中國要達到可持續發展及控制氣候變化的目標,要采取“脫鉤”(Decoupling)的路徑理論。在能源與環境政策領域,“脫鉤”理論被用來分析經濟發展和資源消耗之間的響應關系。一國或一地區在經濟發展初期,物質消耗總量隨經濟總量增長而增加。但在特定政策環境下和特定階段之后會發生變化,經濟增長和物質消耗不再同步,而是后者略低,甚至下降,出現“倒U”型,就是兩者開始“脫鉤”。中國目前在降低單位GDP能耗方面的政策、目標和方式,就是對“脫鉤”理論的實踐。在此形勢下,中國城市化必須加速可持續、低碳經濟發展,通過城市規劃、建設、管理的創新思維和手段,達到“脫鉤”效應。近期已有不少這方面的建議和研究。2建立碳排放評估模型低碳經濟發展最主要的實施平臺就是城市。城市化過程中,由于基礎建設需要大量的高能源高碳密度原材料產品,包括鋼材、水泥等,消耗了大量能源并產生大量排放,成為全球氣候變暖的主要源頭。同時,目前,提高能耗效率和減排技術,已有大部分成本合理的手段可以在城市內規模化地應用。要推動有關的低碳城市規劃,我們必須從傳統的思維跳出來。目前在城市規劃領域應對氣候變化控制碳排放,要考慮兩個基本挑戰:(1)我們最熟識的城市規劃和城市設計思維方法是把城市以有形的形態表達出來,所以我們看見的是空間形態的表現形式。事實上,要規劃一個節能、低排放、低碳的城市,我們首先要了解影響城市能源和資源使用效率的決定因素:城市的經濟、社會、文化、環境和市民的價值觀念、生活方式、消費習慣等,與城市的能源和自然資源的運用及分配息息相關,從而直接影響城市碳排放量。城市規劃、管理要把握和應用這個主要原則,將其實施到規劃編制方法上。(2)城市是社會應對氣候變化挑戰的重要行動平臺和載體,城市政府有責任推動以降低二氧化碳排放為目的的規劃和管理政策,對城市進行碳排放審計是實施以上具體工作必需的科學數據基礎。然而,不少城市本身對其二氧化碳排放的基線分析、未來情景比較、減量方法和范疇等都還沒有完整的科學數據,無法供政策情景分析之用。城市“碳排放量”計量的是一個城市經濟、社會、環境體系在一段時間內溫室氣體的總排放量。即,碳排放量不只是計算二氧化碳,而是把二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、全氟化碳(PFCs)、氫氟碳化物(HFCs)、六氟化硫(SF6)6類溫室氣體都包含在內。每一類溫室氣體再通用蠶食轉換為“二氧化碳等量值”。宏觀層面的碳排放分析、研究工作近年不斷推進,對整個社會經濟體系做出碳排放分析和預測都有不少成果。然而,目前國外內的研究工作都存在不足,影響了在城市規劃領域內應對氣候變化工作的推進。現有碳排放模型的主要對象,是宏觀層面的國家地區及微觀層面的企業。如何在一個中觀,即城市/園區層面開展低碳經濟規劃,是筆者強調需要研究的重點。現有的主要宏觀能源模型具有重要的借鑒意義。筆者通過采用現有宏觀碳排放分析模型為基礎,嘗試建立城市規劃編制流程中可以使用的碳排放評估方法。由于傳統城市規劃方法研究在量度碳排放方面工作比較少,要建立一個適合城市規劃編制流程中使用的碳排放評估方法,可以在能源政策規劃研究領域參考現有工具,調整適合城市規劃管理手法。筆者參考使用Kaya碳排放恒等式模型。Kaya碳排放恒等式是1989年由日本教授YoichiKaya在聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)研討會上最先提出。Kaya恒等式通過一種簡單的數學公式將經濟、政策和人口等因子與人類活動產生的二氧化碳建立起聯系,等式的一側將主要排放驅動力分為乘法因子,而另一側對應于二氧化碳排放量。根據該恒等式,碳排放量主要是由人口、生活水平、能源使用強度和碳排放強度決定的。碳排放量的基本公式為:式中,C為碳排放量;Ci為i種能源的碳排放量;E為一次能源的消費量;Ei為i種能源的消費量;Y為國內生產總值(GDP);P為人口。從(1)可以分析4個影響碳排放量的變數為:能源結構因素Si=Ei/E,即i種能源在一次能源消費中的份額;各類能源排放強度Fi=Ci/Ei,即消費單位i種能源的碳排放量;能源效率因素I=E/Y,即單位GDP的能源消耗;經濟發展因素R=Y/P。就是說,要控制碳排放,有關城市系統需要針對能源結構、各類能源排放強度、能源效率、經濟發展和城市空間規劃管理的關系。城市空間規劃可以影響或決定城市(或分區、園區、新區等不同空間)內上面4個因素中的3個:城市能源供應規劃可以決定能源結構,城市建筑、產業活動和交通模式可以決定能源效率,城市發展人口與經濟規模可以決定經濟發展因素。可以說,通過以低碳發展為目標的城市規劃編制,我們的城市規劃管理體系有能力應對氣候變化的挑戰。以下嘗試把有關模型再發展成為城市空間規劃方法。以碳排放模型Kaya公式為基礎,運用部門分類的思路,分為建筑部門、交通部門、工業部門、能源部門對模型進行分解。Kaya公式的提出是針對宏觀經濟的,人口、生活水平、能源使用強度和碳排放強度是碳排放的驅動因子,而將Kaya模型運用到城市空間園區層面,特別是分解到各部門,人口與生活水平很難作為驅動因子進行衡量。故通過對Kaya模型的調整重寫,將等式(1)右邊的驅動力修正為部門發展規模(產業經濟結構/規模/建筑總量/客流總量)、能源效率(單位發展規模的能源消耗,建筑節能/交通/生活方式)、能源結構和各類能源的排放強度(圖1)。在分解了碳排放的驅動力之后,將碳排放的審計進行部門分類,其目的是為了就各部門不同的特點進行碳審計,同時相對應的低碳經濟策略和行動計劃也會更具針對性和可操作性。筆者將這個模型作為工具應用在武漢的一個項目。武漢經濟技術開發區始建于1991年,1993年4月經國務院批準設立。武漢經開區位于武漢城區西南部,東臨長江,南依東荊河,西靠京珠高速公路,處于市區中環線和外環線之間。園區范圍192.7km2,其中102km2為新開發區域。武漢經開區建成區已達40km2。生產總值由2004年的116.8億元增加至2008年的326.7億元。汽車零件制造業占總產值的60.97%,電子電氣占30.31%,為園區兩大主要產業。武漢市經濟技術開發區發展低碳經濟既有優勢,也存在挑戰。武漢經濟技術開發區經濟基礎發達,是先進制造業集中、產業聚集效應突出的區域。同時,環境質量體系完善,2002年建立ISO14000環境管理體系并通過中國環境科學院認證審核,2007年建立ISO9000質量管理體系并通過認證中心審核。園區重視節能環保,出臺了《武漢經濟技術開發區環境保護獎獎勵辦法》等文件,并在公共機構率先開展能源資源消耗統計工作,制定了到2010年,以2005年為基數實現節電20%、節水20%、單位建筑能耗和人均能耗分別降低20%,創建一批節能示范單位,制定全區公共機構能耗定額標準,建立并完善能耗信息化管理平臺的目標。在園區的帶動下,區內的東風本田、東風鴻泰集團、可口可樂公司等工業企業利用提升科技節能降耗成效明顯,如東風本田公司致力于打造“綠色工廠”,該公司在噴漆工序采用了新型水溶性涂料,通過優化組合,使生產工位減半,實現了電力、天然氣、水等資源的節約。但同時,經開區在發展低碳經濟方面也存在著一定的挑戰。經開區的大部分區域均已建成,且部分建筑是在國家發布建筑節能標準之前建造的,總體能耗比較大;同時,園區第二產業比重高,工業企業能耗大,而個別企業的能耗和環境污染目前占經開區的能耗和污染總量的一半以上,給整個園區的節能降耗工作帶來了挑戰。從外部環境來看,武漢經濟技術開發區建設節能環保產業園區,提倡低碳經濟發展是與宏觀經濟的發展趨勢相一致的。經開區發展低碳經濟有很大空間,但低碳經濟的發展目前正處在一個快速的時期,許多理論和技術的探索還在繼續,因此并沒有一套非常成熟的理論和實踐經驗來指導我們如何建設一個低碳經濟園區。這是挑戰,同樣是機遇,對于將低碳經濟應用到規劃層面,提出碳審計、碳減排、低碳行動計劃具有很強的示范意義。低碳經濟規劃首先將對園區目前的整體碳排放進行審計,分為工業、交通、建筑、能源4個部門,然后對未來的排放水平進行評估,包括現狀不變和低碳情景兩種假設,在明確了低碳情景的碳減排績效后,相應地提出如何達到這種低碳經濟的政策目標和行動計劃(圖2)。建筑能耗一般是指在建筑正常使用的條件下消耗的能量,包括采暖、空調、熱水供應、照明等系統的能耗。由于建筑能耗已經成為繼工業之后,與交通并稱為城市能耗的主要大戶,因此,建筑能耗日益受到專家和社會的矚目。建筑節能已經成為一個關系社會、經濟可持續發展,關系百姓切身利益的綜合性課題。到目前為止國家陸續頒布了一系列建筑節能設計標準,如2001年出臺的《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》(JGJ134-2001),2005年4月出臺的《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2005)等,不斷推進城市區域的建筑節能工作。如何在已有城市區域開展建筑節能活動、促進城市區域的低碳生態發展模式的形成具有重要的意義。民用建筑部門碳排放的驅動力主要包括園區內住宅/公共建筑總的建筑面積、住宅/公共建筑單位面積的能耗,以及用能需求類型。根據現場調研、訪談,以及相關資料,開發區90.7km2范圍內,未建設住宅、公共建筑面積為709萬m2。其余地塊均為已建地塊(表1)。通過抽樣調查、分析以及與相關專家進行討論后,我們發現現狀已建建筑,包括住宅、公建,其能耗也可分兩種情況:一種“舊時期建筑”是在國家頒布節能標準之前建造的,能耗較大;另一種“節能標準建筑”是在節能標準頒布之后,其節能設計標準較為嚴格,能耗較小。假設舊時期建筑,其能耗以“舊時期建筑”的抽樣能耗模擬作為代表;以節能標準建成建筑,其能耗以“節能標準建筑”的抽樣能耗模擬作為代表。然后利用動態能耗模擬軟件,采用武漢地區氣象數據,對上述幾類建筑分別進行動態能耗模擬。最終達到把握其能耗現狀、進而提出相應節能措施并對這些措施的節能效果進行評估的目的。根據住宅/公共建筑總的建筑面積,以及住宅/公共建筑單位面積的能耗,計算現有建筑的總能耗。園區現有民用建筑每年的能耗總計3877GWh(表2)。碳排放總量通過能源供應結構估算為133萬t二氧化碳。交通部門碳排放的驅動力主要包括各種交通出行方式,以及各類交通工具的能耗。通過研究園區交通流量和出行數據,規劃對碳排放量現狀做出評估。武漢經濟技術開發區現有人口約135900人,根據規劃指標和戶均小汽車擁有推算:公交車約有90輛,每輛公交車每天出行8次,公交路線平均約10km;小汽車約有1656輛,每天可行走45km。根據公交車和小汽車的燃料特性估算,設公交氣缸容量7500ml,每1000ml行走1km產生120g碳排放。每輛小汽車氣缸容量為2250ml,每1000ml行走1km可產生105g碳排放。則每年交通碳排放總量為9000t,其中包括:公交車2500t,小汽車6500t。工業部門碳排放的驅動力主要包括園區總的工業增加值,以及單位工業增加值的能耗。2004~2008年武漢經開區綜合能耗逐年增加,從2004年的341871t標煤增長到2008年的754013t標煤,增長了121%;而單位工業增加值綜合能耗持續下降,從2004年的0.39t標煤/萬元持續下降到2008年的0.24t標煤/萬元,優于國家綜合類生態工業園區單位工業增加值綜合能耗0.5t標煤/萬元的標準值。說明武漢經開區的能源利用的經濟效益顯著。2008年武漢經開區能源消耗種類主要有電力、原煤、天然氣、柴油、汽油等,綜合能源消費總量(折標煤)為717999.89t,其中原煤占46.62%、電力占30.12%、天然氣占14.07%、柴油占4.58%、汽油占4.12%。武漢市經開區現狀工業增加值能耗為0.24t標煤/萬元工業增加值,工業增加值總量301.8億元。估算園區工業碳排放量(包括工業生產和工業建筑)為175萬t二氧化碳。目前,武漢經開區的能源供給以常規的化石能源為主。電力供給來自于華中電網。此外,至2008年,武漢經開區內輔助性供電已有規模為192MW沌口調峰電廠,并有一座220kv郭徐嶺變電所,主變容量2×180Mv,還建有3座110kv公用變電所,最大用電負荷約60MW,供電量2.2億kWh,供電能力47.5萬kva。供熱規模包括一期規模為150t/h的供熱中心可提供生產和生活用蒸汽和熱水。供氣方面,武漢經開區內漢陽煤氣廠位于南臺子湖南側)其規模為24萬m3/日,制氣方式為水煤氣兩段爐,經開區內沌陽大街設有長度2.5km的煤氣管。至2008年,經開區內共有鍋爐5個,其他由外地引入,所用燃煤種類為貧瘦煤,發熱量5300kcal/kg以上,水分含量6%,揮發12%~18%、含硫小于1.5%;運輸川煤和山西煤,船運或火車運往漢陽火車站,供熱大部分使用燃煤。蒸汽供應能力774t/h;天然氣供應能力48萬m3/日。按照上述碳排放量驅動力公式計算,現有建筑每年碳排放總量為133.3萬t二氧化碳,交通排放9000t,工業175.77萬t二氧化碳,總計301萬t二氧化碳。其中,工業碳排放占總量的56.7%,建筑部門碳排放占總量的43%(表3)。武漢經濟技術開發區作為一個工業園區,工業的節能減排在碳減排中占最主要的地位。隨著經濟的發展,這一比例還將繼續上升。同時,民用建筑在整個碳減排中也為主要源頭。園區規劃發展是以2020年為規劃終點年。按照現有園區總體規劃的開發規模和土地使用布局,可以估算在目前碳排放技術、經濟發展方式、能耗使用效率、能源供應結構等參數不變情況下,園區最后發展計劃完成時的碳排放量和排放結構(表4)。碳排放總量為1302.5萬t二氧化碳。可以看到,園區未來土地發展由于主要為工業用途,民用建筑建設量和交通運輸出行量相對比例不高。未來的碳排放量源頭以工業部門為主,也是未來降低碳排放最重要的一環。對于低碳模式的定義,是指對現狀各部門的經濟活動進行節能減碳的改造,并對未來的活動進行低碳開發,即以低碳為指導原則,通過一系列的行動,實現低碳發展的模式。下文把不同部門降低碳排放規劃要求的建議作一簡述,并評估它們對未來碳排放量的影響。對于已建建筑,建議進行建筑節能改造,提出建筑節能的措施,并通過模擬評估節能績效;對于新建建筑,提出建筑節能和能耗的目標。節能措施包括改善圍護結構、屋面、門窗,加外遮陽,利用節能型水龍頭等。根據建筑不同的能源需求類型,并結合IPCC提供的碳排放系數缺省值,園區全部住宅、公共建筑2020年在低碳模式下總的碳排放量為104萬t二氧化碳,與常規模式的169萬t二氧化碳相比較,實現碳減排38%。交通部門的低碳經濟發展主要包括增加公交出行和軌道交通投入服務兩種措施。為了要把碳排放量降低,建議把公交的規劃調整至每1200人配一輛標準公交車,因此,在未來開發區內將需要209輛公交車。另一方面,因軌道交通的投入服務,碳排放亦可進一步減少。通過評估,未來分別有14%和12%的人會從小汽車出行改為公交出行和地鐵出行。低碳模式下,園區共有209輛公交車和約4500輛小汽車出行,則碳排放總量約20000t,實現碳減排25%,其中:增加公交出行貢獻率8%,而軌道交通投入運營貢獻率17%。如再通過改變公交車的燃料類型,可進一步實現碳減排。工業部門的低碳模式主要措施包括:(1)調整和改善能源消費結構;(2)推進和完善集中供熱工程;(3)積極開展余熱回收利用工程。規劃2020年工業增加值1912億元,萬元工業增加值能耗降至0.1t標煤/萬元,能耗總量約為190萬t標煤,比常規模式節能約58%。其中,工業建筑的碳減排是很重要的一部分。工業建筑總能耗為5406GWh,建筑節能1871GWh,相當于為工業部門節能總量貢獻了10%左右。在能源部門方面建議改善能源供應結構。對于宏觀層面,如國家或區域的碳排放審計,能源轉換部門主要包括發電、熱電聯產、城市集中供熱及城市煤氣生產等部門。而對于武漢經開區,由于研究范圍內沒有獨立的常規發電廠等重大城市基礎設施,因此,在這個中觀的范圍,將太陽能熱水等建筑層面的可再生能源歸入能源部門統一考慮。根據武漢地區的氣候特征、建筑性質和建筑負荷大小來確定可利用的可再生和清潔能源的種類。主要建議包括兩方面:(1)由于夏熱冬冷地區生活熱水用量較大(設定130L/戶),利用太陽能熱水以取代常規的電加熱或燃氣加熱,效果明顯。利用太陽能熱水每年可提供能量640GWh,相當于減少23萬t二氧化碳。(2)改造現有電廠引進秸稈發電系統:利用發電廠現有的燃煤鍋爐進行節能改造,根據我們的經驗,生物質能電廠較優規模為24MW,每年可產生電能160GWh,相當于減少碳排放6萬t二氧化碳。按照上述建議的低碳開發手段,可以估算在碳排放技術、經濟發展方式、能耗使用效率、能源供應結構等參數調整情況下,園區最后發展計劃完成時的碳排放量和排放結構(表5)。低碳規劃下碳排放總量為550萬t二氧化碳。實現減低碳排放達57.7%(圖3)。根據國家、武漢市和經開區的十一五規劃,萬元生產總值能耗的目標是5年降低20%左右。·園區2008年實現GDP326.7億元。現狀萬元GDP能耗約3.7t標煤;·在常規模式下,2020年萬元GDP能耗約為2.5t標煤;·在低碳模式下,2020年萬元GDP能耗約1.1t標煤,比2008