低碳城市的城市形态和能源愿景

  1 建设低碳城市

 

  2009年12月19 日, 在丹麦哥本哈根举行的《联合国气候变化框架公约》缔约方第15次会议终于落下了帷幕。大会通过的不具法律约束力的《哥本哈根协定》表明, 尽管世界各国在应对气候变化的策略和温室气体减排量的分配上有着巨大的分歧, 但面对全球气候变化的严酷现实, 人类对温室气体减排的目标却是一致的, 即将全球气温平均上升2 ℃作为一个可以接受的“安全底线”。根据世界气象组织的报告, 2008 年全球大气平均CO2 已达3.852 ×10-4 , 达到地球历史上65万年以来的最高值。根据国际气候变化专门委员会(IPCC)提出的建议, 若要将全球温升控制在2 ℃以内, 就必须将CO2 浓度控制在4.50 ×10-4以内(以下简称为“ 450目标”)。

 

  根据国际能源机构IEA的估计, 2006年全球城市能耗达79亿t油当量, 占全球总能耗的2/3, 这一比例到2030年将上升至3/4。因此, 未来与能源有关的CO2 排放量的增长将主要来自城市。到2030年, 由能耗产生的CO2 排放中将有76%来自城市。

 

  我国正处于快速城市化发展阶段, 城市化率以每年接近1%的速度增长, 2008 年达到45.7%,2020年预期将达到60%以上。根据我国的一份研究报告, 2006年我国地级以上城市的CO2 排放量占全国总量的55%, 其中仅“ 100强”城市(GDP最高的100 座城市)的CO2 排放量就占全国总量的41%。而“100强”城市的GDP总量占到全国总量的67.36%, 是经济、技术、人才集聚的高地。

 

  综上所述, 发展低碳城市是中国应对气候变化、发展低碳经济、面向“后京都时代”的必然选择。

 

  2 低碳城市的评价指标

 

  那么, 什么是“低碳城市” ? 到目前为止, 世界各国都没有给出确切的定义。我国有学者提出, 所谓“低碳城市”是指城市在经济高速发展的前提下,保持能源消耗和CO2 排放处于较低的水平[ 2] 。但是, 当前所有有关低碳城市的概念, 还都处于“务虚”的阶段, 并没有明确的标准。世界上已经有不少低碳甚至“零碳”的示范项目, 给人的印象是低碳城市只是富人的游戏、是发达国家度过其排放高峰期之后的一种自我救赎。

 

  低碳城市必须有明确的、可测度的评价指标。

 

  没有具体的碳排放指标, 那么所谓的“低碳”只是空谈。笔者认为, 我国低碳城市必须同时满足下述条件:1)人均CO2 排放量低于全国同类城市排放量平均水平(2006年数据见表1);2)地均CO2 排放量低于全国同类城市平均水平(2006年数据见表1);3)单位GDP的CO2 排放量低于全国“ 100强”城市平均水平(2006年为0.203 7);4)该城市的人类发展指数(HDI)高于0.8。上述平均值指标, 易于理解、便于计算, 但在公平性方面还有欠缺。例如, 北方城市有较大的供热负荷, 如我国哈尔滨市的采暖度日数高达5 032 (℃· d), 而纬度比哈尔滨更高的德国主要城市采暖度日数的平均值只有3 043(℃·d)。如果拿哈尔滨市去与我国南方城市或德国城市比较人均碳排放量, 显然有失公允。可以考虑用人均单位度日数(供冷度日数和供热度日数)碳排放指标来比较。

 

  即便如此, 在中国目前经济发展阶段, 要实现上述低碳目标也是一件很困难的事情。中国科学院可持续发展战略研究组将我国城市分成资源开发型、工业主导型、综合型和旅游型4 类。表1 给出了中国科学院研究组给出的4 类城市的CO2 排放数据,可知城市碳排放与城市经济发展水平、产业结构、能源结构等诸多因素相关。表2给出了世界主要城市的人均碳排放量, 我国的城市由能源消耗所产生的碳排放水平在国际上处于相对较高的位置。由于能源统计上的差别, 国外城市的碳排放中均未包括航空和海运的能耗。

 

  除了碳排放技术指标, 对低碳城市的评价还应包括联合国提出的“人类发展指数(HDI)”这一人文社会指标。2006年中国的HDI指数为0.762, 在全世界179个国家中排在第94位。HDI指数在0.9以上的国家和地区有33个, 我国香港以HDI指数为0.947排在第22位。另外, 我国京津沪等发达城市, HDI指数在早年就已达到8.0以上[ 6] 。需要指出的是, 一方面在以农业为主的经济结构下, 可以做到几乎没有商品能源的消费和碳排放, 但社会发展水平低下显然不是我们所追求的低碳经济目标;另一方面, 城市的贫困和欠发达也可以实现低碳:民生凋敝, 老百姓没有钱花在必要的能源消费上;城市中的贫民窟、棚户区、落后的基础设施和日益扩大的贫富差距, 这当然也不是我们所追求的目标。富人烧钱买低碳、穷人没钱“被”低碳, 都失去了低碳城市的本意。低碳城市, 首先要实现“城市让生活更美好”的愿景。

 

  可持续发展的一个基本原则就是公平性原则,即在满足人人享有基本人文需求的前提下, 限制奢侈性和浪费性排放、保障“2 ℃温升和450目标”的实现, 达到代内公平与代际公平。我国学者提出的基于“ 450目标” , 从累积排放量(即1900 ～ 2050年)得出国家碳预算(即未来允许排放量), 从而界定各国排放量限额, 并做地理因素、气候因素和资源禀赋调整的方法, 得到了各国好评[ 7] 。这一方法完全可以移植到低碳城市评价中来。

 

  在快速城市化过程中, 主要的碳源来自土地利用和能源利用。在土地利用中, 城市建设的高速发展, 使大量原来作为碳汇的植被被破坏, 原先能够作为碳中和的农田被占后不能复原。在能源利用中,城市能源消耗又分成工业、建筑和交通3部分。一般而言, 现代服务业越是发达的城市, 建筑能耗在总能耗中的比例越高;经济越是发达的城市, 交通能耗的占比也越高。当然, 城市中人们生活和消费所产生的碳排放也是不容忽视的。

 

  因此, 建设低碳城市并不是推广太阳能热水器、发展地源热泵和安装太阳能光伏电池那么简单, 它涉及规划、交通、建筑、能源、环境、景观和产业结构等诸多方面, 是城市建设理念的根本性转变。

 

  3 探索中国式的低碳城市发展模式

 

  国际上低碳城市示范项目基本分为3类。

 

  1)发达国家的典型, 如瑞典的马尔默(Malmo)。

 

  马尔默是过去的工业和港口城市, 20 世纪后, 其传统制造业转移, 现在以IT工业和服务业为主, 低能耗、高附加值, 成为著名的绿色城市和低碳城市。

 

  2)富裕国家的典型, 如阿联酋的马斯达(Masdar)。马斯达是在沙漠中平地拔起的新城, 除了服务业没有任何传统意义上的工业。根据世界自然基金会(WWF)的报告, 阿联酋的人均碳排放量是世界上最高的国家之一, 而马斯达是沙漠中的一叶绿洲, 只计算当地的能耗和碳排放而不考虑与之相关的整个供应链上的能耗和排放, 只注重技术的先进性而不计成本(成本和金钱也是能耗, 也有碳排放)而成为所谓“零碳”城市。

 

  3)发展中国家的典型, 如上海市的崇明岛。崇明岛由于交通的不便成为紧邻高度城市化地区的欠发达地区。2006 年崇明人均碳排放量仅为1.4 tCO2 当量, 不到我国综合型城市人均碳排放量的1/10。由于崇明岛工业经济不发达, 2008年, 总人口中75.5%从事农业, 人均GDP只有上海市的1 /4。

 

  因此其森林、农田、湿地等生态资源都保存得很好,人均碳汇资源有1.2 tCO2 当量。可以看出, 贫穷、欠发达、低城市化是可以维持很好的低碳环境的, 但低碳不应等同于不发展, 保留落后状态绝不应该是低碳城市所追求的目标。崇明岛的发展目标, 是成为中国乃至世界的低碳示范区。对崇明的建设规划、产业结构、建筑、能源、交通和生态环境需要做全面的研究。

 

  我国2009年《规划环境影响评价条例(草案)》强调“气候变化既是环境问题, 也是发展问题, 归根到底是发展问题”。针对中国这样处于工业化中期和高速城市化发展阶段的国家, 必须探索实现低碳城市的路径。这在发达国家和富裕国家中是找不到先例的, 而这种探索正是中国对国际应对气候变化事业所作出的贡献。

 

  在发达国家, 能源消耗所排放CO2 总量在各部门之间的排序由高到低依次为建筑、交通和工业。

 

  以美国纽约为例, 2007年由于能源消耗所产生的温室气体排放比例中, 建筑占51%(包括电力消耗产生的间接排放)、交通占37.5%, 而工业只占11.5%。而英国伦敦2006年的温室气体排放总量中, 建筑占71%、地面交通占22%、工业仅占7%。

 

  建筑排放中, 仅燃气采暖就占了近80%。

 

  中国正处于工业化中期。城市的GDP来源, 一是投资拉动, 即土地流转和房地产开发;二是传统制造业, 即重化工业以及出口消费品制造业的发展。

 

  因此, 在能源消费结构中工业能耗占据主导。另外,近年来我国汽车消费占世界的10%, 大城市中车辆拥堵情况日益严重。如果平均车速从50 km/h下降到30 km/h, 碳排放量相应增加10%。因此, 中国城市碳排放量是以工业为主、交通次之。图1 为上海2007年能源消耗的碳排放比例, 这一结果是根据当年能源消耗实物量计算得到的。由图可知, 在中国城市(尤其是没有集中采暖的城市)中, 各部门能耗和由耗能产生的碳排放量由高到低的排序依次是工业、交通和建筑, 正好与发达国家的排序相反。

 

  根据上述分析可知, 在中国实施低碳城市计划,降低城市碳排放, 首先要调整产业结构。2009年,中央确定了上海国际金融中心和航运中心的地位,同时上海也正在争取建成地区性经济中心和贸易中心。这“4个中心”的发展战略, 给上海带来了建设低碳城市的最好机遇。但在2009年, 上海经历了产业转型的阵痛期, 由于全球金融危机的冲击, 上海的现代服务业还没有发展起来, 而传统工业已开始逐渐萎缩, GDP增长率一度跌落到全国最末位。由此可知, 中国的国情决定了我国在未来一段时间内, 不可能像美国等发达国家那样实现产业结构的根本转变, 即彻底地从低端制造业转变成为先进制造业和现代服务业, 将高能耗高排放工业转移到其它国家,也不可能完全改变以煤为主的工业用能结构, 更不可能将大型传统工业统统关掉。我国东部发达城市的产业转移去向大多是我国西部欠发达地区, 污染、排放和能耗其实还留在中国本土。因此, 要建设低碳城市就必须面对城市中的工业碳排放问题。对以重化工业为主导的城市, 必须将工业减排放在重中之重的位置, 可以有以下几条解决途径:提高工业生产效率, 降低人均碳排放量;改变大能源系统的结构, 降低单位能耗的碳排放量;关停一部分落后产能;产业转型, 生产附加值高、能耗较低的产品, 降低单位GDP的碳排放量;企业技术改造, 采用高效先进工艺(例如发电行业的燃气/蒸汽联合循环系统);采用碳捕集和碳封存(CCS)技术。

 

  4 低碳城市的城市形态

 

  当前对低碳城市的研究主要集中在城市运营过程中的碳排放, 而对城市建设和资源利用过程中的寿命周期碳排放则主要在材料的选用中加以考虑。

 

  在低碳城市建设中, 应遵循世界自然基金会(WWF)提出的“CIRCLE”原则:即紧凑型城市遏制城市膨胀(Compact)、个人行动倡导负责任的消费(Individual)、减少资源消耗潜在的影响(Reduce)、减少能源消耗的碳足迹(Carbon)、保持土地的生态和碳汇功能(Land)、提高能效和发展循环经济(Efficiency)。这6项原则决定了低碳城市城市形态的主要特征是“紧凑型城市” , 即高密度(Highdensity)、高容积率(Highplotratio)、高层(Highrise)的3“H(高)”城市。尤其在中国, 决不能走美国低密度、郊区化和私人汽车主导的城市发展模式。

 

  1)高密度。我国拥有世界最庞大的人口数量,但却拥有相对贫瘠的土地。我国人口密度是138人/km2 , 在世界上排在第11位, 但几乎有50%的土地是非宜居的, 例如地处高原的西藏, 其人均密度只有2.26 人/km2 。我国人均耕地面积只有932 m2(1.4亩), 在世界上排在第126 位。因此, 紧守18亿亩耕地底线, 不仅是保证13亿人吃饭问题, 也是保持土地碳汇能力的关键。但是当前我国城市建设用地为24万km2 , 人均城市建设用地为130多m2 ,远远高于发达国家的人均82.4 m2 和发展中国家的人均88.3 m2 [ 10] 。如上海, 尽管市中心(外环内)人口众多(13 831 900人), 在世界上排在第2位, 但人口密度仅为7 174人/km2 , 远比不上东京的14 151人/km2 和纽约的10 452人/km2 。然而, 上海的拥挤、交通堵塞和空气污染都比东京和纽约更为严重。

 

  主要原因在于, 空间利用不合理;公共交通不发达,加大了私人汽车通勤和出行的比重;由于房地产泡沫, 市中心区大量住房空置, 或用于“炒房”而并不住人, 使得城市中心“空心化” 。这就迫使城市像“摊大饼”式扩张, 不断侵占耕地, 将碳汇变成碳源。

 

  根据研究, 全国平均的农田碳汇能力可达380.78kg/(hm2 · a)。特别是随着我国水稻生产发展, 稻田土壤中的有机碳储量也在不断增长。稻田不但是最重要的粮食生产保障, 也是我国固碳减排十分重要的土壤类型和农作系统。因此, 发展低密度住宅、郊区化住区和人为区分“富人区” 、“穷人区”等建设理念都不能满足减碳要求。

 

  2)高容积率。所谓容积率, 是指总建筑面积与建设用地面积之比。较高的容积率并不意味着拥挤和逼仄, 而是表现为在有限的城市空间上布置高密度的产业和人口, 单位用地面积有较高的产出, 也可以在一定程度上降低房价。提高容积率必须根据土地的环境容量, 可以参照国外“私地公用”的办法,允许发展商提高容积率, 但必须在建设用地中设置绿地和公共活动空间, 作为碳汇。高容积率的社区应该是集约化发展的混合社区, 具备工作、生活、休闲和保健等基本功能, 减少出行对动力型交通的需求。

 

  3)高层。“高层”是在“高密度”和“高容积率”之后的必然选择。由于高层建筑能耗强度(单位土地面积上的能耗)高, 给低能量密度的可再生能源利用带来困难, 在超高层建筑中采用被动式节能措施也很不容易, 而且是城市热污染(热岛效应)的主要来源。因此, 高层建筑能源系统的效率对于降低其能耗就显得至关重要。由于高层建筑对城市日照环境和风环境有很大影响, 因此对于低碳的紧凑型城市应该进行“气候设计”, 即对城市空间各个等高面上的气流、温度和日照分布做模拟分析。

 

  基于以上分析, 总结出低碳城市城市形态的如下特点:有合理的产业结构, 既有发达的服务业, 也有节能环保的实体经济;城市能源结构中化石燃料的比例在50%以下;城市空间布局是紧凑型、多中心、组团化和网络式的;通过城市气候设计完成城市总体规划;所有废弃物实现循环利用;集约型多功能的社区, 用先进的ICT技术(信息/通信技术)减少交通需求;舒适和无缝换乘的公共交通系统, 自行车与步行优先的道路网络;所有建筑都按绿色建筑标准建造, 建筑节能水平高于国家标准;保留天然湿地、绿地, 发展都市农业, 形成城市碳汇和碳库。低碳城市必然是宜居城市, 城市与自然和谐、人与自然和谐、人与人和谐, 城市让生活更美好。

 

  5 低碳城市的能源愿景

 

  低碳城市的能源规划目标是要实现3“ D”, 即使用低碳能源(Decarburization)、分散产能(Decentralization)和减少需求(Demandreduction)。

 

  要实现这一目标, 需要分别通过城市层面(可称之为“大能源”)的能源规划来实现第1个“ D”, 即能源低碳化;通过社区层面(可称之为“区域能源”)的能源规划实现第2 个“D”, 即分散产能;而第3 个“D”, 减少需求, 则可通过终端节能来实现。终端节能也被视为“虚拟能源”, 作为一种无碳排放的资源进入区域能源规划。

 

  1)使用低碳能源。城市层面的大能源供应要实现低碳化需要通过国家的宏观规划和统筹, 在城市能源供应结构上降低煤炭比例、加大低碳和无碳能源的比例。

 

  上海2007年的K值为0.606 9 t碳当量/t标煤(相当于2.225 3 tCO2 当量/t标煤)。从式(1)可以看出, 要降低K值, 可以采取以下措施:降低煤炭、石油在能源消费中的比例(降低α和β 值);适当增加天然气比例(提高γ值);大大增加无碳可再生能源(风、光、核、水)规模化应用比例(提高δ值);改善能源利用技术, 降低碳排放(降低α、β和γ的系数值, 直至0)。例如, 2010 年我国可再生能源在能源供应中的比例将达到10%, 2020 年达到15%。另外, 国家还计划到2020年将核电装机量提高到7 000万kW。无论是大型水力发电和核电项目, 还是大规模光伏、光热和风电项目, 都需要国家担保的融资和跨地区的协调, 而非一个城市所能自行解决的。另外, 传统能源的清洁利用, 例如利用煤的清洁燃烧技术的燃气/蒸汽联合循环(IGCC)、长距离高压直流输电、智能化电网(Smartgrid)等都需要列入国家计划。

 

  2)分散产能。社区层面的区域能源主要是实现能源供应的分散化。此处的“区域”是指社区、街区、成片开发区, 占地面积在数km2 以下、建筑面积在百万m2以下。在这一层面上, 能源系统主要满足“建成环境(BE, builtenvironment)”的需要。“分散化”是相对于大电厂、大电网、大垄断和大集中而言的。分布式能源将是未来城市能源的发展趋势, 但鉴于低碳能源的低能量密度和紧凑型城市建筑的3“H(高)”特点, 未来城市分布式能源将会是一种城市尺度分散—区域尺度多源集中—终端用户个别用能的模式。它有别于大电网集中供能—全分散(楼、户、室)用能的传统模式;也有别于大电网集中供能—城域或区域集中供冷供热的模式。能量密度较低的低品位能源(如浅层地表蓄热能、地表水温差能、太阳能光热和太阳能光伏等)不可能像传统发电厂那样在近地大规模集中生产, 也不可能在紧凑型城市中完全分散到一家一户。这些能源来自于分布式的资源, 需要在区域层面上通过一个能源枢纽(hub)集成应用。因此, 它既不同于传统大能源“ 1对N” , 也不同于全分散能源“ 1对1”, 而是一种分布式或分散供能、集总式或集中用能的“集散式”系统, 使资源利用的效率和效益最大化。这也是中国低碳城市与发达国家不同的特点。

 

  在紧凑型城市区域热系统中, 最有发展前景的是能源总线系统。即来自于可再生能源或未利用能源的热源/热汇水, 通过作为基础设施的管网输送到用户。在用户端, 总线来的水作为水源热泵的热源/热汇, 低品位的能源经热泵提升能级、换热后再回到源头, 或排放(地表水)、或循环再次换热(通过换热器与各种“源”和“汇”耦合)、或回灌(地下水)。相对于空气源热泵而言, 水源热泵的能效更高, 由于利用了空气与热源/热汇水之间的温差位势能, 降低了非直接碳排放。

 

  在区域电力系统中, 目前研究最多的是能源互联网(energyinternet)系统, 又称微网(microgrid)系统。这一系统将分散的小型、微型的分布式能源(包括楼宇冷热电联产、燃料电池、太阳能光伏发电以及小型风力发电等)所生产的电力, 通过连接各建筑的电力微网系统实现分布式电力的互联互通。

 

  在城市范围内建立为电动汽车快速充电的电力微网, 实现直流家居(即直流电直接入户), 从根本上建立能源的低碳应用方式。

 

  由于区域能源系统同时具有集中系统和分散系统的特点, 所以必须有能源规划、有相应的技术标准和规范。只有通过能源规划, 才能充分发挥分散的资源优势;只有通过制订技术标准和规范, 才能正确评价和估计不同的资源, 实现系统的协调控制。

 

  3)减少需求。终端层面主要实现能耗减量化。

 

  这也是低碳城市能源系统最大的特点, 它改变了以增加资源供给来满足日益增长的需求的传统思维定势, 将提高需求侧(终端)能源利用率所节约的资源统一作为一种替代资源来看待, 因此形成了零碳排放的虚拟能源。终端节能有3条措施, 一是在设计、施工、设备采购和系统调试等方面执行更严格的节能标准;二是加强建筑的运行管理, 建立科学的管理机制、采用先进的ICT技术;三是行为节能, 能源系统的最终用户是人, 要在所有人群中倡导科学、理性和负责任的能源消费观念。

 

  6 结 论

 

  在中国特定的经济结构、能源结构、城市化水平和资源条件下, 要实现低碳城市将面临巨大的挑战。

 

  国外的经验和示范并不完全适合中国国情, 中国必须探索自己发展低碳城市的道路。

 

  中国人口众多、土地资源稀缺, 低碳城市形态必然是紧凑型的3“H(高)” (高密度、高容积率和高层)模式, 而适应这种城市形态的城市能源系统必然是3“ D”(使用低碳能源、分散产能和减少需求)模式, 并分别在城市、社区和终端用户3个层面实现。用户侧的节能, 可以视为一种无碳的替代能源,也是实现低碳城市的重要环节。