1 建設低碳城市

 

  2009年12月19 日, 在丹麥哥本哈根舉行的《聯合國氣候變化框架公約》締約方第15次會議終于落下了帷幕。大會通過的不具法律約束力的《哥本哈根協定》表明, 盡管世界各國在應對氣候變化的策略和溫室氣體減排量的分配上有著巨大的分歧, 但面對全球氣候變化的嚴酷現實, 人類對溫室氣體減排的目標卻是一致的, 即將全球氣溫平均上升2 ℃作為一個可以接受的“安全底線”。根據世界氣象組織的報告, 2008 年全球大氣平均CO2 已達3.852 ×10-4 , 達到地球歷史上65萬年以來的最高值。根據國際氣候變化專門委員會(IPCC)提出的建議, 若要將全球溫升控制在2 ℃以內, 就必須將CO2 濃度控制在4.50 ×10-4以內(以下簡稱為“ 450目標”)。

 

  根據國際能源機構IEA的估計, 2006年全球城市能耗達79億t油當量, 占全球總能耗的2/3, 這一比例到2030年將上升至3/4。因此, 未來與能源有關的CO2 排放量的增長將主要來自城市。到2030年, 由能耗產生的CO2 排放中將有76%來自城市。

 

  我國正處于快速城市化發展階段, 城市化率以每年接近1%的速度增長, 2008 年達到45.7%,2020年預期將達到60%以上。根據我國的一份研究報告, 2006年我國地級以上城市的CO2 排放量占全國總量的55%, 其中僅“ 100強”城市(GDP最高的100 座城市)的CO2 排放量就占全國總量的41%。而“100強”城市的GDP總量占到全國總量的67.36%, 是經濟、技術、人才集聚的高地。

 

  綜上所述, 發展低碳城市是中國應對氣候變化、發展低碳經濟、面向“后京都時代”的必然選擇。

 

  2 低碳城市的評價指標

 

  那么, 什么是“低碳城市” ? 到目前為止, 世界各國都沒有給出確切的定義。我國有學者提出, 所謂“低碳城市”是指城市在經濟高速發展的前提下,保持能源消耗和CO2 排放處于較低的水平[ 2] 。但是, 當前所有有關低碳城市的概念, 還都處于“務虛”的階段, 并沒有明確的標準。世界上已經有不少低碳甚至“零碳”的示范項目, 給人的印象是低碳城市只是富人的游戲、是發達國家度過其排放高峰期之后的一種自我救贖。

 

  低碳城市必須有明確的、可測度的評價指標。

 

  沒有具體的碳排放指標, 那么所謂的“低碳”只是空談。筆者認為, 我國低碳城市必須同時滿足下述條件:1)人均CO2 排放量低于全國同類城市排放量平均水平(2006年數據見表1);2)地均CO2 排放量低于全國同類城市平均水平(2006年數據見表1);3)單位GDP的CO2 排放量低于全國“ 100強”城市平均水平(2006年為0.203 7);4)該城市的人類發展指數(HDI)高于0.8。上述平均值指標, 易于理解、便于計算, 但在公平性方面還有欠缺。例如, 北方城市有較大的供熱負荷, 如我國哈爾濱市的采暖度日數高達5 032 (℃· d), 而緯度比哈爾濱更高的德國主要城市采暖度日數的平均值只有3 043(℃·d)。如果拿哈爾濱市去與我國南方城市或德國城市比較人均碳排放量, 顯然有失公允。可以考慮用人均單位度日數(供冷度日數和供熱度日數)碳排放指標來比較。

 

  即便如此, 在中國目前經濟發展階段, 要實現上述低碳目標也是一件很困難的事情。中國科學院可持續發展戰略研究組將我國城市分成資源開發型、工業主導型、綜合型和旅游型4 類。表1 給出了中國科學院研究組給出的4 類城市的CO2 排放數據,可知城市碳排放與城市經濟發展水平、產業結構、能源結構等諸多因素相關。表2給出了世界主要城市的人均碳排放量, 我國的城市由能源消耗所產生的碳排放水平在國際上處于相對較高的位置。由于能源統計上的差別, 國外城市的碳排放中均未包括航空和海運的能耗。

 

  除了碳排放技術指標, 對低碳城市的評價還應包括聯合國提出的“人類發展指數(HDI)”這一人文社會指標。2006年中國的HDI指數為0.762, 在全世界179個國家中排在第94位。HDI指數在0.9以上的國家和地區有33個, 我國香港以HDI指數為0.947排在第22位。另外, 我國京津滬等發達城市, HDI指數在早年就已達到8.0以上[ 6] 。需要指出的是, 一方面在以農業為主的經濟結構下, 可以做到幾乎沒有商品能源的消費和碳排放, 但社會發展水平低下顯然不是我們所追求的低碳經濟目標;另一方面, 城市的貧困和欠發達也可以實現低碳:民生凋敝, 老百姓沒有錢花在必要的能源消費上;城市中的貧民窟、棚戶區、落后的基礎設施和日益擴大的貧富差距, 這當然也不是我們所追求的目標。富人燒錢買低碳、窮人沒錢“被”低碳, 都失去了低碳城市的本意。低碳城市, 首先要實現“城市讓生活更美好”的愿景。

 

  可持續發展的一個基本原則就是公平性原則,即在滿足人人享有基本人文需求的前提下, 限制奢侈性和浪費性排放、保障“2 ℃溫升和450目標”的實現, 達到代內公平與代際公平。我國學者提出的基于“ 450目標” , 從累積排放量(即1900 ～ 2050年)得出國家碳預算(即未來允許排放量), 從而界定各國排放量限額, 并做地理因素、氣候因素和資源稟賦調整的方法, 得到了各國好評[ 7] 。這一方法完全可以移植到低碳城市評價中來。

 

  在快速城市化過程中, 主要的碳源來自土地利用和能源利用。在土地利用中, 城市建設的高速發展, 使大量原來作為碳匯的植被被破壞, 原先能夠作為碳中和的農田被占后不能復原。在能源利用中,城市能源消耗又分成工業、建筑和交通3部分。一般而言, 現代服務業越是發達的城市, 建筑能耗在總能耗中的比例越高;經濟越是發達的城市, 交通能耗的占比也越高。當然, 城市中人們生活和消費所產生的碳排放也是不容忽視的。

 

  因此, 建設低碳城市并不是推廣太陽能熱水器、發展地源熱泵和安裝太陽能光伏電池那么簡單, 它涉及規劃、交通、建筑、能源、環境、景觀和產業結構等諸多方面, 是城市建設理念的根本性轉變。

 

  3 探索中國式的低碳城市發展模式

 

  國際上低碳城市示范項目基本分為3類。

 

  1)發達國家的典型, 如瑞典的馬爾默(Malmo)。

 

  馬爾默是過去的工業和港口城市, 20 世紀后, 其傳統制造業轉移, 現在以IT工業和服務業為主, 低能耗、高附加值, 成為著名的綠色城市和低碳城市。

 

  2)富裕國家的典型, 如阿聯酋的馬斯達(Masdar)。馬斯達是在沙漠中平地拔起的新城, 除了服務業沒有任何傳統意義上的工業。根據世界自然基金會(WWF)的報告, 阿聯酋的人均碳排放量是世界上最高的國家之一, 而馬斯達是沙漠中的一葉綠洲, 只計算當地的能耗和碳排放而不考慮與之相關的整個供應鏈上的能耗和排放, 只注重技術的先進性而不計成本(成本和金錢也是能耗, 也有碳排放)而成為所謂“零碳”城市。

 

  3)發展中國家的典型, 如上海市的崇明島。崇明島由于交通的不便成為緊鄰高度城市化地區的欠發達地區。2006 年崇明人均碳排放量僅為1.4 tCO2 當量, 不到我國綜合型城市人均碳排放量的1/10。由于崇明島工業經濟不發達, 2008年, 總人口中75.5%從事農業, 人均GDP只有上海市的1 /4。

 

  因此其森林、農田、濕地等生態資源都保存得很好,人均碳匯資源有1.2 tCO2 當量。可以看出, 貧窮、欠發達、低城市化是可以維持很好的低碳環境的, 但低碳不應等同于不發展, 保留落后狀態絕不應該是低碳城市所追求的目標。崇明島的發展目標, 是成為中國乃至世界的低碳示范區。對崇明的建設規劃、產業結構、建筑、能源、交通和生態環境需要做全面的研究。

 

  我國2009年《規劃環境影響評價條例(草案)》強調“氣候變化既是環境問題, 也是發展問題, 歸根到底是發展問題”。針對中國這樣處于工業化中期和高速城市化發展階段的國家, 必須探索實現低碳城市的路徑。這在發達國家和富裕國家中是找不到先例的, 而這種探索正是中國對國際應對氣候變化事業所作出的貢獻。

 

  在發達國家, 能源消耗所排放CO2 總量在各部門之間的排序由高到低依次為建筑、交通和工業。

 

  以美國紐約為例, 2007年由于能源消耗所產生的溫室氣體排放比例中, 建筑占51%(包括電力消耗產生的間接排放)、交通占37.5%, 而工業只占11.5%。而英國倫敦2006年的溫室氣體排放總量中, 建筑占71%、地面交通占22%、工業僅占7%。

 

  建筑排放中, 僅燃氣采暖就占了近80%。

 

  中國正處于工業化中期。城市的GDP來源, 一是投資拉動, 即土地流轉和房地產開發;二是傳統制造業, 即重化工業以及出口消費品制造業的發展。

 

  因此, 在能源消費結構中工業能耗占據主導。另外,近年來我國汽車消費占世界的10%, 大城市中車輛擁堵情況日益嚴重。如果平均車速從50 km/h下降到30 km/h, 碳排放量相應增加10%。因此, 中國城市碳排放量是以工業為主、交通次之。圖1 為上海2007年能源消耗的碳排放比例, 這一結果是根據當年能源消耗實物量計算得到的。由圖可知, 在中國城市(尤其是沒有集中采暖的城市)中, 各部門能耗和由耗能產生的碳排放量由高到低的排序依次是工業、交通和建筑, 正好與發達國家的排序相反。

 

  根據上述分析可知, 在中國實施低碳城市計劃,降低城市碳排放, 首先要調整產業結構。2009年,中央確定了上海國際金融中心和航運中心的地位,同時上海也正在爭取建成地區性經濟中心和貿易中心。這“4個中心”的發展戰略, 給上海帶來了建設低碳城市的最好機遇。但在2009年, 上海經歷了產業轉型的陣痛期, 由于全球金融危機的沖擊, 上海的現代服務業還沒有發展起來, 而傳統工業已開始逐漸萎縮, GDP增長率一度跌落到全國最末位。由此可知, 中國的國情決定了我國在未來一段時間內, 不可能像美國等發達國家那樣實現產業結構的根本轉變, 即徹底地從低端制造業轉變成為先進制造業和現代服務業, 將高能耗高排放工業轉移到其它國家,也不可能完全改變以煤為主的工業用能結構, 更不可能將大型傳統工業統統關掉。我國東部發達城市的產業轉移去向大多是我國西部欠發達地區, 污染、排放和能耗其實還留在中國本土。因此, 要建設低碳城市就必須面對城市中的工業碳排放問題。對以重化工業為主導的城市, 必須將工業減排放在重中之重的位置, 可以有以下幾條解決途徑:提高工業生產效率, 降低人均碳排放量;改變大能源系統的結構, 降低單位能耗的碳排放量;關停一部分落后產能;產業轉型, 生產附加值高、能耗較低的產品, 降低單位GDP的碳排放量;企業技術改造, 采用高效先進工藝(例如發電行業的燃氣/蒸汽聯合循環系統);采用碳捕集和碳封存(CCS)技術。

 

  4 低碳城市的城市形態

 

  當前對低碳城市的研究主要集中在城市運營過程中的碳排放, 而對城市建設和資源利用過程中的壽命周期碳排放則主要在材料的選用中加以考慮。

 

  在低碳城市建設中, 應遵循世界自然基金會(WWF)提出的“CIRCLE”原則:即緊湊型城市遏制城市膨脹(Compact)、個人行動倡導負責任的消費(Individual)、減少資源消耗潛在的影響(Reduce)、減少能源消耗的碳足跡(Carbon)、保持土地的生態和碳匯功能(Land)、提高能效和發展循環經濟(Efficiency)。這6項原則決定了低碳城市城市形態的主要特征是“緊湊型城市” , 即高密度(Highdensity)、高容積率(Highplotratio)、高層(Highrise)的3“H(高)”城市。尤其在中國, 決不能走美國低密度、郊區化和私人汽車主導的城市發展模式。

 

  1)高密度。我國擁有世界最龐大的人口數量,但卻擁有相對貧瘠的土地。我國人口密度是138人/km2 , 在世界上排在第11位, 但幾乎有50%的土地是非宜居的, 例如地處高原的西藏, 其人均密度只有2.26 人/km2 。我國人均耕地面積只有932 m2(1.4畝), 在世界上排在第126 位。因此, 緊守18億畝耕地底線, 不僅是保證13億人吃飯問題, 也是保持土地碳匯能力的關鍵。但是當前我國城市建設用地為24萬km2 , 人均城市建設用地為130多m2 ,遠遠高于發達國家的人均82.4 m2 和發展中國家的人均88.3 m2 [ 10] 。如上海, 盡管市中心(外環內)人口眾多(13 831 900人), 在世界上排在第2位, 但人口密度僅為7 174人/km2 , 遠比不上東京的14 151人/km2 和紐約的10 452人/km2 。然而, 上海的擁擠、交通堵塞和空氣污染都比東京和紐約更為嚴重。

 

  主要原因在于, 空間利用不合理;公共交通不發達,加大了私人汽車通勤和出行的比重;由于房地產泡沫, 市中心區大量住房空置, 或用于“炒房”而并不住人, 使得城市中心“空心化” 。這就迫使城市像“攤大餅”式擴張, 不斷侵占耕地, 將碳匯變成碳源。

 

  根據研究, 全國平均的農田碳匯能力可達380.78kg/(hm2 · a)。特別是隨著我國水稻生產發展, 稻田土壤中的有機碳儲量也在不斷增長。稻田不但是最重要的糧食生產保障, 也是我國固碳減排十分重要的土壤類型和農作系統。因此, 發展低密度住宅、郊區化住區和人為區分“富人區” 、“窮人區”等建設理念都不能滿足減碳要求。

 

  2)高容積率。所謂容積率, 是指總建筑面積與建設用地面積之比。較高的容積率并不意味著擁擠和逼仄, 而是表現為在有限的城市空間上布置高密度的產業和人口, 單位用地面積有較高的產出, 也可以在一定程度上降低房價。提高容積率必須根據土地的環境容量, 可以參照國外“私地公用”的辦法,允許發展商提高容積率, 但必須在建設用地中設置綠地和公共活動空間, 作為碳匯。高容積率的社區應該是集約化發展的混合社區, 具備工作、生活、休閑和保健等基本功能, 減少出行對動力型交通的需求。

 

  3)高層。“高層”是在“高密度”和“高容積率”之后的必然選擇。由于高層建筑能耗強度(單位土地面積上的能耗)高, 給低能量密度的可再生能源利用帶來困難, 在超高層建筑中采用被動式節能措施也很不容易, 而且是城市熱污染(熱島效應)的主要來源。因此, 高層建筑能源系統的效率對于降低其能耗就顯得至關重要。由于高層建筑對城市日照環境和風環境有很大影響, 因此對于低碳的緊湊型城市應該進行“氣候設計”, 即對城市空間各個等高面上的氣流、溫度和日照分布做模擬分析。

 

  基于以上分析, 總結出低碳城市城市形態的如下特點:有合理的產業結構, 既有發達的服務業, 也有節能環保的實體經濟;城市能源結構中化石燃料的比例在50%以下;城市空間布局是緊湊型、多中心、組團化和網絡式的;通過城市氣候設計完成城市總體規劃;所有廢棄物實現循環利用;集約型多功能的社區, 用先進的ICT技術(信息/通信技術)減少交通需求;舒適和無縫換乘的公共交通系統, 自行車與步行優先的道路網絡;所有建筑都按綠色建筑標準建造, 建筑節能水平高于國家標準;保留天然濕地、綠地, 發展都市農業, 形成城市碳匯和碳庫。低碳城市必然是宜居城市, 城市與自然和諧、人與自然和諧、人與人和諧, 城市讓生活更美好。

 

  5 低碳城市的能源愿景

 

  低碳城市的能源規劃目標是要實現3“ D”, 即使用低碳能源(Decarburization)、分散產能(Decentralization)和減少需求(Demandreduction)。

 

  要實現這一目標, 需要分別通過城市層面(可稱之為“大能源”)的能源規劃來實現第1個“ D”, 即能源低碳化;通過社區層面(可稱之為“區域能源”)的能源規劃實現第2 個“D”, 即分散產能;而第3 個“D”, 減少需求, 則可通過終端節能來實現。終端節能也被視為“虛擬能源”, 作為一種無碳排放的資源進入區域能源規劃。

 

  1)使用低碳能源。城市層面的大能源供應要實現低碳化需要通過國家的宏觀規劃和統籌, 在城市能源供應結構上降低煤炭比例、加大低碳和無碳能源的比例。

 

  上海2007年的K值為0.606 9 t碳當量/t標煤(相當于2.225 3 tCO2 當量/t標煤)。從式(1)可以看出, 要降低K值, 可以采取以下措施:降低煤炭、石油在能源消費中的比例(降低α和β 值);適當增加天然氣比例(提高γ值);大大增加無碳可再生能源(風、光、核、水)規模化應用比例(提高δ值);改善能源利用技術, 降低碳排放(降低α、β和γ的系數值, 直至0)。例如, 2010 年我國可再生能源在能源供應中的比例將達到10%, 2020 年達到15%。另外, 國家還計劃到2020年將核電裝機量提高到7 000萬kW。無論是大型水力發電和核電項目, 還是大規模光伏、光熱和風電項目, 都需要國家擔保的融資和跨地區的協調, 而非一個城市所能自行解決的。另外, 傳統能源的清潔利用, 例如利用煤的清潔燃燒技術的燃氣/蒸汽聯合循環(IGCC)、長距離高壓直流輸電、智能化電網(Smartgrid)等都需要列入國家計劃。

 

  2)分散產能。社區層面的區域能源主要是實現能源供應的分散化。此處的“區域”是指社區、街區、成片開發區, 占地面積在數km2 以下、建筑面積在百萬m2以下。在這一層面上, 能源系統主要滿足“建成環境(BE, builtenvironment)”的需要。“分散化”是相對于大電廠、大電網、大壟斷和大集中而言的。分布式能源將是未來城市能源的發展趨勢, 但鑒于低碳能源的低能量密度和緊湊型城市建筑的3“H(高)”特點, 未來城市分布式能源將會是一種城市尺度分散—區域尺度多源集中—終端用戶個別用能的模式。它有別于大電網集中供能—全分散(樓、戶、室)用能的傳統模式;也有別于大電網集中供能—城域或區域集中供冷供熱的模式。能量密度較低的低品位能源(如淺層地表蓄熱能、地表水溫差能、太陽能光熱和太陽能光伏等)不可能像傳統發電廠那樣在近地大規模集中生產, 也不可能在緊湊型城市中完全分散到一家一戶。這些能源來自于分布式的資源, 需要在區域層面上通過一個能源樞紐(hub)集成應用。因此, 它既不同于傳統大能源“ 1對N” , 也不同于全分散能源“ 1對1”, 而是一種分布式或分散供能、集總式或集中用能的“集散式”系統, 使資源利用的效率和效益最大化。這也是中國低碳城市與發達國家不同的特點。

 

  在緊湊型城市區域熱系統中, 最有發展前景的是能源總線系統。即來自于可再生能源或未利用能源的熱源/熱匯水, 通過作為基礎設施的管網輸送到用戶。在用戶端, 總線來的水作為水源熱泵的熱源/熱匯, 低品位的能源經熱泵提升能級、換熱后再回到源頭, 或排放(地表水)、或循環再次換熱(通過換熱器與各種“源”和“匯”耦合)、或回灌(地下水)。相對于空氣源熱泵而言, 水源熱泵的能效更高, 由于利用了空氣與熱源/熱匯水之間的溫差位勢能, 降低了非直接碳排放。

 

  在區域電力系統中, 目前研究最多的是能源互聯網(energyinternet)系統, 又稱微網(microgrid)系統。這一系統將分散的小型、微型的分布式能源(包括樓宇冷熱電聯產、燃料電池、太陽能光伏發電以及小型風力發電等)所生產的電力, 通過連接各建筑的電力微網系統實現分布式電力的互聯互通。

 

  在城市范圍內建立為電動汽車快速充電的電力微網, 實現直流家居(即直流電直接入戶), 從根本上建立能源的低碳應用方式。

 

  由于區域能源系統同時具有集中系統和分散系統的特點, 所以必須有能源規劃、有相應的技術標準和規范。只有通過能源規劃, 才能充分發揮分散的資源優勢;只有通過制訂技術標準和規范, 才能正確評價和估計不同的資源, 實現系統的協調控制。

 

  3)減少需求。終端層面主要實現能耗減量化。

 

  這也是低碳城市能源系統最大的特點, 它改變了以增加資源供給來滿足日益增長的需求的傳統思維定勢, 將提高需求側(終端)能源利用率所節約的資源統一作為一種替代資源來看待, 因此形成了零碳排放的虛擬能源。終端節能有3條措施, 一是在設計、施工、設備采購和系統調試等方面執行更嚴格的節能標準;二是加強建筑的運行管理, 建立科學的管理機制、采用先進的ICT技術;三是行為節能, 能源系統的最終用戶是人, 要在所有人群中倡導科學、理性和負責任的能源消費觀念。

 

  6 結 論

 

  在中國特定的經濟結構、能源結構、城市化水平和資源條件下, 要實現低碳城市將面臨巨大的挑戰。

 

  國外的經驗和示范并不完全適合中國國情, 中國必須探索自己發展低碳城市的道路。

 

  中國人口眾多、土地資源稀缺, 低碳城市形態必然是緊湊型的3“H(高)” (高密度、高容積率和高層)模式, 而適應這種城市形態的城市能源系統必然是3“ D”(使用低碳能源、分散產能和減少需求)模式, 并分別在城市、社區和終端用戶3個層面實現。用戶側的節能, 可以視為一種無碳的替代能源,也是實現低碳城市的重要環節。