基于控制性详细规划要素构建碳平衡模型及其操作措施的探讨
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基于控制性详细规划要素构建碳平衡模型 及其操作措施的探讨 付斯曼 代普达 陈廷龙 【摘要】“碳平衡”的核心理念，是在一定研究范围及时限内，各种人类活动实现碳排放和碳汇平衡，减少环境净负担，这是一种“低碳”理念，也是“生态城市”和谐性的一种体现。本文通过结合控制性详细规划(以下统称“控规”)的控制要素构建碳平衡模型，为城市乃至社会整体的碳平衡在“控规”层面提供管理依据和操作措施，以实现可持续发展的低碳生态城市。 【关键词】生态城市；碳平衡；碳排放；碳汇；控制性详细规划；操作措施 引言 飞速发展的工业除了带给人们便利的生活及规模不断扩大的城市外，还带来了一个严峻的问题，这就是以CO2为主的温室气体的排放，导致了全球温室效应，而温室效应是引起全球气候变暖的主要原因。[1]如何遏制全球气候变暖的趋势，成为人类是否能继续幸福生活的瓶颈。正是在人与自然的关系逐渐恶化的背景下，“生态城市”理念出现了，它强调人与自然的和谐发展，从而使城市在社会、经济、环境效益中达到最优化。而“低碳”概念则是在应对全球气候变暖，提倡减少人类活动中温室气体(CO2为主)排放的背景下提出的(Dijkgraaf，2004)。[2] 张泉等(2010)指出，“低碳城市与生态城市的核心思想上是一致的，都是关注生态环境方面的问题。但两者之间存在着不同，生态城市关注自然环境、人居环境等多个方面，而低碳城市则主要关注全球气候变化，因此相对来说，生态城市内容更宽泛，更综合。低碳城市强调减少碳排放、提高碳汇，从某种程度上来说低碳城市是生态城市的一个子集。因此低碳生态城市的概念，是将低碳作为生态城市的重要概念之一来进行阐述和强调。”[3] 1 研究对象及目标 1.1 研究对象 “碳平衡”模型在城市整体范围内实现显得可能性较大，一般的控制性详细规划(以下统称“控规”)范围(除对城市的整体“控规”)都是城市中的部分用地，几乎难以达到碳平衡的目标。但是“控规”在整个规划体系中作为战略层面的总体规划和操作层面的修建性详细规划层面的衔接部分，是城市规划管理的依据，在城市开发建设中有举足轻重的地位[4]，完全有必要进行“控规”层面的碳平衡研究，选取“控规”的相关控制要素对城市的碳排放、碳汇进行量化分析，将碳平衡作为城市建设中的一项指标。 1.2 研究目标 通过提取“控规”中与能源消耗直接相关的控制要素，建立碳排放、碳汇模型，从而使碳平衡影响要素直接联系“控规”控制性要素，为城市低碳管理提供依据，以达到整个城市的“碳平衡”目标。 2 研究方法 本文通过结合“控规”的控制要素，以能源消耗同碳排放的关系为切入点，简化“控规”层面上的碳排放、碳汇的计算工作，构建碳平衡模型，指导城市“控规”层面相关规划的操作措施，引导城市向“低碳”发展，以实现可持续发展的生态城市(图1)。 3 “控规”中碳平衡的研究要素分析 3.1 碳排放同“控规”相关要素 本文按照最终能源消耗模式分为：一次性建设耗能、交通耗能、生活能耗、生产耗能四种类型。它是城市碳排放的主要来源。 (1)一次性建设耗能主要为一次性排放CO2的城市建设，是短暂排放CO2的过程。包括建筑、道路广场、公园绿地等各方面建造，在“控规”中由土地使用性质、用地面积、容积率进行控制； (2)交通耗能主要为交通工具的能耗，包括小汽车、大客车、货车、公交车、地铁轻轨等各种交通工具的耗能，在“控规”中是由用地性质、配建停车位、市政设施配套等来控制； (3)生活耗能主要为与居民生活直接相关的能耗，在“控规”中由用地性质、居住人口密度控制； (4)生产耗能主要是为人们提供各种物资过程产生的耗能，在“控规”中由用地性质控制。 3.2 碳汇同“控规”相关要素 碳汇主要通过光合作用实现，同城市用地中的生态用地(水域、耕地、林地、园地、草地和湿地等)相关，也同建设用地中的绿地和其他用地中的绿地有关。[5]碳汇同城市中的绿地密不可分，也就是同“控规”中的用地性质、用地面积、绿地率相关。 3.3 小结 “控规”中的碳平衡模型，主要是从土地使用控制、环境容量控制两方面来说的。相关要素基本落实到“控规”中的是用地性质、用地面积、容积率、居住人口密度、绿地率、配建停车位、市政设施配套、企业耗能方面(图2)。 4 建立“控规”碳平衡模型 下列计算均以一年期计，各数值的单位除已给出的外，其余均采用国际单位。对碳排放相关要素来说，除了一次性建设碳排放，大部分要素的碳排放是一个持续的过程。光合作用碳汇也是一个持续的过程。因此本次构建碳平衡模型有必要确定碳平衡相关计算均以一年时间为限，对于一次性建设碳排放，则用总的碳排放除以工程的设计使用年限所得的数值作为一年期的排放量。本文将构建一年的碳汇量同一次性建设碳排放量和一年内的持续性碳排放量相平衡模型。 4.1 城市碳排放量计算总公式为： Cemission，二氧化碳的总排放；CB，建设期一次性建设排放的CO2；CT，交通的碳排放；CR，生活的碳排放；CM，生产的碳排放；Cextra，碳排放修正值。 4.1.1 一次性建设碳排放 一次性建设碳排放量主要为CO2在城市建设过程中的排放，包括了建筑、道路广场、公园等各方面建造所消耗的能源带来的碳排放，能源消耗包括非化石能源消耗(主要指电能源消耗)和化石能源消耗。在控制性详细规划中，可由土地使用性质、用地面积、容积率等来进行估算和控制。 ，工程的使用年限系数，当工程的设计使用年限为n时，则=1／n；Si，某性质用地面积；Rp，与用地对应的容积率；Celn，单位电能碳排放系数，取值参考我国每年发布的《区域电网基准线排放因子》中的数值；η，可再生能源系数，假设可再生能源产生的电力在总电力中的占比为m，则修正系数取(1-m)；Eavg-c，单位建筑面积的施工耗能；cfavg-c，单位建筑面积施工时的化石燃料消耗所产生的CO2排放量；γ，建筑能耗修正值，主要指地下室修建的能源消耗所产生的CO2排放，因为容积率不包括地下部分，故对碳排放进行修正。如果Eavg-c的取值已经考虑了地下室的耗能，则γ=0。 针对道路广场用地、绿化用地，可由下式计算： Eavg-l，单位用地面积施工耗能；Cfavg-l，单位用地面积施工时的化石燃料消耗时所产生的CO2排放量。 4.1.2 交通碳排放 交通是城市的重要组成部分，是城市里最活跃的因素，承载着城市的优越性。在为人们提供各种便利的同时，交通也显示了其另外一面，那就是大量的消耗能源，并排放大量的温室气体。据资料显示，城市交通消耗的柴油和汽油，占了交通运输业消耗总量的80%，小汽车能耗占城市交通总能耗的约86%，也即小汽车消耗了交通运输业消耗总量的68.6%。 随着城市空间距离的不断增大，通勤距离和时间相应增加，导致了对机动车交通的依赖性增强，以“小汽车出行比例的快速增长，公共交通出行比例过低，自行车出行比例下滑”[6]为特征的“高碳模式”的交通越来越突出。 本文主要研究小汽车、公共交通、轨道交通的碳排放，由于非机动车出行，包括步行和自行车出行的碳排放为零，在此不予讨论。但是，以非机动车出行及公交出行为主的低碳交通将能最大限度的减少城市的交通能源消耗。 CT，为一年期内，用地范围内各种交通行为带来的碳排放；CnT，为以化石能源为燃料的交通工具，带来的CO2排放；CnT，为以非化石能源为燃料的交通工具，带来的CO2排放。 (1)对于居住用地、工业用地、仓储用地，可以用下列公式： ，化石能源在汽车能耗里的占比；Nc，某用地范围内人口拥有的汽车总数量；D，具有代表性的标准汽车的规定里程数；V，单位里程耗油量；Cfagv-d，单位耗油的碳排放量；a，代表标准汽车行驶完规定里程的时间；ET，汽车每年的总电力消耗 (2)对于公共交通设施用地，用下列公式： Nc，公共车辆数；D，具有代表性的标准汽车的规定里程数。α，针对混合能源车中，因作为辅助能源的化石燃料、电力的使用，从而对碳排放量进行修正，其取决于辅助能源在总能源里的占比及各自的排放因子，若不是混合能源车，则取1。计算式为：a=∑(某辅助能源占比×辅助能源排放因子)+(主要能源占比×主要能源排放因子)]／(主要能源占比×主要能源排放因子)。排放因子系指一单位某种能源消耗时产生的碳排放量。 (3)对于轨道交通用地，其耗能主要为电力，用下列公式： Etrack，轨道交通总耗电量。 交通耗能是指地面车辆由始发地到达目的地所需要的能耗，通常指燃油的消耗。规划区内所拥有的车辆数，往往由居民的意志决定，当公共交通足够便捷时，出于对成本及便捷性的考虑，人们购买私家车和乘坐私家车出行的期望将降低，这有利于降低交通的碳排放。 居民的出行意志与城市环境、街区尺度、城市功能布局等，有着密切的联系。当城市环境良好，功能布局科学，街区尺度合理时，居民出行将会采用偏重非机动车的出行方式。此时，能耗将会大幅下降，因为小汽车的数量将下降，行驶完规定里程的时间将延长。合理的街区尺度应充分考虑人的行为特征和心理特征。 4.1.3 生活碳排放 生活中存在的碳排放活动有很多，如出行乘坐交通工具、使用各种电器、使用燃气灶烹饪等，在本文中，关于生活碳排放中交通出行的部分，已在前述的交通碳排放里予以考虑，在此处只考虑居民生活直接使用的能源及其碳排放情况，如电能、天然气、液化石油气等。 CR，为人口在一年期内，在城市生活过程中产生的各种碳排放，包括居住区的路灯、家庭用电等的消耗；CfR，为生活过程中，消耗的化石能源带来的CO2排放，如煤、液化石油气、天然气的使用；CnR，为生活过程中，消耗的非化石能源带来的CO2排放，主要为电力排放；CpR，规划范围区内人的排放CfR的计算如下： Cej，为一单位某种化石能源燃烧时排放的CO2；Mi，为某种化石能源的全部消耗量；Np，人口数；Mp，人均某种燃气消耗量；Cgavg单位某种燃气消耗时的CO2排放量。 CnR的计算如下： ER，消耗的总电量；Np，人口数；Mp，人均用电量；Eavg，某用地的单位面积综合用电指标；Si，某用地的面积。 CpR的计算如下： 每人每天通过呼吸大约释放0.9千克的CO2[7] 4.1.4 生产碳排放 生产是为人们提供各种物资的过程，如电站发电、自来水厂处理自来水并送至单体建筑、炼油厂提炼原油、钢材厂生产给水管等。 CfM，生产过程中，以化石燃料作为能源或原料而产生的碳排放； C1Mf，指燃烧化石燃料以期提供能源所排放的CO2； C2Mf，生产过程中，CO2排放不是来自于化石燃料； C3Mf，生产过程中，CO2排放来自于化石燃料，但化石燃料作为原材料而非能源；CnM，生产过程中，以非化石燃料作为能源而产生的碳排放，主要指电能 C1Mn，电能的消耗，产生的碳排放；C2Mn，生产过程中，化学反应产生的碳排放。 4.1.5 碳排放的修正 上述各种能源的消耗量均为正常情况下的值，随着城市的发展，新情况不断出现，为了表征这些因素带来的影响，对上述的碳排放进行了修正。 (1)土地性质变更修正值 CU，土地性质变更修正值。因土地性质变更导致的碳排放，如林地或耕地等变为建设用地时，因附着物由植物变为建筑而不再具有碳汇作用，导致的碳排放的增加。生态用地间性质的转变也适用，以林地的排放为1，其余生态用地的排放可以换算为标准林地(参见下文的碳汇计算部分)得出，建设用地视为没有植物附着的净地，排放为0。 ΔS，土地利用性质产生变化的土地面积；C1U，变化前的单位土地面积碳排放；C2U，变化后的单位土地面积碳排放。 (2)热岛效应修正值 Cheat island，热岛效应修正值。热岛效应导致了额外的电力消耗，如每升高一度气温，就需要空调等多制冷一度气温。 热岛效应与城市的用地性质、用地布局、建筑密度、建筑高度、容积率、人口有着密切的关系[8]。为了体现热岛效应和全球变暖对耗能的影响，以间接影响研究范围内的碳排放，基于下列两个假设，建立模型。 假设在未形成热岛前，规划范围内的平均温度为t1，热岛形成后，平均温度为t2，温度升高了t2-t1=ΔT1，全球变暖的温度增加值为ΔT2；同时假设空气是在等容绝热的室内，一旦制冷后，将不再与外界进行热量交换。由于热岛效应的直接表征就是规划区的温度升高，为了抵消温度升高对生产生活的不良影响，需要对建筑内的空气制冷，以使温度达到未受热岛效应和全球变暖的影响时的水平。由此可以间接计算出热岛效应的碳排放。 α，常数，热量与电能的转换系数，取2.77×10-7；ρair，空气密度，kg／m3；CV，空气的等容比热，J／(kg·℃)；Cnel，电力碳排放系数，kg CO2／(kW·h)；ΔT1，热岛效应导致的温度升高值，℃；ΔT2，全球变暖的温度升高值，该数值由IPCC公布得到，可取0.74℃[1]；Si，热岛效应影响范围内(通常以建成区为界)，某建筑的底面积，m2；Hi，与Si对应的建筑高度，m；Havg，平均高度，m；Rc，建筑密度。 上述的计算公式只为表征热岛效应和碳排放的相关性，公式并没有说明形成热岛的原因。热岛的形成有着复杂的原因，主要有下列三个：(一)下垫面改变的影响，建筑物、道路、广场等对城市空气具有增温作用的人工下垫面的大量建设，使得绿地、水体等可减缓太阳辐射加热作用的生态资源减少，改变了原自然地表的特性；(二)人工热源的影响，城市积聚大量的人口，消耗大量的能源，使得大量热量释放到大气中，直接增暖了城区大气；(三)城市空间布局对城市风的影响，由于高大建筑群和不科学的建筑布局的影响减小了风速，甚至出现静风区，不利于城市热量的散失[9]。 据资料显示，建筑密度、不透水下垫面(建筑占地、道路占地)在所有下垫面中的占比与热岛强度均值密切相关。建筑密度越大，不透水下垫面的占比越大，热岛强度越高，气温就越高。绿化率高，热岛强度小，绿化率低，热岛强度大[10]。同时，建筑物外表面对城市热岛效应具有明显的增益效果，当建筑物占地面积相同时，建筑高度的增加会加剧热岛效应[11]。 (3)建筑高度修正值 由于建筑的高度使然，需要大量的额外能耗以保证正常的生活，包括提供垂直交通的电梯能耗、自来水二次加压能耗等，由此可以计算出因受建筑高度影响而产生的额外的碳排放。 Elift，电梯耗能的修正；Ewsp，二次加压耗能的修正。 1.关于电梯耗能的修正 为便于给出直观的数据，以反映建筑高度对碳排放的影响，以规划区的平均高度作为研究对象，虽然与真实情况存在偏差。在我国现行建筑规范里，当建筑高于16米时，需要设置电梯[12]。 Elift，电梯耗能的修正；flift，每部电梯的能耗；Kcd，电梯设置密度；H，平均高度；Rp，容积率。其中，flift、Kcd计算见下： 每部电梯的能耗flift计算： Rp，容积率；Rc，建筑密度；Eavg-lift，平均每米高度的电梯能耗；Eavg-lift，该数据通过电梯行业的统计数据得出，在没有该数据的情况下，可由电梯总数量、总耗电量、总建筑面积及地块的建筑面积间接获得。由于我国目前没有任何相关的直接数据，经估算，Eavg-lift=194.6千瓦·时／年。 电梯设置密度Kcd计算(单位：部／平方米用地)： 假设电梯量主要集中在居住、商业用地，工业用地忽略不计，则： 2.关于水压耗能的修正 二次加压方式的不同，决定了能耗的不同。由于各地的经济条件、市政给水实情的不同，致使要通过一个模型反应二次加压的能耗变得困难。 为了简化模型，假设建筑采用高位水箱储水，二次加压的能耗主要是为把水由底层输送至顶层，也即所需全部水体的垂直运输，且市政管网在底层的水头为10米[13]，最低流速为0.6m／s[14]。 Ewsp，二次加压耗能的修正其计算如下： Q，总用水量；k，未预见水量修正系数，包括管网漏损，k=1.1-1.2；Np，居住人口；q，人均综合用水指标 4.2 绿地系统的碳汇 城市绿地系统的植物，是碳汇的主要贡献者。尽管城市水体里的水生植物对碳汇也有作用，但相对于绿地植物，其贡献很小，故本文主要讨论绿地植物。绿地吸收CO2及释放O2的能力取决于植物的光合作用强度和呼吸作用强度以及叶面积指数[15]。 (1)建设用地中的绿地碳汇 Si，某种植物的绿地面积；Li，某种植物的同碳系数。 Ip，固碳强度，为单位叶面积光合作用强度与呼吸作用强度的差值；μ，叶面积指数修正系数，随着植物的生长，叶面积指数会随之变化；LAI，叶面积指数，为某植物单位水平地面面积上，所有叶子投影面积的总和[16]，不同植物的叶面积指数大小不同[17]。 (2)生态用地的碳汇 将各类生态用地折算成等效的标准林地，根据标准林地的固碳能力计算该类生态用地的固碳量。1) λ，单位林地的固碳量，一公顷林地每日固碳量可取69千克[18]；Si，某种生态用地面积；Zi，生态用地类型的折算系数(表 4.3 碳平衡总公式 当F=0时，实现碳平衡；当F>0时，碳排放大于碳汇，此时，需要对多余的碳排放进行削减和抵消。 5 总结及操作措施 5.1 碳平衡模型总结 本文的碳平衡模型，主要是基于城市能源消耗所带来的碳排放和基于植物的碳汇构建的。模型中考虑了四种主要的城市碳排放类型：一次性建设耗能、交通耗能、生活能耗、生产耗能，同时把植物的碳汇归源于产生植物的两种用地上(绿地和生态用地)，以实现碳汇和城市用地的相关性。由此得出了“控规”直接相关的控制要素——土地使用控制和环境容量控制，是构建碳排放模型和碳汇模型的主要因素，为“控规”层面提供管理依据和操作措施。 该模型对碳排放的计算进行了简化，可能忽略了一些对城市碳排放总量有一定影响的因子。但由于模型中考虑的四种碳排放类型无疑是城市碳排放的主要因素，对城市的碳排放起着决定性的作用，故一些未计入的碳排放因子将不会对城市的碳排放总量有较大的影响。 该模型中关于碳汇的计算，主要考虑城市绿地和生态用地对碳汇的贡献，这存在着一定的局限性。自然界中具有碳汇作用的因子很多，包括土壤、水体、微生物等对碳汇都有贡献。但由于这些因子在城市规划区内的碳汇贡献还没有相关数据，且这些因子的数量、分布等数据也难以获得，故在建立模型时，没有考虑。在进行数据选取时，应充分查阅规划区所在城市的相关文献，以得到最可信的数据，文中的相关数据可作为在没有相关文献资料时的参考。 5.2 “控规”中碳平衡的操作措施 基于碳平衡模型得出，从降低碳排放和提高碳汇两方面提出“低碳”措施：(1)降低碳排放，通过土地使用、环境容量控制要素实现。(2)提高碳汇，从两方面考虑，一方面是当设计条件满足基本碳汇量时，本文通过环境容量要素来提高碳汇；另一方面，当规划范围受到限制或规划已成定局时，“控规”在研究范围内很难实现碳平衡，设立碳交易模式。 5.2.1 降低碳排放措施 通过紧密结合“控规”要素，提出以下两方面的具体措施实现碳排放的降低：1)在土地使用控制方面：优化产业与居住的用地比例，达到紧凑型城市的土地利用模式；强调土地混合使用和密集开发的策略，减缓城市的潮汐出行交通压力。2)在环境容量控制方面，主要体现在空间布局和低碳交通上：增大街区的路网密度，合理组织单向交通；建立专用的快速公交车道；建立舒适的、以人为本的慢行系统；倡导公共交通和非机动车出行。为体现低碳出行，出行优先顺序调整为：步行导向、自行车导向、公共交通导向、小汽车导向(表2)。 5.2.2 提高碳汇措施 从“控规”要素的环境容量和市场机制的碳交易两方面来提高碳汇。当环境容量的调节不可以满足碳汇时，则需要运用碳交易。 (1)环境容量方面主要考虑绿地率、立体绿化、绿地植物群落条件这三个主要要素： (a)保证合理的绿地率，绿地率不仅对碳汇贡献巨大，而且还能削弱热岛效应。据资料显示，规划区内30%绿化覆盖率能有效缓解热岛效应，40%以上，热岛效应可减少60%以上，热岛效应基本被控制[20]。(b)立体绿化是一种高效节地的绿化措施，可显著提高城市的生态效益，宜进行屋顶绿化和居室绿化。(c)增加绿地群落植物的丰实度，优化群落结构，提倡乔、灌、草结合的绿化，尤其是加强乔木树种的种植。 (2)碳交易 “控规”在研究范围内很难实现碳平衡时，则应该通过货币的形式购买碳排放指标，或者在异地保留足以能够抵消这些碳排放的绿地。抵消这些碳排放所需的绿地面积的多少，经过碳平衡折算得出： 当碳排放量(Cem)大于碳汇量(Ceq)时，平衡规划范围内碳排放量所需林地量：(Cem-Ceq)／单位林地碳汇量，也可以折减为其他公共绿地或生态用地。为达到规划范围内碳平衡必须在其他地方预留能平衡这些多余的碳排放的绿地或者城市生态用地。 【参考文献】 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