碳排放量评估方法在低碳城市规划之应用_叶祖达

1、2009(11现代城市研究文章编号:1009-6000(200911-0020-07中图分类号:TU984;X31文献标识码:A作者简介:叶祖达,A R U P奥雅纳咨询服务公司规划/发展总监,香港规划师学会原会长,北京大学城环学院博士研究生。1“脱钩”(Decoupling之路径理论气候变化给全球及人类带来极大挑战1。中国要达到可持续发展及控制气候变化的目标,要采取“脱钩”(Decoupling的路径理论4。在能源与环境政策领域,“脱钩”理论被用来分析经济发展和资源消耗之间的响应关系。一国或一地区在经济发展初期,物质消耗总量随经济总量增长而增加。但在特定政策环境下和特定阶段之后会发生变化,经

2、济增长和物质消耗不再同步,而是后者略低,甚至下降,出现“倒U”型,就是两者开始“脱钩”。中国目前在降低单位GDP能耗方面的政策、目标和方式,就是对“脱钩”理论的实践。在此形势下,中国城市化必须加速可持续、低碳经济发展,通过城市规划、建设、管理的创新思维和手段,达到“脱钩”效应。近期已有不少这方面的建议和研究578。2如何在城市规划领域应用城市碳排放量基本概念低碳经济发展最主要的实施平台就是城市。城市化过程中,由于基础建设需要大量的高能源高碳密度原材料产品,包括钢材、水泥等,消耗了大量能源并产生大量排放,成为全球气候变暖的主要源头。同时,目前,提高能耗效率和减排技术,已有大部分成本合理的手段可以

3、在城市内规模化地应用。要推动有关的低碳城市规划,我们必须从传统的思维跳出来。目前在城市规划领域应对气候变化控制碳排放,要考虑两个基本挑战:(1我们最熟识的城市规划和城市设计思维方法是把城市以有形的形态表达出来,所以我们看见的是空间形态的表现形式。事实上,要规划一个节能、低排放、低碳的城市,我们首先要了解影响城市能源和资源使用效率的决定因素:城市的经济、社会、文化、环境和市民的价值观念、生活方式、消费习惯等,与城市的能源和自然资源的运用及分配息息相关,从而直接影响城市碳排放量。城市规划、管理要把握和应用这个主要原则,将其实施到规划编制方法上。碳排放量评估方法在低碳城市规划之应用Applicati

4、onofCarbonDioxideEmissionAudittothePlanningof LowCarbonCities叶祖达StanleyCTYIP20(2城市是社会应对气候变化挑战的重要行动平台和载体,城市政府有责任推动以降低二氧化碳排放为目的的规划和管理政策,对城市进行碳排放审计是实施以上具体工作必需的科学数据基础。然而,不少城市本身对其二氧化碳排放的基线分析、未来情景比较、减量方法和范畴等都还没有完整的科学数据,无法供政策情景分析之用。城市“碳排放量”计量的是一个城市经济、社会、环境体系在一段时间内温室气体的总排放量。即,碳排放量不只是计算二氧化碳,而是把二氧化碳(CO2、甲烷(CH

5、4、氧化亚氮(N2O、全氟化碳(PFCs、氢氟碳化物(HFCs、六氟化硫(SF66类温室气体都包含在内。每一类温室气体再通用蚕食转换为“二氧化碳等量值”。宏观层面的碳排放分析、研究工作近年不断推进,对整个社会经济体系做出碳排放分析和预测都有不少成果89。然而,目前国外内的研究工作都存在不足,影响了在城市规划领域内应对气候变化工作的推进610。现有碳排放模型的主要对象,是宏观层面的国家地区及微观层面的企业。如何在一个中观,即城市/园区层面开展低碳经济规划,是笔者强调需要研究的重点。现有的主要宏观能源模型具有重要的借鉴意义。笔者通过采用现有宏观碳排放分析模型为基础,尝试建立城市规划编制流程中可以使

6、用的碳排放评估方法。3建立城市规划碳排放评估方法由于传统城市规划方法研究在量度碳排放方面工作比较少,要建立一个适合城市规划编制流程中使用的碳排放评估方法,可以在能源政策规划研究领域参考现有工具,调整适合城市规划管理手法。笔者参考使用Kaya碳排放恒等式模型911。Kaya碳排放恒等式是1989年由日本教授YoichiKaya在联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC研讨会上最先提出。Kaya恒等式通过一种简单的数学公式将经济、政策和人口等因子与人类活动产生的二氧化碳建立起联系,等式的一侧将主要排放驱动力分为乘法因子,而另一侧对应于二氧化碳排放量。根据该恒等式,碳排放量主要是由人口、生活水平、能

7、源使用强度和碳排放强度决定的。碳排放量的基本公式为:C=iCi=iEi/ECi/EiE/YY/PP(1式中,C为碳排放量;Ci为i种能源的碳排放量;E为一次能源的消费量;Ei为i种能源的消费量;Y为国内生产总值(GDP;P为人口。从(1可以分析4个影响碳排放量的变数为:能源结构因素Si=Ei/E,即i种能源在一次能源消费中的份额;各类能源排放强度Fi=Ci/Ei,即消费单位i种能源的碳排放量;能源效率因素I=E/Y,即单位GDP的能源消耗;经济发展因素R=Y/P。就是说,要控制碳排放,有关城市系统需要针对能源结构、各类能源排放强度、能源效率、经济发展和城市空间规划管理的关系。城市空间规划可以影

8、响或决定城市(或分区、园区、新区等不同空间内上面4个因素中的3个:城市能源供应规划可以决定能源结构,城市建筑、产业活动和交通模式可以决定能源效率,城市发展人口与经济规模可以决定经济发展因素。可以说,通过以低碳发展为目标的城市规划编制,我们的城市规划管理体系有能力应对气候变化的挑战。以下尝试把有关模型再发展成为城市空间规划方法。以碳排放模型Kaya公式为基础,运用部门分类的思路,分为建筑部门、交通部门、工业部门、能源部门对模型进行分解。Kaya公式的提出是针对宏观经济的,人口、生活水平、能源使用强度和碳排放强度是碳排放的驱动因子,而将Kaya模型运用到城市空间园区层面,特别是分解到各部门,人口与

9、生活水平很难作为驱动因子进行衡量。故通过对Kaya模型的调整重写,将等式(1右边的驱动力修正为部门发展规模(产业经济结构/规模/建筑总量/客流总量、能源效率(单位发展规模的能源消耗,建筑节能/交通/生活方式、能源结构和各类能源的排放强度(图1。在分解了碳排放的驱动力之后,将碳排放的审计进行部门分类,其目的是为了就各部门不同的特点进行碳审计,同时相对应的低碳经济策略和行动计划也会更具针对性和可操作性。 笔者将这个模型作为工具应用图1碳排放量驱动力公式应用 212009(11现代城市研究 222009(11现代城市研究在武汉的一个项目。4武汉经济技术开发区低碳发展基础条件概述武汉市经济技术开发区发

10、展低碳经济既有优势,也存在挑战。武汉经济技术开发区经济基础发达,是先进制造业集中、产业聚集效应突出的区域。同时,环境质量体系完善,2002年建立ISO14000环境管理体系并通过中国环境科学院认证审核,2007年建立ISO9000质量管理体系并通过认证中心审核。园区重视节能环保,出台了武汉经济技术开发区环境保护奖奖励办法等文件,并在公共机构率先开展能源资源消耗统计工作,制定了到2010年,以2005年为基数实现节电20%、节水20%、单位建筑能耗和人均能耗分别降低20%,创建一批节能示范单位,制定全区公共机构能耗定额标准,建立并完善能耗信息化管理平台的目标。在园区的带动下,区内的东风本田、东风

11、鸿泰集团、可口可乐公司等工业企业利用提升科技节能降耗成效明显,如东风本田公司致力于打造“绿色工厂”,该公司在喷漆工序采用了新型水溶性涂料,通过优化组合,使生产工位减半,实现了电力、天然气、水等资源的节约。但同时,经开区在发展低碳经济方面也存在着一定的挑战。经开区的大部分区域均已建成,且部分建筑是在国家发布建筑节能标准之前建造的,总体能耗比较大;同时,园区第二产业比重高,工业企业能耗大,而个别企业的能耗和环境污染目前占经开区的能耗和污染总量的一半以上,给整个园区的节能降耗工作带来了挑战。从外部环境来看,武汉经济技术开发区建设节能环保产业园区,提倡低碳经济发展是与宏观经济的发展趋势相一致的。经开区

12、发展低碳经济有很大空间,但低碳经济的发展目前正处在一个快速的时期,许多理论和技术的探索还在继续,因此并没有一套非常成熟的理论和实践经验来指导我们如何建设一个低碳经济园区。这是挑战,同样是机遇,对于将低碳经济应用到规划层面,提出碳审计、碳减排、低碳行动计划具有很强的示范意义。5低碳发展规划方法应用和现状评估低碳经济规划首先将对园区目前的整体碳排放进行审计,分为工业、交通、建筑、能源4个部门,然后对未来的排放水平进行评估,包括现状不变和低碳情景两种假设,在明确了低碳情景的碳减排绩效后,相应地提出如何达到这种低碳经济的政策目标和行动计划(图2。5.1民用建筑部门建筑能耗一般是指在建筑正常使用的条件下

13、消耗的能量,包括采暖、空调、热水供应、照明等系统的能耗。由于建筑能耗已经成为继工业之后,与交通并称为城市能耗的主要大户,因此,建筑能耗日益受到专家和社会的瞩目。建筑节能已经成为一个关系社会、经济可持续发展,关系百姓切身利益的综合性课题。到目前为止国家陆续颁布了一系列建筑节能图2低碳发展规划方法应用232009(11现代城市研究表1武汉经济技术开发区已建和未建住宅、公共建筑面积(单位:万m 2建筑类型现状未建现状已建住宅2681430公建441826总计7082257表2武汉经济技术开发区现有住宅、公共建筑能耗计算(单位:GWh建筑类型设计标准,如2001年出台的夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准

14、(JGJ 134-2001,2005年4月出台的公共建筑节能设计标准(GB50189-2005等,不断推进城市区域的建筑节能工作。如何在已有城市区域开展建筑节能活动、促进城市区域的低碳生态发展模式的形成具有重要的意义。民用建筑部门碳排放的驱动力主要包括园区内住宅/公共建筑总的建筑面积、住宅/公共建筑单位面积的能耗,以及用能需求类型。根据现场调研、访谈,以及相关资料,开发区90.7km 2范围内,未建设住宅、公共建筑面积为709万m 2。其余地块均为已建地块(表1。通过抽样调查、分析以及与相关专家进行讨论后,我们发现现状已建建筑,包括住宅、公建,其能耗也可分两种情况:一种“旧时期建筑”是在国家颁

15、布节能标准之前建造的,能耗较大;另一种“节能标准建筑”是在节能标准颁布之后,其节能设计标准较为严格,能耗较小。假设旧时期建筑,其能耗以“旧时期建筑”的抽样能耗模拟作为代表;以节能标准建成建筑,其能耗以“节能标准建筑”的抽样能耗模拟作为代表。然后利用动态能耗模拟软件,采用武汉地区气象数据,对上述几类建筑分别进行动态能耗模拟。最终达到把握其能耗现状、进而提出相应节能措施并对这些措施的节能效果进行评估的目的。根据住宅/公共建筑总的建筑面积,以及住宅/公共建筑单位面积的能耗,计算现有建筑的总能耗。园区现有民用建筑每年的能耗总计3877GWh (表2。碳排放总量通过能源供应结构估算为133万t二氧化碳。

16、5.2交通部门交通部门碳排放的驱动力主要包括各种交通出行方式,以及各类交通工具的能耗。通过研究园区交通流量和出行数据,规划对碳排放量现状做出评估。武汉经济技术开发区现有人口约135900人,根据规划指标和户均小汽车拥有推算:公交车约有90辆,每辆公交车每天出行8次,公交路线平均约10km;小汽车约有1656辆,每天可行走45km。根据公交车和小汽车的燃料特性估算,设公交气缸容量7500ml,每1000ml行走1km产生120g碳排放。每辆小汽车气缸容量为2250m l ,每1000ml行走1km可产生105g碳排放。则每年交通碳排放总量为9000t,其中包括:公交车2500t,小汽车6500t

17、。5.3工业部门工业部门碳排放的驱动力主要包括园区总的工业增加值,以及单位工业增加值的能耗。20042008年武汉经开区综合能耗逐年增加,从2004年的341871t标煤增长到2008年的754013t标煤,增长了121%;而单位工业增加值综合能耗持续下降,从2004年的0.39t 标煤/万元持续下降到2008年的0.24t标煤/万元,优于国家综合类生态工业园区单位工业增加值综合能耗0.5t标煤/万元的标准值。说明武汉经开区的能源利用的经济效益显著。2008年武汉经开区能源消耗种类主要有电力、原煤、天然气、柴油、汽油等,综合能源消费总量(折标煤为717999.89t,其中原煤占46.62%、电

18、力占30.12%、天然气占14.07%、柴油占4.58%、汽油占4.12%。武汉市经开区现状工业增加值能耗为0.24t标煤/万元工业增加值,工业增加值总量301.8亿元。估算园区工业碳排放量(包括工业生产和工业建筑为175万t二氧化碳。表3武汉经济技术开发区现状碳排放审计排放现状(万t二氧化碳占碳排放总量的比例(%建筑部门301100 242009(11现代城市研究5.4能源部门目前,武汉经开区的能源供给以常规的化石能源为主。电力供给来自于华中电网。此外,至2008年,武汉经开区内辅助性供电已有规模为192M W 沌口调峰电厂,并有一座220kv郭徐岭变电所,主变容量2180Mv,还建有3座1

19、10kv公用变电所,最大用电负荷约60MW,供电量2.2亿kWh,供电能力47.5万kva。供热规模包括一期规模为150t/h的供热中心可提供生产和生活用蒸汽和热水。供气方面,武汉经开区内汉阳煤气厂(位于南台子湖南侧其规模为24万m 3/日,制气方式为水煤气两段炉,经开区内沌阳大街设有长度2.5km的煤气管。至2008年,经开区内共有锅炉5表4武汉经济技术开发区未来常规发展(2020年碳排放审计未来常规发展(万t二氧化碳占碳排放总量的比例(%5.5园区现状总体碳排放审计按照上述碳排放量驱动力公式计算,现有建筑每年碳排放总量为133.3万t二氧化碳,交通排放9000t,工业175.77万t二氧化

20、碳,总计301万t二氧化碳。其中,工业碳排放占总量的56.7%,建筑部门碳排放占总量的43%(表3。武汉经济技术开发区作为一个工业园区,工业的节能减排在碳减排中占最主要的地位。随着经表5武汉经济技术开发区未来低碳发展(2020年碳排放审计未来低碳发展(万t二氧化碳占碳排放总量的比例(%济的发展,这一比例还将继续上升。同时,民用建筑在整个碳减排中也为主要源头。5.6常规模式未来园区现状碳排放审计园区规划发展是以2020年为规划终点年。按照现有园区总体规划的开发规模和土地使用布局,可以估算在目前碳排放技术、经济发展方式、能耗使用效率、能源供应结构等参数不变情况下,园区最后发展计划完成时的碳排放量和

21、排放结构(表4。碳排放总量为1302.5万t二氧化碳。可以看到,园区未来土地发展由于主要为工业用途,民用建筑建设量和交通运输出行量相对比例不高。未来的碳排放量源头以工业部门为主,图3武汉经济技术开发区碳排放审计万C O 2低碳城市 本 期 聚 焦 也是未来降低碳排放最重要的一环。 低碳规划排放水平评估 排。 工业部门 可以估算在碳排放技术、 经济发展方 式、 能耗使用效率、 能源供应结构等 参数调整情况下， 园区最后发展计划 完成时的碳排放量和排放结构 （表 ） 。 低碳规划下碳排放总量为万 二氧化碳。 实现减低碳排放达 （图 ） 。 根据国家、 武汉市和经开区的十 一五规划， 万元生产总值能

22、耗的目标 是年降低左右。 园区年实现亿 元。 现状万元能耗约标煤； 在常规模式下， 年万元 能耗约为标煤； 在低碳模式下， 年万元 能耗约标煤， 比年降低； 按复合降低的公式推算， 相当 于每年降低 左右。 结语 工业部门的低碳模式主要措施 包括： （） 调整和改善能源消费结构； （） 推进和完善集中供热工程； （） 积 极开展余热回收利用工程。 规划 年工业增加值亿元， 万元工业增 加值能耗降至标煤万元， 能耗 总量约为万标煤， 比常规模式节 能约 。 其中， 工业建筑的碳减排 是很重要的一部分。 工业建筑总能耗 为， 建筑节能， 相 当 于为工业部门节能总量贡献了 左右。 能源部门 对于低

23、碳模式的定义， 是指对现 状各部门的经济活动进行节能减碳 的改造， 并对未来的活动进行低碳开 发， 即以低碳为指导原则， 通过一系 列的行动， 实现低碳发展的模式。 下 文把不同部门降低碳排放规划要求 的建议作一简述， 并评估它们对未 来碳排放量的影响。 已建建筑 对于已建建筑， 建议进行建筑节 能改造， 提出建筑节能的措施， 并通 过模拟评估节能绩效； 对于新建建 筑， 提出建筑节能和能耗的目标。 节 能措施包括改善围护结构、 屋面、 门 窗， 加外遮阳， 利用节能型水龙头等。 根据建筑不同的能源需求类型， 并结 合提供的碳排放系数缺省值， 园 区全部住宅、 公共建筑年在低碳 模式下总的碳排

24、放量为万二氧化 碳， 与常规模式的万二氧化碳相 比较， 实现碳减排 。 交通部门 在能源部门方面建议改善能源 供应结构。 对于宏观层面， 如国家或 区域的碳排放审计， 能源转换部门主 要包括发电、 热电联产、 城市集中供 热及城市煤气生产等部门。 而对于武 汉经开区， 由于研究范围内没有独立 的常规发电厂等重大城市基础设施， 因此， 在这个中观的范围， 将太阳能 热水等建筑层面的可再生能源归入 能源部门统一考虑。 根据武汉地区的 气候特征、 建筑性质和建筑负荷大小 来确定可利用的可再生和清洁能源 的种类。 主要建议包括两方面： （） 由 于夏热冬冷地区生活热水用量较大 （设定户） ， 利用太阳

25、能热水以 取代常规的电加热或燃气加热， 效果 明显。 利用太阳能热水每年可提供能 量， 相当于减少万二氧化 碳。 （） 改造现有电厂引进秸秆发电 系统： 利用发电厂现有的燃煤锅炉 进行节能改造， 根据我们的经验， 生 物质能电厂较优规模为 ， 每年 可产生电能 ， 相当于减少碳 排放万二氧化碳。 碳减排效果评估 在低碳经济体系内， 经济和社会 系统的投入和产出都以节能减排为 原则， 通过以技术、 政策、 生活方式、 机制去实现整个系统的结构性调整。 在此经济体系下， 城市是最主要的载 体， 也是最主要的减碳源头。 本文尝 试具体把有关现有能源规划研究模 型发展为城市空间规划方法。 以碳排 放模

26、型公式为基础， 运用城市规 划编制可以影响的经济社会活动部 门分类， 分别从建筑部门、 交通部门、 工业部门、 能源部门对模型进行分 解。 可以把能源需求模块分解为三 个部门： 建筑部门、 交通部门和工业 部门。 其中， 建筑部门包括住宅和公 建； 工业部门包括工业生产和工业建 筑。 应用在武汉市经济技术开发区规 划评估， 根据常规模式和低碳模式的 分析， 得到了各部门在各模式下的部 门发展规模 （产业经济结构规模建 （）现代城市研究 交通部门的低碳经济发展主要 包括增加公交出行和轨道交通投入 服务两种措施。 为了要把碳排放量降 低， 建议把公交的规划调整至每 人配一辆标准公交车，因此， 在未

27、来 开发区内将需要辆公交车。 另一 方面， 因轨道交通的投入服务， 碳排 放亦可进一步减少。 通过评估， 未来 分别有 和 的人会从小汽车 出行改为公交出行和地铁出行。 低碳 模式下， 园区共有辆公交车和约 辆小汽车出行， 则碳排放总量约 ， 实现碳减排， 其中： 增加 公交出行贡献率 ， 而轨道交通投 入运营贡献率。 如再通过改变公 交车的燃料类型， 可进一步实现碳减 按照上述建议的低碳开发手段， 本 期 聚 焦 低碳城市 筑总量客流总量） 、 能源效率 （单位 发展规模的能源消耗， 建筑节能交 通生活方式） 、 能源结构， 并根据 对于各类能源的排放强度定义的缺 省值， 计算出了各部门在常

28、规模式和 低碳模式下的年总的排放量。 建议模型可以作为城市空间规 划 （或分区、 园区、 新区等不同空间） 工具， 在总体规划和详细规划编制过 程中使用， 分析城市能源供应规划可 以决定能源结构、 城市建筑、 产业活 动和交通模式、 发展人口与经济规模 等因素对不同规划手段情景下碳排 放量的效果， 通过以低碳发展为目标 的城市规划编制， 提升城市规划管理 体的能力， 应对气候变化的挑战。 参考文献： （）， （）：， ： ， ， ：， 刘传江，冯碧梅低碳经济与武汉城市 圈两型社会建设学习与实践， （）： 高卫东，姜巍，谢辉经济发展对中国 能源碳排放空间分布的影响辽宁工 程技术大学学报（自然科学

29、版） ， （）： 叶祖达城市规划管理体制如何应对 全球气候变化城市规划，（）： 金乐琴，刘瑞低碳经济与中国经济 发展模式转型经济问题探索， （）： 徐国泉，刘则渊，姜照华中国碳排放 的因素分解模型及实证分析： 中国人口资源与环境， （）： ， ，（）： 叶祖达低碳经济：城市规划从 “碳 足迹” 开始建设科技，（）： ， ： ： ， ， 武汉经济技术开发区网站，： 摘要： 城市是社会应对气候变化挑战的重要行 动平台和载体，对城市进行碳排放审计 是实施低碳城市规划工作必需的科学数 据基础。然而，不少城市本身对其二氧 化碳排放的基线分析、未来情景比较、 减量方法和范畴等都还没有可以直接应 用到城市规

30、划编制流程的科学分析方法 和工具。文章尝试把有关现有能源规划 研究模型发展为城市空间规划方法。以 碳排放模型 公式为基础，分别从建 筑部门、交通部门、工业部门、能源部 门对模型进行分解。建议的模型可以把 能源需求模块分解为三个部门：建筑部 门、交通部门和工业部门。根据常规模 式和低碳模式的分析，得到各部门在各 模式下的能源使用结构和量。并根据 对于各类能源的排放强度定义的缺 省值，计算出各部门在常规模式和低碳 模式下的 年总的排放量。 关键词： 气候变化；低碳经济；低碳城市；碳排 放模型 Abstract: Cities are important platform for undertaking actions to manage global climate change. Application of carbon emission audits is the fundamental planning tool required for the planning for low carbon cities. Nevertheless, many cities have not yet set up a comprehensive audit on her baseline carbon dioxide emissions le