基于碳排放清单的低碳城市规划技术方法研究_城市规划论文

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       中图分类号 F416 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2015)06-0072-09 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2015.06.011

       促进城市经济社会发展与生态环境的协调统一，构建自然、城市与人融为一体的互惠共生结构，是国内外城市建设共同面临的重大理论和实践问题。在应对气候变化和城市转型发展的大背景下，将能源消耗和碳排放的限制条件纳入城乡规划逐渐成为共识，但是对于其具体实现路径还缺乏统一的认识和成熟的实践经验。尤其是在城市层面，如何将能源消耗与碳排放总量与微观城市建设活动，以及城乡规划的技术手段联系起来，是编制以低碳为导向的城乡规划亟待解决的问题。本文以北京市为例，分析了以低碳为导向的城乡规划技术手段类型，并以碳排放清单编制为基础，探讨了规划编制中定量分析的主要技术方法，为低碳城乡规划的开展和规范化、科学化提供借鉴。

       1 低碳城市规划的理论探讨

       1.1 低碳城市规划的概念

       城市是人为碳排放的主要来源，其空间结构对碳排放的发展变化产生“锁定效应”[1]，以低碳为导向的规划是我国低碳城市发展的关键技术之一。低碳城市规划是以低碳城市发展为目标，以城市规划的编制和实施为基础平台，通过综合运用低碳技术和城市规划工具，使城市建设和各项城市活动按照低碳化的方向发展。但我国尚未形成完善的低碳城市规划编制和管理体系，很多城市在这方面开展了探索性的研究和实践。

       1.2 低碳城市规划的定位和特点

       由于低碳城市发展所涉及领域的非常广泛，不仅包括能源供应与利用，也包括道路交通、市政设施、土地利用、空间形态、建设活动等，甚至还包括城市发展模式、人的行为，因此低碳城市规划不是专项规划，而是贯穿城市规划编制与管理全过程，多层次、多维度的创新规划体系。不仅要考虑与现有规划体系的有效衔接，也要根据城市低碳发展的需要，创新规划编制和管理体系[2-4]。其核心是从能源消耗和碳排放的视角重新审视城市建设和活动的各个环节，以城市碳排放的核算为基础，在确定低碳发展目标后，将碳排放的约束纳入城市规划和管理中。因此，低碳城市规划的编制需要以详尽的终端能耗数据为基础，采用定量化、科学化的技术手段，规划结果具有很强的可测量性和可考核性。

       1.3 低碳城市规划内容文献综述

       顾朝林等从低碳城市模式的角度，将公共部门(政府)与私人部门(居民或企业)分开考虑，提出低碳城市规划概念框架包括规划理论、指标体系、技术方法、公共政策和公众参与等，在规划编制层次上涉及总体规划、详细规划、城市设计、专项研究等[5]。封颖等提出低碳城市规划的逻辑框架包括城市温室气体清单-城市低碳目标和低碳发展路线图-低碳发展指标体系-低碳发展重点方向-低碳重要措施[6]。总的来看，多数研究者都提出将碳排放核算作为基础，将低碳城市规划的主要领域或技术方法划分为低碳产业、低碳交通、低碳建筑，以及低碳能源供应和基础设施等，并从空间规划的角度强调低碳空间形态，从规划管制的角度提出低碳指标体系。也有研究者提出将低碳规划方法划分为技术层面和空间层面，分别强调产业节能、建筑技术节能，以及城市空间形态、职住关系等[7]。

       2 国内低碳城市规划主要做法及问题分析

      

       截止到2012年3月，我国已有约280个城市提出了建设低碳城市或生态城市目标[8]，根据低碳、生态、以及可持续发展的理念，提出了城市发展方向和主要策略。各个城市关于低碳城市的规划多局限于研究层面，真正编制并经过审批的低碳城市规划还没有出现。其中部分城市编制了碳排放清单，包括北京、上海、天津、重庆、深圳、哈尔滨等，而基于碳排放清单提出规划目标和对策的就更少见。根据已有文献和资料，在此对各个城市低碳城市规划编制的技术路线和主要内容进行了总结分析(见表1)。

       总的来看，国内城市的低碳城市规划多数还停留在从概念到概念的阶段，多是结合城市特点，对于低碳城市发展理念的阐释，与城市碳排放清单编制脱节[17]，主要包括以下几方面问题。

       (1)低碳城市规划主要围绕紧凑空间布局、土地利用混合、公交导向发展模式、绿色空间布局、可再生能源利用和提高能源利用效率等方面，对城市发展提出定性的规划原则和要求。但是规划中对于城市现状和规划碳排放没有进行核算，也没有对各个规划策略的减碳贡献进行量化分析。

       (2)由于数据有限，成熟经验缺乏等原因，城市层面的碳排放清单编制较多的从城市发展宏观数据和能源供应入手，局限在几大部门的能耗和碳排放总量，而未能将能耗分解到具体的终端活动，也就难以与城市规划要素有机的联系起来，很难指导低碳城市规划的编制。

       (3)一些城市提出利用碳排放空间管制、低碳规划指标体系等手段来引导城市发展和建设，但是碳排放指标的确定缺乏数据分析支撑，导致在此基础上提出的规划管理手段既缺乏科学性，也难以真正落实。

       (4)对于空间结构、人口和建筑密度、用地布局等城市规划的核心要素，其对城市能耗和碳排放的影响机制研究较少，多停留在定性研究或统计分析的层面，无法建立模型进行模拟，削弱了低碳城市规划的科学性和权威性。

       3 基于碳排放清单编制的低碳城市规划技术方法

       为解决上述问题，必须以碳排放清单编制为基础，并深入研究城市规划要素的影响，在定量分析的基础上，提出低碳城市规划的目标、路径，以及指标体系等。从2011年开始，以北京市规划院为主，陆续开展了低碳城市规划纲要、低碳城市规划导则等研究，在以碳排放清单编制为基础，定量研究低碳规划策略方面进行了一定的探索。低碳城市规划的主要技术方法包括城市碳排放清单编制、规划碳排放情景分析、低碳规划路线图制定，以及低碳规划策略与政策制定，其核心要点是规划要素与碳排放评估过程的关联，规划要素包括城市总体规模、性质、功能分区、空间结构、用地布局、交通组织、建设高度和密度、城市细部设计等，应将这些要素纳入碳排放核算，并研究这些因素对城市碳排放的影响(见图1)。此外，影响城市碳排放的其他两个重要因素包括能源供应和低碳技术，他们与城市规划也有密切的联系。

      

       图1 低碳城市规划技术路线图

       3.1 碳排放清单框架的构建

       3.1.1 碳排放清单框架体系的二次转换

       碳排放清单编制是低碳城市规划的核心，是城市规划低碳化、定量化、和可考核的基础保障。IPCC碳排放清单框架分为能源使用、工业过程、农业/林业/土地利用、废物处理和其他五个部分，其主要目的是衡量国家层面温室气体排放和清除的总体情况。而对于城市这一开放的系统，采用IPCC框架体系就难以体现城市的能耗特征，也难以产生规划策略。因此，必须对碳排放清单的框架进行调整，调整的主要原则包括：第一，体现城市能源消费的特征，将外调电、供热等计算在内；第二，碳排放清单部门划分可以分解至城市终端活动，并与城市规划要素有机联系。

       因此我们在编制北京市碳排放清单的过程中，对IPCC清单编制框架进行了分解和转换，将可能产生规划策略的要素指标嵌入碳排放清单当中，以便于对规划碳排放进行清单编制和情景模拟，以及由此产生规划策略。具体的情况框架转换方式是，清单框架由供应端到消费端、再到规划端的转换。也就是先由城市总体能源供应品种和供应量入手，得到城市能源消费和碳排放的总量；再依据统计年鉴中分行业能源消费数据，按照国民经济产业分类进行碳排放清单编制；第三步，依据规划要求，将分行业能源消费数据进行拆分和重构，整合为生产、交通、建筑三部分；最后根据规划用地分类要求，将清单框架与土地利用类别进行关联，形成“土地利用-碳排放”关联框架[17]，为规划控制提供依据(见图2)。最终确定的城市碳排放清单框架包括生产、交通、建筑、碳汇四个部分。

       3.1.2 终端活动能耗分解

       在碳排放清单框架体系确定后，还需要对各部门能源消费进行分解，落实到具体的终端能耗活动，以便了解实际城市活动的碳排放，产生规划对策。例如交通能耗分为城市客运、城际客运、和货运，其中城市客运又包括电动自行车、小汽车、出租车、公共汽车、地铁等。还比如建筑能耗分为城镇建筑和农村建筑能耗，而城镇建筑又分为公共建筑、住宅建筑，其中住宅建筑能耗包括照明、炊事、热水、采暖、制冷、家用电器、电梯、建筑设备等。将城市碳排放清单进行供应端到消费端、再到规划端的二次转换，同时将能耗分解到各部门的终端活动，这样一方面保证全市能耗和碳排放总量保持不变，另一方面能够反映出各微观活动在城市总量中的比例，以及对城市总碳排放的影响。

      

       图2 北京市碳排放清单框架转换示意图

       3.1.3 将城市规划要素纳入碳排放清单

       在碳排放清单编制过程中，应当将规划要素纳入，包括清单框架和终端能耗活动的碳排放计算。前面已经提到，我们在北京市的研究中，进行了碳排放清单的二次转换，实现了城市碳排放与城市用地的关联，有助于了解各类城市用地的碳排放水平，同时可以对不同规划方案进行碳排放评估。此外在对各终端活动的碳排放进行计算时，应将土地利用、建筑规模、出行距离等纳入计算公式。

       例如在对住宅建筑碳排放进行计算时，采用将Kaya公式变形的方法，纳入容积率、用地面积、建筑面积、单位建筑面积能耗强度等与规划密切相关的因子。建筑能耗的基本计算方法是用能活动水平乘以能耗强度，即对每一类建筑的各项终端用能分别进行计算，再加和得到(见公式1)。而对每一分类能耗的核算，需要分别确定活动水平和能耗强度。在建立详细核算清单的过程中，需要考虑两个方面的因素。一是，活动水平主要与建筑面积规模相关，应将人均面积、人口规模、用地类型结构等规划因子纳入(见公式2)。二是能耗强度主要与能源品种、能源供应方式、设备效率等因素相关，也可以将其纳入核算清单中(见公式3)。

       总建筑能耗=∑活动水平×能耗强度

       (1)

       活动水平=人口规模×人均建筑面积×建筑类别系数×用能系数

       (2)

       能耗强度=分能源品种用能强度×能源供应效率×用能设备效率

       (3)

       总的来说，只有将规划要素以影响因子的方式纳入碳排放清单，才能对其影响进行分析，在此基础上才能够定量分析和产生节能减碳的规划策略。

       3.2 北京市碳排放核算结果及分析

       在上述碳排放清单框架基础上，分别采用2009年和2011年北京市统计年鉴中能源平衡表数据，在对各类行业能源消费量重新划分和调整后，最终得到北京市能源消费和碳排放核算结果。2011年，北京市各部门各类能源消费总计6695万t标准煤，相关二氧化碳排放总量为1.73亿t，比2009年的1.57亿t增加约10％。再对碳排放强度进行分析，2011年北京市单位GDP碳排放强度为1.06t

e/万元GDP，人均碳排放为8.56t

e/人，比2009年分别下降19.7％和6.4％，GDP的增长与碳排放的增长实现了脱钩(见图3)。

       3.2.1 碳排放部门结构分析

       2011年北京市全市碳排放中，生产、建筑、交通各部门排放分别占总量的34％，44％和22％(见表2)。由于首钢搬迁、产业结构调整等政策，能源消费结构得到优化，北京市生产部门碳排放比2009年降低1％，但建筑和交通部门增长迅速，分别比2009年增加了10％和20％。

       3.2.2 建筑部门能耗核算分析

       以建筑部门为例，详细说明能耗核算的方法，以及如何将住宅规划相关要素纳入核算框架。2009年北京市建筑总能耗为2533万t标准煤，占全市总能耗的38.6％。建筑能源消费主要包括电力、天然气、煤炭、热力、液化石油气等。由于统计年鉴的局限性，建筑能源消费计算中不含生物质能、太阳能、地热能等。

      

       将北京市建筑能耗划分为住宅和公共建筑能耗两大类。其中，住宅建筑根据人均建筑面积、生活方式和用能特征，分为城镇成套住宅、城镇非成套住宅、农村住宅三类。再根据用能终端分为采暖、炊事热水、照明及家电等类别，同一类用能终端还可以根据能源品种的差异进一步细分(见图4)。

       公共建筑能耗核算框架与住宅类似，也按照按照建筑功能和用能终端进行分类。主要包括采暖、空调设备等电耗、炊事热水、蒸汽消毒等，其中公共建筑电耗根据建筑功能类别、建筑规模进一步细化。

       2009年住宅建筑能耗总量为1391万t标准煤，其中城镇成套住宅、非成套住宅、农村住宅能耗占比为75％、20％、5％。这里的城镇成套住宅主要指城镇中集合住宅、公寓等，而非成套住宅主要指按房间租住的城中村、平房等，农村住宅指农村宅基地中原有的农民住宅(见表3)。

       城镇成套住宅能耗为1045万t标准煤，占住宅能耗总量的四分之三，其特征表现为人均住宅面积较大，能耗强度较高，并且覆盖了全市60％的常住人口，是住宅能耗的主要类型。

      

       图3 北京市能源消费及碳排放总量与GDP增长关系

      

       北京的城乡结合部等地区分布着大量的自建非成套住房，包括城中村、改建平房区等。这些住宅与城镇成套住宅相比，具有人口密度高、人均住房面积小、用能终端分散、人均能耗强度低等特点。根据不完全统计，北京市的城乡结合部地区约有400万左右的外来人口处于这样的居住形式中。虽然非成套住宅能耗总量并不高，但由于仍然覆盖了总人口的约四分之一，并且在未来一段时间内，这种居住形式还将继续存在，因此有必要单独分析其能耗的特征和节能的策略。

       北京市的农村地区仍有约280万农民，其居住形式仍旧以农村宅基地自建住房为主，人均居住面积较大，超过城镇成套住宅人均住宅面积的2倍。因而虽然农村住宅单位面积能耗强度仅为城镇成套住宅的一半，但其人均能耗强度却超过了城镇住宅，说明其集约性有待改善。

       通过上述分析，可以看出将人口规模、人均住宅面积、居住模式等规划相关因素纳入部门能耗和碳排放的分析，可以更好地将部门能耗总量与中微观层面规划策略结合起来，使得政策制定有的放矢。

       3.3 碳排放情景分析与规划策略制定

       3.3.1 碳排放情景分析

       对城市规划方案进行碳排放情景分析，是确定规划目标、选择规划方案和产生规划策略的重要技术手段。在北京市的研究中，基于LEAP模型，我们对北京市2020年的发展设定了基准情景、低碳情景和强化低碳情景三种类型。其中基准情景是指按照目前的规律继续发展，也就是惯性情景；低碳情景是指人口和经济发展水平保持不变，能耗强度保持不变，但产业结构、出行结构等达到总体规划2020年目标；强化低碳情景是指在低碳情景的基础上降低能耗强度，达到并强化“十二五”相关规划要求。经测算，北京市在惯性情景下就可以达到国家2020年所设定的减排目标要求，以及北京市“十二五”能源发展规划要求(见表4)。因此我们提出北京市应该制定更加严格的低碳发展目标，包括碳排放总量目标和强度目标，为城市转型发展探索新路。

       3.3.2 减碳策略贡献率和敏感度分析

      

       图4 北京市住宅建筑能耗核算框架

       规划策略的产生应在碳排放清单编制和情景分析的基础上，对减碳规划策略的贡献率和敏感度进行进一步分析，以确定不同规划策略的优先序。经过计算，在强化低碳情景下，2020年各项技术政策累计

减排量达到5300万t，生产、建筑和交通三大部门减排潜力比例约为5∶3∶2。在生产部门中，工业产业单位能耗下降和结构调整减排力度最大，建筑部门中减排潜力最大的是提高建筑节能标准，而交通部门中出行方式结构调整减排比例最大(见图5)。总的来看，通过城市规划手段影响种植业面积、绿地面积、行业结构调整、各交通方式出行分担率、建筑节能标准等，带来的减排贡献率超过50％。这足以证明科学合理的规划是城市节能减碳的重要支撑和保障，目前在城市低碳化发展中，规划作用被低估的现状应当改变。

       此外，还可以对城市碳排放的影响因子进行敏感性分析，找出影响城市碳排放最重要的规划要素，提高减排策略的抗风险能力。对影响北京市碳排放的47项要素进行分析，结果显示对城市碳排放最为敏感的要素集中在产业结构、人口规模、小汽车分担率、人均建筑面积等方面。集中在工业、公共建筑、城市客运和住宅几个部门，因此在政策制定和技术发展中应将上述部门作为重点。而进一步分析发现，活动水平(包括规模和结构)的敏感性高于单位能耗强度的敏感性。因此可知，单纯通过技术改造来降低能耗强度所带来的节能减排效益，远远不及通过优化产业结构、改变建筑类型、提倡绿色出行方式等城市规划转变所带来的减碳效果。

      

      

       图5 各项技术政策减排量分析图

       4 结论

       低碳城市规划是城市转型发展、低碳发展的重要保障和核心技术，我国目前对于城市规划在节能减碳方面的认识普遍不足，相关研究和实践也很不完善。本文以北京市低碳城市规划的有关研究为基础，提出碳排放清单编制是低碳城市规划工作的基础和技术平台，是低碳城市规划定量化、可考核的关键。

       基于碳排放清单编制的低碳城市规划主要包括现状和规划碳排放清单编制、规划碳排放情景分析、城市低碳发展路线图、以及低碳规划策略选择与政策制定等。我国目前一些城市的碳排放清单编制工作主要从能源供应和行业部门的角度入手，尚未建立与城市规划的联系，造成规划策略与清单编制脱节的问题。基于北京市的研究，我们提出，将城市规划要素纳入碳排放清单框架、以及终端活动碳排放计算，是解决上述问题的有效途径。在此基础上进一步对规划策略的贡献率和敏感度进行分析，可以对其进行优先序排列，有助于科学的确定规划减碳策略。

       根据对北京市城市能耗和碳排放的核算分析，可以发现北京市城市能耗与碳排放总量仍呈增长趋势，但已经和经济增长脱钩。采用十二五规划已经确定的政策措施，能够实现国家规定的节能减碳目标，北京应当提出更加严格的规划目标。在产业、建筑、交通三个部门中，现阶段产业节能减碳的潜力仍然最大，未来随着产业结构的调整，建筑、交通将成为减碳的主要部门。

       目前北京市对于低碳城市规划的研究工作才刚刚起步，还有很多问题有待深入研究。主要包括：第一，在清单编制工作中，应进一步体现政府和市场的不同作用，对于政府主导的城市规划和建设活动应独立进行研究；第二，对于城市空间结构、用地布局等城市规划的核心内容，其与碳排放的关联还有待深入研究，如何将其纳入碳排放清单编制，是亟待解决的问题；第三，能源供应、节能技术等层面的内容，对于城市发展和建设模式也有一定的影响，这方面的研究还非常有限。

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