城市能源规划中应对气候变化策略的研究
中国建筑科学研究院有限公司 王佳
摘 要：气候变化已经成为人类社会必须面对的问题。城市建设与气候条件息息相关。全世界有超过半数以上人口居住在城市区域。能源系统是保障城市正常运行的基础，也是城市应对气候变化的重要领域。本文对国际上主要城市能源规划应对气候变化的策略进行了研究，对主要技术进行了梳理，结合我国国情，提出我国城市能源规划中应对气候变化的策略。
0 前言
气候变化是指经过相当一段时间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。（参考文献《联合国气候变化框架公约》其直接体现为全球气候变暖、酸雨和臭氧层破坏。因此气候变化在当今被认为是十分紧迫的一项威胁，气候转换在地球不同的尺度发生着。科学证据表明，全球的、区域的、地方的、微尺度的正在变化的气候主要是人类活动造成的，并且这一现象的影响将更为广泛地影响人类和空间，甚至造成极端的危害。大量的世界人口居住和工作在城市系统里，而且这一趋势在增长。城市系统被理解定义为围绕着城市区域成长和发展的，具有社会、经济、基础设施和生态系统各物质流综合作用特征，不断演化的空间产物。数据表明，世界上75% 的温室气体排放是城市区域产生的，这直接反映了城市系统对气候变化的影响而城市的温室气体排放主要通过能源系统发生。人类所有活动几乎都与能源消费和利用有着直接或者间接的联系。一方面，能源消费和利用过程中排放的大量温室气体是气候变化的主因；另一方面，气候变化导致的全球变暖现象，使得能源消耗和利用量快速增加，引发能源危机，甚至社会不安定。因此，能源枯竭、以及能源消耗过程所引发的环境破坏和气候变化加剧的问题，现已成为全世界、全人类共同关注的热点。因此，如何在城市能源规划中实现能源结构的转型升级，为城市建立清洁、高效和可持续发展的能源系统是现阶段应对气候变化的重要手段，对快速城市化进程中和能源对外依存度不断提高的中国，这一点尤为重要。
1 国际经验
欧美发达国家综合运用法律、市场和财政、科技等手段和工具来实现温室气体的减排。减排措施针对的重点是能源、民用、服务业、工业和交通运输等领域。而城市是应对气候变化的最主要实施平台。国际上的一些发达城市的经验表明，城市是全球应对气候变化的主要战线，也是成败的关键点。一些城市根据自身特点制定了应对气候变化的发展策略，在具体技术上各有侧重，许多国家已经进入实施阶段。表1列出了国际上部分城市应对气候变化的相关规划，为我国能源规划应对气候变化提供了一些有益的经验。
表1 国际上部分城市应对气候变化的相关规划
1.1 芝加哥
近十年，美国芝加哥执行《芝加哥气候行动规划》（The Chicago Climate Action Plan,CCAP）以应对气候变化对环境和经济的影响。该规划对建筑、清洁和可再生能源、废物和工业污染以及适应策略。芝加哥针对上述领域应对气候变化的策略见表2。其中建筑所产生的问题气体排放占到芝加哥地区温室气体总量的70%。
表2 芝加哥应对气候变化策略
因此芝加哥应对气候变化的核心放在城市能源系统和建筑的减排上，对应能源规划的核心战略为推进建筑节能，提高清洁能源与可再生能源的应用比例。2009年，芝加哥市联合环境法和政策中心（Environmental Law and Policy Center，ELPC）、贝恩公司、芝加哥制造中心（Chicago Manufacturing Center）、芝加哥市招商局（World Business Chicago）、CNT及可再生能源专家，共同规划出芝加哥市迈向清洁能源的一系列行动措施。具体的措施包括升级改造电厂（预计可以减排250万吨）、改善电厂效率（减排140万吨）、建筑应用可再生能源电力（减排300万吨）、以分布式热电联产的技术替换200万千瓦时的天然气发电和8100万千卡的天然气供热（减排112万吨）以及促进整个城市内的居民户和政府单位提高能源效率和应用可再生能源（减排28万吨）。根据清单编制结论和情景规划分析，并设定中长期减排目标，即2020年相对1990年减排25%，到2050年则减排80%。
1.2 纽约
作为高度发达的滨海城市纽约，气候变化对其影响更为明显，主要体现为冬季更加温暖、海平面上升、大西洋海岸线上的风暴也更加暴虐。因此纽约的城市规划将应对气候变化的策略整合到城市的发展战略中，在2008年和2015年分别发布了《纽约城市规划-为了创造一个更绿色、更美好的纽约PlanNY》和《一个纽约—规划一个强大而公正的城市》，明确了到2030和2040年纽约市未来发展的目标、路径。该规划涉及土地、水、交通运输、能源、空气质量、气候变化规划领域，其规划策略除了包括一般必要的政策元素如住房、公共空间、工业用地、水质、电网、交通、能源和空气质量外，还包括了城市应对气候变化策略（City of New York, 2007, 2008）, 明确地把应对气候变化问题纳入城市规划战略中。其中，2008年规划中“提出到2030年温室气体排放减少30%。其中提高建筑能效贡献50%，电力系统贡献32%，及交通贡献18%。”2015年规划中提出“2050年比2005年温室气体减排80%”
纽约新的能源规划的目标是“在优先保证空气质量的前提下，减少温室气体排放，并确保合理的价格。”主要包括四类策略和十四项技术措施。
表3 纽约应对气候变化措施
纽约市能源规划中强调了城市能源系统管理和协调机制的重要性，建立能源规划局全面负责能源规划的协调和管理工作。并从降低需求、增加能源供应和升级电力系统制定了详细的规划策略。保证未来能源系统更加稳定、高效。
同时规划中针对气候变化制定了四项策略，包括避免城区的无序扩张、清洁能源、高效节能建筑以及可持续的交通运输。目标是到2030年每年减排3360万吨CO2排放。纽约市通过自身的规划，试图找到一条城市应对气候变化的成功之路。
1.3 东京
东京市作为日本首都和日本最大都市圈的核心城市，其城市发展和规划理念很有借鉴意义，东京市政府意识到应对气候变化，必须降低东京市总能源消耗，进一步提高能源使用效率，实现城市安全能源和减少城市能源的环境负荷，促进兼顾低碳发展的城市经济增长方式。因此在2006年发布的规划《东京巨变：10年规划》（Tokyo’s Big Change: The 10-Year Pan）和2011年发布的规划《2020年的东京：跨越大震灾，引导日本新生》（Tokyo Vision 2020：Driving change in Japan,Showing our best to word）和2014年发布的《创造未来：东京长期展望》中都提到了高效率自立、清洁和分散型的能源战略；其中明确到2030年能源消耗总量比2000年（约2730万吨标准煤）减少30%；在2012年的基础上，到2024年商用废热发电系统发电量提高一倍，达到60MW，可再生能源发电量从6%提高到20%；到2024年太阳能光伏发电累计装机容量达到1000MW。
在能源规划中的具体措施包括：
（1）制定安全的能源供给体制，拥有自立分散型能源。提供高效的能源利用为基本出发点的城市发展策略，大力推进新能源政策。推广为实现智能城市的引导项目。
（2）使东京成为世界上环境负荷最小、最先进的低碳城市。积极推进相关贸易制度的制定,促进国际间的相互协作。设置建筑物的环境信息监控和评价指标,大力推广和普及低碳型建筑物。推广和普及电动汽车、燃料电池车。
（3）推动建筑节能技术、探索碳税政策手段，推动商业部门减低CO2排放，特别针对大型大规模之排放主体，提供资金、贷款和投资改善设备之政策大力在家居领域鼓励太阳能光伏发电。所有政府建筑物必要符合达到全球最高之能耗效率水平，以“无碳化”手段推动城市规划在小汽车和交通领域，推动不同法规限制排放，鼓励使用环境友好燃料积极发展以碳税手段改变企业生产模式，同时以税收补贴支持中小企业减排。
1.4 小结
城市是应对气候变化的主要领域之一，一些城市在能源规划领域提供策略对全球应对气候变化有很大的借鉴意义。其中主要策略包括降低能源消耗、提高能源系统的效率和可靠性、推广清洁和可再生能源、提高能源系统的自动化和智能化。并将能源规划的核心理念融入到城市的整体规划中。
一些先行城市，例如纽约，东京在城市规划适应气候变化行动中已经积累了宝贵的实践经验，为其他城市制定适应气候变化战略、开展适应行动提供了重要参考。
2 主要技术手段
能源规划依托于城市规划实施，需要在不同层面、不同要素体系下于城市规划整体协调运作和制定有效的政策策略。不同国家城市发展应对气候变化的策略有所不同，总体而论，其发展趋势都是以宏观层面的政策策略框架制定和指导气候适应发展战略的开展。
城市能源系统是维持城市运行的基础保障，技术进步促使城市能源系统朝着可持续和清洁化不断演进。城市能源系统应对气候变化的技术手段也更加丰富。主要包括准确预测未来能源的需求、提高能源利用效率、增加低碳和清洁能源的供应，以及增加城市碳汇。
2.1 预测技术
未来城市能源需求的强度是能源规划的基础，尤其是对未来城市中建筑发展以及建筑负荷的预测能源规划是根据用建筑物冷热电负荷的过去和现在推测它的未来数值，所以，规划阶段能源系统的预测工作所研究的对象是不肯定事件，使得区域能源系统预测具有不确定性、条件性和时间性的特点。不确定性。因为区域内建筑物的未来发展是不确定的，要受到多种复杂因素的影响，而且各种影响的因素也是发展变化的，这些发展变化有些能够预先估计，有些都很难事先预见到，因此就决定了预测结果具有不准确性或不完全准确性。条件性。预测是在一定条件下作出的。当然，假设条件不能毫无根据的凭空假设，而应根据研究分析，综合各种情况而得来，给预测结果加以一定的前提条件，有利于预测结果的使用、时间性、建筑和用能强度的预测有一定的时间范围。
计算理论和技术发展为发展预测提供了工具，能耗计量和统计为负荷预测提供了基础数据，二者结合衍生出大量的预测方法，例如统计回归预测方法、计算软件模拟预测方法以及情景分析方法等。这些方法为准确预测区域内未来能源的需求提供基础。
基于统计回归的能源规划预测方法以大量的能耗数据为基础，利用统计学等相关技术手段对数据进行科学分析，得出区域负荷与影响因素之间的关系，建立负荷预测模型。[1]将基于统计规律的预测模型应用于城市能源规划阶段的负荷预测的前提是做好建筑能耗审计工作，积累足够的能耗数据作为分析预测模型的基础，美国商业建筑调查协会提供了近5000多栋各种类型的实测数据作为规划阶段的基础数据，日本三联供设计手册提供了详细的数据包括各种类型建筑的能耗数据和能耗分项数据。基础数据是该方法的基础。
软件模拟预测方法是以计算机能耗模拟软件为平台，根据典型气象年参数，详细的建筑信息以及设计参数，通过计算机模拟仿真的手段获得建筑的逐时负荷数据，作为建筑冷热电负荷的预测值。应用建筑能耗模拟软件进行城市规划阶段负荷预测首先要解决的就是典型建筑的选取和输入参数的问题。现有的能耗模拟软件输入参数多，在规划阶段难以获得;并且软件专业性太强难以被规划工程师掌握，输入参数的细微差别可能导致负荷预测结果的不合理。所以，简化负荷计算方法、分析负荷影响因素、减少软件输入参数是规划阶段应用软件模拟预测建筑负荷的主要工作，同时该方法对设计人员专业水平要求极高，计算周期长。
情景分析方法通过设定不同的情景，分析各情景负荷出现的概率，最终确定区域的典型负荷曲线。但是，该方法仍然需要借助能耗模拟软件作为平台，模拟预测采用情景分析方法设定的不同情景下的建筑负荷，方能进一步进行负荷分析，技术较复杂。
技术的发展为更准确预测城市能源系统的需求提供了数据基础和技术手段。准确预测城市能源系统的需求是科学开展能源规划的基础。
2.2 改变能源结构，提高能源利用效率
提高能源利用效率，发挥科技优势，推动低碳技术研发，大力发展高新节能技术，尤其是在高能耗和高污染的产业方面，如钢铁、石油化工和汽车工业等，增加科研投入，加快关键技术的研发、攻关，不断提高能源利用效率创造低能耗的产品，争取在产品的生产环节和使用环节都能够提高能源效率，降低能耗进而减少碳排放量。
（1）建筑节能技术
建筑是城市中能源消耗的主要终端，其碳排放和能源消耗量占到75%以上，而为了实现全球温升不超过2℃的目标，建筑能耗需要降低80%以上。因此，建筑节能是城市应对气候变化的重要手段，包括既有建筑改造和提升新建建筑能效，城市中既有建筑占比很高，尤其是已经高度发达的城市，开展既有建筑改造可以降低现有建筑用能强度。其次为提高新建建筑能效，包括提高新建建筑节能设计标准，推动近零能耗/零能耗建筑、绿色建筑等高性能建筑。
既有建筑分布的年代比较广泛，其节能水平普遍较差，能耗较高。既有建筑节能改造有较大的节能空间，主要以改善室内环境和降低建筑能耗为目标，技术手段包括改善围护结构性能、改造能源系统等技术手段。研究表明，既有建筑节能改造普遍能够节能50%~80%。
不断提高建筑节能标准中的能效要求是提高新建建筑能效的重要手段。建筑节能技术的发展为进一步大幅度降低新建建筑能耗提供了技术条件，以消耗极少或不消耗能源为目标的近零能耗建筑/零能耗建筑开始出现，一些学者在这一领域开展了很多有益的尝试，推动了近零能耗建筑/零能耗建筑的相关理论研究逐渐深入和一些气候区的部分建筑类型的近零能耗建筑的技术路线基本成熟。在未来可预期的时间内，继续提高建筑能效，最终将建筑能耗降低至零，甚至生产能源是暖通空调行业和建筑行业发展的必然趋势。与此同时，以减少建筑对环境影响为目标的绿色建筑、低碳建筑等高性能建筑的不断发展也为新建建筑应对气候变化提供了技术手段。
（2）高效用能系统
提高用能系统的能效，可以有效降低能源消耗。近年来建筑用能设备的能效不断提升，高能效的供暖、空调、照明以及家用电器设备的使用逐步普及。相关能效标准陆续出台，覆盖建筑冷热源、照明、生活热水、家用电器等，已经出台的用能设备能效标准见表4。
表4 我国已经出台的能效等级标准
我国政府积极推进高能效用能设备的提升，例如在过去20年，我国住宅建筑的照明功率密度值从20W/m2左右降低到4W/m2以下，降低80%以上，冷水机组的能效从4.2提高到6.5；用能设备的能效提升，有效缓解城市用能的增长，减少温室气体的排放。随着技术的进步，未来用能设备的能效将继续提升，因此继续提高用能设备的能效并提高其应用的范围，逐步使高能效设备替代低能效设备，进而减少温室气体的排放。
2.3 增加低碳能源
增加低碳能源供给，改变能源结构是应对气候变化的重要举措之一。在能源结构上，提高可再生能源的开发利用，加强发电技术及天然气的应用，鼓励电厂、钢铁、化工等重点用户采用双燃料系统，逐步推动以电力和燃气为重点、气电互补的能源需求调控体系的形成，同时引导终端能源消费结构向低碳方向发展；降低煤类能源的使用，发展可再生能源，利用日照条件、风力资源及周边河流和海洋等自然资源发展太阳能、风能、水能、潮汐能等清洁可再生能源，从而有效改善城市能源消费结构现状；大力发展低碳化石能源，降低煤炭在能源利用中的比例，提高天然气、石油等相对高效的传统能源，实现能源消费结构与产业结构的双重优化升级。
近年来，光伏发电、风电等技术逐渐成熟，成本大幅度降低，已经具有较好的经济性。图1、2为2013年以来光伏组件价格和上网电价变化情况。我们应当竭尽全力推动去碳化的加速。加快推进煤改气以及继续研发可再生能源技术，将逐步帮助减少气候变化风险，尽管二者都无法促进实现将升温控制在2℃内的目标。与此同时，不应将那些实现长期深度减排所需的关键技术排除在外。例如，继续对低效的太阳能电池板技术提供补贴，就将关闭高效的太阳能技术进入市场的大门。
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| 图1 2007-2014年光伏组件及系统价格趋势 | 图2 2013-2018年光伏发电上网电价 |
技术进步为能源结构的改变，增加低碳能源的使用提供了可能，因此，在应对气候变化的大背景下，城市规划中应改变思路，提高清洁能源的使用比例，推进能源结构转型，减少温室气体排放。
2.4 碳汇技术
城市绿化有助于提高是城市应对气候变化的能力，绿地和树木在适应气候变化方面发挥重要作用，然而世界范围内的城市绿地都在遭受大面积的损失，树木生长到一定规模才能发挥作用，实践证明，足够的城市绿地可以减缓环境温度变化，同时吸收温室气体，提升城市绿地质量和数量，有助于缓解气候变化。城市绿地系统包括林地、山地、湿地等，需要不同的保护机制，发挥其减排的作用。
另外屋顶绿化也是城市绿色基础设施网络的组成部分，具有减缓热岛效应和节能的优点，有助于减少气候变化带来的影响。夏季屋顶表面与各种建筑材料吸收强烈的日光，砾石屋顶和纸板黑色沥青加热能达50℃和80℃，绿化屋顶的温度则大约为20℃至25℃。冬天的夜晚，在非绿化屋顶的温度可低至-20℃，其每年温度波动幅度约100℃；绿化屋顶在冬天只稍低于0℃，其每年的波动量只有30℃。绿化屋顶可以通过植物的蒸腾作用带走夏季较高的热量有效减缓高温、冬天充当保温层减缓热量排放，起到隔热保温的作用。在减缓地表径流强度方面，根据植被类型决定降水保留在地表上层的不同停滞时间，根据蒸发和蒸腾损失的数额决定其减缓地表径流的流出强度。通常情况，标准屋顶80%至100%的降水被排水管道运送排走，而有屋顶绿化的屋面只有30%的降水被排走。其余通过蒸发被释放到空气中，减缓了城市由于硬质覆盖造成的湿度缺乏。屋顶绿化的另一个优点是延缓降雨的排放，从而充分减轻城市排水系统的压力，降低了洪水的危险芝加哥的绿径试点工程同样大量应用屋顶绿化等增绿设计手法，结合自然系统的水体循环过程达到应有的气候环境效益。
3 我国城市能源规划的应对策略
3.1 保证能源规划的法律效力
城市能源规划尽管属于能源方面的具体规划，但其涉及城市的整体发展方向，决定城市的发展模式、发展速度和发展的可持续性。因此，具体的城市能源规划必须具有城市规划意识和整体意识。既要考虑到基于减缓气候变化方面的能源要求，合理规划能源结构，节能减排，也要考虑到预防和应对因气候变化带来异常状况下的能源供给和保障，更要考虑保障最大可能地提升城市民众生活福利和城市和谐发展的能源体系，确保城市健康发展。因此，应当依法全面规范规划的制定、修改和实施，防止不当决策或者非法利益唆使下的短期行为。
3.2 继续提高建筑能效，推动近零能耗建筑、社区的发展
城市作为通过较长时间逐渐形成的非农业人口聚居的地域单元，其不仅是一个庞大的综合体，而且也是能源消耗和碳排放方面的重要区域。随着中国经济的发展，能源消费和二氧化碳排放量必然还会持续增长，减缓温室气体排放将使中国面临开创新型的、可持续发展模式的挑战。在减缓气候变化方面，节约能源（以下简称节能）作为首要措施，其应当依据规划和计划展开。节约能源，作为加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，其要求从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费，有效、合理地利用能源。
在2009年哥本哈根气候变化大会上，我国承诺2020年单位GDP碳排放量比2005年下降40%~45%，该承诺以量化的方式确定了我国在规定时间范围内的减排目标，也为城市能源规范化提供了参照系。我国需要通过城市能源规划规范能源利用，依法促进减少化石燃料的消耗，增加可再生能源如太阳能、风能和潮汐能等的利用。通过合理规划与布局，提高能源使用效率，减少污染物的排放。通过综合手段改善空气、水体和土壤的质量。大幅度增加物质的循环利用和废弃物的再利用，减少废弃物的总量。
随着城市化进程不断深入，建筑用能已经占全球能源总消耗40%以上。因此提高建筑能效，开展建筑节能是减少能源消耗的重要举措。近年来，建筑节能技术不断提高，低能耗建筑、超低能耗建筑、近零能耗建筑涌现，建筑的能源消耗不断降低。建筑能效提升的同时，带来建筑物抵御气候变化能力的提升，同时有利于城市能源安全。近年来通过示范和推广，我国已建成超低能耗建筑、近零能耗建筑超百项，取得了很好的效果，为我国建筑领域应对气候变化提供了技术基础。因此我国应继续提升建筑能效，推动近零能耗建筑等高能效建筑和社区的发展。
3.4 鼓励可再生能源系统的应用
应对气候变化，构建低碳城市大势所趋，其对以煤为主的能源结构提出了巨大的挑战。我国以煤为主的能源资源和消费结构在未来相当长的一段时间将不会发生根本性的改变，使得我国在降低单位能源的二氧化碳排放强度方面比其他国家面临更大的困难。[15]同时，我国地域辽阔，城市之间差异大，单一能源结构不适合城市发展的需求，特别是在自然灾害应对方面。因而需要通过城市能源规划优化城市空间开发格局，合理利用空间资源，节约能源利用。如通过城市建筑能源规划根据节能、节水、节材、节地、环境保护和降低碳排放的原则，以综合资源规划原理为出发点，对所开发区域的建成环境能源系统进行关键技术研究与规划，并与城市总体规划、区域发展规划以及城市能源规划相协调。能源规划在促进低碳城市建设方面具有重要的作用和价值。
4 总结
能源规划应优先发展清洁高效能源，控制和降低城市能源消耗及碳排放总量。城市能源规划应以现行城市规划作为上位规划，由城市规划主管部门组织编制的能源规划应对气候变化应该以“控碳源、扩碳汇”为核心目标，是对现有城市规划的补充和完善。
我们应当正视气候变化问题，并在现有科学技术能力下合理利用自然资源，节约利用能源，并通过社会整体努力减缓和应对气候变化。
我国处于快速城市化和法治化的进程之中，作为城市化进程中的发展国家，不仅要积极关注城市能源利用与气候变化的密切相关性，而且也要重视城市能源规划，通过城市能源规划立法引导和规范城市能源利用，优化城市能源结构，促进城市能源节约和高效利用，以促进我国城市化进程的健康发展，促使城市化与能源的供给和保障相协调，发挥城市能源规划在能源安全保障和应对气候变化方面的积极作用，以保障我国城市化进程的健康发展。
参考文献
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年1-2月刊总第18期。
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