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1、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
2、，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
3、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。 ”31 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
4、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
5、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
6、。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
7、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
8、、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=1n；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；，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；，建筑能耗
9、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 =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
10、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
11、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。，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
12、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
13、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，
14、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 CO274.1.4 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
15、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
16、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。S，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
