低碳生态城区能源规划的目标设定

  1 引言

 

  低碳生态城市，对世界各国都是全新的课题。

 

  不可否认，国内对低碳生态城市的理解还相当肤浅，相当多的规划还仅限于概念的炒作，并没有实质内容。因此，在规划中设定明晰的目标，清楚地界定规划要达到的关键性能指标( KPI，KeyPerformance Indicators) ，对于建成真正意义上的低碳生态城市具有特别重要的意义。尤其是像能源规划这种下位专项规划，更需要有非常明确而具体的KPI 指标。低碳生态城区必须通过一系列目标的实现来证明它的“低碳”和“生态”并不是浪得虚名。

 

  在城市能源领域，过去在城市层面，能源供应作为重要的基础设施，必须有规划，例如电力规划、燃气规划，北方城市还有集中供热热网规划。能源供应规划受到国家的能源法、电力法、可再生能源法等法律的约束，依据《城市电力规划规范》、《城镇燃气设计规范》和《城市热力网设计规范》等技术标准。在建筑层面，能源应用作为建筑节能和建筑环境的主要载体，其规划设计和技术管理，要遵循国家和地方的《建筑节能条例》，还包括更多的建筑节能设计、施工、运行和改造的设计标准和技术规范。这些标准规范覆盖了建筑能源应用的方方面面。就是说，在城市能源的宏观和微观层面，我们已经建立了比较完善的管理机制和技术体系。但在城区( 园区、社区、街区、建筑群、城市综合体……) 即城市的中观层面的能源规划，在管理和技术方面几乎都是空白。

 

  城市能源的供需与不同的城市层面相对应，如图1所示。城市宏观层面主要需考虑能源供应问题，城市的微观层面( 用户层面) 主要是能源需求的问题，而城市的中观层面( 城区层面) 主要解决的是能源传输与转换问题。以城市电力供需为例，能源的供应侧( 城市)和需求侧( 用户) 互成反馈关系。城市能源的传统模式是供应侧( 电网) 直接面对千千万万末端用户，集中供能，全分散( 楼、户、室) 用能，末端负荷的变化无缓冲地直接冲击大电网。为了平衡负荷，减少对电网安全的威胁，最好能够将低谷时的电力蓄存起来，到高峰时段使用。但在当前技术手段条件下，还只能通过蓄热( 冷) 来实现间接蓄电。因为多了转换过程，所以蓄热( 冷) 在用户端不一定节能。

 

  低碳生态城区是一种集约型的混合城区的城市形态，负荷更趋多样化; 是一种高密度紧凑型的空间结构，需要能源的集成利用; 也是多种低能量密度和低品位能源( 如浅层地表蓄热能、地表水和污水温差能、太阳能光热、太阳能光伏等) 的综合应用。这些都需要在城区层面上通过一个能源枢纽( hub) 进行集成、转换、蓄存和输配。这就使城区能源规划具有不同于传统建筑能源系统的技术路线和方案考虑。低碳生态城区的能源规划主要解决以下问题: 如何集成应用低密度的可再生能源( 如太阳能热利用) ; 如何集成应用低品位的未利用能源( 如排热、土壤蓄热、地表水温差能) ; 如何将无碳的虚拟能源( 即用户端的节能) 作为替代资源; 如何集成低碳的分布式能源( 燃料电池、微小型热电冷联供) ; 如何实现碳能源资源的梯级利用、循环利用和回收利用; 如何利用负荷参差率，降低总需求、实现负荷平准化; 如何实现城区能源投资的多元化、能源管理的市场化，以及清洁发展机制。

 

  根据目标管理的理论，如果一个领域没有特定目标，则这个领域必然会被忽视; 如果没有一定的目标指导项目的开展，则项目的规模越大、涉及的专业、人员以及利益相关方越多，发生冲突和浪费的可能性也就越大。因此，低碳生态城区的能源规划，更需要设定非常明确的目标，作为开发的依据和必须实现的关键技术指标，也是规划的利益相关方共同接受和遵守的。在项目管理中，目标的设定过程也就是项目大纲( TOR，Terms of Reference) 的制订，是项目管理最重要的环节之一。

 

  2 能源规划目标设定的原则

 

  城区能源规划目标设定遵循“SMART”原则，即: Special，规划目标要符合当时当地的特定情况。

 

  这是专项规划，不是用一个“模板”到处套用; 更不能“千城一面”，所有城市都用一样的KPI;Measureable，目标KPI 指标要量化。要遵从气候变化领域“可测量、可报告、可核查( 三可) ”原则，要避免目标的空洞化、虚拟化和泡沫化; Achievable，目标是可实现的。制订目标要根据当地的资源条件、根据城区的定位和功能、根据开发力度和投资规模。

 

  特别要注意不能照搬国外的KPI 指标; Relevant，能源规划目标应与总体规划、生态规划和其他专项规划相协调，避免相互矛盾和相互抵消。特别要避免“各唱各调”，即各个规划的目标高低不平、参差不齐。因此，在城区开发中，低碳生态的所有专项规划最好能由一个统一的团队完成; Timely，有两重含义: 一是明确目标的时间节点，可以有近期、中期和远期的目标; 二是注重目标的与时俱进。

 

  城区能源规划目标设定还要遵循“金字塔”原则:

 

  所谓“金字塔”原则，就是能源规划目标的基础是节能，即通过被动式技术和行为节能实现实质性的能耗量减少。第二层是提高能源效率，即需图2 能源规划目标设定的“金字塔”原则要精心设计建筑能源系统以达到主动节能。第三层是可再生热源利用率( 尤其是地源热泵) 的利用，但是热泵究竟应用了多少可再生能源( 替代了多少传统能源) ，其比较基准的算法值得探讨。最后才应从减碳目标出发，推算可再生能源利用。并且必须考虑当地资源条件，如果是园区级更应该优先采取建筑节能措施，最后才考虑用可再生能源补足差额，因为在区域级增加一个百分点的可再生能源都十分困难。同时，也应考虑将当地大水电、核电、风电等比例考虑在内，同时也是一种对当地政府的倒逼机制。

 

  3 能源规划节能减排目标的细分

 

  3. 1 城市能耗和碳排放的三大领域和两大部分三大领域是产业、交通和建筑; 两大部分是生产性能耗和碳排放以及消费性能耗和碳排放。

 

  生产性能耗和碳排放。因为生产活动会创造价值，因此生产性能耗和碳排放体现在GDP 能耗和GDP 碳排放中。随着先进制造业( 即所谓“绿色产业”) 和现代服务业的发展，传统粗放式生产中的工艺设备能耗转移为环境保障性的建筑能耗; 传统低能效独家一站式生产模式转变为高能效全球专业分工的规模化链式生产模式，生产能耗转移为物流能耗。因此，工业建筑、商用建筑、部分公用事业( 如航站、车站) 的公共建筑，以及物流交通的能耗，均可以在GDP 能耗中体现。

 

  消费性能耗和碳排放。公益型公共建筑( 图书馆、博物馆、义务教育) 、行政办公、服务设施，以及居民生活能耗( 包括住宅建筑和交通能耗，所谓Urban Life Energy) ，不产生GDP，要作为消费能耗和消费碳排放考虑。

 

  能源规划要针对这两种类型的能耗和碳排放，分别设定节能减碳目标，并综合成为低碳生态城区节能减碳的总体目标。

 

  根据规划城区的发展战略、功能定位和总体规划，确定到某一时间节点( 例如， 2020 年) 的产业规模和就业人口。一般而言，近年新建的低碳生态城区都定位在科技研发、高新技术、高端制造业、现代服务业、总部经济区、金融区、商务集聚区，旅游休闲、创意产业以及现代农业等高附加值产业。同时，几乎所有新建城区都有居住建筑。这一方面是为新城区的就业人口提供居家的方便，另一方面毋庸讳言，也是靠房地产所带来的高利润作为对城区开发投入的补充。

 

  根据该城区产业发展的愿景( 重点发展的n 个产业的性质，就业人数p) ，以及国内和当地相关产业现在的人均产值GDP per capita，从式( 1 ) 和式( 2) 可以计算出该城区预测的生产总值。这里的关键是如何确定人均产值。

 

  新兴产业( 一般是低能耗的产业) 的人均产值差别相当大。例如，我国软件业人均年产值仅1. 4万美元，韩国软件业则达到11. 7 万美元，IT 业中的翘楚———美国的谷歌( Google) 公司甚至高达119 万美元。根据国家发改委统计，2009 年我国高新区的人均生产总值达到78 万元人民币，但也有一些地处开发区的高新技术企业，人均产值还不到10 万元。

 

  作为智力密集型的服务业———设计院，有的人均产值400 万元，有的只有十几万元。

 

  在选取人均产值时，要对当地的和行业的产值做一番认真调查。尽管做的是10 年后的预测、尽管做大GDP 就是做大分母，数字上会比较好看，但一个新兴城区生产形成规模、凝聚起人气需要一个过程，所以采用现在行业一般水平的人均产值是比较稳妥的。

 

  每万元( 人民币) GDP 的碳排放( tCO2当量) 比较我国政府承诺，到2020 年每万元GDP 的CO2排放量在2005 年基础上降低40% ～ 45%。如果以45% 计算，2020 年的万元GDP 碳排放量仍有1. 62t( 图3) ，是2008 年世界平均水平将近1 倍。这与中国的产业结构和能源结构有很强的相关性。但是，同样的能源结构，在第三产业发达的城市中，仍能明显降低碳排放强度。例如，北京市海淀区2008 年第三产业占比54. 29% ，单位GDP 能耗0. 3155tce，碳排放强度约为每万元0. 85tCO2排放量，约为我国2020 年承诺值的一半。而上海市静安区2009 年以服务业为主体的三产占比高达89. 3% ，单位GDP 能耗0. 178tce，碳排放强度约每万元0. 48t CO2排放量，约为2008 年世界平均水平的一半。再看美国纽约，2006 年服务业产值占比82. 3% ，其中金融保险业的占比就接近17%。这种附加值很高的高端服务业，其基本的能源消耗就是所拥有的物业设施中用于环境保障的能耗( 即建筑能耗) 。

 

  因此，在以服务业为主的城区可以将生产性碳排放目标设定为“万元GDP 碳排放强度在2020 年国家承诺的基础上再降低X%”，或者是“万元GDP能耗是当地同期水平的Y%”。并由此得出EI 和CI 的取值。

 

  3. 3 消费性能耗与碳排放的目标值确定方法

 

  消费性能耗不创造产值。它包括两部分( 基于可测度的基础) : 行政办公建筑能耗和公车消费; 住宅建筑能耗和私车消费( 也包括享受财政补贴、非赢利的公共交通) 。也有人将其定义为都市生活能耗( Urban Life Energy) 。

 

  先看行政办公建筑能耗。近来各地政府的机关

 

  事务管理部门都在制订政府办公建筑的节能实施计划，例如杭州市的目标是单位建筑面积综合能耗控制在17kgce /m2 a 以内，其中办公用电消耗控制在55kWh /m2 a 或2300kWh / p． a 以内; 上海市则在调查统计和能源审计基础上，以统计值的下四分位数为基准，确定有集中空调的建筑44kgce /m2 a 的能耗上限;吉林省则要求到2015 年，单位建筑面积用能量在17. 69kgce /m2 以下。这些数值都可以作为当地新城区行政办公建筑的能耗基准线，将能耗目标在基准线基础上再降低若干百分点，得出相应的碳排放目标。

 

  在没有制订这类能耗基准线的地区，也可以用当地公共建筑能耗监控系统检测统计得到的能耗值的下四分位数，再降低若干百分点。一般而言，新建城区都会在可再生能源利用上采取措施。因为通常理解下可再生能源是零碳排放的，所以可再生能源的利用会降低该地整体的能源碳排放系数如吨标准煤碳排放系数，因此，碳减排目标会优于能耗目标。

 

  公车能耗是一个非常复杂的问题。我国党政

 

  机关及行政事业单位公务用车总量为200 多万辆，每年公务用车消费支出1500 亿元～ 2000 亿元( 这其中还不包括医院、学校、国企、军队的公务车以及超编配车) 。在能源规划目标设定中，目前尚无法限制公务车数量，只能限制公务车的单位油耗，例如美国华盛顿特区曾规定公车油耗不得低于每加仑22 英里( 即每百公里不得超过10. 8 升) 。限制公务车单位油耗在每百公里11 升以下可以作为城区能源规划中的目标。

 

  再看住宅建筑能耗和私车消费。人们用于衣食

 

  住行的能耗，即所谓“城市生活能耗( Urban lifeenergy) ”本质上是一种消费。我国经济中消费不足，已经制约了我国经济的健康发展，扩大内需特别是消费需求，是促进我国经济持续发展的必然选择。但是，一方面在中国能源是一种特殊的紧缺物资，不可能像美国那样大手大脚、无节制地消耗能源; 另一方面，在整个社会被房地产“绑架”的情况下，人们的环境消费愿望被抑制。低碳生态城区的建设，就是要解决居民的需求与能源和环境的制约之间的矛盾。

 

  在能源规划中设定节能减排目标，可以有两种方法。一种是低目标方法。目前国内谈及住宅建筑节能，几乎都是采用50% 或65% 等相对值。所谓“节能50%”，是以20 世纪80 年代改革开放初期建造的建筑作为比较能耗的基础，建立所谓“基准建筑”。其围护结构、暖通空调设备及系统、照明设备的参数，都按80 年代情况选取。在保持与目前标准约定的室内环境参数的条件下，计算“基准建筑”全年的暖通空调和照明能耗，将它作为100%。然后，按节能设计标准的规定进行参数调整，即围护结构、暖通空调、照明参数均按节能设计标准的规定设定，计算其全年的暖通空调和照明能耗，应该相当于基准建筑的50%。很明显，这是一种计算依据而非实际能耗量。所以，很多场合节能标准被异化为基数参数标准，即保温层达到多少毫米厚度便认为实现了节能50% ( 65% ) 。在能源规划阶段，当然也可以以节能65% 或更高作为目标，用以规范设计。这是一种低标准目标，说它“低”，是因为这一目标的实际能耗是不可测量的。

 

  另一种是高目标方法，即实际能耗方法。先来看下我国住宅的实际能耗统计值。我国住宅能耗呈刚性增长趋势，它不以采取什么样的节能措施或什么样的行政限制措施为转移。

 

 2000 年至2009 年，香港的人均住宅电力消耗平均增长率1. 7% ，此期间香港人均GDP 从17. 6 万港币增长到23. 2 万港币，年均增长了3. 2%。住宅电力消费弹性系数0. 53。同期上海的人均住宅电力消耗的平均增长率为10. 4% ，此期间上海人均GDP 从3 万人民币增长到7. 9 万人民币，年均增长了11. 4%。住宅电力消费弹性系数0. 91。上海住宅能耗增长速度低于经济增长，属于正常范畴，但增速大于香港。可知住宅能耗随经济发展呈刚性增长的趋势。

 

  但在图3 中香港的变化趋势也可以看出，住宅能耗增长到一定程度，会达到相对稳定，减缓增长速度。影响增长的主因素也会从经济因素转向其他( 例如气候因素) 。

 

  根据上海市2004 年在万户家庭中做的调研，平均建筑能耗( 包括电力和燃气) 约为13kgce /m2 a。

 

  而按夏热冬冷地区节能设计标准计算，空调电耗加燃气消耗就要达到26kgce /m2 a。这就相当于2004年上海住宅建筑能耗已经达到节能75% 的标准。

 

  因此，在设定能源规划中住宅能耗目标时，可以以建筑实际能耗在当地统计水平上“零增长”作为高目标。也就是说，用节能技术措施和倡导行为节能、平衡需求的增长。

 

  对于消费性城市交通( 私人轿车、公共交通和出租车) 能耗，本着共同责任原则，只计算城区内常住人口所拥有的私家车能耗，从外面开进城区以及途经城区的汽车能耗则不计算。同样，对公交车和出租车，只计算新建城区新增的车辆( 参考城区的交通规划) 。可以通过情景分析来确定交通能耗和碳排放。

 

  每百人私人轿车拥有量是根据国内部分城市统计数据列出的最小数值和最大数值，应根据当地实际情况选择合适数据; 平均油耗数值引自文献［5］。由此可以设置规划的情景( 车辆数、百公里耗油量、每年运行天数，以及可能的节能措施) ，预测未来某一时间节点的交通能耗和碳排放。柴油的碳排放系数为2. 7kg /L，汽油为2. 25kg /L。

 

  提高公交出行比例是降低交通能耗和碳排放的重要措施。我国公交出行率仅占城市居民总出行量的10% ～ 25%。而发达国家则达到40% ～60%。上海市目前地铁总里程数已经位居世界前三，但人均地铁里程仅2cm，而纽约、东京则达到人均10cm。换言之，在国外大城市一个人所占有的地铁空间，在上海要由5 个人分享。因此，提高公交出行率，不仅要增加公交里程和覆盖面，还要在公交的速度、班次密度、安全、舒适性、换乘便利和服务质量方面达到能与私人轿车匹敌的水平。

 

  消费性能耗和碳排放的降低很大程度上靠政策导向，需要通过财政、税收、收费制度、产品标准等多方面的协同。

 

  3. 4 小结

 

  将所有创造产值的能耗和碳排放归结到生产性能耗和碳排放，设定单位GDP 能耗和碳排放目标; 将所有不创造产值的能耗和碳排放归结到消费性能耗和碳排放，用统计数据和情景分析方法确定能耗和碳排放目标。

 

  4 能源规划中可再生能源利用率目标的设定

 

  在低碳生态城区中，可再生能源利用率几乎成了所有能源规划或生态规划的必选项。什么是可再生能源? 国际公认的可再生能源有六大类: 太阳能; 风能; 地热能; 现代生物质能; 海洋能; 小水电。

 

  除了水电以外，其他可再生能源的能量密度很低，或者分布很不均匀，在城区层面上很难大规模应用。而且可再生能源利用的成本很高，如果城区能源系统采用BOT 方式运作的话，难以取得投资回报。

 

  以太阳能为例，从表2 可以看出，我国大部分发达地区都处于3 ～ 4 类地区。假定辐照率为5000MJ /m2 a，则为了满足1m2 普通办公楼的电力供应，就需要大约1 比1 的光伏面积以及相应的蓄电装置。这在数十万甚至数百万平米建筑面积的新建城区中是根本不可能做到的。因此，很多城区开发为了达到“低碳生态”，就找出相对能量密度较高和成本较低的“准”可再生能源，即低品位的“未利用”能源( untapped energy) ———温差能。

 

  所谓低品位的“未利用”能源主要是指那些与环境温度相近且无法直接利用的热能。低品位热源广泛存在于土壤、太阳能、水、空气、工业废热之中。必须通过热泵将热量从低位( 低温) 热源输送到高位( 高温) 热源。热泵就像水泵将低位的水输送到高位那样，使用少量的高位能( 电力驱动的热泵用电、吸收式热泵用热能) ，把不能直接利用的低位热能转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高品位能源( 如煤、燃气、油、电能等) 的目的。

 

  既然热泵需要用一定的高品位能源，那么就要回答热泵究竟利用了多少可再生能源的问题? 有人把热泵提供的所有冷热量全部当作可再生能源，这显然是高估; 有人不承认空气源热泵也是利用了可再生能源，这显然是低估。

 

  100 份化石燃料，经过COP = 4 的热泵，生产出140 份冷热量。热泵从环境中取得低品位能源105 份，其中有65 份可认为是电厂排热的回收。因此，图6 中热泵的实际可再生能源利用率为: 140 － 100

 

  140 × 100% = 28. 6%。或:

 

  105 － 65

 

  140 × 100% = 28. 6%。

 

  图6 热泵系统的能量流

 

  因此，热泵系统可再生能源利用率可以根据电网供电效率、热泵系统的供热季节性能系数和供冷季节性能系数计算得到。这一利用率与热泵机组性能和系统设计有很紧密的关联。注意此处COP 应为系统性能系数，即包括输送系统和空调末端能耗在内。如果系统效率很低，例如，某些热泵系统性能系数在3. 0以下，此时可以认为没有使用可再生能源。所以，不是说用了热泵或用了地源热泵就理所当然地利用了可再生能源，而是要通过良好的设计才能实现可再生能源的利用。

 

  在服务业集聚的城区层面，供冷供热能耗占到

 

  总能耗的40% ～ 50% ，因此，采用热泵技术的可再生能源利用率可以达到11% ～ 15%。

 

  如果采用分布式热电联产系统，使热和电都得

 

  到充分利用，并以平均供电效率下的热泵供热效率为基准配置分布式能源热电联产系统，可以得到图7 中的能源效率( 200% ) 。此时，系统的可再生能源利用率达到50% ，在城区层面也可高达25%。

 

  5 能源规划中绿色建筑目标的设定

 

  低碳生态城区的能源规划，并不仅仅是节能减碳，如何营造一个资源节约、健康舒适和高效宜居的人居环境是它的重要课题。

 

  我国绿色建筑评价标准( GB 50378—2006 ) 目前还是一个推荐性标准。在低碳城区建设中可以设立“所有建筑达到一星级标准，部分建筑达到二星级标准，示范建筑达到三星级标准”的目标。即将推荐性标准转化为城区建筑的入门标准。

 

  表1 中列出了公共建筑达到不同星级所要满足的项数。在低碳城区建设中也可以根据实际情况，提出比表中更高的要求。例如，要求“所有建筑达到一星级标准，其中节能与能源利用项不得低于8项”，从而突出低碳生态城区建设中节能的特点。

 

  在《绿色建筑评价技术细则》中规定豪宅、大宅门、低密度住宅不具备绿色建筑评价的资格。但不能因此而对此类建筑网开一面，可以对低密度住宅建筑提出更高标准: 如要求其采暖或空调能耗不得高于国家当时的建筑节能设计标准规定值的85% ，即如果当时执行“65%”标准，相当于此类低密度住宅要执行“75%”的标准; 要求其建筑用能设备和家电均应达到国家能效标识的一级标准; 要求此类建筑设计必须附有有资质单位的节能评估报告，经数字模拟证实其达到更高节能标准。

 

  上述节能目标，可以结合土地招拍挂，作为发展商入驻城区的门槛条件。在城区开发之初，制订绿色开发的技术导则。在城区开发过程中，要实行严格的绿色监理，确保所有项目按技术导则实施。

 

  此外，应鼓励所有新建建筑在设计中尽量采用被动式节能技术，充分利用自然通风和天然采光，更多采用太阳能与建筑一体化设计。但被动式技术的节能效果很难量化和预测，所以在能源规划中，如果设定“自然通风节能率达到百分之多少”这样的目标是没有意义的，可以在技术导则中加以强化。需要强调的是，被动式技术是要通过设计的，并不是开扇窗那么简单，往往需要借助某些辅助设计工具完成。这一点应在技术导则中作出要求。

 

  6 结语

 

  低碳生态城区能源规划中的目标设定，是能源规划中提纲挈领的重要环节。它的设定过程类似于项目管理中的项目任务大纲制定( TOR，Terms OfReference) 。一个好的规划目标，应包括以下特点:

 

  达到利益相关者的需要和要求; 关键性能指标KPI 要适度超前但又切合实际; 以专业标准选择KPI，采用合适的目标设定方法。; 产生科学的、可靠的、经济上可行的和技术上可实施的KPI 和规划目标。