低碳生態城區能源規劃的目標設定

  1 引言

 

  低碳生態城市，對世界各國都是全新的課題。

 

  不可否認，國內對低碳生態城市的理解還相當膚淺，相當多的規劃還僅限于概念的炒作，并沒有實質內容。因此，在規劃中設定明晰的目標，清楚地界定規劃要達到的關鍵性能指標( KPI，KeyPerformance Indicators) ，對于建成真正意義上的低碳生態城市具有特別重要的意義。尤其是像能源規劃這種下位專項規劃，更需要有非常明確而具體的KPI 指標。低碳生態城區必須通過一系列目標的實現來證明它的“低碳”和“生態”并不是浪得虛名。

 

  在城市能源領域，過去在城市層面，能源供應作為重要的基礎設施，必須有規劃，例如電力規劃、燃氣規劃，北方城市還有集中供熱熱網規劃。能源供應規劃受到國家的能源法、電力法、可再生能源法等法律的約束，依據《城市電力規劃規范》、《城鎮燃氣設計規范》和《城市熱力網設計規范》等技術標準。在建筑層面，能源應用作為建筑節能和建筑環境的主要載體，其規劃設計和技術管理，要遵循國家和地方的《建筑節能條例》，還包括更多的建筑節能設計、施工、運行和改造的設計標準和技術規范。這些標準規范覆蓋了建筑能源應用的方方面面。就是說，在城市能源的宏觀和微觀層面，我們已經建立了比較完善的管理機制和技術體系。但在城區( 園區、社區、街區、建筑群、城市綜合體……) 即城市的中觀層面的能源規劃，在管理和技術方面幾乎都是空白。

 

  城市能源的供需與不同的城市層面相對應，如圖1所示。城市宏觀層面主要需考慮能源供應問題，城市的微觀層面( 用戶層面) 主要是能源需求的問題，而城市的中觀層面( 城區層面) 主要解決的是能源傳輸與轉換問題。以城市電力供需為例，能源的供應側( 城市)和需求側( 用戶) 互成反饋關系。城市能源的傳統模式是供應側( 電網) 直接面對千千萬萬末端用戶，集中供能，全分散( 樓、戶、室) 用能，末端負荷的變化無緩沖地直接沖擊大電網。為了平衡負荷，減少對電網安全的威脅，最好能夠將低谷時的電力蓄存起來，到高峰時段使用。但在當前技術手段條件下，還只能通過蓄熱( 冷) 來實現間接蓄電。因為多了轉換過程，所以蓄熱( 冷) 在用戶端不一定節能。

 

  低碳生態城區是一種集約型的混合城區的城市形態，負荷更趨多樣化; 是一種高密度緊湊型的空間結構，需要能源的集成利用; 也是多種低能量密度和低品位能源( 如淺層地表蓄熱能、地表水和污水溫差能、太陽能光熱、太陽能光伏等) 的綜合應用。這些都需要在城區層面上通過一個能源樞紐( hub) 進行集成、轉換、蓄存和輸配。這就使城區能源規劃具有不同于傳統建筑能源系統的技術路線和方案考慮。低碳生態城區的能源規劃主要解決以下問題: 如何集成應用低密度的可再生能源( 如太陽能熱利用) ; 如何集成應用低品位的未利用能源( 如排熱、土壤蓄熱、地表水溫差能) ; 如何將無碳的虛擬能源( 即用戶端的節能) 作為替代資源; 如何集成低碳的分布式能源( 燃料電池、微小型熱電冷聯供) ; 如何實現碳能源資源的梯級利用、循環利用和回收利用; 如何利用負荷參差率，降低總需求、實現負荷平準化; 如何實現城區能源投資的多元化、能源管理的市場化，以及清潔發展機制。

 

  根據目標管理的理論，如果一個領域沒有特定目標，則這個領域必然會被忽視; 如果沒有一定的目標指導項目的開展，則項目的規模越大、涉及的專業、人員以及利益相關方越多，發生沖突和浪費的可能性也就越大。因此，低碳生態城區的能源規劃，更需要設定非常明確的目標，作為開發的依據和必須實現的關鍵技術指標，也是規劃的利益相關方共同接受和遵守的。在項目管理中，目標的設定過程也就是項目大綱( TOR，Terms of Reference) 的制訂，是項目管理最重要的環節之一。

 

  2 能源規劃目標設定的原則

 

  城區能源規劃目標設定遵循“SMART”原則，即: Special，規劃目標要符合當時當地的特定情況。

 

  這是專項規劃，不是用一個“模板”到處套用; 更不能“千城一面”，所有城市都用一樣的KPI;Measureable，目標KPI 指標要量化。要遵從氣候變化領域“可測量、可報告、可核查( 三可) ”原則，要避免目標的空洞化、虛擬化和泡沫化; Achievable，目標是可實現的。制訂目標要根據當地的資源條件、根據城區的定位和功能、根據開發力度和投資規模。

 

  特別要注意不能照搬國外的KPI 指標; Relevant，能源規劃目標應與總體規劃、生態規劃和其他專項規劃相協調，避免相互矛盾和相互抵消。特別要避免“各唱各調”，即各個規劃的目標高低不平、參差不齊。因此，在城區開發中，低碳生態的所有專項規劃最好能由一個統一的團隊完成; Timely，有兩重含義: 一是明確目標的時間節點，可以有近期、中期和遠期的目標; 二是注重目標的與時俱進。

 

  城區能源規劃目標設定還要遵循“金字塔”原則:

 

  所謂“金字塔”原則，就是能源規劃目標的基礎是節能，即通過被動式技術和行為節能實現實質性的能耗量減少。第二層是提高能源效率，即需圖2 能源規劃目標設定的“金字塔”原則要精心設計建筑能源系統以達到主動節能。第三層是可再生熱源利用率( 尤其是地源熱泵) 的利用，但是熱泵究竟應用了多少可再生能源( 替代了多少傳統能源) ，其比較基準的算法值得探討。最后才應從減碳目標出發，推算可再生能源利用。并且必須考慮當地資源條件，如果是園區級更應該優先采取建筑節能措施，最后才考慮用可再生能源補足差額，因為在區域級增加一個百分點的可再生能源都十分困難。同時，也應考慮將當地大水電、核電、風電等比例考慮在內，同時也是一種對當地政府的倒逼機制。

 

  3 能源規劃節能減排目標的細分

 

  3. 1 城市能耗和碳排放的三大領域和兩大部分三大領域是產業、交通和建筑; 兩大部分是生產性能耗和碳排放以及消費性能耗和碳排放。

 

  生產性能耗和碳排放。因為生產活動會創造價值，因此生產性能耗和碳排放體現在GDP 能耗和GDP 碳排放中。隨著先進制造業( 即所謂“綠色產業”) 和現代服務業的發展，傳統粗放式生產中的工藝設備能耗轉移為環境保障性的建筑能耗; 傳統低能效獨家一站式生產模式轉變為高能效全球專業分工的規模化鏈式生產模式，生產能耗轉移為物流能耗。因此，工業建筑、商用建筑、部分公用事業( 如航站、車站) 的公共建筑，以及物流交通的能耗，均可以在GDP 能耗中體現。

 

  消費性能耗和碳排放。公益型公共建筑( 圖書館、博物館、義務教育) 、行政辦公、服務設施，以及居民生活能耗( 包括住宅建筑和交通能耗，所謂Urban Life Energy) ，不產生GDP，要作為消費能耗和消費碳排放考慮。

 

  能源規劃要針對這兩種類型的能耗和碳排放，分別設定節能減碳目標，并綜合成為低碳生態城區節能減碳的總體目標。

 

  根據規劃城區的發展戰略、功能定位和總體規劃，確定到某一時間節點( 例如， 2020 年) 的產業規模和就業人口。一般而言，近年新建的低碳生態城區都定位在科技研發、高新技術、高端制造業、現代服務業、總部經濟區、金融區、商務集聚區，旅游休閑、創意產業以及現代農業等高附加值產業。同時，幾乎所有新建城區都有居住建筑。這一方面是為新城區的就業人口提供居家的方便，另一方面毋庸諱言，也是靠房地產所帶來的高利潤作為對城區開發投入的補充。

 

  根據該城區產業發展的愿景( 重點發展的n 個產業的性質，就業人數p) ，以及國內和當地相關產業現在的人均產值GDP per capita，從式( 1 ) 和式( 2) 可以計算出該城區預測的生產總值。這里的關鍵是如何確定人均產值。

 

  新興產業( 一般是低能耗的產業) 的人均產值差別相當大。例如，我國軟件業人均年產值僅1. 4萬美元，韓國軟件業則達到11. 7 萬美元，IT 業中的翹楚———美國的谷歌( Google) 公司甚至高達119 萬美元。根據國家發改委統計，2009 年我國高新區的人均生產總值達到78 萬元人民幣，但也有一些地處開發區的高新技術企業，人均產值還不到10 萬元。

 

  作為智力密集型的服務業———設計院，有的人均產值400 萬元，有的只有十幾萬元。

 

  在選取人均產值時，要對當地的和行業的產值做一番認真調查。盡管做的是10 年后的預測、盡管做大GDP 就是做大分母，數字上會比較好看，但一個新興城區生產形成規模、凝聚起人氣需要一個過程，所以采用現在行業一般水平的人均產值是比較穩妥的。

 

  每萬元( 人民幣) GDP 的碳排放( tCO2當量) 比較我國政府承諾，到2020 年每萬元GDP 的CO2排放量在2005 年基礎上降低40% ～ 45%。如果以45% 計算，2020 年的萬元GDP 碳排放量仍有1. 62t( 圖3) ，是2008 年世界平均水平將近1 倍。這與中國的產業結構和能源結構有很強的相關性。但是，同樣的能源結構，在第三產業發達的城市中，仍能明顯降低碳排放強度。例如，北京市海淀區2008 年第三產業占比54. 29% ，單位GDP 能耗0. 3155tce，碳排放強度約為每萬元0. 85tCO2排放量，約為我國2020 年承諾值的一半。而上海市靜安區2009 年以服務業為主體的三產占比高達89. 3% ，單位GDP 能耗0. 178tce，碳排放強度約每萬元0. 48t CO2排放量，約為2008 年世界平均水平的一半。再看美國紐約，2006 年服務業產值占比82. 3% ，其中金融保險業的占比就接近17%。這種附加值很高的高端服務業，其基本的能源消耗就是所擁有的物業設施中用于環境保障的能耗( 即建筑能耗) 。

 

  因此，在以服務業為主的城區可以將生產性碳排放目標設定為“萬元GDP 碳排放強度在2020 年國家承諾的基礎上再降低X%”，或者是“萬元GDP能耗是當地同期水平的Y%”。并由此得出EI 和CI 的取值。

 

  3. 3 消費性能耗與碳排放的目標值確定方法

 

  消費性能耗不創造產值。它包括兩部分( 基于可測度的基礎) : 行政辦公建筑能耗和公車消費; 住宅建筑能耗和私車消費( 也包括享受財政補貼、非贏利的公共交通) 。也有人將其定義為都市生活能耗( Urban Life Energy) 。

 

  先看行政辦公建筑能耗。近來各地政府的機關

 

  事務管理部門都在制訂政府辦公建筑的節能實施計劃，例如杭州市的目標是單位建筑面積綜合能耗控制在17kgce /m2 a 以內，其中辦公用電消耗控制在55kWh /m2 a 或2300kWh / p． a 以內; 上海市則在調查統計和能源審計基礎上，以統計值的下四分位數為基準，確定有集中空調的建筑44kgce /m2 a 的能耗上限;吉林省則要求到2015 年，單位建筑面積用能量在17. 69kgce /m2 以下。這些數值都可以作為當地新城區行政辦公建筑的能耗基準線，將能耗目標在基準線基礎上再降低若干百分點，得出相應的碳排放目標。

 

  在沒有制訂這類能耗基準線的地區，也可以用當地公共建筑能耗監控系統檢測統計得到的能耗值的下四分位數，再降低若干百分點。一般而言，新建城區都會在可再生能源利用上采取措施。因為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會降低該地整體的能源碳排放系數如噸標準煤碳排放系數，因此，碳減排目標會優于能耗目標。

 

  公車能耗是一個非常復雜的問題。我國黨政

 

  機關及行政事業單位公務用車總量為200 多萬輛，每年公務用車消費支出1500 億元～ 2000 億元( 這其中還不包括醫院、學校、國企、軍隊的公務車以及超編配車) 。在能源規劃目標設定中，目前尚無法限制公務車數量，只能限制公務車的單位油耗，例如美國華盛頓特區曾規定公車油耗不得低于每加侖22 英里( 即每百公里不得超過10. 8 升) 。限制公務車單位油耗在每百公里11 升以下可以作為城區能源規劃中的目標。

 

  再看住宅建筑能耗和私車消費。人們用于衣食

 

  住行的能耗，即所謂“城市生活能耗( Urban lifeenergy) ”本質上是一種消費。我國經濟中消費不足，已經制約了我國經濟的健康發展，擴大內需特別是消費需求，是促進我國經濟持續發展的必然選擇。但是，一方面在中國能源是一種特殊的緊缺物資，不可能像美國那樣大手大腳、無節制地消耗能源; 另一方面，在整個社會被房地產“綁架”的情況下，人們的環境消費愿望被抑制。低碳生態城區的建設，就是要解決居民的需求與能源和環境的制約之間的矛盾。

 

  在能源規劃中設定節能減排目標，可以有兩種方法。一種是低目標方法。目前國內談及住宅建筑節能，幾乎都是采用50% 或65% 等相對值。所謂“節能50%”，是以20 世紀80 年代改革開放初期建造的建筑作為比較能耗的基礎，建立所謂“基準建筑”。其圍護結構、暖通空調設備及系統、照明設備的參數，都按80 年代情況選取。在保持與目前標準約定的室內環境參數的條件下，計算“基準建筑”全年的暖通空調和照明能耗，將它作為100%。然后，按節能設計標準的規定進行參數調整，即圍護結構、暖通空調、照明參數均按節能設計標準的規定設定，計算其全年的暖通空調和照明能耗，應該相當于基準建筑的50%。很明顯，這是一種計算依據而非實際能耗量。所以，很多場合節能標準被異化為基數參數標準，即保溫層達到多少毫米厚度便認為實現了節能50% ( 65% ) 。在能源規劃階段，當然也可以以節能65% 或更高作為目標，用以規范設計。這是一種低標準目標，說它“低”，是因為這一目標的實際能耗是不可測量的。

 

  另一種是高目標方法，即實際能耗方法。先來看下我國住宅的實際能耗統計值。我國住宅能耗呈剛性增長趨勢，它不以采取什么樣的節能措施或什么樣的行政限制措施為轉移。

 

 2000 年至2009 年，香港的人均住宅電力消耗平均增長率1. 7% ，此期間香港人均GDP 從17. 6 萬港幣增長到23. 2 萬港幣，年均增長了3. 2%。住宅電力消費彈性系數0. 53。同期上海的人均住宅電力消耗的平均增長率為10. 4% ，此期間上海人均GDP 從3 萬人民幣增長到7. 9 萬人民幣，年均增長了11. 4%。住宅電力消費彈性系數0. 91。上海住宅能耗增長速度低于經濟增長，屬于正常范疇，但增速大于香港。可知住宅能耗隨經濟發展呈剛性增長的趨勢。

 

  但在圖3 中香港的變化趨勢也可以看出，住宅能耗增長到一定程度，會達到相對穩定，減緩增長速度。影響增長的主因素也會從經濟因素轉向其他( 例如氣候因素) 。

 

  根據上海市2004 年在萬戶家庭中做的調研，平均建筑能耗( 包括電力和燃氣) 約為13kgce /m2 a。

 

  而按夏熱冬冷地區節能設計標準計算，空調電耗加燃氣消耗就要達到26kgce /m2 a。這就相當于2004年上海住宅建筑能耗已經達到節能75% 的標準。

 

  因此，在設定能源規劃中住宅能耗目標時，可以以建筑實際能耗在當地統計水平上“零增長”作為高目標。也就是說，用節能技術措施和倡導行為節能、平衡需求的增長。

 

  對于消費性城市交通( 私人轎車、公共交通和出租車) 能耗，本著共同責任原則，只計算城區內常住人口所擁有的私家車能耗，從外面開進城區以及途經城區的汽車能耗則不計算。同樣，對公交車和出租車，只計算新建城區新增的車輛( 參考城區的交通規劃) 。可以通過情景分析來確定交通能耗和碳排放。

 

  每百人私人轎車擁有量是根據國內部分城市統計數據列出的最小數值和最大數值，應根據當地實際情況選擇合適數據; 平均油耗數值引自文獻［5］。由此可以設置規劃的情景( 車輛數、百公里耗油量、每年運行天數，以及可能的節能措施) ，預測未來某一時間節點的交通能耗和碳排放。柴油的碳排放系數為2. 7kg /L，汽油為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。我國公交出行率僅占城市居民總出行量的10% ～ 25%。而發達國家則達到40% ～60%。上海市目前地鐵總里程數已經位居世界前三，但人均地鐵里程僅2cm，而紐約、東京則達到人均10cm。換言之，在國外大城市一個人所占有的地鐵空間，在上海要由5 個人分享。因此，提高公交出行率，不僅要增加公交里程和覆蓋面，還要在公交的速度、班次密度、安全、舒適性、換乘便利和服務質量方面達到能與私人轎車匹敵的水平。

 

  消費性能耗和碳排放的降低很大程度上靠政策導向，需要通過財政、稅收、收費制度、產品標準等多方面的協同。

 

  3. 4 小結

 

  將所有創造產值的能耗和碳排放歸結到生產性能耗和碳排放，設定單位GDP 能耗和碳排放目標; 將所有不創造產值的能耗和碳排放歸結到消費性能耗和碳排放，用統計數據和情景分析方法確定能耗和碳排放目標。

 

  4 能源規劃中可再生能源利用率目標的設定

 

  在低碳生態城區中，可再生能源利用率幾乎成了所有能源規劃或生態規劃的必選項。什么是可再生能源? 國際公認的可再生能源有六大類: 太陽能; 風能; 地熱能; 現代生物質能; 海洋能; 小水電。

 

  除了水電以外，其他可再生能源的能量密度很低，或者分布很不均勻，在城區層面上很難大規模應用。而且可再生能源利用的成本很高，如果城區能源系統采用BOT 方式運作的話，難以取得投資回報。

 

  以太陽能為例，從表2 可以看出，我國大部分發達地區都處于3 ～ 4 類地區。假定輻照率為5000MJ /m2 a，則為了滿足1m2 普通辦公樓的電力供應，就需要大約1 比1 的光伏面積以及相應的蓄電裝置。這在數十萬甚至數百萬平米建筑面積的新建城區中是根本不可能做到的。因此，很多城區開發為了達到“低碳生態”，就找出相對能量密度較高和成本較低的“準”可再生能源，即低品位的“未利用”能源( untapped energy) ———溫差能。

 

  所謂低品位的“未利用”能源主要是指那些與環境溫度相近且無法直接利用的熱能。低品位熱源廣泛存在于土壤、太陽能、水、空氣、工業廢熱之中。必須通過熱泵將熱量從低位( 低溫) 熱源輸送到高位( 高溫) 熱源。熱泵就像水泵將低位的水輸送到高位那樣，使用少量的高位能( 電力驅動的熱泵用電、吸收式熱泵用熱能) ，把不能直接利用的低位熱能轉換為可以利用的高位熱能，從而達到節約部分高品位能源( 如煤、燃氣、油、電能等) 的目的。

 

  既然熱泵需要用一定的高品位能源，那么就要回答熱泵究竟利用了多少可再生能源的問題? 有人把熱泵提供的所有冷熱量全部當作可再生能源，這顯然是高估; 有人不承認空氣源熱泵也是利用了可再生能源，這顯然是低估。

 

  100 份化石燃料，經過COP = 4 的熱泵，生產出140 份冷熱量。熱泵從環境中取得低品位能源105 份，其中有65 份可認為是電廠排熱的回收。因此，圖6 中熱泵的實際可再生能源利用率為: 140 － 100

 

  140 × 100% = 28. 6%。或:

 

  105 － 65

 

  140 × 100% = 28. 6%。

 

  圖6 熱泵系統的能量流

 

  因此，熱泵系統可再生能源利用率可以根據電網供電效率、熱泵系統的供熱季節性能系數和供冷季節性能系數計算得到。這一利用率與熱泵機組性能和系統設計有很緊密的關聯。注意此處COP 應為系統性能系數，即包括輸送系統和空調末端能耗在內。如果系統效率很低，例如，某些熱泵系統性能系數在3. 0以下，此時可以認為沒有使用可再生能源。所以，不是說用了熱泵或用了地源熱泵就理所當然地利用了可再生能源，而是要通過良好的設計才能實現可再生能源的利用。

 

  在服務業集聚的城區層面，供冷供熱能耗占到

 

  總能耗的40% ～ 50% ，因此，采用熱泵技術的可再生能源利用率可以達到11% ～ 15%。

 

  如果采用分布式熱電聯產系統，使熱和電都得

 

  到充分利用，并以平均供電效率下的熱泵供熱效率為基準配置分布式能源熱電聯產系統，可以得到圖7 中的能源效率( 200% ) 。此時，系統的可再生能源利用率達到50% ，在城區層面也可高達25%。

 

  5 能源規劃中綠色建筑目標的設定

 

  低碳生態城區的能源規劃，并不僅僅是節能減碳，如何營造一個資源節約、健康舒適和高效宜居的人居環境是它的重要課題。

 

  我國綠色建筑評價標準( GB 50378—2006 ) 目前還是一個推薦性標準。在低碳城區建設中可以設立“所有建筑達到一星級標準，部分建筑達到二星級標準，示范建筑達到三星級標準”的目標。即將推薦性標準轉化為城區建筑的入門標準。

 

  表1 中列出了公共建筑達到不同星級所要滿足的項數。在低碳城區建設中也可以根據實際情況，提出比表中更高的要求。例如，要求“所有建筑達到一星級標準，其中節能與能源利用項不得低于8項”，從而突出低碳生態城區建設中節能的特點。

 

  在《綠色建筑評價技術細則》中規定豪宅、大宅門、低密度住宅不具備綠色建筑評價的資格。但不能因此而對此類建筑網開一面，可以對低密度住宅建筑提出更高標準: 如要求其采暖或空調能耗不得高于國家當時的建筑節能設計標準規定值的85% ，即如果當時執行“65%”標準，相當于此類低密度住宅要執行“75%”的標準; 要求其建筑用能設備和家電均應達到國家能效標識的一級標準; 要求此類建筑設計必須附有有資質單位的節能評估報告，經數字模擬證實其達到更高節能標準。

 

  上述節能目標，可以結合土地招拍掛，作為發展商入駐城區的門檻條件。在城區開發之初，制訂綠色開發的技術導則。在城區開發過程中，要實行嚴格的綠色監理，確保所有項目按技術導則實施。

 

  此外，應鼓勵所有新建建筑在設計中盡量采用被動式節能技術，充分利用自然通風和天然采光，更多采用太陽能與建筑一體化設計。但被動式技術的節能效果很難量化和預測，所以在能源規劃中，如果設定“自然通風節能率達到百分之多少”這樣的目標是沒有意義的，可以在技術導則中加以強化。需要強調的是，被動式技術是要通過設計的，并不是開扇窗那么簡單，往往需要借助某些輔助設計工具完成。這一點應在技術導則中作出要求。

 

  6 結語

 

  低碳生態城區能源規劃中的目標設定，是能源規劃中提綱挈領的重要環節。它的設定過程類似于項目管理中的項目任務大綱制定( TOR，Terms OfReference) 。一個好的規劃目標，應包括以下特點:

 

  達到利益相關者的需要和要求; 關鍵性能指標KPI 要適度超前但又切合實際; 以專業標準選擇KPI，采用合適的目標設定方法。; 產生科學的、可靠的、經濟上可行的和技術上可實施的KPI 和規劃目標。