100可再生能源城市规划理念与方法研究

100%可再生能源城市规划理念与方法研究

一研究背景在传统化石能源资源濒于枯竭，以及气候变化问题日益突出的大背景下，新能源与可再生能源城市建设日益引起多国的关注。近年来，无论是在国外还是国内，构建新能源与可再生能源城市都是热点。在世界各地大力建设“新能源与可再生能源城市”的过程中，“100%可再生能源城市”概念也被提出，并受到广泛关注。“100可再生能源”意味着零化石能源及原子能源。“100%可再生能源城市”是指能源消耗100%是可再生能源的城镇，是可再生能源城市的最高级形态。100%可再生能源城市并不强调“零碳”，但“零碳城市”在能源消费方面则主要是太阳能、风能、水能等无碳排放的可再生能源。近年来，部分国家已建成一些带有典型示范意义的100%可再生能源城市：丹麦的萨姆索岛；2001年，瑞典第三大城市马尔默市在一个旧的船坞基地上建立了一个生态友好示范区，现在已经建成的是世界闻名的“明日之城”社区；意大利北部的一个小镇VareseLigure，目前100%使用可再生能源电力；美国佛罗里达州的巴布科克牧场（BabcockRanch），是一个100%使用太阳能的社区，该社区自称为“明日之城”；美国俄亥俄州辛辛那提市在2012年夏天实现100%的可再生能源供电，成为美国最大的100%使用可再生能源电力的城市；从2012年1月开始，美国纽约中部的伊萨卡小镇开始100%使用有绿色能源认证的可再生能源电力；2012年，位于中太平洋东南部的太平洋岛国托克劳，成为世界上首个100%太阳能光伏电力供应国家；德国的Dardesheim打造了全可再生能源城镇等。同时，国外有大量城镇也提出了建设100%可再生能源城市的规划及目标：德国：柏林计划100%使用可再生能源供电，慕尼黑提出2058年成为无碳城市的目标，班贝格市提出2035年100%使用可再生能源电力及热力的目标，弗赖堡提出2035年实现100%可再生能源的目标，巴伐利亚弗赖辛提出到2020年实现100%可再生能源发电。美国：旧金山提出2020年实现100%绿色电力目标，夏威夷郡瞄准100%可再生能源的目标并坚定实现这一目标的决心，格林斯堡镇利用灾区重建机会打造全方位环保“绿城”，印第安纳州雷诺兹镇计划建设能源完全自给的生物城镇，西雅图提出2050年转型成“碳中和”城市。丹麦：哥本哈根市提出2025年成为世界上第一个零碳排放城市的目标，腓特烈松市提出2015年成为100%可再生能源城市的目标，森讷堡市提出2029年之前成为“零碳城市”的目标。奥地利：上奥地利州提出2030年达到100%可再生电力和热能目标，布尔根兰州提出2020年实现100%可再生能源的目标。澳大利亚：莫兰德市提出2030年实现碳中和目标，弗林德斯岛计划达到100%的可再生能源。瑞典：哥特兰岛计划到2025年实现气候中和能源供应，克里斯蒂安斯塔德积极建设“没有矿物燃料的城市”。其他一些国家的一些城市也纷纷提出100%可再生能源的目标：阿联酋阿布扎比目前正在沙漠地区建设一座“马斯达城”，这将是世界上第一座不使用一滴石油、碳排放为零的绿色城市，整个项目预计到2025年完工；英国怀特岛提出2020年实现100%可再生能源自给目标；希腊计划把爱琴海北部小岛圣埃夫斯特拉蒂奥斯岛打造成只使用可再生能源的“绿色”小岛；葡萄牙格拉西奥萨岛计划2014年成为100%可再生资源的自给自足岛；法国Mené规划2030年实现100%可再生能源；沙特阿拉伯麦加计划建成100%太阳能城市；日本福岛提出力争在2040年底前使县内使用100%可再生能源；加勒比荷属博内尔岛计划2015年100%利用可再生能源电力；厄瓜多尔加拉帕戈斯群岛努力走向100%的可再生能源；太平洋岛国图瓦卢计划2020年前完全使用可再生能源；等等。在2009年全球瞩目的哥本哈根会议上，中国提出“到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%”的减排目标。这一承诺，使得中国各个城市开始跑步奔向低碳时代，现在全国提出“低碳城市”口号的城市已在百个以上。我国很多城市也争相打造“太阳能城市”“可再生能源建筑应用示范城市”“风能城市”“新能源城市”“新能源汽车示范城市”“低碳城市”等。国家能源局也将新能源城市建设纳入“十二五”可再生能源规划，计划建设100座新能源城市和1000个新能源示范园区，来推动新能源技术在城市中的规模化应用。2011年6月22日，财政部、国家发改委联合发文，选定了北京、深圳、重庆、杭州、长沙、贵阳、吉林、新余作为8个第一批示范城市。在我国，一些地方也开始100%可再生能源城市、“零碳城市”的实践与探索，如上海崇明“东滩生态城”等。在未来发展中，将有更多的可再生能源资源丰富且偏远的小城镇或孤岛走向100%可再生能源城镇之路。建设100%可再生能源城市，需要相关规划的引导与支持。要制定更具科学性的发展规划，需要加强对相关理论与方法的研究。由于100%可再生能源城市建设尚处于探索阶段，国外相关城市主要关注实践，特别是制定具体的规划方案，在理论与方法研究方面相对较薄弱。知名的规划案例是阿联酋马斯达尔城规划方案。比较具有代表性的研究专著是丹麦奥尔堡大学HenrikLund教授所著的《可再生能源系统：100%可再生能源解决方案的选择与模型》［1］一书。专门研究100%可再生能源城市规划方法的论文较少，具有代表性的论文主要有Duić［2］、Krajačić［3］、Lund［4］、MarijaS.［5］等学者的研究成果。同时，也有一些关于可再生能源与城市规划方面的研究论文可供参考，如HanVandevyvere［6］、AtomMirakyan［7］等学者的文章。相对较多的是一些国家的100%可再生能源研究报告，在一些研究报告中，也提出了一些规划100%可再生能源城市的理念与方法，如世界未来理事会研究报告——《100%可再生能源-超越-城市》［8］。我国对于100%可再生能源的研究就更为缺乏，主要是介绍国外100%可再生能源建设实践的新闻，在规划方面的研究就更少，只有很少的相关研究及专著的翻译，如余岳峰等人发表在2009年第4期《上海节能》上的《丹麦腓特烈松市能源城100%可再生能源城——未来城市可再生能源之路》一文，以及李月翻译的丹麦HenrikLund博士的专著《可再生能源系统：100%可再生能源解决方案的选择与模型》。关于零碳城市方面的研究也有几篇，如赵继龙、李冬发表在2009年第16期《商场现代化》上的《零碳城市理念及设计策略分析》一文等。在我国积极开发可再生能源及大力推动新能源城市建设的大背景下，一些有条件的城镇将开始100%可再生能源城市的建设，现有研究显然不能满足理论与实践的需要，系统研究100%可再生能源城市的规划理论与方法，具有较强的理论与现实意义。二规划理念与原则实现100%可再生能源城市面临诸多挑战，相关规划也更为复杂，对科学性的要求也较高。在规划100%可再生能源城市时，需要关注以下基本理念与原则。1.100%可再生能源城市规划是相对综合的城市规划，不是专项的能源规划传统的城市能源规划以满足能源供求关系为基本出发点，以化石能源资源为物质基础，核心内容是电力、热力、燃气等各行业制定的专项规划。同城市能源规划主要关注城市能源的开发利用不同，100%可再生能源城市规划不仅关注城市能源，更多的是从城市的角度规划如何开发利用可再生能源，落脚点在“城市规划”，涉及能源、交通、土地、环保、经济、社会等多个层面，远比专项的城市能源规划复杂。如通过科学规划城市的空间布局，减少通勤时间，节约能源。反之，一座城市的能源规划再先进，如果城市规划跟不上，也很难实现城市能源规划目标。2.100%可再生能源城市规划重点是可再生能源的开发应用规划100%可再生能源城市，重点是如何在电力、交通、供热与制冷三大领域实现100%应用可再生能源，同时，也关注相关产业规划，以推动经济发展，增加就业岗位。而目前，我国一些城市在制定“新能源城市规划”时，把重点放在产业规划方面，显然违背了“新能源城市是把新能源作为主要能源来源的城市”这一本质内涵。3.确定100%可再生能源城市的标准问题目前所谓的“100%”并不是真正意义上的100%。目前几乎所有提出100%可再生能源目标的国家或城市，都是指在本区域内消耗的能源100%来自可再生能源，但本地所消费的很多产品在生产过程中所消耗的能源并没有被包括在内。在规划100%可再生能源城市时，首先就要确定“100%”的程度与范围，有了明确的标准，才能进一步确定发展目标与路径。4.建设100%可再生能源城市需要满足一些基础条件由于100%可再生能源城市对可再生能源的资源禀赋要求较高，不是所有城市都适合建设。结合国外建设经验，建设100%可再生能源城市一般要具备以下条件：一是可再生能源资源较为丰富；二是小城镇是建设主体，少数具有较好的可再生能源开发基础的大中城市也可以考虑；三是那些地处偏远地带的城镇或海岛更适合。5.重视100%可再生能源城市的可持续发展建设100%可再生能源城市，需要政府的引导与规划，需要公众的大力支持，需要关注社会、经济、技术、环境、政治等要素的可行性（见图1）。图1100%可再生能源城市可持续发展要素资源方面，要根据城市可再生能源资源禀赋的特征，选择符合地方特色的100%可再生能源城市建设模式，通过对资源成本、资源与气候的综合考量，确保能源的持续供给。环境生态方面，要与绿色生态城市建设相结合，低碳城市、绿色城市、生态城市相互补充，相互支持。经济方面，要落实可行性，通过成本控制与核算，降低100%可再生能源城市的成本，并重视具体项目的落实。社会方面，能源系统也是社会系统。能源系统不仅仅是技术基础设施——无论是在工业化国家还是在发展中国家，有力的经济制度和社会关系被石油、煤炭和铀所塑造。由于目前建设100%可再生能源城市的成本相对较高，需要公众承担更多的社会责任，并予以理解与支持。同时，也要通过创造新的就业机会等措施，推动公众的接受。技术方面，要充分利用资讯科技，加强智慧城市建设。政治方面，城市政府需要积极制定相关政策来规范、引导100%可再生能源城市的建设。同时，100%可再生能源城市的建设效果，同各城市政府对气候变化的态度有着较密切的关系。6.提高能源利用效率与减少能源消费总量建设100%可再生能源城市，不仅需要充分利用当地的太阳能、风能、生物质能、地热能等可再生能源，保证能源的可持续供给，也需要集约利用能源，并积极降低能源消费总量。要重视能源在城市中的高效循环利用，甚至是城市垃圾中的生物质，都要作为生物质能加以利用，如垃圾焚烧发电、地沟油炼生物柴油等（见图2）。图2能源在城市中循环利用如丹麦森讷堡市“零碳项目”规划了三项重点：首先，通过提高能源效率来增强企业竞争能力和降低居民的能耗支出。其次，加强对可再生能源的综合利用。最后，采用智能动态能源体系使能源消耗与能源生产高效互动，能源价格根据能源供应量浮动，合理控制能源消耗。7.重视模型工具的选择与应用准确的能源供求分析与预测，是规划可持续100%可再生能源城市的基础，这一步骤的实现一般依靠能源模型的支持。由于现代意义上的新能源与可再生能源开发时间较短，新能源与可再生能源规划中经常采用的模型工具（如3E、MARKAL、MESSAGE、LEAP、EFOM、OREM等模型工具）主要是针对传统化石能源，这些工具及方法应用在新能源与可再生能源开发规划方面，则存在明显不足，特别是对可再生能源的资源可利用性及再生性等禀性重视不够。针对新能源与可再生能源的模型，只有加拿大开发的RETScreen等少数模型工具。［9］不过，也有一些不太知名的模型工具可用于100%可再生能源城市规划，如丹麦的“EnergyPlan”“ClimatePlan”“AppliedEnergy”规划；爱尔兰的第一个100%可再生能源草案，使用了“EnergyPlan”模型；日本的“EnergyRichJapan”（ERJ）报告使用了“SimREN”工具；葡萄牙的100%可再生能源电力规划使用了“eH2RES”能源工具。三规划的一般方法及重点100%可再生能源城市规划方法同能源规划及其他类型的城市规划有所区别：传统能源规划是能源规划，侧重于能源本身，而100%可再生能源城市规划属于城市规划，不仅考虑能源，也要考虑城市其他方面的规划，如交通规划要关注自行车道路的规划等；同传统的城市规划比较，100%可再生能源城市规划又比较关注能源的使用。在规划100%可再生能源城市时，应根据该类城市的特点，关注以下方法及重点。1.城市能源战略由“老三步”转向“新三步”传统的城市能源战略一般采取三步骤实现战略：第一步，减少能源使用量；第二步，使用可再生能源；第三步，持续使用清洁能源和提高化石能源利用效率。要实现100%可再生能源，需要采取新的三步骤战略：第一步，通过智慧设计，减少能源消费量；第二步，废能源流的再利用；第三步，使用可再生能源，并确保其剩余物的再利用。［10］2.规划的一般步骤由于各个城市有着不同的特点，规划的具体内容存在很大的差别，但在具体的步骤方面，都包括四个步骤，见图3。图3100%可再生能源城市规划的一般步骤第一步分析中，能源资源量一般包括：来自城市电网、气网和热网的资源量；区域内可获得的可再生能源资源量，如太阳能、风能、地热能和生物质能；区域内可利用的未利用能源，即低品位的排热、废热和温差能，如地铁排热、工业废热、垃圾焚烧和江河湖海的温差能等；由于采取了比节能设计标准更严格的建筑节能措施而减少的能耗；采用区域供热供冷系统时，由于负荷错峰和考虑负荷参差率而减少的能耗。第二部分析的重点是，在基本摸清资源和负荷之后，则要研究需求侧的资源能够满足多少需求。根据城市特点，要考虑资源的综合利用和协同利用，以最大限度利用需求侧资源。综合利用的基本方式主要包括能源梯级利用、分布式能源、循环利用、废弃物回收等。第三步主要是基于城市能源的供需分析，以及提高能源利用效率、减少能源需求的要求，进行相应的100%可再生能源城市规划。例如，丹麦森讷堡市实现“零碳项目”的目标是：到2029年城市能耗与2007年相比降低38%，同时通过开发利用可再生能源实现零碳排放。森讷堡市“零碳项目”的规划路径见图4。从图4可以看出，丹麦森讷堡市实现“零碳项目”的路线图，经过了“能源规划-城市规划-2009路线图”三个阶段，能源规划只是其中的一部分。图4零碳项目总体规划的关键要素和工作组3.制定一个有特色的战略每个城市都是不同的，每一个城市或社区都要找到自身的路径，构建一个有特色的100%可再生能源战略，适合本地的发展框架，需要关注以下9个方面［11］：当地气候、本地资源、发展历史、对全球贸易的依赖程度、地区控制权、国家发展和繁荣程度、政府的形式和体制能力、结构和公民参与水平、对能源的控制程度。4.设立一个真正的分阶段实施的目标一个完整的可再生能源目标是建设100%可再生能源城市的重要步骤。在理想的情况下，可再生能源将涵盖所有的电力、热力和交通能源系统。但通常，城市能源目标中，主要存在以下问题：——目标通常是任意或出于政治目的设定；——设置低，容易实现具体的实施承诺；——只涵盖实际能源消耗的一小部分。例如，在澳大利亚的城市，占总量60%～70%的使用在商品和服务中的能源通常不包括在计算中，但在市政府统计中，直接和交通能源使用通常被“上升”到代表“总”的能源使用。建设100%可再生能源城市，需要应对传统化石能源在价格、基础设施等方面的挑战，不可能一蹴而就，需要政府针对当地实际情况，制定一个长期规划，然后分步骤完成。例如，2009年，哥本哈根市政府制定了“CopenhagenClimatePlan”，这个计划包括50项措施，分两个阶段实施，第一阶段到2015年完成，目标是到2015年使该市的二氧化碳排放量在2005年的基础上减少20%，第二阶段是到2025年使哥本哈根的二氧化碳排放量降低到零。5.重点规划能源应用的三大领域城市中的每个领域及每项活动几乎都需要能源，尽管用能的部门级行业纷繁复杂，但大体可归纳为电力、交通、供热与制冷三个方面。100%可再生能源城市规划也应重点围绕这三个方面进行。绿色电力规划。主要涉及两个方面：一是本地可再生能源的开发利用，城市垃圾等生物质发电、太阳能发电、风力发电等；二是购买外地的绿色电力。100%可再生能源交通规划。主要包括以下几个方面：科学高效的交通规划设计，公共交通带头使用绿色电力及生物柴油，规划要鼓励使用自行车及步行，鼓励企业及私人使用电力或生物柴油等。例如，欧登塞、根特、科普里夫尼察推动交通模式的可持续性，乌得勒支（荷兰）、弗赖堡·布雷达（荷兰）把火车站变成区域交通枢纽，哥本哈根、伦敦、斯特拉斯堡、巴塞罗那设计适宜步行和骑自行车的街道。100%可再生能源城市供热与制冷规划。要重视以下几点：建筑节能设计要充分利用太阳能、风能等，利用生物天然气，开发利用地热能，再生能源发电的余热等。如腓特烈港、马尔默、汉堡、海德堡确保新住宅区“100%”可再生。典型案例如丹麦腓特烈松市计划在电力、供热和交通方面，实现100%使用可再生能源。能源城市腓特烈松的最大特点是，它不依赖单一的技术或特定活动领域，而是发展一个连贯的可再生能源系统。［12］2007年，腓特烈松市确定了到2015年仅依靠可再生能源的宏伟目标，这是欧洲第一个设定这个目标的城市。首创的Energibyen（“能源城”）概念倡议建立包括风能、太阳能（光热和光伏）、水电、潮汐能、地热能和生物质能在内的100%可再生能源系统，不仅发展多种能源，也要给城市带来正面的经济吸引力和发展的机会。6.通过城市空间规划节约能源通过科学的城市空间规划，可以有效地提高能源利用效率。规划需要关注以下几点：第一，设置量化的城市能源消费与减少目标；第二，评估城市规划在实现这一目标中的作用；第三，推动城市规划者与能源规划者明确各自责任；第四，邀请双方提出各自的目标，以及具体的合作方式。［13］在利用城市规划推动城市能源替代方面做得比较好的城市有德国的慕尼黑与法兰克福、西班牙的巴塞罗那。例如，巴塞罗那的城市生态部门采用了新的规划方法，从地上、地下、空间三个层面着手，通过住房、交通、公共空间、服务、水与垃圾管理等多个领域的规划，实现能源节约的目标。7.不同类型的城镇有不同的规划重点从目前国内外的实践来看，100%可再生能源城市包含多种不同的模式。从碳排放的角度区分，可分为低碳型、零碳型（碳中和型）；按城市实现100%可再生能源的程度来区分，可分为完全型与专项型；按能源供给地区分，可分为能源自给自足型与部分依赖外购型；按城市地理位置特点区分，可分为交通便利型与偏远孤立型；从可再生能源类型的角度来区分，可分为太阳能城市、生物质能城市、风能城市、地热能城市、风能城市等；按城市大小划分，可分为100%使用可再生能源的大中城市、100%使用可再生能源的小城镇，以及100%使用可再生能源的社区等；从规划时间的角度来区分，可分为传统城市能源替代型与全新规划型。不同类型的100%可再生能源城市有着不同的规划重点。这里以完全型与专项型为例进行说明。完全型主要是指各方面的能源都来自可再生能源，专项型主要是指城市某一方面的能源全部来自可再生能源。在规划100%可再生能源城市时，一般可采用专项型与完全型两种模式进行规划。专项型与完全型100%可再生能源城市的规划特点及适用城市见表1。表1专项型与完全型100%可再生能源城市的规划特点8.城市不同区位的规划重点要有所区别针对城市的不同区位，在规划时也应有所区别［14］。在城市中心区域，由于人口密度较大，空间狭小，一般为商业及办公场所，应考虑购买绿色电力、区域性热电联产/区域集中供热、太阳能光伏发电、可再生能源汽车等。在内城区的边缘，由于处于城乡接合部，居住、商业、生产混杂，应考虑分散式的热电联产/区域集中供热、公共太阳能供热、购买绿色电力、太阳能光伏发电等。在工业区，一般空间较大，生产带来的垃圾较多，应考虑风电、有机废物能源化、生物质能开发、小水电、利用大规模的厂房屋顶进行太阳能光伏发电等。在郊区，一般居住较分散，空间相对开阔，生物质能资源丰富，城市中带有生物质的垃圾也在此区域处理，应考虑生物质能开发、太阳能分散供热等，还要重视实现规模经济。在农村，应重点考虑开发生物质能供热与发电、风力发电、太阳能供热等。9.多层次的、综合的可再生能源体系多层次的、综合的可再生能源体系依赖于高效的本地能源管理。在提高能源利用效率及减少能耗的基础上，当地或区域能提供充足的可再生能源供应。要使城市能源实现较高程度的自治，要关注以下技术工具：——太阳能发电和热系统安装在屋顶和外墙；——小型风力发电、热泵和地热系统；——污水等生物质的使用和甲烷捕获；——本地可再生能源通过电网和热分销网络的有效应用。10.发展100%可再生能源城市经济可再生能源技术及应用该技术的智能电网、电动汽车等将是下一波技术创新的重要领域，在建设100%可再生能源城市时，也要充分利用这一机遇，在实现低碳的同时，发展经济（可再生能源产业等）、金融（碳交易等），创造新的就业岗位，推动城市的可持续发展。国外城市在制定相关规划时都重视经济发展，但在国内，往往走向另一个极端，例如，国内一些太阳能城市规划，由于过于重视产业，轻能源利用，“太阳能城市规划”实际上大都成了“太阳能产业规划”。仅有科学的规划还不够，结果才是最重要的。100%可再生能源城市是通过一个个具体的项目实现的，制定规划时，一定考虑推动项目落地的具体措施。建设100%可再生能源城市需要较大的资金支持，特别是在建设前期，投资巨大，而100%可再生能源城市模式又适合偏远小城镇及孤立的岛屿，这些地方往往经济相对落后，因此，在规划过程中，要关注投融资机制。11.构建智慧型的技术框架要通过建设智慧电网、智慧交通、智慧楼宇等设施建设智慧型的100%可再生能源城市，并通过积极利用新技术克服可再生能源的不足。例如，丹麦哥本哈根在制定的零碳排放城市规划中，积极主张研发利用新技术。市政府还鼓励来自全世界各地的绿色技术公司在哥本哈根研发和测试最新清洁能源技术，带动该市成为绿色能源产业聚集地。12.不能忽略环境保护问题可再生能源虽然被叫作清洁能源，但是推进的过程却要以付出自然储备为代价，例如，占用大片土地，破坏当地生态平衡，其中，生物质能并不能减少碳排放，尤其是利用木材的生物质能开发，已经多次超过了可持续的边界。树林的消失并不是唯一的变化，草地和农田种满了可以制造生物汽油的玉米，大片的土地都被环境工程征用，建设太阳能、风能的接收塔等。因此，在规划100%可再生能源城市时，对生态环境问题也要予以高度的重视。13.完善政策的规范与引导机制实现100%可再生能源城市的政策工具主要包括：完善的规则、法规和标准；可操作性强的奖惩办法；相关机构的改革，战略和总体规划的改进；规范企业的发展和管理；引导社区参与行动；建立产业联盟；加强信息沟通和教育；促进能源自主性和生物固碳实践；完善碳足迹消减措施等。14.引导公众的参与支持在可再生能源由于成本高，面临市场失灵的大背景下，建设100%可再生能源城市需要来自公众的大力支持。公众主要通过两种途径参与规划。一是作为利益相关者，参与规划的过程，这是普遍的一种方式。例如，美国第一个向居民提供100%绿色电力的城市——辛辛那提市，通过城市中符合条件的多领域代表参与的谈判，该市选择第一能源解决方案（FES）作为城市的新的电力供应商，以较低的价格，向消费者提供绿色电力。二是成为规划内容的一部分。在规划中，充分考虑公众的利益，公众成为项目的参与者与受益者，这种方式更容易把公众同城市密切联系起来。例如，在已经实现100%新能源供给的丹麦萨姆索岛上，超过五分之一的居民拥有风力涡轮机的股份，每股的年收益超过100美元。这是岛民拥有投资积极性的一个重要原因。15.构建一个城市碳汇体系城市开发利用可再生能源的主要目的有两个方面：一是应对化石能源危机；二是减少碳排放，应对气候变化危机。100%可再生能源不等于零碳，再加上几乎所有号称100%可再生能源的城市都不是真正意义上的100%使用可再生能源，都有相当规模的碳排放，因此，城市在制