大型公共建筑区域性低碳规划方法研究

付菲菲， 骆汉宾， 谭健锋

(1. 华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074 2. 武汉新城国际博览中心有限公司，湖北 武汉 430014)

在全球节能减排的趋势及中国向世界承诺的减排目标的约束下，作为CO2排放的重要行业—建筑业的碳排放已经是我国关注的重大问题，近年来，低碳城市已经成为理论研究和政策实践的热门话题。从政策实践来看，随着我国政府宣布到2020年单位国内生产总值的二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%的目标和国家发改委公布“五省八市”作为低碳发展试点，各地低碳建设热情高涨[1]。其中大型公共建筑的区域规划不仅关系到当地城市的国民经济的可持续发展，同时大型公共建筑是大量能源的吸收与碳排放的载体，进行着各种物质与能量交换，因此，针对我国节能减排的刚性需求，大型公共建筑必须在低碳目标约束的前提下进行低碳区域性规划，实现最低碳排放和能源高效利用以及其他建设活动的协调性和发展的可持续性。

目前，国内外已有不少学者对低碳建设规划从不同的角度进行了较为深入的研究，并形成了较为完善的理论基础。

哈佛大学Edward L G及美国加州大学Matthew E K系统地研究了城市碳排放的测算方法，并对美国十个城市的碳排放进行了实证分析，从城市规模的角度研究城市土地开发密度与城市碳排放之间的关系，发现城市规模与碳排放存在一定的正相关关系，而土地开发密度与碳排放量存在较为明显的负相关关系[2]。Jonathan N从基础设施建设资源、建筑运营和交通方式三个因素对住宅区进行低碳评估，并得出交通规划是减少碳排放总量的关键因素[3]。Chris G也提出了城市碳排放的计算方法，并通过对英国住宅进行能源统计，提出了有针对性的低碳标准[4]。Crawford J和French W认为低碳技术的创新和应用对城市空间规划能起到重要的作用[5]。Winkelman S等人指出不管是建筑设计、交通基础设施建设，或者是土地利用方式，选择在哪里建设和怎样建设会对城市碳排放产生巨大影响[6]。Sandownik B、Jaccard M从住宅能源管理的角度通过分析土地利用规划、城市交通和住区能源的发展趋势，研究中国国情下的住宅能源管理体系[7]。

国外对低碳住区的研究大多把减少住区碳排放作为最终目标，而分别从不同的技术层面来寻找可以达到此目标的技术支撑，这些研究可以量化减碳目标的实现效果，为低碳住区的实践提供可操作性的指导。

我国学者龙惟定提出了区域建筑能源规划的概念以及区域建筑能源规划中的关键技术[8]，此外，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，提出设定单位GDP能耗和碳排放目标的方法，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建筑和交通能耗及碳排放目标[9]。陈飞、诸大建在低碳城市研究的时代背景下，界定了低碳城市的内涵、模型与评价方法，并以上海为例进行实证分析，定量化研究上海城市发展过程中的碳排放量，制定了基于城市生活低碳化、物质生产循环化及城市空间紧凑化的发展策略[10,11]。赵宏宇等从科学计量碳排放的工具—“碳足迹”的视角出发来探讨低碳城市的规划问题，指出低碳城市规划与“碳足迹”的结合主要应关注能源消耗、交通出行、生活习惯、工作方式等4个层面[12]。叶祖达对低碳城市规划建设的成本效益进行了界定和详尽的分析, 建议在对目前国内不同城市获得绿色建筑评价标识项目的调查基础上，建立我国绿色建筑成本效益数据库，分析不同地区应用的不同绿色建筑技术的经济成本效益[13]。此外，依据“脱钩”的路径理论，提出在城市规划领域应用城市碳排放量基本概念，建立城市规划碳排放评估方法[14]等等。

总的来看，国内目前低碳建设规划理论研究相对较多，大多站在城市规划的宏观层面，对具体的建设项目规划以及实际做法相对缺乏。本文将针对区域性规划的主要内容、规划的实现途径以及低碳规划目标的选取等关键要素进行分析，并以武汉国际博览城低碳规划作为实例进行分析。

1 大型公共建筑区域性低碳规划内容

大型公共建筑是指建筑面积在两万平方米以上，采用中央空调的公用和商用建筑，如星级酒店、大中型商场、高级写字楼以及影剧院、体育场馆、机场、车站等各类服务于公共使用要求的建筑[15]。全国大型公共建筑约5亿m2，约占城镇建筑总面积的5%，其能耗却占全国城镇建筑总耗电量约22%，为普通居民住宅的10-20倍。按照节能40%计算，每年仅大型公共建筑一项就可节电400亿度，折合490万t标准煤，减少二氧化碳排放量1044万t。因此大型公共建筑的节能是我国当前节能减排工作的重点。

本文中“大型公共建筑区域”是指以大型公共建筑为开发主体的用于满足某些公共使用需求的成片开发区，其占地面积应在数平方公里以下、建筑面积在数10万m2以下，隶属于该区域所在城市而并远未达到城市级别。

大型公用建筑项目的区域性规划涉及到社会经济发展的方方面面，不仅关系到与周边环境的协调性和自身的经济效益，还与当地的城市发展规划、老百姓的生产生活、乃至国家的社会经济发展战略密切相关，因此，进行低碳规划时需深入调查和分析该区域的发展需求和能源使用特点，进行全面系统的规划方案设计，涵盖该区域的土地利用、环境、交通、建筑、空间布局及各种基础设施等内容，力求抓住节能减排的关键领域，实现低碳目标。区域性低碳规划的主要内容如图1所示。

图1 区域性低碳规划内容

(1)土地利用规划

基于低碳理念进行区域性的土地利用规划，其核心是通过对地块尺度的划分以及土地使用性质的明确，促进步行、自行车与公交系统的使用需求，尽量减少机动车出行需求使用，进而达到低碳出行的目的。

此外，着重把握土地的混合利用，土地混合利用的理论依据是紧凑城市，即用足城市存量空间，减少盲目扩张，拉近居住区与工作场所的距离，减轻城市交通的负担，避免远距离的交通需求导致小汽车需求量和使用率的提高，从而避免大量的能源消耗和二氧化碳的排放。

(2)低碳环境规划

基于低碳理念的环境规划需考虑合理的容积率、建筑密度、绿地率、绿地的布局等要素，其核心思想就是绿色植物的碳汇效应，碳汇的基本原理是所有绿色植物吸入二氧化碳放出氧气的量。其核心指标是所有绿叶面积的数量。绿地率指标仅能反应在有多少比例的用地面积被用来做绿化，却不能反应地块总的绿叶面积总量。

因此，基于低碳考虑的区域生态环境效应不能仅仅建立在绿地率指标上，而是应当依据碳汇原理，真实地反映地块绿色植物的生态效应，如通过提高屋面绿化面积、垂直绿化种植面积、提高常绿植物比例等手段来提高碳汇。

(3)低碳建筑规划

针对建筑本体的规划而言，建筑的密度以及朝向布置应当结合日照、通风等自然条件，并选取适当的节能环保材料，实现自然采光通风，降低热消耗，还应保持建筑的色彩应当与区域特色相协调。此外，促进绿色建筑的推广，提高区域内绿色建筑的比例。

从建筑能耗的角度来看，除了上述既有建筑物本体的结构属性外，还包含了各种人为因素，如使用者的活动时间以及各种管理办法，直接影响着建筑物的通风、采暖、照明时间等，即影响着能源的消耗量和CO2排放量。因此，必须进行建筑物运行过程模拟，尤其是模拟运行过程中的能源使用情况、冷热负荷计算以及区域性的热环境效益分析等，从而进行有针对性的能源规划和优化。

国家和各省市都制定了建筑节能设计标准，针对公共建筑采用了50%的建筑节能标准。但针对一些大型的公共建筑，规划过程中应在此基础上适当提高节能标准。

(4)低碳交通规划

低碳交通出行方式包括步行交通、自行车交通、公共交通三种方式，由出发点到目的地，通过这三种交通方式的自由组合实现低碳交通。其中步行交通系统是否完善对低碳出行有着深刻的影响。

进行区域性低碳交通规划时，应加强交通枢纽建设，实现各种交通方式之间的紧密衔接，同时统筹区域交通设施的规划、建设和运营管理以及该区域周边交通设施和当地城市交通规划的紧密衔接，推进该区域与所在城市的交通一体化。

首先，应分析该区域的出行分布、出行时间与出行目的特征，确定交通结构。低碳的交通规划，应通过优先发展公共交通、提高公共交通分担率、减少道路上的机动车交通量，减少交通碳排放总量确定。

其次，进行区域内道路系统和交通设施的布局，确定各种交通道路的密度和面积等因素。同时结合当地现有的城市交通规划对该区域的对外交通做出衔接和补充。

此外，还有众多低碳节能的方式方法应在区域性低碳交通规划中得到大力推广，如随着人们对环保和可持续发展的重视，依靠步行和非机动车行驶的慢行交通作为一种保护环境的交通方式越来越受到欢迎；通过相对低碳的天然气和碳中性的生物燃料替代高碳汽油、柴油；通过设置充电桩和相应的优惠政策，推广电动车、混合动力车的使用；推广LED等节能灯的使用，减少道路照明的碳排放等[1]。

(5)能源利用规划

进行低碳能源利用规划，就是对化石能源使用方案、可再生能源的利用规划，以及资源回收方案的规划设计。即充分利用区域内的太阳能、风能等可再生能源，提高可再生能源利用率；系统优化区域内的能源消费结构，以及区域内水力、电力等资源的高效输配；此外，雨水回收系统、中水系统、垃圾回收系统等资源回收系统同时是规划的重点，对降低能源使用量有重要作用。

低碳能源规划是低碳经济的基础和支撑，与低碳产业体系、低碳基础设施体系、低碳社会消费体系的关系密不可分，并对其他体系起着支持和保障作用。

2 大型公共建筑区域性低碳规划的实现途径

大型公共建筑区域性低碳规划涉及能源、产业、交通、建筑、空间布局及各种基础设施等多个领域，如何构建全面客观的规划方案至关重要，本文构建区域性低碳规划的实现途径如图2所示。

图2 区域性低碳规划实现途径

(1)低碳规划前期分析

区域性分析是低碳规划前期分析的核心内容，同时也是低碳目标制定的前提。进行区域性分析主要应包含该区域规划范围的确定、建筑类型和功能的确定，以及对该区域规划的准确定位，并且深入调查区域现有的能源使用状况和资源、市政条件，从而便于对区域内能源的有效利用和节能减排方案的制定。

此外，应把握和顺应当地政府的宏观规划，与之相协调；遵循国家和当地的政策要求，除了达到相关节能和绿色建筑标准外，还可按照相关规定进行节能减排补贴的申请，从而缓解一定的资金压力，共同实现项目的低碳化和经济化。

(2)低碳目标规划

大型公共建筑区域性低碳规划涉及面广泛，但并不能面面俱到。在进行区域性低碳规划时应该抓住几个关键要素，把握低碳发展的核心目标，进行准确的目标定位。顾名思义，“低碳规划”其核心即最低的碳排放量，在选择区域性低碳发展的总体目标时，就应界定一个综合碳排放量指标作为总体目标。此外，与碳排放量直接相关的能源利用率、资源回收率、绿地率等指标同样均应作为低碳区域的规划目标。具体的低碳规划目标体系将在下文做进一步阐述。

(3)低碳方案规划

低碳规划方案的制定必须在低碳目标的指导下，分别从提高节能设计标准、可再生能源利用、资源循环利用、碳汇等方面采取相应措施，针对区域内的土地利用、建筑体系、交通系统、能源利用等进行不同层次的规划，如总体规划、控制性详细规划、专项技术规划等制定相应的规划方案，确保低碳目标的实现。

此外，低碳规划方案在设计过程中除了进行目标规划值的核算外，还应结合当地的区域性分析和政策环境对拟定的低碳目标值进行反馈和调整，从而进一步提高低碳目标体系的全面性和先进性。

3 大型公共建筑区域性低碳规划目标体系

大型公共建筑的区域性低碳规划应从区域、地块、单体建筑三个层面，对低碳生态理念涉及的景观、交通、能源、水资源等各领域的设计目标、原则及方法进行技术性界定，提出相应的控制与引导性指标。

大型公共建筑区域性低碳规划目标体系应从碳排放量的降低和生态环境的优美两个方面提出，具体指标如表1所示。

低碳规划目标体系的设置及目标的评估应基于不同的情景设立进行分析和提取，一般计算途径是从基准情景、优化情景以及低碳情景三种情景的逐层优化过程中进行对照和定量定性分析对各目标指标进行赋值。

(1)基准情景。以当前经济发展模式为基础，并包括当前针对单位GDP能耗以及其他关键领域的政策承诺，仅反映目前现状下的结果。

(2)优化情景。这一情景是基准情景的优化和改善，包含在规划区域内优化产业结构，促进第三产业的发展；鼓励发展公共交通；推广符合节能标准的建筑；制定一些节能降耗的政策措施；基本形成低碳的生产、生活和消费模式。

表1 低碳规划指标体系表

(3)低碳情景。该情景包括在区域内形成以低能耗的生产性服务业和绿色出行为主导的低碳产业结构和交通结构，低碳节能建筑得到普及，可再生能源比例持续上升，碳汇技术得到推广，同时加大相应配套政策的制订和实施力度。

在情景分析过程中，还应参考其他城市或与之水平相当项目的低碳目标指数，对情景设置进行检验，以保证情景参数的设置在该区低碳规划的合理性和适用性。各情景的方案设定见表2。

由于文章篇幅有限，而碳排放总量控制是进行低碳规划的核心目标，本文仅对区域性碳排放强度、碳减排量、用能总量这三项指标的计算加以说明。

表2 低碳情景对比分析

(1)碳排放强度。规划区域碳排放强度计算应包括建筑、市政、交通、绿化碳汇等四个领域，建筑能耗应满足现行节能设计标准，市政、交通能耗根据当地平均水平进行核算，并考虑天然气和电力对应CO2排放量的不同折算系数，得到规划区域的碳排放强度。

(2)碳减排量。以现有节能标准为基础计算建筑基准能耗，以当地城市的平均水平为基础计算市政、交通基准能耗，通过提高建筑节能设计标准、可再生能源利用、提高绿色出行比例等手段，降低能源消耗，与基准情景对比，计算碳排放减排量。

碳排放预测模型如下式所示：

Cx=Co[(1-m)t×(1+n)t]

式中：Cx为预测年份二氧化碳的排放量；Co为基准年二氧化碳的排放量；m为年度单位GDP减排率(由于产业结构调整、能源结构调整、技术进步、政策引导等因素导致的单位GDP碳排放减少)；n为平均经济增长速度；t为计算周期。

(3)用能总量控制。该指标反映了规划区域各类生产、生活活动所导致的各种能源消耗数量统计之和，反映规划区域建筑、经济等发展过程中的能源消耗强度。应合理规划区域的能源结构、产业结构、绿色出行交通方式等，促进本指标的实现。

能源总量模型如下式所示：

Et=Eo[(1-m)t×(1+n)t]

式中：Eo为基期能源消费量；m为年度单位GDP节能率(主要由于技术进步、结构优化、政策促进、工艺改进等导致的单位GDP耗能量减少)；n为GDP增长速度，t为计算周期。

4 案例分析

4.1 项目简介

武汉新城国际博览中心工程位于武汉市汉阳四新地区，该区域位于汉阳腹地中心，它与汉江组团、沌口组团一起构建武汉新区。博览中心周边经营性用地约2850亩，共分为29个地块，公共绿地率为19.4%，地块绿地率30%，总建筑面积388.89万m2，总用地面积189.71万m2，容积率2.17，主要建筑类型为居住、商业金融、办公用地等三种，其中居住建筑建筑面积为301.7万m2，约占77.6%，商业金融建筑按20%商业建筑、80%金融办公建筑进行拆分，总规划人口12万，其中居住人口10万。经营性用地规划建设范围见图3。

图3 武汉国际博览中心经营性用地规划设计范围

4.2 博览中心定位

(1)落实两型社会要求，打造低碳生态新城。综合考虑国际国内环境、行业发展背景及武汉国际博览中心重要的地位与影响力，落实武汉城市圈两型社会建设要求，该项目核心理念为打造“低碳生态”示范城，开拓双赢局面：政府及企业树立负责任的良好形象，博览中心提升展会品质，开发商获得项目附加值，用户减少运行费用、舒适环境等。

(2)落实节能减排，可持续发展规划目标。从生命周期源头出发，以规划和设计策略为主，高新技术手段为辅，促进能源节约，优化能源结构，构建环保、高效、可持续的发展模式。

(3)促进可再生能源合理利用。优先发展可再生能源，形成与常规能源相互衔接、相互补充的复合式能源利用模式，保证可再生能源使用率不低于10%。

4.3 低碳规划前期分析

(1)武汉市节能减排目标：武汉市为实现降低万元GDP 能耗的“十一五”规划目标及做好全市重点企业的节能降耗工作，提出加快“四项制度”建设，研究制定三方面“节能优惠”政策措施，促进节能工作快步走上法制化轨道。

(2)相关激励政策：武汉市推行的《武汉市绿色建筑管理办法(试行)》中规定了设立多种绿色建筑专项资金，对使用的不同节能技术享受一定的税收优惠，并对绿色建筑专项资金的征收和使用管理都做出详细规定。

(3)武汉能源状况

武汉市工业万元增加值能耗，分别超过北京、上海1.9倍和2.2倍；而服务行业和大专院校的电耗也逐年呈上升趋势，平均增幅为10%；受恶劣天气影响，高能耗企、事业单位限气、限电情况严重。

而目前武汉市原煤、石油主要依赖于外购，电力80%由外网提供，能源自给率低，武汉市经济发展受能源瓶颈制约明显，节能减排工作任重而道远。

(4)区域资源条件

长江水资源条件：规划园区江水水量较为充沛，水温能满足冬夏季热泵机组性能需求，水质较好，可作为可再生能源进行合理利用。

地下水资源条件：规划区域属于限采区且地下水开采压力较小，不宜设置用水户大规模开采利用，因此项目中不考虑地下水源热泵技术的应用。

浅层地热资源条件：武汉博览中心区域浅层土壤换热性能较好，较为适合在本区内成孔、埋管。

太阳能资源条件：武汉地区较强的太阳辐射决定了规划园区适合于光电转化利用，尤其在7、8 月份太阳辐射充足，直接辐射比例高，光电转换效率高。此外，虽然武汉地区全年太阳总辐射低于北方地区，但气温、水温明显较高，尤其是冬季气温，在光热利用效率方面也存在一定优势。

(5)区域市政条件

经营性用地规划区域西侧预留沌口水厂供水干线两条，至南太子湖污水处理厂污水处理管线两条，接沌口天然气调压站的高中压天然气管道一条，110 kV 电缆两条，分别接沌口调峰电厂和太山寺变电所，经营性用地内规划110 kV 变电所两座，江堤中路污水泵站一座，四新给水泵站一座。

4.4 低碳规划目标体系框架

根据前文所述，将低碳规划目标体系分为三级指标，并通过对该区域的基准情景、优化情景及低碳情景逐一进行对比分析，同时结合武汉当地及相关项目的建设情况，对相关指标进行目标规划，确定了符合项目实际，并具有一定高度的目标控制值，借以指导武汉新城博览中心经营性用地在规划和建筑设计过程中落实低碳生态理念，目标体系框架见表3[16]。

表3 武汉国际博览中心低碳规划目标体系表

4.5 低碳总体规划

(1)结合轨道线路布局形成“适度紧凑、有效混合”的土地利用规划(图4)。

图4 土地利用规划

四新生态新城根据自身的用地条件及规划职能，形成了一种 “分散化集中”的土地利用模式。即区域内的公共设施以交通可达性为主要影响因子，在空间分布上呈现出一种网状分散布局的形式。居住组团围绕公共设施网络布局，各组团规模控制在步行尺度内。

(2)建立“轨道交通—公共汽车—自行车—步行”一体化的绿色交通体系(图5)。

图5 公共交通系统规划

四新生态新城结合交通现状及区域特征提出“轨道交通—公共汽车—自行车—步行”一体化的绿色交通体系的规划设计目标，力争通过创造一个低碳友好的出行环境，实现区域绿色交通出行率高于90%的目标。

(3)建立兼顾生态安全的低碳绿地系统(图6)。

针对区域内自然条件优越、水网密布、植被覆盖良好的情况，四新生态新城划定了生态敏感区、港渠廊道以保护、连通区域内的主要生态轨迹，在开发建设区域内则结合生物迁徙、安全需求适当布局部分生态斑块，并结合城市通风、降温需求增加景观廊道、景观轴线等线性开敞空间有机串联区域内的湖泊、广场、公共绿地等，形成了一个“三纵三横”的生态绿化网络，实现区域内人均公共绿化面积不低于20 m2，区域绿化覆盖率超过55%的目标。

图6 绿地系统规划

(4)建立因地制宜地的资源利用规划与策略(图7)。

四新生态新城首先加强对水环境的维护，结合城市绿地系统，布置一套区域性的“源头、运移、汇集”三级控制体系的生态型雨水收集排放系统；其次是通过引入生态技术来减少区域对外界能源的需求量[17]。

图7 生态排水规划

5 结论

发展低碳社区、低碳城市是我国可持续发展战略的重要组成部分，基于低碳理念进行合理的低碳规划和设计是实现其全寿命低碳目标的基础，同时也是优化人居环境质量、提高区域内居民生活品质、推动区域可持续发展的“助推器”。大型公共建筑区域性低碳规划是一项复杂工程，涉及能源、建筑、暖通、电气等多个领域，因此，必须明确低碳规划的关键领域和实现途径，建立有针对性和适应性的总体低碳目标体系，同时建立适当的保障机制，使规划的目标和任务得以落实，对于节能减排、提升城市以及项目的吸引力具有重要的应用价值和实践意义。

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