基于气候特征的低碳城市评价指标体系构建

黄艳雁 ， 冯 时

(1.华中科技大学 建筑与城市规划学院，武汉 430074；2.湖北工业大学 土木工程与建筑学院，武汉 430068)

基于气候特征的低碳城市评价指标体系构建

黄艳雁1,2， 冯 时2

(1.华中科技大学 建筑与城市规划学院，武汉 430074；2.湖北工业大学 土木工程与建筑学院，武汉 430068)

当前低碳城市评价指标体系中对气候因素的影响缺乏深入的研究。基于气候特征，构建了低碳城市评价指标体系框架，建立了基于气候特征的低碳城市评价指标体系。该指标体系充分考虑了气候因素的影响，将低碳城市评价指标区分为受气候直接影响的指标和非气候直接影响的指标，并根据气候影响碳排放的关系框架，建立了包含32项指标的三级评价指标体系。

气候；关联性；低碳城市；指标体系

0 引言

构建合理的低碳城市指标体系是绿色发展的重要内容。欧美对低碳城市指标体系研究开始较早，而国内的相关研究与实践尚处于起步阶段。目前低碳城市指标体系已经成为国内外的研究热点，成为政府及学术界关注的焦点。各地方政府都尝试建立低碳城市评估指标，指导城市的发展和建设。如唐山市政府出台的包括城市功能、建筑和建筑业、交通运输、能源、废物、水、景观等7个大类的生态城指标体系；深圳市政府构建的包括经济转型、环境优化、空间保障、社会和谐、示范创新5个大类的深圳低碳城市指标体系；斯德哥尔摩市政府制定的包含土地利用、交通、建筑材料、能源、水污染与污水、废弃物等6个大类指标等。地方政府制定的低碳城市发展、建设或评估的指标体系，主要是针对某个具体城市、具体区域或具体目标而构建。这些研究一般针对具体城市，没有建立一般性的评价指标。

已有研究致力于探索影响低碳排放的因素，并以此为基础构建低碳城市评价指标体系，讨论低碳城市指标体系的构建原则、构建方法、指标选取、权重确定等。车晓翠等考虑了驱动力、压力、状态、影响、响应等的影响，建立了基于DPSIR模型的低碳城市指标体系[1]。张宇飞等考虑了功能定位的影响[2]，连玉明等从城市价值角度开展研究[3]。杜栋等基于投入产出视角构建了低碳城市评价指标[4]。吴健生等从空间格局角度构建了低碳城市的评价标准[5]。这些研究从内容上看都缺乏对气候影响因素的考虑。因此，本研究通过对国内具有代表性的低碳生态城市评价指标体系[6-10]的一级指标内容进行分析，充分考虑气候因素对碳排放的影响，构建基于气候特征的低碳城市评价指标体系。

1 气候与城市低碳的关联性

1.1 气候与城市设计建设

气候是气候系统的全部组成部分在任意特定时间段内的平均统计特征，通常由某一时期的气象要素和天气现象的平均值及离差值表征，具有稳定性。气候的主要构成要素包括太阳辐射、气温、气压、湿度、降水、风等，某些气候要素对城市建设和碳排放有很大的影响。

气候与建筑和城市之间的关联性研究由来已久。在传统建筑和古代城市中，针对当地气候进行的适应性设计策略屡见不鲜。美国建筑师维克多·奥格雅结合建筑设计、气候、地域关系的相关研究成果，提出了“生物气候设计”的理论与原则，探讨了气候与建筑设计之间的关系；美国建筑师贝尔纳·鲁多夫斯基用大量案例揭示了地域气候与城市形态、建筑风格之间的关系；在中国，平均19%的能源消费用于冬季采暖和夏季降温，在华北地区更是高达30%～40%。气候造就了区域的自然环境、文化特征和人类的行为习惯，而这些正是城市的空间形态、道路布局、建筑风格的决定性因素，城市的空间形态、道路、建筑等又与城市的碳排放息息相关。

针对气候进行的城市设计与规划能最大化地减弱气候对城市的负面影响，发挥气候对城市的正面影响。1987年，世界最寒冷城市之一的加拿大温尼伯市明确提出了针对气候舒适性的城市设计标准，要求充分考虑气候对城市设计的影响。目前国外许多城市在进行新项目建设或规划时要求出具详细的气候分析报告，分析气候对项目的影响，并出具相应的城市气候设计策略。

1.2 气候对城市低碳的影响

1.2.1 气候对城市能源的影响。气候对城市能源的影响主要在于对城市的能源效率与能源结构的影响。一方面，气温影响着人们的社会生产组织方式和日常能源消耗量。在降温和采暖需求较为强烈、经济条件较好的地区降温度日数和采暖度日数与城市夏冬两季的能源消耗量呈正相关关系,而太阳辐射、降水等因素也会影响城市能源的使用效率。另一方面，气候还会影响城市的能源结构。目前，我国正在大力发展新能源，但许多新能源的生产与使用对气候有一定的要求。太阳能资源取决于地区的太阳辐射强度和年日照时数，风力资源取决于风向、风速和年静风频率；水力资源取决于降水状况；温度、降水、太阳辐射状况则会影响农林业的作物和植被生长状况，进而影响生物质能的产生与利用等。

1.2.2 气候对城市规划和设施建设的影响。气候条件对城市规划与建设有多方面的影响，特别是在城市布局、功能分区方面关系颇为密切。由于温度、湿度、风和降水等因素会直接影响城市的热环境，在城市规划中，往往会依据城市热环境调整城市建筑群的密度和片区的建设规划；风向会影响城市的污染物扩散方向和城市通风，在进行城市规划时，工业区往往会布置在居住区的下风向位置，以降低工业排放对居民区的危害[11]。研究表明，城市的热岛效应强度与城市中的风速和城市建设的密度存在正相关关系。热岛效应会增加城市的夏季降温能耗，同时减少城市冬季的采暖能耗。通过对城市密度进行科学计算后，按照适当密度建设的合理紧凑型城市在冬季节约的采暖能耗能够超过夏季增加的降温能耗，进而降低全年碳排放量[12-13]。也有部分较为炎热城市在进行城市布局与规划时通过构建风道来降低城市中较为严重的热岛效应，以减少城市的夏季能耗[14]。太阳辐射强度、风、降水等因素会影响城市热环境，从而影响人们的舒适度和对公园、绿地等能够改善热环境的市政设施的需求。由气候带来的各种地质次生灾害也会对城市选址、城市规划布局和城市中的各种市政设施的建设带来影响，这些影响最终会作用于城市的碳排放中。

1.2.3 气候对城市建筑碳排放的影响。气候对建筑碳排放的影响贯穿于建筑材料获取、加工、运输、设计、施工、运行、维护、拆除等过程中。气候中的温度、风、降水和太阳辐射因素组合成的各种天气影响贯穿了建筑物整个生命周期。在建材生产阶段，气候会影响建材的生产效率；在材料运输阶段，气候对交通状况造成的影响会间接影响建筑的运输阶段碳排放量。在建筑的设计阶段，建筑物的形态和朝向需要适应城市的气候状况。这是为了保证内部环境的舒适度，减少维持室内环境舒适的能源消耗与碳排放。如高温地区的建筑窗墙比较大，外部围护较薄，房间面积大，建筑向阳面还会配有遮阳结构；中纬度地区建筑物的朝向需要避开夏季正午的阳光直射和冬季主风向，炎热地区建筑朝向还需要考虑夏季通风；建筑物的间距则需要根据太阳高度确定。在施工阶段，不良气候会影响施工的时间，增加额外的施工能耗和碳排放，还可能造成建材损耗。建筑运行阶段的碳排放占建筑碳排放总量的80%左右。建筑物会对其内部人员产生物理影响，当这种影响表现为消极性质时，人们就会采取各种方式提高建筑内部的舒适度，如采暖/制冷、加湿/除湿、人工照明等，在此过程中产生的能源消耗最终会反映在城市建筑的碳排放上。在建筑物拆除阶段，气候则会影响拆除工作的环境和相关机械的维护保养，从而影响建筑拆除进度和工程作业难度，进而间接地增加碳排放量。

1.2.4 气候对城市交通碳排放的影响。气候对城市交通碳排放的影响主要表现在对城市居民的出行距离、出行效率和交通模式的影响等方面。气候影响城市的区域规划和路网规划进而决定了居民的出行距离，出行距离的长短与单程出行的交通能耗和碳排放量有直接的关联。影响城市出行效率的主要因素是在各种气候条件下形成的不同天气。恶劣气候导致的交通不畅会降低出行效率，增加城市居民交通过程中的燃油消耗和出行时间，进而增大交通碳排放量。气候对城市交通模式的影响主要表现在两方面：一是源于气候对城市交通出行距离的影响。随着出行距离的不同，人们选择的出行方式也有所不同。当出行距离大于7 km时，选择机动车作为交通工具的人会大幅增加。二是城市居民对出行模式的选择还直接受到温度、太阳辐射、风、降水等因素的影响。当外部气候条件较差时，人们为了追求舒适度和安全感会倾向于选择汽车出行。随着城市交通模式的不同，城市交通的碳排放量也会有所不同。

1.2.5 气候对城市环境的影响。城市环境一般是指影响城市中人类活动的各种外部自然条件和外部人工条件的总和。气候本身也是城市环境的组成部分，因此，气候与城市环境之间的联系极为紧密。一方面，气候直接影响了城市的热环境和各区域的微气候状况，不同气候下的城市热环境和城市的“五岛效应”对居民生活、工作的环境舒适度有着直接的影响，进而影响了城市的能源使用和碳排放量；另一方面，气候的整体状况决定了城市植被的生存状况。自然形成的植被是在气候的长期作用下形成的，人工种植的植被适应性较弱，对于城市气候更为敏感。城市中布局合理的绿地和水体系统能够起到调节城市气候的作用，这种作用对城市碳减排起到的作用甚至可以超过绿色植物本身的碳汇能力。

综上所述，气候对城市碳排放的影响主要表现在城市能源、城市规划与设施、城市建筑、城市交通、城市环境等领域，由此建立气候与城市碳排放的关联框架(图1)。

2 低碳城市评价指标体系的构建

2.1 国内低碳城市主要评价指标体系

现有的国内低碳城市评价指标体系研究与实践虽然涵盖了低碳城市建设的诸多领域(表1)，但这些指标体系的研究方向主要是从低碳城市之间的共性和人类活动对城市碳排放的影响出发。对国内低碳城市主要评价指标体系内容进行分析，各类低碳重点领域在6个指标体系中出现的频次(图2)表明，尽管现有研究考虑了城市功能、格局等要素的影响，国内现有低碳城市指标体系关注点主要是低碳城市的共性和人类活动对城=市碳排放造成的影响，忽略了气候对城市碳排放的影响。当前主流的低碳城市指标体系多数以低碳发展现状评估为主，兼顾过程减碳。而基于城市气候特征构建的低碳城市指标体系则更着重于源头及过程减碳，而不仅仅是低碳的后评价。因此，充分考虑气候特征的影响，扩展以往低碳城市的评价指标研究，能够更好地针对不同生态特征条件下低碳城市评价。

图1 气候与低碳城市碳排放关联框架Fig.1 Correlation frame diagram of the climate and carbon emission of low-carbon cities

2.2 气候直接影响的低碳指标

2.2.1 能源低碳。能源的使用效率与城市碳排放之间存在负相关关系，提高能源的使用效率能够降低能源使用造成的碳排放量。能源结构则与城市的碳排放有直接的关联。大力开发新能源，可以有效降低能源碳排放。由此，能源低碳可以分解为高效利用与新能源应用2个二级指标。

表1 国内低碳城市相关指标体系一级指标统计Tab.1 First-grade index statistics of the index system related to domestic low-carbon cities

图2 指标体系各重点领域出现频率统计Fig.2 Frequency statistics of key fields in the index system

2.2.2 城市规划与设施建设。城市规划与城市各领域的能源消耗和市民的交通碳排放有着密切的联系。在城市规划中必须考虑到风向对工业污染物扩散的影响；热岛效应对城市冬夏两季的采暖/制冷能耗有很大的影响；夏季降雨集中的特点则直接影响排水系统的建设。良好的城市形态规划和土地利用规划能够有效降低居民在日常生活中的碳排放量。而各种市政设施的建设与运行对城市各项工作的正常运行有着不可替代的作用。因此，可以将城市规划与设施建设分解为城市形态和市政设施2个二级指标。

2.2.3 建筑低碳。建筑是城市主要的温室气体排放来源之一。建筑物在全生命周期内的碳排放都受到气候的影响。夏热冬冷的气候条件直接影响了城市建筑的设计策略和建筑形态，冬夏季风向和太阳辐射的因素还直接影响了建筑的朝向和间距。冬夏两季公共建筑的月平均能耗有时可以达到春秋季节的2～3倍，居住建筑也表现出冬夏季能耗高出春秋季的特点。提高城市建筑在全生命周期内对气候的适应性能够有效降低建筑物的能耗总量和碳排放。建筑低碳按照建筑生命周期可以分为低碳设计、低碳施工、低碳运行3个二级指标。

2.2.4 交通低碳。气候对交通的碳排放存在多方面的影响。城市规划受到温度、降水、风向等气候因素的影响，进而影响城市的交通路网布局和市民出行距离。气候影响下的极端天气会降低城市交通的效率，增加出行时间，较为不适的外部气候环境也会影响市民的交通出行方式，导致居民更多地选择乘坐汽车出行。因此，交通低碳是基于气候特征的低碳城市指标体系中不可或缺的部分。根据前述气候对城市交通的影响分析和城市的气候状况，交通低碳可以分解为交通建设和绿色出行2个二级指标，前者对应城市出行距离的规划和出行效率的提高，后者对应居民出行方式的引导。

2.2.5 环境优化。低碳城市的建设既要减少日常生活中的碳排放，又要尽量增加城市的碳汇能力。在热岛效应的影响下，中心城区的平均气温比远城区高出约 2 ℃。通过城市构建良好的城市环境改善城市气候，增加城市碳汇，减少居民在日常生活中的碳排放量，提高城市环境的自净能力，是低碳城市指标体系必不可少的环节。基于气候会影响城市环境宜居和碳源、碳汇的角度，环境优化可以分解为环境保护和城市生态2个二级指标。环境保护指标针对现有城市环境的保护与污染治理，城市生态指标则针对城市宜居环境的建设。

2.3 非气候直接影响的低碳指标

2.3.1 经济低碳。低碳城市的本质是低碳经济理念在城市各领域中的实际应用，低碳城市的建设与发展应当与城市经济的低碳发展兼顾，经济低碳是低碳城市指标体系中具有共性的重要指标。调整城市经济结构、发展低碳产业、构建城市低碳产业链是低碳城市发展经济和降低碳排放行之有效的手段。经济低碳可以分解为产业结构优化和资源集约利用2个二级指标。

2.3.2 社会低碳。社会低碳也是低碳城市指标体系中具备共性的指标。低碳城市的建设并不仅仅是政府部门的工作，也是全民共同参与的行动。全民共同参与，共建低碳城市，才能真正发挥低碳城市指标体系对低碳城市的引导作用。政府应当发挥各级职能部门的作用，用政策引导和监督低碳城市指标体系的实施；企业应当主动配合政府，共建低碳城市，做好自身的节能和减碳工作；普通市民应当从自己做起，树立低碳生活的理念，并发挥对政府部门和企业的监督作用。因此，可以将社会低碳分解为低碳生活和政府管理2个二级指标。

2.4 低碳城市评价指标体系

针对气候特点，指标项的选择应当基于气候适应性和指标可操作性的原则。参考已有研究及部分有代表性的低碳城市指标体系[6-10,15-18]，初步构建出包含101项指标的低碳城市指标体系三级指标项备选库。采用德尔菲法，邀请来自高校、建筑设计院、城市规划设计院的15位专家进行打分与咨询。经过了多轮筛选，最终得到基于气候特征的包含7个一级指标、15个二级指标和32个三级指标的低碳城市评价指标体系(表2)。

3 结论与讨论

3.1 结论

基于气候与城市低碳的关联性，找出了低碳城市中与气候特征相关的能源低碳、城市规划与设施建设、建筑低碳、交通低碳、环境优化等重点领域，并结合国内的低碳城市指标体系补充了经济低碳与社会低碳领域。基于气候特征，构建了低碳城市指标体系框架。该指标体系充分考虑了气候的影响，将低碳城市评价指标区分为受气候直接影响的指标和非气候直接影响的指标。并根据气候影响碳排放的关系框架，建立了包含7个一级指标、15个二级指标和32个三级指标的低碳城市评价指标体系。该低碳城市指标体系更着重于源头及过程减碳，而不仅仅是低碳的后评价，能够丰富低碳城市评价体系的相关研究。

3.2 讨论

构建的指标体系也存在一定不足。鉴于低碳城市指标体系的构建尚未有统一标准，而是一个不断发展实践的过程。构建的低碳城市指标体系还需要在实践中继续完善。尤其是由于主要针对指标的构建开展研究，未来需要收集数据对指标体系加以应用。利用指标体系对各大城市的碳排放进行评价，发现低碳城市建设的重点建设方向，为城市规划和发展提供依据。

表2 低碳城市指标体系Tab.2 Low-carbon urban index system

说明：(-)表示负向指标，(+)表示正向指标。

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Low-carbon Urban Index System Based on the Climatic Characteristics

Huang Yanyan1,2, Feng Shi2

(1.SchoolofArchitectureandUrbanPlanning,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Whuan430074,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

Based on comparison and analysis on domestic existing low carbon city index system, this paper summarized some experience and concluded some problems in building such system. This paper sought for the correlation between climate and city to analyze impacts of climatic elements on carbon emission in different fields in low carbon city and explored climate features to construct the low carbon city index system. This paper constructed the low carbon city index system after analyzing its climate featured by hot summer and cold winter and considering main aspects in correlation between climate and urban low carbon.

climate; correlation; low-carbon city; index system

2016-05-13；

2016-11-07

湖北省教育厅科学技术研究计划重点项目(D2014 1402)

黄艳雁(1974-)，女，湖北枝江市人，教授，博士，主要从事低碳城市研究，(E-mail)645187499@qq.com。

冯时(1989-)，男，河南安阳市人，硕士研究生，主要从事低碳城市研究，(E-mail)79371166@qq.com。

F292

A

1003-2363(2016)06-0077-04