既有城市公园更新的低碳改造技术体系分析

王 花，范丽佳，季永新，陈 凯，黄晨光

(中建四局工程技术研究院，广州 510665)

0 引言

快速的城市化发展进程给城市可持续发展带来了巨大挑战，包括绿地减少、城市功能下降、环境污染加剧等。联合国于2016 年发布的《The new urban agenda》(即《新城市议程》)[1]中，建议将可持续发展纳入城市更新决策进程。城市更新是促进城市可持续发展的重要手段，为了更好地确保城市更新战略实施的有效性和适用性，许多学者对其进行了大量研究。现有研究主要是通过评估建筑和基础设施条件、土地利用效率、公共服务设施的可达性、综合区域利益、利益相关者的关系和社会文化，提出可持续的城市更新规划路径[2-4]。因此，制定可持续的城市更新战略对促进城市可持续发展具有重要意义。

碳达峰、碳中和目标的提出使中国进入了气候经济时代，迎来了兼具机遇和挑战的绿色变革。占地面积仅占全球土地面积约3%的城市地区的二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放总量的75%[5]，且随着城市化发展进程的加剧，这一比例将显著增加，低碳发展已成为城市实现可持续发展的新途径。然而，一个城市的整体可持续性必须取决于该城市每个组成单元的可持续性，这意味着可持续发展应融入城市的各个组成单元。因此，需要通过不同的城市更新战略对既有城市单元进行低碳改造，以进一步促进城市的可持续发展。

现有关于城市更新的低碳改造(下文简称为“低碳更新”)策略研究主要集中在工业园区及城市社区的低碳更新，其中，针对工业园区绿色发展的相关研究主要聚焦在生态工业园区的规划、环境管理的改进、工业共生和供应链网络的演变、基础设施的优化、经济环境绩效的评价等方面[6]；针对城市社区低碳更新的相关研究主要是从社区内的建筑、交通、电力能源、水资源、废物处理、社区环境及生活方式等方面展开[7]。到目前为止，针对城市公园低碳领域的相关研究仅局限于对城市公园内树木和土壤中碳储量的影响因素[8-9]，很少有针对城市公园低碳更新的相关研究。而公园作为城市重要的生态基础设施，其如何实现存量化的可持续更新成为现阶段低碳发展的重要议题。基于此，本文从碳减排和碳汇的角度，提出一种既有城市公园低碳更新的技术体系，并以广东省中山市某国家湿地公园为例，对所提出的技术体系进行验证。该技术体系不仅可以促进既有城市公园更新的有效实施，也可以促进城市向绿色、低碳、可持续方向发展。

1 既有城市公园低碳更新技术体系

低碳更新是指基于某一个碳排放控制目标而实施的改造，主要包括运用适宜性手段控制区域内的碳排放指标、综合各种手段提高区域内的碳汇功能、全面提高人类的低碳生活意识与生活方法等方面，其研究对象不仅针对建筑单体，还包括区域内的交通、设施、绿化等。而低碳更新技术体系则是针对控制区域内的研究对象搭建的多维度、多层次的低碳改造实施体系。

本文提出的既有城市公园低碳更新技术体系包括低碳建筑改造、低碳设施改造、生态系统碳汇、低碳管理4 个方面，下文进行详细介绍。

1.1 低碳建筑改造

根据中国建筑节能协会能耗专委会发布的《中国建筑能耗研究报告(2021)》，2019 年，中国建筑全过程的碳排放总量为49.97 亿t，占全国碳排放总量的50.6%，其中，建筑运行阶段的碳排放量占全国碳排放总量的21.6%。由此可见，既有建筑的节能改造仍然是城市低碳化转型的核心。考虑到既有建筑运行阶段的碳排放是公园碳排放的重要组成部分，必须着重削减这一组成部分的碳排放量，以促进整个公园的低碳发展。

1.1.1 被动式低碳建筑改造技术

被动式低碳建筑改造主要是依靠建筑自身结构设计来减少建筑内外有效热交换，无需安装环境调节设备。被动式低碳建筑改造主要包括围护结构保温隔热性能的优化、自然通风改造、建筑遮阳改造、被动式太阳能利用改造等，通过对既有建筑的综合低碳改造，从源头上降低既有建筑的运行能耗，从而大幅降低建筑运行阶段的碳排放量。

1.1.2 超高能效用能设备及系统

超高能效用能设备及系统包括超高能效用能设备和“光储直柔”新型能源系统两个方面。

1)超高能效用能设备。例如：提升空调能效等级，优化空调布局，采用适合公园小型办公建筑的“变制冷剂流量多联热泵分体式空调+集中新风系统”，并设置独立全热回收机组等；其照明控制系统采用高效灯源并设置调光面板，依据采光分析结果布置灯具，遵循“灯具阵列布置、单独控制”的原则来设置[10]。

2)“光储直柔”新型能源系统。在建筑表面引入新型光伏发电系统与储能设备，基于末端电气设备直流配电，打破了建筑电器向电网单向无序索取电能的现状，使建筑变为有序取电和可再生能源电力消纳方，实现需求侧响应、建筑电器可根据建筑用电对电网需求柔性可控的目的，从而构建“光伏发电+储能蓄电+直流供电+柔性用电”的新型能源系统，进而实现削峰填谷、降低建筑运行能耗的目的。

1.1.3 设备集成控制系统

设备集成控制系统是基于物联网和大数据对设备各个子系统的集成，以人机交互的方式进行数据采集及远程控制，实现设备管理与能源管理的可视化。设备集成控制系统主要包括供暖空调系统、配电照明系统、智能控制系统、能源管理系统、碳排放监测系统等，该系统在提高建筑运营管理效率的基础上实现了能耗的控制、预警及评价，进而降低了建筑运行阶段的碳排放量。

1.1.4 建筑可再生能源应用

与欧洲、美国等发达地区和国家不同，中国的能源结构高度依赖煤炭。随着未来电气化技术的进一步发展，发电方式将在能源绿色低碳转型过程中发挥更为重要的作用。目前既有城市公园内的能源使用所产生的大部分碳排放量都来自于公园内既有建筑的电力消耗，因此，研究区域应优化能源消耗结构，提高风能、太阳能、地热能等可再生能源的利用率，增加可再生能源在既有城市公园能源使用的比例。

1.2 低碳设施改造

1.2.1 公园内部交通网络改造

交通网络的低碳优化也是促进既有城市公园碳减排的重要组成部分，鼓励游客使用公共交通工具是实现城市低碳理念的重要途径。因此，公园园区内应大力推广电动观光车，以及集“顶棚发电+遮阳、广告载体+充电”于一体的光储充一体绿电车位，交通设施的电气化及可再生能源的利用将大幅减少由公园内部交通产生的碳排放量。

应根据公园园区面积大小、形状和主要功能分区，合理布置电动观光车及自行车租赁或停靠点，采用人车分流的形式，合理设置步行和自行车专用道，提升公园园区内绿色出行的可达性，同时合理规划公共交通网络，构建公园内部行人、自行车及公共交通的多元化交通网络。

1.2.2 公园配套设施改造

公园配套设施是游客完成游园体验必不可少的人工配套设施。配套设施的低碳化需要根据各种服务设施所承担的不同职能进行低碳化设计，主要从低碳运动设施及低碳服务设施两个方面进行改造。低碳运动设施主要包括智慧步道、陪跑互动屏、虚拟骑行设施等；低碳服务设施主要包括光伏广告座椅、智慧遮阳伞、智慧仿生树、智慧路灯等。

1.2.3 公园科普设施改造

城市公园兼具碳减排、碳汇和科普教育的功能，在其低碳更新中增设科普展馆、互动科普设施、智能垃圾分类科普设施等科普宣传点，通过游园路线搭建低碳科普宣传网络。通过低碳科普的方式可以将低碳相关知识生动、科学地展示给游客，既宣传普及了低碳知识，同时也能让低碳生活的方式渗透到每位游客的生活理念中，例如：节能电器的使用、废物回收处理等。

1.3 生态系统碳汇

城市公园的生态系统碳汇主要是通过增加生态系统的碳汇来提高碳封存能力，主要涉及土壤、绿地、湿地等方面，生态系统碳汇可以直接减少二氧化碳的排放，因此在既有城市公园低碳更新中应尽可能增加绿地面积，同时保持现有的景观区域。城市公园的生态系统碳汇可以从土壤碳汇、绿地碳汇及湿地碳汇3 个方面开展。

1.3.1 土壤碳汇

在全球碳循环中，土壤的碳储量是森林和其他植被碳储量的5 倍，是大气碳储量的3 倍。土壤中的有机碳循环包括植物封闭大气中二氧化碳的“碳输入”和微生物分解土壤中有机碳的“碳输出”两个环节。土壤中二氧化碳的“碳输入”包括大气传输、碳酸盐溶解和土壤水渗入曝气区；反向过程“碳输出”将释放二氧化碳，形成无机碳循环。通过提高既有城市公园中土壤肥力及常绿树木的比例，可以增加土壤中有机碳的储存量，从而进一步减少温室气体的排放。因此，提高既有城市公园中土壤的有机碳储存能力是碳减排的重要途径之一。

1.3.2 绿地碳汇

绿地是公园生态环境的重要组成部分，公园绿地承载着固碳释氧、降温增湿、雨水减排、净化大气、景观游憩等生态功能。公园绿地植物群落的固碳效益受植物种类、植物群落结构层次、郁闭度、平均胸径及群落密度等因素的影响，因此，应当遵循植物群落更新配置的原则，兼顾景观效果和固碳效益，优先从高固碳的树种、复层植物群落、高郁闭度、低胸径、高密度植物群落等方面来改善公园绿地区域的碳储量。

1.3.3 湿地碳汇

红树林和藻类在湿地公园中尤为常见，红树植物属于湿地木本植物群落，藻类属于水生植物，两者在净化水体、固碳储碳、维护生物多样性等方面均发挥了重要作用。

红树林和藻类通过光合作用吸收水体二氧化碳，增加生态系统碳汇，这一过程可以促进大气中二氧化碳向水体的扩散；同时，红树林和藻类具有碳储存可测性、栽培可控性、可净化水域等优点。因此，实施红树林、藻类的保护和养殖可以实现水体二氧化碳负排放，是实现湿地公园减少碳排放及增加碳汇的有效措施。

1.4 低碳管理

为了量化碳排放，从城市公园环境和功能需求的角度将城市公园的碳排放分解为3 个子系统，即建筑能源消耗系统、设施能源消耗系统、绿地碳汇系统。综合分析研究城市公园内的碳源，并基于排放系数法的碳排放核算模型计算城市公园的碳排放量。

排放系数法是由联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)于2006 年提出的用于核算碳排放量的定量核算方法。该方法通过结合来自排放源的活动数据与单位活动的相关碳排放或吸收情况来核算研究区域内的碳排放量，碳排放核算模型的计算式可表示为：

式中：CE为研究区域内的碳排放总量；CE,i为研究区域内各碳排放源i的碳排放量；CS,f为研究区域内各碳汇源f的碳排放量；AD,i、AD,f分别为研究区域内各碳排放源i和各碳汇源f的活动水平；EF,i、EF,f分别为研究区域内各碳排放源i和各碳汇源f的碳排放因子。

城市公园内各碳排放源或碳汇源的碳排放因子如表1 所示。

表1 城市公园内各碳排放源或各碳汇源的碳排放因子Table 1 Carbon emission factors of various carbon emission sources or carbon sink sources within urban parks

基于排放系数法的碳排放核算模型，搭建城市公园碳排放智慧监测管理平台，即通过能耗监测、碳排放监测、分析及核算等功能模块，对城市公园内部的碳排放及碳汇数据进行统计、分析、核算，并生成碳核算分析报告，以便掌握整个公园的碳排放水平，进而可为其节能降碳提供理论依据。

2 广东省中山市某国家湿地公园的低碳更新案例

2.1 低碳更新项目概况

广东省中山市某国家湿地公园位于广东省中山市，地理位置为22.583°N，113.35°E；该地区的年均太阳总辐射量为1330 kWh/m2，根据GB/T 37526—2019《太阳能资源评估方法》，其属于Ⅲ 类地区，即太阳能资源丰富地区。

该湿地公园低碳改造区域包括公园主入口管理用房、公园主入口综合用房、售票中心，以及管理中心前广场，改造区域位置效果图如图1所示。其中：公园主入口管理用房的建筑面积为793.6 m2，建筑基底面积为396.8 m2，为地上两层建筑，建筑高度为11.482 m；公园主入口综合用房的建筑面积为1000 m2，建筑基底面积为500 m2，为地上两层建筑，建筑高度为11.332 m；售票中心的建筑面积为502 m2，建筑基底面积为502 m2，为地上1 层建筑，建筑高度为7.982 m；管理中心前广场的面积约为2805.10 m2。

图1 广东省中山市某国家湿地公园的低碳改造区域位置效果图Fig. 1 Effect diagram of location of low-carbon transformation area in a national wetland park in Zhongshan City，Guangdong Province

该低碳更新项目在保持湿地公园现有绿化、水系及建筑风貌的基础上，主要从建筑用能和低碳设施两个方面入手，即进行低碳建筑能源系统改造和低碳设施改造，同时通过碳排放智慧监测管理平台实现对整个湿地公园园区的碳排放监测。

2.2 低碳建筑能源系统改造

在公园主入口管理用房的屋面新建了分布式光伏发电系统，在保持原建筑风貌的基础上，光伏组件优选三曲汉瓦(一种铜铟镓硒薄膜光伏组件)。综合考虑屋面铺装面积及整个湿地公园园区的用电量后，设计该屋面分布式光伏发电系统装机容量为30 kW。同时，该园区中还新建了采用常规单晶硅光伏组件的装机容量达35 kW 的观光车光伏车棚。整个湿地公园园区的光伏发电总装机容量达65 kW。

对该湿地公园进行建筑用能末端的直流化改造，构建基于“自发自用+储能”的新型园区低碳建筑能源系统。在该湿地公园低碳更新过程中，综合考虑负载用能情况及建设资金情况，创新采用“光储直柔”分布式直流微电网，以交/直流母线为中心，灵活接入屋面分布式光伏发电系统、储能系统等电源，以交/直流电形式为负载供电，实现“光伏发电+储能+负载+智能电网”技术的有机融合。“光储直柔”分布式直流微电网的系统拓扑图如图2 所示。图中：BMS 为电池管理系统。

搭建的“光储直柔”分布式直流微电网可以全面整合能源控制参量及能量信息，实现多种形式能源协调控制和综合能效管理，形成多点接入、网络共享、需求感知的交直流混合微电网，提高分布式电源的利用效率，降低能源损耗，更好地体现绿色低碳理念。

2.3 低碳设施改造

2.3.1 低碳交通网络改造

湿地公园在维护碳循环和保护生物多样性等方面，发挥了不可替代的重要作用，因此，湿地公园的低碳交通网络改造对湿地保护尤为重要。

在对广东省中山市某国家湿地公园进行低碳交通网络改造时，结合园区现有的交通网络情况，主要从光储充一体充电站及低碳步道两个方面进行低碳交通网络的搭建，具体的改造类目及情况如表2 所示。

表2 低碳交通网络改造的类目及情况Table 2 Category and situation of low-carbon transportation network renovation

2.3.2 低碳配套设施改造

湿地公园内的配套设施兼具游园服务及生态效益的功能。服务设施的低碳化建设既能为游客提供智慧化、低碳化的服务，也能在低碳科普推广及增强景观效果等方面起到非常重要的作用。

在对广东省中山市某国家湿地公园进行低碳配套设施改造时，主要引入光伏路灯、光伏仿生树、光伏广告座椅及智慧遮阳伞等低碳配套设施，具体的改造类目及情况如表3 所示。

表3 低碳配套设施改造的类目及情况Table 3 Category and situation of low-carbon supporting facilities renovation

2.3.3 低碳科普设施改造

相比于普通的城市公园，湿地公园是兼具物种及其栖息地保护、低碳游园和低碳科普功能的城市景观园区。通过科普设施实景展示的方式，将湿地公园的固碳释氧、碳排放及碳汇等相关知识生动科学地展现给游客，在科普低碳知识的同时也潜移默化地影响每个游客的低碳生活理念。

在对广东省中山市某国家湿地公园进行低碳科普设施改造时，主要打造了与湿地科普、低碳百科互动、植物碳汇科普、智能垃圾分类科普等相关的低碳科普设施，具体的改造类目及情况如表4 所示。

表4 低碳科普设施改造的类目及情况Table 4 Category and situation of low-carbon science popularization facility renovation

2.4 碳排放智慧监测管理平台

为实现对该国家湿地公园整个园区的碳排放监测，低碳更新项目定制化设计开发了一套碳排放智慧监测管理平台。该平台基于可视化建模技术，对光伏发电系统、储能系统、配电系统等进行模型构建，以“所见即所得”的交互式体验，打造公园碳排放监测管理全景大屏，并进行实时碳排放监测分析，对该湿地公园的能耗、碳汇及碳排放进行全场景量化分析，精准掌握湿地公园的碳排放水平。通过对能源数据进行统计、分析，为能源优化及节能减排措施的制定提供可视化数据支撑，实现“可视化交互+实时监测+碳核算”三位一体的碳排放管理。该平台具体的功能模块及应用价值如表5 所示。

表5 碳排放智慧监测管理平台的功能模块及应用价值Table 5 Functional modules and application value of carbon emission intelligent monitoring and management platform

2.5 效益分析

2.5.1 经济效益分析

广东省中山市某国家湿地公园的低碳更新项目中，公园主入口管理用房的屋面分布式光伏发电系统采用额定功率为30 W 的铜铟镓硒薄膜光伏组件，铺设面积为300 m2，装机容量为30 kW；观光车光伏车棚采用额定功率为540 W 的常规单晶硅光伏组件，铺设面积约为168 m2(10个车位)，装机容量为35 kW；整个园区的光伏发电总装机容量达65 kW。光伏地砖、光伏路灯、光伏广告座椅的发电量过小且仅用于满足自身用电需求，因此不纳入核算。

经计算，在25 年运营期内，屋面分布式光伏发电系统的年均发电量为32120.54 kWh，观光车光伏车棚的年均发电量为37047.77 kWh；整个园区光伏发电的年均总发电量达6.92 万kWh，25 年光伏发电的总发电量约达172.92 万kWh。按照园区内平均电价为0.9 元/kWh 进行测算，整个园区光伏发电的年均收益约为6.23 万元，25 年光伏发电的总收益约为155.63 万元。

2.5.2 环境效益分析

基于排放系数法，对该湿地公园可再生能源项目运营期内的环境效益进行分析，其中，二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氮化物(NOx)、粉尘的排放系数分别为2.600、0.022、0.010、0.017。该湿地公园可再生能源项目运营期内的环境效益测算结果如表6 所示。

表6 该湿地公园可再生能源项目运营期内的环境效益测算结果Table 6 Calculation results of environmental benefits during operation period of renewable energy project in the wetland park

3 结论与展望

既有城市公园的低碳更新是促进低碳城市建设的基础载体，为了推动城市公园向绿色、低碳、可持续的方向发展，本文从碳减排和碳汇的角度，提出了一种多维度、多层次的既有城市公园低碳更新技术体系，集低碳建筑、低碳设施及生态系统碳汇于一体，并以广东省中山市某国家湿地公园为例，对该技术体系进行了验证。该技术体系在广东省中山市某国家湿地公园低碳更新项目的成功实践，验证了其可以根据既有城市公园更新的需求与多维低碳更新技术体系进行灵活适配，同时可以通过碳排放智慧监测管理平台对园区的能源消耗和生态系统碳汇进行碳排放监测，通过量化分析园区的碳排放和碳汇，最终实现对整个公园碳排放的精细化管理。本文研究结果可以为类似的既有城市公园低碳更新项目提供参考，但需要说明的是，考虑到更新决策过程涉及到许多利益相关者，本研究后续将进一步研究决策过程中参与者之间的关系及其对决策的影响程度，从而可以有效协调各方的利益，保证项目的顺利实施。