生态城市规划论文

设计回归自然——生态城市设计之路

专业： 城市规划

学生姓名： 邢永军

指导教师： 彭立华

完成时间：2016年5月21日

设计回归自然——低碳城市设计之路

摘要:随着人类工业化进程的不断推进，化石能源的过度利用使得大量温室气体进入大气中，这给自然界的碳循环带来了巨大的影响，导致全球气候变暖、海平面上升等问题的出现。在这样的背景下，低碳城市设计理念应运而生，本文将探究如何从实际出发将低碳生态的城市发展理念融入到城市设计中，以实现城市的和谐健康发展。

关键词：碳循环 低碳 城市设计

一、自然界的碳循环

碳循环，是指碳元素在自

然界的循环状态，生物圈中的

碳循环主要表现在绿色植物从

空气中吸收二氧化碳，经光合

作用转化为葡萄糖，并放出氧

气（O2）。

自然界碳循环的基本过程

如下：大气中的二氧化碳（CO2）

被陆地和海洋中的植物吸收,

然后通过生物或地质过程以及

人类活动，又以二氧化碳的形式返回大气中。

地球上最大的两个碳库是岩石圈和化石燃料，含碳量约占地球上碳总量的99.9%。这两个库中的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作用。地球上还有三个碳库：大气圈库、水圈库和生物库。这三个库中的碳在生物和无机环境之间迅速交换,容量小而活跃，实际上起着交换库的作

用。在大气中,二氧化碳是含碳的主要气体，

也是碳参与物质循环的主要形式。在生物库中,

森林是碳的主要吸收者，它固定的碳相当于其

他植被类型的2倍。森林又是生物库中碳的主

要贮存者,贮存量大约为4.82×1011 t,

相当于

大气含碳量的2/3。植物、可光合作用的微生物通过光合作用从大气中吸收碳的速率，与通过生物的呼吸作用将碳释放到大气中的速率大体相等,因此，大气中二氧化碳的含量在受到人类活动干扰以前是相当稳定的。考虑到大自然火灾，植物等造成的碳固化要多于动物等造成的碳气化。石油煤炭是碳固化过剩的一种副产品。

二、人类活动对碳循环的影响

碳是地球上生命有机体的关键成分,主要分布在四个主要的库中:大气、海洋、陆地以及沉积物和岩石圏，其中沉积物和岩石圏中的碳含量约占地球总碳含量的99%(图3)，但该碳库循环速度缓慢，周转时间可达几百万年。然而，自1760年工业革命以来,人类以前所未有的速度和强度在全球尺度上对地球系统产生着巨大影响。其后果之一是大气C02浓度成指数增长,从1850年的285 ppm上升到2013年的397ppm,增长约39% 。本世纪以来,伴随全球城市化的加速和人口的膨胀,人类驱动的全球碳生物地球化学循环(如原有碳流强度,路径以及碳库大小)的改变对全球变化的影响成为科学家和政府关注的焦点之一。

人类活动对碳循环产生最大的影响是直接通过燃烧化石燃料和水泥制造，改变土地利用方式将大量原本储存在岩石圏和土壤圏的碳大量地释放进入大气，释放的CO2约有一半存留在大气中从而使大气C02浓度增加(图3)。这不仅增加了碳释放的途径(如化石燃料燃

烧),而且还改变原有碳释放

的强度与礙库的大小(如土壤

扰动带来异养呼吸增加,减少

土壤碳库)。此外，人类对自

然生态系统或农业生态系统

资源的利用消费和建造新的

系统也会改变原有自然生态系

统的碳流路径和强度，甚至概念区域和全球尺度碳流和碳库。如大量收获的生物质通过贸易圈引发碳在全球表面的水平位移,被人和家禽家畜利用最后经呼吸作用产生C02源。人类使用的木质林产品碳储存大约占全世界森林总碳汇的8%，并在城市里形成新的碳库，如家具和建筑。又如人类赖以生产的城市在其形成、构建和成长过程中的很多方面(富裕程度,技术和人口密度)会影响化石燃料的碳释放量及其强度。

三、设计回归自然——低碳为导向的城市设计

3.1低碳城市概念

低碳城市发展是指城市在经济高速发展的前提下，保持能源消耗和二氧化碳排放处于较低水平。低碳城市，就是在实行低碳经济，包括低碳生产和低碳消费，建立资源节约型、环境友好型社会，建设一个良性的可持续的能源生态体系。

目前全球各地的城市容纳了世界总人口的一半以上，所排放的温室气体占到总量的75%。城市对资源的需求和碳覆盖领域的扩张都远远超出其所能承载的界限,严重影响了它的继续发展及其在当地和全球环境、经济中的作用。然而,尽管高密度的城市环境和高频率的各色活动使城市对资源有巨大的需求,它们仍承担着发展低碳经济的重任。人口的密集,居民的聚居,

各种商业和产业活动使之比低

密度地区更能有效地控制人均资源占有量以及能耗。因此,在政策制定、落实方面,有着强大区域性权力的大城市,其政治和制度的架构使之在发展低碳经济方面有着更大的优势，这也是发展“低碳城市”的意义所在。

3.2以低碳为导向的城市设计策略

3.2.1降低固定碳源排放

3.2.1.1 减少建筑能耗

现代城市往往在经济高速发展的同时,受困于“热岛”“干岛”“湿岛”“雨岛”“混浊岛”等不良气候环境的影响,这些都会造成城市整体能量效率的下降。因此，以低碳为导向的城市设计通过增加被动调节的机会和可能性,抑制主动调节带来的建筑能耗与碳排放,就必须关注于城市微气候的优化这就要求城市设计结合当地气候参数,尽可能应用被动低能耗技术,对城市的物理环境进行优化,以促进建筑的被动调节和碳减排,尽管这并不能从根本上完全取代建筑中的照明、取暖、制冷设备与系统,也无法全面实现城市建筑环境中良好的物理条件,但可以提高极端气候条件下建筑环境的舒适性,或将建筑一年中不需要耗能设备的时间延长,即使在使用设备的情况下也会降低传统能耗。以被动调节取代主动调节,实际上是通过城市的环境蓄能和有效利用来抵消一部分建筑能耗。具体策略包括:塑造良好的热环境以减少建筑主动调节,塑造良好的风环境促进自然通风和降温,塑造良好的光环境增加建筑被动调节,以及塑造良好的声环境和空气环境以减少建筑主动调节等。

3.2.1.2 低碳能源规划

低碳城市的规划必须考虑到必要的能源结构，能源的合理利用能够职称城市的低碳化发展。目前以太阳能与风能作为能源是不少低碳模式的首选，国外发达国家的的低碳能源发展已经比较成熟，我国城市可以结合自身的实际来引入这些能源供给模式，例如海上风电、太阳能建筑等等。

3.2.2 降低移动碳源排放

3.2.2.1 优化出行方式

交通出行方式是人们从出发地到目的地,选择不同运输工具(或步行),经 由不同线路,出行目的各异(工作、购物、娱乐等)的移动方式主要包括小汽车(含出租车)、公共交通(巴士与轨道)和慢行交通(步行与自行车)等三种类型。从能源消耗的角度来看,以小汽车每百公里的人均能耗为1计算,公共汽车是8.4%,无轨电车为4.4%,有轨电车为3.4%,地铁为5%。可见,以低碳为导向的城市设计应遵循的出行方式序列模式为:步行一自行车一公共交通一小汽车。

中国城市普遍呈现出的公交出行比率降低、小汽车增长迅速、自行车出行方式逐年下降的趋势,从某种程度上说明了交通系统正处于高碳化的运行状态。究其原因,一为小汽车保有量的快速增长,二是非机动车交通的道路资源被快速发展的小汽车大量压缩,三是公共交通的发展水平有限"有研究表明,一旦居民从使用公共交通系统转向私人交通工具,那么几乎会永久地减少公共交通工具的使用,这种转向具有单向性。

以低碳为导向的城市设计应该深入挖掘城市依赖小汽车的原因,并尽量满足人们在不同出行目的下的潜在需求,以良好的城市空间环境促进人们选择低 碳排放的出行模式,具体低碳对策则包括:以增加非机动出行机会为诱导的慢 行网络设置,以鼓励“公交+步行”出行选择为基础的土地开发模式,以限制私 家车出行为目标的空间资源配置等三方面。

3.2.2.2 缩短出行距离

世界银行对选取的8个中国样本城市进行调查后发现,出行率和出行距离日益延长是中国交通能源消费的另一大推动因素。究其原因,一是市场经济转型引发城市大幅扩展；二是单位制度解体导致出行发生点(住房)和吸引点(工作地、购物和服务场所等)之间距离拉大,出行次数的增加以及出行距离的延长往往使人们需要采用机动化的交通方式；三是开发市场催生的众多休闲场所(包括大型购物和娱乐区)也导致了出行需求的增长,从而呈现出粗放式的土地资源和能源利用方式。可见,根据人们的出行需求特征,优化城市空间形态和土地使用方式,调节活动场所设置和建筑功能组织模式,以降低机动车的总出行里程,是降低交通系统能源消耗和碳排放的关键。

如果说优化出行方式是对能源使用结构的调节,那么缩短出行里程则可以实现能源使用总量的削减。综合来看,总出行里程与人们使用机动车的单次出行距

离、出行时间以及出行频率相关。因此,对于给定规模的城市而言,以低碳为导向的城市设计在缩短机动车出行里程方面的主要对策包括:以减少长距离出行需求为目的的城市用地布局；以促进短路径出行为原则的土地混合使用；以减少远距离物资运输需求为目的的产业布局；以及以畅通和简捷为原则的路网布局结构等四个方面。

3.2.3 降低过程碳源排放

3.2.3.1 提高能源利用效率

(l)促进小区域能源的循环再利用。除对可再生能源的利用机会进行挖掘外,以低碳为导向的城市设计还关注区域内“三次能源”的循环再利用,通过提高能源利用效率而间接地实现碳减排"所谓“三次能源”是指电、热、气等二次能源经建筑和工业利用后所转换成的能源形式"如日本札幌市利用每天从地铁排出的低温废热为区域采暖提供廉价能源；斯德哥尔摩市利用回收废水中的热提供全市45%的集中供热；瑞典北部的基律纳利用采矿工业过剩的热能,为城市体育运动场地和家庭供热；瑞典吕勒奥则将工业废热储存起来作为热源来融化卡拉斯机场跑道上的冰雪,在获得良好的环境同时又增加了安全性等等。相关的措施和对策不仅仅包括热电联产联供、废热收集等,还包括就地产能、供给、收集和再利用。

(2)以分布式能源供给方式减少传输损耗。从能源的组织和分配方式上看,传统的大电网集中供能一一全分散用能；大电网集中供能一一片区集中供冷供热甚至全分散的“1对1”模式,在资源利用效率和效益上来看,都是不经济的。英国的有关研究认为,针对低碳城市的建设,不同的城市空间类型需有相应的规划应对和侧重。可见,只有结合不同的区位和土地利用特征、不同的人口数量和建筑类型而进行相应的配套设施设计,才能充分实现低损耗、高效率、低碳排放的能源使用目标。

3.2.3.2 水资源回收利用

目前,世界上大多数城市的水消费采用的都是线性模式:一方面,为满足人口增长和城市扩张的需求,大量淡水资源被开采输送到城市；另一方面,城市产生的污水和雨水则被认为是无用之物,经由管道排走。这种模式使城市几乎丧失了它的流域特征,违背了自然界水循环的原则,导致缺水、洪涝和水质污染等一系列城

市水问题的出现,同时,水资源的开采!输送和再处理过程也产生了大量的能耗和温室气体排放。

因此,以低碳为导向的城市设计必须关注空间环境生态系统中的水循环过程,通过活用作为地域自给水源的雨水、排水等方法来实现地域内的水平衡,从而达到开发水源、减少下水的目的。以水资源循环利用为导向的城市设计实践对调节微气候促进城市环境和建筑冷却降温、促进区域植被系统生长而扩大碳汇都有着至关重要的作用,具体来看,主要低碳对策包括与景观设计相结合的雨洪利用以及与生活方式相融合的中水回用两方面。

3.2.3.3 废弃物回收利用

作为城市生产和生活的代谢产物之一,废弃物在运输和处理过程中会产生大量能耗和温室气体排放,尤其伴随经济增长和市民生活水平的提高,废物处在数量上的增长必然为城市的节能减排带来压力,如北京在1990一1003年间,由固 体废弃物处理所导致的碳排放量增长了2.8倍。此外,废弃物如果处理不当,还可能渗入土壤对地下水造成威胁。反之,如果对废弃物妥善加以再利用,也可以收到经济、社会和环境的多重效益。因此,以低碳为导向的城市设计将城市的创造与废弃物的产生视为一个自然过程的整体,通过规划设计来合理布局城市和社区的废弃物分类回收、处理和利用的相关设施,通过制度设计来引导人们可持续性地对待废弃物,从而尽量减少过程能耗与温室气体排放。

3.2.4促进自然碳汇碳清除

3.2.4.1 保护恢复生态功能

借助城市设计手段,对城市森林碳汇空间进行保护与恢复,大体包括两种途径:一是与城市公园林地和道路林网的建设相结合。如伦敦城市外围规划有宽lokm、以森林为主的绿色生态保护圈,总面积达到Z000kmZ以上;外围规划有宽lokm、以森林为主的绿色

Z000kmZ以上;法国巴黎城

生态保护圈,总面积达到郊有4片著名的森林,即枫丹白露林、法显叶林、鲍罗尼林以及稍远的诺曼底地区橡林,分别达到2.5一IOOkm宽的空间尺度。二是结合城市废弃地和垃圾场的再利用而进行,主要涉及对土壤和水文地质条件的生态修复、根据固碳潜力选择本地树种并对植被群落进行空间格局和时间格局的设计等复杂过程。建成后的林地可以提供就业机会和舒适环境,改善微气候并减少空气污染;收获的木材可以作为生物质能源为小型社区发电站提供燃料;通过生物替代品,可以大大节省矿物燃料,还可以改善生物多样性和生态的丰富性,更好地遮蔽城市地区并吸收城市活动所排放出的C02,可谓迈向低碳城市过程中最为经济合有效的手段之一"在此方面,巴西里约热内卢于2005年开始的“市区植被和森林重建计划”,以线与面的空间结构,对城市周边及市内绿地的连通性进行整合,很好地诊释了森林碳汇空间在低碳城市建设中的作用。

3.2.4.2 整合完善绿地格局

以低碳为导向的城市设计通过划定基本碳汇空间以及保护主要碳汇类型,可以确保城市或区域的碳储量维持在相对稳定和安全的状态,在此基础上,还需要结合人工要素和自然要素的特征而进行体系化的设计,以扩大绿地系统在碳清除上的综合功效(见表1）。综合来看,以低碳为导向的城市设计在绿地格局的整合与完善过程中,主要是从人工要素与自然要素“共生”的角度,对碳汇系统的水平与垂直格局进行设计。

具体设计分为以下几个方面：一是碳汇网络与城市空间的整合。碳汇网络可以认为是由碳汇基质、碳汇斑块与碳汇廊道通过相互联系和相互作用而形成的,具有综合性碳清除功能的绿地系统空间。将城市绿地系统与城市公共空间整合形成完善的城市碳汇网有利于促进城市碳汇清除。二是碳汇系统垂直格局的完善。与森林、农业、水体等主要碳汇类型不同,城市空间三维层面的绿化除直接固碳释氧外,还具有更为多元的碳清除功能。三维绿化对建筑内部温度的调节效果显著,有研究指出,建筑的屋顶绿化、墙体绿化能使建筑物在夏天的能耗降低30%左右,这将大大减少建筑在使用过程中的C02排放;其次,三维绿化可以为用地紧张

的城市提供农业生产的平台,如在高密度发展的新加坡,科学家已经在设想充分利用城市屋面来种植农作物,如此会大大降低食品在远距离运输过程中的能源消耗和温室气体排放;最后,三维绿化对城市温度的调节也会起到重要作用。可见,立体绿化对低碳城市建设而言意义同样重要,以低碳为导向的城市设计应该充分利用城市空间的水平与垂直基面以扩大碳汇面积和密度,从而构筑立体化的城市生态安全格局。

四、低碳生态城市案例介绍

4.1 马斯达尔生态城概况

马斯达尔生态城是阿拉伯联合酋长国

首都阿布扎比郊区兴建的一座新城，同时

也是世界上首个达到零碳、零废弃物标准

的城市，被称为“沙漠中的绿色乌托邦”。

城市用地面积640公顷，规划容纳人口5

万人，是一个国际性高科技创新城市，预

计2016年开发完成。马斯达尔生态城建设

遵循以下十项原则：零碳、零废弃物、可持续交通、可持续材料、可持续食品、可持续水资源管理、生境与野生生物保育、文化与遗产保护、平等与公平贸易以及健康与福祉。

4.2 低碳生态城建设策略

马尔达斯围绕实现真正意义上的生态城市建设目标，积极引导城市紧凑发展、建设绿色交通体系、兴建绿色建筑、提升可再生能源利用水平、引入国际先进数字模拟技术、政府强力支持来实现零碳、零废弃物的标准。

4.2.1城市总体布局

马斯达尔生态城呈方形布局，每条边

的长度达到近1英里（约合1.6公里），

建在一个23英尺（约合7米）高的地基上

以“捕获”沙漠的强风。总体布局通过一

个带状公园将城市的两部分结合起来，针

对其特殊的地理位置、气候和建筑特征，

城市的建设大量融入最新的技术，这些技

术可被推广至其他任何一个致力于探索生

态城市发展的国家。在马斯达尔市6.4

平

方公里的范围内，将有30%的土地被划做住宅用地；24%为办公用地；13%的商业用地；6%的学校用地；19%为交通用地和8%文化与娱乐用地。

马斯达尔生态城的建筑将全部采取东北朝西南的走向兴建，以获得最佳采光及蔽荫效果。建筑的高度控制在五层楼以下；街道限制在三公尺宽、七十公尺长，以维持微气候稳定并促进空气流通。城市内将通过大量的植栽与水景设施以及风塔设施将凉风引入城内以达到降温目的。

4.2.2 建筑设计

全城以坐东北朝西南的走向兴建，以获得最佳采光及蔽荫效果，屋舍仿传统阿拉伯式建筑，兴建高度（除了马斯达尔总部外）以五层楼为限。 马斯达尔总部

马斯达尔总部大楼设计以零浪费、零碳排放为目标。建筑面积135000㎡，共7层，作为马斯达尔生态城的核心建筑，不仅仅有完善的内部功能，具备办公、商业、零售以及文化的功能，强调实用性，建筑顶部11个风锥的集合实现良好的自然通风以及冷却的功能[10]；而且与外部环境联系紧密，设计注重结合阿拉伯本土建筑的特征、内部庭院以及绿化种植形成和谐的视觉感受；更重要的是，该建筑在利用新能源和新材料方面已处于领先地位，一个巨大的顶棚一个巨大的覆盖顶棚提供了天然的遮蔽，形成了世界上最大的光伏和太阳能板阵列一体化的建筑。这使得可以收获一年运行所需能量的103%。一个郁郁葱葱的空中花园在顶层也创建了一个微气候，其中包括水景和种植当地植物的宁静社区空间。同时，高热惰性的外部玻璃幕墙阻断太阳能热量的进入，同时保证视野的通透。热工技术在该项目的应用还包括利用地下管道降低外界空气的温度，并提供地下行人通道以连接公共园林空间与公共交通系统。

马斯达尔学院

马斯达尔与麻省理工学院合作建立马斯达尔科技学（MIST），为可再生能源技术提供一个研究与实验基地。马斯达尔学院被定位为“世界上第一所专注研究清洁能源的高等院校”，以推动创新理念、发展关键技术为主要目标。马斯达尔学院一期建筑主要包括宿舍楼、图书馆、实验楼、风塔等。特点：a.建筑形式和建筑材料都体现了被动策略和高技术的融合；b.注重传统要素和现代技术的融合；c.因地制宜，高效节能。

4.2.3 交通体系

通过一条便捷轻轨联系着外

界，可以很方便地到达阿布扎比

及其周边地区。人们驾车抵达马

斯达尔之后，汽车不允许进入城市，城市内部街道完全无化石燃料车辆运行。城市内部出行主要以个人捷运系统（Personnal Rapid Transit)和步行为主。 个人快捷系统由磁力传感器引导，利用太阳能光伏发电提供电力，人们可以任意编程到达指定的地方，如果出现障碍会自动停车。为了满足每日15万人次的运输需求，个人捷运系统将提供2500组车辆，实现200公尺内有交通工具，方便人们快捷高效的出行。同时人性化的出行设计，可以方便人们在200米内就能够抵达基本的设施，具备遮荫系统的街道和庭院使得步行环境更加吸引人。 4.2.4 能源资源的利用

零碳城市意味着100%使用可再生能源，不使用石油和汽车，实现以太阳能为主导的能源自给自足，还包括风能、氢气发电，与其他相似规模的城市进行比较，马斯达尔将减少75%的石化燃料

耗量、300%的用水、400%的废弃物，的消无论是在施工过程还是建成之后都实现零碳，同时还限制零关税、零税收、零资本流动。环绕这座城市的是风能与光电农场、试验场和发电站，

在这些设施的支持下，

马斯达尔城得以成为一座完全能源自给的城市。

4.2.4.1电力

施工过程他们已经建成了中东地区最大的太阳能电场来为这个市提供电力，以此来抵消施工过程中不可避免的因柴油

燃烧和水泥烧制所产生的二氧化碳排放。

所有的建筑都按照绿色建筑设计，力求降

低电力需求。马斯达尔总部是一个典型例

子，通过使用太阳能光伏板、自然遮荫与

采光、重质型被动式太阳能阻热、太阳能

制冷、风力发电、地板送风统等技术，总

部大楼的建筑能耗变为-3%，甚至可将多余的电力输送给其他建筑使用。为了便于施工形成微气候，在施工过程中，先建天蓬和风塔，为其余建筑遮阳。有的项目通过反光镜把光集中在一个圆形区域再反射到中央塔，塔再把光线向下集中1米宽的光束，用来产生热量并驱动发电机。

预计每日全城电力仅需200百万瓦，为现有同等规模城市的四分之一(约800百万瓦)。马斯达尔建成后，将全部采用可再生能源，包括垃圾发电（8%）、真空管集热（15%）、聚光太阳能发电（35%)和光伏发电（42%）。

4.2.4.2水资源

为了降低对用水的需求，每天只需约8000立方公尺的水量，远低于传统每天2万立方公尺的用水量，实现用水量降到相同规模城市的2“5。通过废水循环利用和对海水进行除盐处理，实现居民用水，制造饮用水的海水淡化厂将以太阳能做为电力来源。实行雨水回收和废水再利用，废水经过简单处理用于工业用水、清洗建筑和街道并用于制冷，雨水用于灌溉。另外，储水盒用水将会更有效率，包括在所有的居民住房中安装节水龙头、洗衣机、两段式冲水马桶等。

4.2.4.3垃圾处理

短期内透过回收再利用的机制，减少98%废弃物的产生，预计2020年达成零废弃物、零掩埋的目标。所有的垃圾经地下真空管道系统收集与分类，其中50%将会被回收利用，33%用于垃圾发电，剩余17%的生物垃圾将采取生物降解的方式处置，最终实现零废弃物。

4.2.5 新技术

设计过程中，除了应用传统的分析和经验，建筑师还使用数字模拟技术，以期能够做出科学的决策。例如建筑师借助风环境、光环境、能耗等各种环境技术模拟软件，确定方案设计各个层面的合理形式。数字模拟技术给设计的实用性、科学性提供了极大的保障。

参考文献

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