引言
随着气候变化问题日益严峻,低碳化发展已成为 国际社会共同追求的目标。 “双碳”目标的提出为中国低碳转型描绘了宏伟蓝图,也为全球气候治理注入了新动能。中国 85%以上的碳排放来自城市。城市作为能源产品最大消费地、交通运输主要集中地和碳排放主要空间策源地,是人类生活零碳转型的重要载体。因此,作为减少温室气体累积、促进低碳转型的核心,城市是实现我国碳中和愿景的主战场。
随着我国城市化进程的快速推进,城市在建设发展过程中遭遇土地资源紧张、交通堵塞、环境污染等社会问题,其可持续发展面临严峻考验。大量人口的聚集是城市化过程中的主要特征,也是城市化进程中伴随而来的关键问题。人口密集度的激增导致了城市土地资源的供需矛盾更加突出,进一步引发了城市空间布局不合理的问题,出现如交通拥堵、绿化“饥荒”等“城市病”难题。同时,碳排放增加和植被碳汇减少加剧了城市环境污染,制约城市的低碳化发展。
地下空间具有封闭性、稳定性等特点。 通过将道路交通系统、市政、综合体等城市基础设施建设于地下,既能提高城市土地资源利用率,增加城市绿化面积,缓解交通拥堵,减少 CO2排放,也能破除陆地碳汇增容面临的发展空间瓶颈,加强 CO2的吸收固定;因此,城市地下空间减排增汇潜力巨大。“十四五” 规划明确了开发利用地下空间对推动城市向内涵提升式转变、提高城市综合承载能力的重要意义,提出大力发展城市地下空间。
城市地下空间的开发利用已获得国内外学者的广泛关注。中国城市地下空间建设始于20世纪50年代,主要用于备战和备荒的防空地下室,较欧美、日本等发达国家起步晚。伴随着我国经济社会的快速发展,以地铁为主导的地下轨道交通、以综合管廊为主导的地下市政快速推进,城市地下空间开发利用呈现出规模化的发展态势。“十三五”期间,中国城市地下空间新增建筑面积达 13. 3 亿 m2。近年来,雄安新区、粤港澳大湾区“地下城” 等地下超级工程的开发建设,体现了我国在城市地下空间开发利用上的巨大投入。 地下空间资源开发利用已经成为推进我国城市低碳转型的重要着力点,是促进国土空间资源复合利用构建低碳城市的重要支撑。然而,当前地下空间实现低碳乃至零碳发展仍面临一系列挑战,包括技术障碍、政策法规限制、缺乏标准和评估体系等问题。因此,本文总结城市地下空间开发利用助力低碳发展的现状,梳理地下空间低碳技术研究与应用;分析城市地下空间低碳发展面临的问题,并提出低碳发展的对策建议;提出“零碳地下城”构想,聚焦城市地下空间开发的低碳乃至零碳,从城市层面助力“双碳”目标的实现。
1城市地下空间开发利用助力低碳发展现状
作为一种战略性国土资源,城市地下空间具有广阔的发展与应用前景。相较于地表空间,地下空间具备多重优势,如封闭性、热学和力学的稳定性,以及对腐蚀、地震、台风、辐射、电磁干扰等的防护性。21世纪以来,中国新型城镇化进程持续推动地下空间的发展,科学有效地开发利用地下空间是解决土地资源紧张、缓解交通拥堵、拓展城市空间的有效途径,也是实现人类社会和经济可持续发展、建设资源节约型和环境友好型社会的重要途径,在集约利用土地、构建高效便捷的紧凑型城市方面具有重要作用。
截至 2020 年底,中国城市地下空间累计建设面积达 24 亿m2。2020年,中国城市地下空间新增建筑面积约2. 59 亿 m2 ,同比增长0.78%,新增地下空间建筑面积(含轨道交通)占同期城市建筑竣工面积约 22%。
1.1地下交通基础设施建设助力城市土地集约利用
据生态环境部统计,每年我国交通拥堵带来的经济损失高达2500 亿元。交通行业碳排放量约占全国碳排放总量的10.2%,其中道路交通在交通全行业碳排放中的占比约为 80%。 建设具备高运量、卓越安全性和节能环保等特点的城市地下轨道交通已成为缓解城市交通拥堵和大气污染问题的有效方式,是城市地下空间开发的必然选择。在全球经济向低碳模式转变以及我国“双碳”目标提出的大背景下,发展安全、高效、绿色、智能的城市轨道交通系统已成为未来公共交通发展的主流方向。
近几年我国地下轨道交通规模变化如图 1 所示。
截至 2022 年底,中国共有 55 个城市开通城市轨道交通,运营线路总长度达 10291.95 km,其中地下线路为8012. 85 km,占比达 77. 85%,城市地下轨道交通总体规模和发展速度稳步提高。2022 年,北京地下轨道交通年客运量达 216. 78 亿人次·km,占北京全市公共交通客运总量的54. 19% ,参考《北京市低碳出行碳减排方法学(试行版)》,相比于其他公共交通出行方式,城市地下轨道交通每年可节约 55. 06万t碳排放。
图 1中国地下轨道交通总里程
1994 年,美国波士顿进行了城市高架路的拆除和地下路改建,该措施导致波士顿空气中的CO质量分数下降了12%,城市空气质量得到显著改善,同时还增加了大量城市绿地和开放空间。为缓解交通压力并释放地表空间,国内各大城市纷纷加快了城市地下快速路工程的建设。上海市政府采用井字型通道方案,建设了长达 26 km的地下快速路;南京已建成玄武湖隧道、城东干道、内环线多条地下公路 ,南京市城市隧道已达 46 座,总长共 55505 m;北京规划建设四纵两横的地下道路网。随着我国地下快速路建设的快速发展,其有望成为缓解城市空气污染、解决城市交通拥堵问题的重要助力。
近年来,在小街区、密路网、地块高强度开发的背景下,城市综合开发片区停车系统的规划建设已成为地面交通路网的有效补充。 我国部分已建地下停车系统统计数据如表 1 所示。地下停车系统通过充分挖掘地下交通资源,适度减少地面车辆,营造既有活力又适宜步行的地面环境,实现了道路空间的集约利用,并重点解决了核心区域的地块进出和停车共享问题。
表 1 国内部分已建地下停车系统统计
很多城市极具创新性地在老城区绿地广场、学校操场等地下建设地下停车场,不仅减轻了老城区停车和交通压力,也实现了地面开敞用地的集约利用,体现了地面功能和停车功能的多功能复合发展理念。 同时,国内许多城市建设了地下沉井式停车设施,可极大程度地利用城市中心区零碎边角料地块,释放停车空间。
1.2地下市政基础设施建设助力增加地面碳汇效益
利用地下空间的特点,将适宜建设在地下的基础设施地下化,既能够腾出地面空间、营造绿地生态环境、增加碳汇,又能够满足城市基础设施的需求。 如将污水处理、垃圾处理及转运站和变电站等城市基础设施地下化。 随着城市低碳化改造需求不断提升,市中心对于绿地的需求增加,市政场站作为城市中心占地面积大但不可或缺的设施,其地下化改造的需求和潜力巨大。
《河北雄安新区规划纲要》规定,新城建设空间仅占 30%,而 60% ~ 70%的城市空间为绿色生态空间。
雄安新区的规划方针将向世界指明未来城市的建设方向。 我国已在雄安新区建立地下市政场站示范区,变电站、水厂、市政管线等配套设施放置于地下并与周边环境融合, 为城市地下市政开发探索积累了宝贵经验。
《长三角生态绿色一体化发展示范区总体方案》强调,一体化示范区要生态筑底、绿色发展,先行启动区蓝绿空间占比不低于 75%,长三角绿色一体化发展示范区将引领城市群的建设方向。 中国计划到 2030 年底,每10 座城市中有 7 座城区土地绿化率达到 40%。
1.3地下建筑物节能助力城市地下空间低碳开发
2022 年,住房和城乡建设部印发《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》,明确了提高新建建筑节能水平以及加强既有建筑节能绿色改造等重点任务。
建筑作为能源关系的核心,在节约能源方面,传统方法通常涉及提高主动设备诸如机械和电气系统的能源效率。 然而,如果在提高系统效率之前采用被动策略减少负荷,则可以实现更显著的能源节约。 此外,合理的建筑与通风设计同样是降低建筑能耗的最佳方法之一。
有关研究测量了中国徐州某地下街道的能源使用情况,结论显示: 照明和通风分别消耗了45%和44%的能源,占总能耗的 90%左右。 这表明照明和通风在地下建筑节能中极为重要,地下建筑在减少通风和照明能源消耗方面存在较大潜力。 此外,与传统建筑使用电锅炉供暖和燃料锅炉供暖相比,地源热泵系统可以分别节省大约 67%和 50%的能源 。 同时,地热能与太阳能系统等其他能源结合使用将具备更高的效率。
1.4地热能利用助力城市能源绿色转型
2017年1月,中国政府发布了首个地热能发展专项规划《地热能开发利用“十三五”规划(2016—2020年)》,将地热能发展提升到国家能源战略的高度。我国浅层地热能潜力巨大,含深层水热资源和干热岩资源在内共占世界储量的 7. 9%,年可用性达 30 600 亿 GW·h,具备极大的可再生能源消纳能力 。据计算,到 2060年,仅 5% ~15%的风能和太阳能即可通过动力加热技术存储 80 万~320 万 GW·h 的地热能。
其中, 主要用于供热/制冷的浅层地热能潜力为53 万~210万 GW·h,而深层可再生地热系统用于热电联产的潜力为27万~110 万 GW·h。
近年来,我国地热能的开发规模和利用都有了明显的提高。河北省地热能资源总量居全国第二位,已探明的地热储量换算成标准煤后总量达1751.28 亿t。仅平原区地热水的可开采总量达14.04亿m3,实际年开采量为5000多万m3。截至 2022 年底,地热供暖面积达 3864 万 m2 。其中雄县地热资源分布面广, 其地热集中供暖面积已占城区集中供暖面积的 85%,每年可减少12万t CO2排放。上海自然博物馆地下建筑面积为 32958 m2 ,采用地源热泵系统,利用地温能实现建筑制冷和供暖,每年可节约 117.7t标准煤,减少195.5 t CO2排放 某过江隧道采用连续墙埋管及热泵机组提取地热能,实现隧道附近建筑的制冷与供暖,年节约电能 258.7万 kW·h 。 除此之外, 北京大兴国际机场、上海中心大厦裙楼和成都熊猫基地地下展馆等国内重大工程均利用地热能实现了节能减排。 但目前地热能与风能、太阳能的有效整合和多能互补尚未实现,能源梯级化和循环利用程度较低。
因此,未来应重视地源热泵技术在供热和制冷领域的发展,扩大浅层地热利用试点。
1.5地下储能、输能助力城市能源高效利用
地下储能、输能以城市地下空间为基础,通过智能 管理和优化调度,实现能源的高效储存与输送,为城市 能源高效利用提供了一种可行的途径。城市能源 系统通常面临能源供需不平衡、季节性波动等问题,而 地下储能系统借助地下空间将多余的能源储存起来, 以应对需求高峰或能源供应不足的情况。 这种储能方 式具有较高的能量密度和较低的能量损失,使得城市 能够更加灵活地应对复杂的能源变化。 此外,地下储 能系统通过管道、井口等输送方式,将储存在地下的能 源有效地输送到需求点,实现了能源在城市内的高效 传递。 这种输能方式不仅减小了能源传输过程中的能 量损耗,也提高了城市能源系统的可靠性。 中国地下含水层储热的实践可追溯至 20 世纪 60 年代,上海以“冬灌夏用”为主,辅以“夏灌冬用”,展开 了大规模的含水层储热活动,此举季节性地下水蓄能 以调控纺织厂的温湿度为目的。截至 1984 年,包括北京、天津、杭州、西安、南昌、郑州、石家庄在内的多 个城市兴建了冷库井约 500 口,冬季灌水量达 3000万 m3 ; 夏季蓄热井150 口,灌水量为 55 万 m3 。这些井被广泛应用于各类工厂和民建筑的温度调节、冷却以及洗涤水的处理。 然而,由于水资源浪费和 供给不足,地下含水层储热规模逐年减小。目前浅层储热技术已经取得显著成果。截至 2020 年底,全球已建成超过2800个浅层储热系统,主要分布在欧洲, 尤其是荷兰。当前,地下储热的研究正逐步向高温深层以及热泵、太阳能、余热等混合系统的方向发展。天津、吉林等地区已经启动了相关试点项目。
综上所述,我国地下空间开发已初具规模,城市地下空间的开发利用可为多种碳减排、碳增汇技术提供充足且稳定的空间支撑,展现出极大的开发价值与潜力。 然而,地下空间的规划建设必须从规模的增速转向效益的提升,采用低碳、高效、长寿命地下结构建造, 最大程度地减少建设过程中的资源浪费,确保基础设施全生命周期的低碳化是未来地下空间发展的必由之路。
2城市地下空间开发利用的低碳化技术研究与应用
城市地下空间是城市建设的重要组成部分,其低碳发展有助于推动城市高质量安全发展。 然而,随着我国城市地下空间开发利用规模的不断扩大, 各类地下空间建设、运营期产生的碳排放和能耗问题日益突出,针对当前地下基础设施的碳排放污染和能耗问题,已有相关研究开展了部分试点应用以降低排放和能耗。 从全生命周期考虑,目前地下空间低碳发展主要从技术层面开展低碳节能减排研究。 这些研究一方面集中于发展低碳设计、建造与运维技术,另一方面主要集中于发展可再生能源利用与地下储能技术。 当前我国地下空间开发利用典型低碳技术的应用情况、经济效益、环境效益与技术发展成熟度如表 2 所示。
表 2当前我国地下空间开发利用典型低碳技术
2.1低碳设计、建造与运维技术
2.1.1低碳设计技术
地下空间低碳设计涉及社会环境效益评估、交通系统优化及能源高效利用。文献建立了基于地理信息系统( geographic information system, GIS) 的数据和方法框架,聚焦城市地下空间建设带来的社会环境效益的可视化和空间分析,以青岛市南区为例,在40 年的评估期内,城市地下空间计划使用产生的社会环境效益总价值达到1760.4亿元, 远超估算的429.3亿元总建设成本。文献运用 VISSIM 模拟仿真方法建立地下停车场的实物模型,通过对模型的分析验证,证明了采用“单向为主,主要通道双行”的组织形式可以提高地下停车场的效率。 文献建立人流组织引导模型,优化停车场分区设计,缩短用户在地下停车场的行车时间,从而提高停车效率并实现节能减排。文献以南京某典型地下空间为例,采用多源方法量化地下空间出行影响因素,讨论了各因素与客流密度分布的关系,通过优化地下空间设计,减少 CO2 排放,提高能源效率,从而提高出行质量和效率。
2.1.2低碳建造技术
地下空间低碳建造方面的降碳措施主要体现在可再生建材、建造设备和建造方式上。 建筑材料的碳排放量约有 75%来源于建材生产阶段。文献对未来深圳地铁地下隧道及车站建设使用再生混凝土和再生钢材的碳排放水平进行评估预测: 到 2035 年可减排约 4.2%。对于建造设备,建造地下空间的机械设备大部分仍是燃油设备,电动机械应用占比不高,明挖法使用设备的燃油量可达 40 ~ 67. 9 kg /m2 ,建造设备的电动化、可再生能源化能有效降低地下空间建造的碳排放。文献基于绿色建造理念,总结了综合管廊建设的6大绿色建造技术,致力于节约能源资源并减少废弃物排放。 以装配式建筑为代表的新型建筑结构形式,以其高效、环保、可持续的特性,在地下空间绿色建造领域具有独特的竞争优势。长春地铁 2号线袁家店站是我国首个装配式地下车站,装配式地下车站在北京地铁、青岛地铁、哈尔滨地铁、济南地铁等相继推广应用。1 座标准式装配车站可节省木材约 800 m3 ,钢材约 800 t,施工废弃量减少 50%,碳减排量约 4158 t,比常规车站减少 20%碳排放。
2.1.3低碳运行技术
在地下空间低碳运行方面,地下建筑的通风照明和地下交通的牵引供电是地下空间能耗的主要部分,也是节能降碳的主要方向。文献针对某大型地下停车场通风性能差、风机能耗高等问题,对机械通风系统进行了重新设计和改进。济南地铁1号线采用空调变频技术降低能耗,每年节约通风能耗约 30%。
文献研究既有地下车库的照明和控制,对于面积为2237m2的地下车库,采用照明控制系统和 LED 灯管后节电率可达 50%,年碳减排量达7136 kg,每年节省 12 593 kg 标准煤。 深圳地铁在运营开通前,通过推广发光二极管照明灯具、变频空调、无触点逻辑控制单元,以及全碳化硅牵引逆变器和永磁同步电机等降低设备能耗,并采用列车节能运行模式和灵活编组技术等降低运行能耗,通过优化列车时间表,能够节约4% ~34. 5%的运行能耗。
回收再生制动能量是降低地下轨道交通牵引能耗的主要途径。轨道交通主要采用逆变回馈和储能2种技术。逆变回馈型装置能将列车制动时注入直流牵引网中的制动能量逆变回馈至交流电网,但易产生谐波问题; 储能型装置将飞轮、超级电容等储能设备与变流装置结合,能在列车制动时吸收再生制动能量、列车启动时释放能量供列车使用,提高能量利用率。近年来,储能型再生制动能量回收技术已在北京、青岛等城市轨道交通中获得应用,以超级电容器、飞轮储能为代表的再生制动能量回收装置的推广应用可节约 15%的牵引能耗,线网年节电量达 5000万 kW·h,年碳减排量约 5 万 t。
2.2可再生能源利用与地下储能技术
2.2.1可再生能源利用
地热能、太阳能等可再生能源的开发利用能够有效助力地下空间的低碳发展。 传统地源热泵技术的应用使得地热能得到了一定程度的开发。 能源地下结构将地源热泵与地下结构物相结合,进一步提高了地热资源的应用效益。能源地下结构的常见应用形式主要包括能源桩(能源锚杆)、能源隧道及能源地下连续墙等。文献使用有限元分析软件模拟能源锚杆运行状况,通过设置不同土壤热物性参数、埋管流体速度、供水温度及钻孔填充材料,分析了对能源锚杆换热性能的影响。 文献利用 COMSOL 软件对新八达岭长城站的能源隧道热响应试验进行了数值分析与适用性评价。 文献分析了不同埋管方式、墙体临空面边界条件及热膨胀系数比值对能源地下连续墙体弯矩的影响。 能源桩是最早实现应用的能源地下结构。2004 年天津梅江综合办公楼是能源桩首次得到实际应用的案例。此后,在上海、南京、宁波、温州等地先后有 20 多个项目应用了能源桩技术。 能源隧道也已在我国的新京张铁路清华园隧道、内蒙古博牙高速扎敦河隧道实现应用,达到了防冻保暖的效果。 2009 年能源地下连续墙在上海实现应用,但由于其力学及变形特性复杂,目前少有推广。 我国现有部分地热能利用项目情况如表 3 所示。
表3 我国现有部分地热能利用项目统计
光伏与地铁建设的创新结合应用是近年来的又一发展趋势。 目前,在地铁沿线高架站、车辆段等建筑屋面,通过光伏发电为地铁系统提供清洁电能是一种主流的解决方案。 文献研究城市轨道交通沿线高架站、车辆段等建筑屋面可利用太阳能进行光伏发电的范围,采用光伏建筑一体化技术,为城市轨道交通系统提供清洁电能。 我国已有多个城市开展了城市轨道交通光伏技术应用探索。 2014 年,上海地铁川杨河基地光伏发电项目投入使用,实现了国内地铁光伏应用零的突破。随后,石家庄、青岛先后建成并启用地铁光伏发电项目。 我国现有部分地铁光伏项目及其节能减排水平如表 4 所示。
表 4我国现有部分地铁光伏项目统计
2.2.2地下储能技术
国家能源局、科学技术部联合编制的《“十四五” 能源领域科技创新规划》提出“开展高温含水层储能和中深层岩土储能关键技术研究,实现余热废热的地下储能”“推广含水层储能、岩土储能等跨季节地下储热技术利用” 等地下含水层储能技术攻关重点任务。地下储能工程的发展,一方面得益于地下空间建造技术的进步; 另一方面受日益增长的储能需求的驱动,特别适合建设大规模物理储能系统。地下储能工程包括地下抽水储能工程、地下压缩空气储能工程、地下重力储能工程、地下储热工程、地下燃料储存工程等。 其中,地下抽水储能是一种以地下水库为下库、地面水库为上库的储能技术,下库埋深为 100~1 500 m,且发电厂房也位于地下;发电厂房和地下库可以利用已有的废弃地下空间(如矿井、油井、矿坑等)建设。目前,国外例如日本已经建设了于1965 年竣工的 Shiroyama 电站和于 1998 年在冲绳建成的基于海水抽水蓄能的电站等地下储能项目。
此外,在储能产业规模化发展的关键时期,地下储能因其高储存效率和高储存容量等优点,是长期热能存储的首选。 我国建筑采暖热负荷占国内能源消费总量的 20%左右,利用地下储热工程存储太阳热及各类余热,并用于冬季建筑采暖,是实现碳减排的重要途径之一。 文献研究了地下含水层储能的方式及其原理,分析了地下 ATES 系统在数值模拟试验等方面的研究进展,深刻剖析了在实际工程应用中关键技术和瓶颈问题,进一步对比了地下 ATES 系统热工性能和经济环保效益评价标准,展望了新型电力系统与地下 ATES 相结合的未来。
近年来,我国在地下储热工程示范与建设方面取得了一系列成就。其中,我国最大的土壤储热工程是赤峰 50 万m3 地埋管土壤储热示范工程。 该工程将太阳能与低品位工业余热相结合,通过跨季节储热实现 “夏热冬用”,用于城市集中供热。
地下储能技术通过实现能量的跨时间存储,在减少火电调峰、提高电网运行效率、清洁化供热供暖等方面发挥巨大作用,从而间接减少了温室气体排放,达到节能减排的效果。
综上所述,尽管地下空间低碳技术在设计、建造、运行等方面已有一定程度的开发与应用,但仍存在技术分散、缺乏统一标准和规范以及应用不一致性的问题。 目前,现有技术在不同领域和项目中应用较为零散,尚未形成完整的技术体系。 这一局面导致了低碳技术的开发和应用难以形成协同效应,限制了减排效果的最大化。 此外,国内地下储能技术领域也已经展开相关研究与应用,预计将成为未来的研究热点和发展趋势。 综合考虑,地下空间减排效果虽显有限,但具备较大的减排潜力,需要进一步加强技术研发与标准规范化工作,以实现地下空间低碳发展的有效推进。
3城市地下空间低碳发展的现状问题与对策建议
3.1城市地下空间低碳发展问题
由于城市地下空间开发利用存在规划与建设统筹协调不足、施工建造相对粗放、运维管理理念落后等问题,在地下空间开发利用全生命周期中仍存在较大的碳排放。
前期建设阶段,主要存在规划滞后、开发碎片化、无序化、缺乏与地表建筑相协调等问题。 此外,由于地下空间具有开发不可逆的特性,无序开发引起的地下空间错位将导致地下空间资源的严重浪费,因此采用回填重建等方式将大幅增加经济成本,并产生额外的碳排放。
施工建造阶段,由于开发过程缺乏低碳发展理念,施工建设地下基础设施时多采用高碳排放建筑材料,如混凝土、水泥、钢板等;施工用电多来自火力发电为主的大电网,间接碳排放量大。
运行维护阶段,碳排主要集中在地下空间基础设施的通风、照明等电力消耗。 从建筑全生命周期碳足迹评价结果来看,运行阶段的碳排放占总碳排放量的一半以上 ,如何缓解运行期间的碳排放问题是解决地下空间碳排放问题的重点。 按照《深圳市低碳公共出行碳普惠方法学》测算 ,乘坐地铁每人每千米需要排放 CO2 34.5g,我国地铁 2022年全年总客运周转量 1 560 亿人次·km,需排放 CO2 538.20万 t,碳排放量巨大。 由此可见,我国城市地下空间开发利用在全生命周期中存在较大碳排,地下空间的低碳减排技术亟待研究。
3.1.1地下空间规划缺乏综合实施保障低碳体系
目前,我国城市地下空间开发利用多以人防工程、地下交通、综合管廊等为主进行规划建设,缺乏综合性规划引导和实施性规划保障。 往往造成不同地下空间设施主体之间、地下地上设施主体之间各自布局开发, 分散化、碎片化的冒进式建设方式造成地下空间资源的严重浪费,为后期系统化、高效开发带来高额代价, 不利于城市地下空间集约立体、绿色低碳、可持续发展。我国也有少部分地区已开展多主体地下基础设施建设,但由于早期地下空间规划设计不受重视,使得地下基础设施之间协调缺位,不同地下基础设施主体占位冲突。 如地铁建造过程中往往未考虑预留城市市政管线、通信电缆等位置空间,导致铺设地下综合管线时存在绕线、改建等问题,大幅增加了城市地下空间建设碳排放,地下基础设施的进一步低碳建设面临严峻挑战。 同时,当前地下交通、地下市政等均位于城市浅层地下空间,且缺乏面向绿色低碳的统一分层规划方案, 导致城市地下空间可利用空间有限,阻碍城市地下空间的低碳化开发,造成深层地下空间资源的严重浪费。
3.1.2地下空间低碳发展政策体系不完善
受历史因素等影响,我国地下空间开发利用政策以及规划设计规范存在严重滞后,法律政策以地下空间专项规划为主体,仅有少量的地下空间详细规划政策体系,且各单行法之间存在不协调、不衔接等问题,统一协调、全面完整的法律体系缺失。 “十三五”以来颁布实施的规划建设政策文件逐年增加,初步构建城市地下空间规划建设管理体系。 然而,我国尚未形成完备的地下空间低碳发展法律体系,上位法律缺失,不同单行法存在难以协调等问题,地下空间建设发展管理体系仍存在明显不足,建设标准严重落后于城市地下空间的发展速度。 除开发规模外,地下空间低碳开发政策缺失,尚未有针对地下空间低碳化改造的政策支持和资金补助,导致项目工程开发为节约成本,较少采用低碳化建材、绿色建造等低碳化施工技术,造成资源和能源的大量浪费,碳排放问题严重。地下空间开发建设缺乏顶层设计和理论指导,规划严重滞后于建设实践,不利于地下空间有序合理开发。
3.1.3地下空间低碳化开发利用技术水平尚待提高
我国地域辽阔,城市地下空间地质情况多变,且地下空间开发区域多位于城市中心,建设环境复杂。 而当前我国地下空间建设施工水平与城市地下空间低碳化开发利用需求不匹配,地下空间低碳发展面临技术挑战。 多元地质情况下,现有地下工程勘察技术精度难以指导城市深部地下空间开发设计和施工,深层地下空间建设的环境控制技术亟需发展;同时,用于深层地下空间开发的主要设备和施工工法欠缺、低碳建造技术体系亟需完善。地下基础设施是地下工程正常运营的关键,但现有地下工程结构的低碳化全生命周期设计和养护技术研究仍处于起步阶段。 地下结构性能演化难以评估,地下结构状态不易检测且地下结构损坏修复困难,使得地下基础设施的低碳维护和更新面临难题。 此外,城市地下空间低碳化发展涉及地下市政、交通、综合体等多个系统的海量数据,其信息化建设面临数据资源分散、数据共享不足、统计标准不一致、沟通不畅等挑战。 目前,应用于地下空间开发利用的信息化技术存在地质模型缺失、数据采集缺失、分析功能缺失、文件兼容困难等问题。
3.2城市地下空间低碳发展对策建议
地下空间建设是城市的“里子”,加快促进地下空间低碳化开发利用是转变城市粗放发展方式、解决 “城市病”问题的重要途径。 当前我国城市地下空间资源开发利用在法治管理、系统规划、高效运营及施工技术等方面与发达国家仍有一定差距。 历经几十年的发展,欧美、日本等发达国家建立了立体化拓展城市空间为导向的城市地下空间开发利用格局,形成了地下轨道交通导向、全功能全深度立体化开发、紧凑型集约化开发及功能设施置于地下的低碳环保型开发利用系列模式, 积累了丰富的城市地下空间开发经验和教训。
参考借鉴国外先进理念和成功经验可以助力我国城市地下空间的低碳可持续开发利用。 针对目前地下空间低碳化发展面临的挑战,提出以下 3 个方面的地下空间低碳发展对策建议。
3.2.1促进城市地下空间综合化一体化低碳开发利用
针对既有地下空间开发不合理造成的设备品质低、资源浪费、系统性不强等问题,亟需采取切实有效的低碳措施。日本在地下空间开发规模、开发用途等方面均已成为世界上地下空间利用最为充分的国家,形成了由地下轨道交通、地下综合体、地下排水及深层地下空间开发组成的全功能、全深度的立体化开发利用模式,提高了城市资源的空间利用效益。未来我国可在地下空间建设方向上借鉴这种低碳模式,采用新型地下基础设施的一体化开发,充分利用地下空间资源,规划建设多主体深层地下基础设施。在开展地下基础设施建设开发工作之前,应对地下空间资源进行全面探查,以确保规划建设的低碳性和可持续性。 在地下空间开发规划过程中,应全面研究地面设施、地下基础设施、地下储能系统的低碳耦合方式,促进 3 类主体的分层立体化开发,实现地上、地下设施协调互补、相互促进的目标。 同时,应充分考虑深层地下空间的可预留性,为未来进一步低碳开发保留优质地下空间,以实现可持续的城市地下空间建设和发展。
3.2.2 完善城市地下空间低碳开发政策法规与管理体系
坚持规划先行、政策引领是促进地下空间低碳开发的重要保证。 目前,为实现双碳目标,2022 年我国住建部颁布《“十四五”建筑业发展规划》 《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》 等多项政策,引领构建城市地面建筑向智能建造与新型建筑工业化协同发展不断迈进,加快了绿色建筑方式的推行。 与地面建筑低碳发展类似,推动地下空间低碳发展也离不开科学合理的政策体系引导。为解决地下空间各主体开发建设存在的问题,需要政策制定者做好顶层设计,健全完善地下基础设施低碳化、一体化、立体化、分层化开发的法律体系。 明确地下空间低碳建设总体任务、地下基础设施工程建设总体框架、地下基础设施低碳开发模式、地下基础设施各主体协同机制、各层次地下基础设施主体优先权等,引导各级政府、企业、社会开发建设地下空间的低碳发展方向。针对地下空间低碳化改造存在的问题,政策制定要起到助推示范作用。 健全完善地下基础设施低碳化建设相关文件,加强绿色建材、智能建造等绿色施工的应用,推动地下基础设施碳减排、碳吸收等工作的开展。 同时,政策也要注重底层逻辑,顺应地下基础设施开发内在趋势,建立健全地下空间低碳发展管理体系。因地制宜规范地下基础设施低碳建设逻辑,明确地下基础设施建设各行业、各部门协同方式。 在理顺各单位综合管理体系的基础上,建立地下基础设施建设全生命周期统一管理模式,监管地下空间基础设施全生命周期碳排放,规范参与单位行为。
3.2.3 加强城市地下空间低碳技术研发应用
技术发展是引领城市地下空间低碳开发的关键, 美国芝加哥通过建设地下管网数字地图平台,存储和显示地下关键基础设施的信息,从而实现智慧型地下空间开发, 为地下空间的低碳化发展提供技术支撑。面对我国城市地下空间低碳化发展新趋势, 亟需开展配套低碳技术研发应用工作。城市地下空间的低碳化开发利用涉及隧道、结构、电气、防护和环境等多个学科专业知识,在理论研究与技术应用方面需要整合多种资源,通过学科交叉融合形成面向城市地下空间低碳开发的理论体系和关键技术。积极研究并应用集约型、环境友好型的低碳建造技术,研发适用于城市密集区地下空间建设开发的低碳材料和装备,形成体系化施工工艺。
通过结合新建综合管廊、地下轨道交通等地下基 础设施重大开发项目,研究探索地铁车站非开挖、综合 管廊非开挖、地下道路非开挖等技术的低碳化应用。 同时,研发可视化、智能化的地下基础设施监测评估技术,考虑周边环境变化影响与地下基础设施维护更替 需求,开发地下结构低碳化一体化周期设计和养护技 术。 此外,加强城市地下空间开发综合信息平台建设,实现建筑信息模型 ( building information modeling, BIM)、地理信息系统(GIS)、数字孪生( digital twin, DT)、人工智能( artificial intelligence, AI) 等技术的结合应用,通过可视化、信息化、数字化手段助力城市地下空间的低碳化发展。 如在地下空间开发设计阶段通过数字技术进行精确的地下建筑模拟和仿真,充分考虑建筑材料、结构、地下环境等因素,优化隔热、隔音、通风等设计,从而最大程度地减少能源消耗;在地下建筑中使用传感器和物联网技术,实时监测能源使用情况、空气质量和温度等参数,为智能能源管理提供数据支持,辅助实现能源的精准控制和优化。
4“零碳地下城”构想
为应对气候变化问题并推动城市低碳发展,“零碳”的概念被提出并得到广泛的研究和应用。 “ 零碳”在低碳的基础上,进一步加强对能耗和碳排放的限制和管理,实现净零碳排放。 目前已有针对不同场景建设的零碳空间,如零碳工业园区、零碳办公园区和零碳社区等,但在系统设计、运营管理上,与“零碳地下城” 还存在一定差异。 “零碳地下城” 应满足以下要求:
1)以地下空间为基础的全空间范围内净碳排放 为零。 这一要求贯穿“零碳地下城”的全生命周期,即 零碳的建造过程、零碳的能源供应和零碳的运行方式。
2)整个地下空间的运行能够满足经济节约、安全 稳定的要求。 一方面,“零碳地下城”需要合理充分地 调配所有可调节资源; 另一方面,必须确保在正常情 况下的稳定运行以及在极端事件情况下的韧性支撑。
4.1“零碳地下城”系统架构
基于“零碳地下城”的定义,提出“零碳地下城”系 统框架,如图2所示,包括了地下综合体、地下综合管廊和地铁等地下基础设施,引入了光伏发电系统、地下储能系统和地热能系统等能源系统,并加强地上和地下的能源互补,提高资源利用水平。 在减碳的基础上,集成负碳技术,实现地下空间的“零碳”目标。
图 2 “零碳地下城”系统框架
4.1.1地下基础设施
地下基础设施以地下综合体为主体,作为地下空间商业、办公、交通等的主要活动区域,在提高土地利用效率、完善城市功能上起到了关键作用。 地下综合管廊是承担电力、燃气、通信等重要功能的地下基础设施,是服务于城市地上与地下各种设施的关键通道。 地铁与地下综合体在空间上是耦合的,地下综合体包含地铁车站结构,且地铁车站基坑一般比周围基坑深一层。 地下基础设施分类、分层建设,形成有序管理、协调运行的建设格局,有利于提升城市地下基础设施的节能减排效益。
4.1.2地下储能系统
地下储能系统是实现地下空间多能融合和节能运行的重要设施,与光伏发电系统、地热能系统、地铁、地下综合体等都有能量耦合。 此外,考虑到储能系统的物理性质和运行环境要求,以及地下空间具有封闭、稳定和一定的防护性,将储能系统置于地下空间是较为合适的选择。
地下储能系统主要有以下 3 个应用场景: 1)可再生能源平抑和消纳、地下空间的电力支撑和地铁再生制动能量回收。 地下储能系统主要消纳来自光伏发电系统的富余电力,是清洁电力从地上转移到地下的关键媒介,并且平抑光伏出力的短时波动,提高电能质量。 2)地下储能系统可进行大规模容量的充放电,为地下基础设施,包括地下综合体、地铁车站、地下停车场等提供电力,支撑地下电力系统长时间尺度电力电量供需平衡,提高系统的安全性。 3)地下储能系统参与到地铁再生制动能量回收利用中,在车辆制动时,时间短、功率大的制动能量被储能系统吸收,在车辆启动时,存储的制动能量为车辆牵引提供动力,减小了牵引网电压的波动,提高地铁牵引用能效率。 基于以上应用场景,地下储能系统需满足多时间尺度配合、多能量密度互补的性能要求,在技术上,混合储能是实现这一要求的重要路径。
4.1.3光伏发电系统
光伏发电系统是“零碳地下城” 清洁电力的来源之一。光伏发电系统具有节能环保、节省输电设备、保护和节约土地、灵活配置发电容量的优势,可以因地制宜推动城市分布式光伏发展。 城市分布式光伏发电建设采 用 光 伏 建 筑 一 体 化 系 统 ( building integrated photovoltaic, BIPV),将光伏组件作为建材,具有节约用地和节能环保的优点。对于建筑应用场景,BIPV 成为建筑物本身的一部分,例如光伏幕墙、光伏遮阳板、光伏屋面等。 建筑光伏发电系统可以就近为建筑供电,也可以将富余的电量反馈至城市电网或由地下储能系统消纳。 对于地铁应用场景,由于地铁建设规模大、辐射范围广,可在沿线高架站、车辆段等建筑屋顶安装 BIPV,直接为地铁提供清洁电力。 同时,无法及时消纳的电力也可以并网或存储到地下储能系统。 然而,光伏发电具有随机性和间歇性,储能规模也需要考虑其经济性和安全性的约束,单一的清洁电力来源难以满足地下空间稳定可靠的供电需求。
4.1.4地热能开发利用系统
地热是一种清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全稳定的优质可再生能源。 凭借地下空间的区位特点和资源禀赋开发利用地热能,具有巨大优势和重要意义。 地热能开发利用有 2 种形式: 一是 25 ℃ 以下的浅层地热能,用于供暖制冷;二是高温地热能,用于发电。浅层地热能供热系统采用较为成熟的地源热泵技术,通过循环液在闭式循环管路中流动将土壤中的热量取出利用。 地铁隧道、地下综合管廊和地下综合体的连续墙及结构底板都可作为地源侧换热管敷设载体。 经换热系统提取的地热能除了就近向地下综合体、地下车站等建筑供暖制冷外,还向地上建筑提供热能。高温地热能发电系统采用应用广泛的双工质循环发电技术,利用地下热能加热低沸点有机工质,产生气压推动汽轮机发电。 地热能发电连续稳定,不受气候影响,可作为地下空间的基荷电源,为地下综合体和地铁等负荷供电,是地下空间的主要电力来源。 这部分电力不与地下储能系统直接相连,一方面是地热能发电足够稳定,另一方面是为了节约储能资源,充分发挥储能的灵活调节能力。
4.1.5碳捕集与封存技术
为实现零碳运行目标,“零碳地下城”还集成了碳捕集与封存(carbon capture and storage, CCS)技术,包括捕集、运输和封存 3 个步骤。 考虑空间限制和适用范围,在捕集阶段采用燃烧后捕集方式,即在燃烧排放的烟气中捕集 CO2 ,并采用化学吸收法(利用酸碱性吸收)和物理吸收法(变温或变压吸附)进行 CO2分离。
在运输阶段,管道是最经济的运输方式,通过管道将捕集的CO2运输到合适的地点进行封存。在封存阶段, 采用较为成熟的地质封存,将超临界状态(气态及液态的混合体)的 CO2 注入油田、气田、咸水层或无法开采的煤矿等地质结构中。
4. 2 “零碳地下城”运行模式
基于提出的“零碳地下城” 系统架构,“零碳地下城”运行模式将协调“零碳地下城”的各组成部分,实现系统零碳运行目标。 系统运行模式按照生命周期内的不同阶段,分为建造模式和运行模式。
在建造模式中,地下基础设施和能源系统尚不完备,建筑光伏可以为电动施工机械提供清洁电力。 通过选择低碳建筑材料、采用本地材料、循环使用和再生建筑材料、进行建筑材料的碳足迹评估、遵循并符合可持续建筑认证标准等策略的综合应用,可以有效减少地下基础设施建设过程中和使用阶段的碳排放。 此外,地铁光伏也可将富余电力上网,通过城市电网输送到用户侧。 在此阶段中,主要的电力来源仍为城市电网,但随着地下能源系统的逐步建立,将逐渐减少对城市电网电力的依赖。在运行模式中,地下能源系统,尤其是地下储能系统为“低碳地下城”提供了更多灵活的运行方式。 建筑光伏和地铁光伏仍可以为地下基础设施,如地下综合体供电,作为地下空间电力的重要补充。 地下储能系统将提高可再生能源消纳比例,稳定电力能源供给。
此外,地下储能系统参与地铁制动能量回收,提升再生制动能量回收水平,助力地铁低碳节能运行。 地热发电系统作为基荷电源,通过开发利用高温地热能,为地下综合体、地铁等地下设施供能。 浅层地热能则直接为地上建筑和地下综合体供暖制冷。在以上模式的运行过程中,只涉及到系统的减碳,还需要采取进一步的措施实现零碳。 首先,对地上设施和地下设施产生的 CO2 ,以及空气中的 CO2 ,通过CCS 技术进行捕集、运输和封存。 通过封存比排放量更多的 CO2 ,以抵消其他场景下的 CO2 排放,如“零碳地下城” 的建造阶段。 至此已经实现了零碳运行目标,但地质封存的 CO2 还可进行转化利用,这属于“零碳地下城”的延伸效益。
4.3“零碳地下城”效益分析
本文所提出的“零碳地下城”,能够有效促进电、热、光等能源的高效利用,充分发挥储能系统调节潜力,保障地下基础设施持续能源供给,促进地下空间工程经济效益、环境效益与社会效益的提升。
在经济效益方面,“零碳地下城”能够利用电储能双向灵活调节特性,调节负荷出力,在电价低谷期储存电能,并在电价高峰期使用储存的电能供电,能有效降低地下基础设施运营成本;热储能设施可利用太阳能、地热能等热能为地下基础设施供暖,减少对矿物燃料依赖,降低供热成本。 同时,地下基础设施以及地下储能的一体化开发布局能够合理高效地利用地下空间资源,促进地下空间的健康开发,避免了因粗放式、碎片化开发带来的额外修复重建等高额费用。 此外,相比于配置于地表的储能系统,地下储能系统能够节约地表空间,提高系统可靠性的同时降低建设的土地成本,提高系统的经济效益。 “零碳地下城”经济效益主要从成本费用和收益 2 方面进行评价,各级指标如表 5所示。
表 5“零碳地下城”经济效益指标
在环境效益方面,“零碳地下城”中能源的供给不依赖于化石能源,而是通过多种可再生能源的利用来实现。 这种做法不仅有助于降低碳排放,还能够保证能源的安全稳定供给。 此外,“零碳地下城”能够依托丰富的地下空间资源实现能源的大规模储存。 电能的大规模储存可以平抑电网波动,缓解高比例新能源渗透带来的电能质量差、运行可靠性低等问题,从而提高电网新能源渗透比例,为电网清洁低碳转型提供技术支撑。 同时,地热能和太阳能的存储与利用弥补了能源供需时空分布不平衡,提高综合能源利用效率,减少对化石燃料的依赖,能够有效降低城市生态环境污染。“零碳地下城”环境效益主要从碳减排、碳增汇、噪声隔绝 3 个方面进行评价,各级指标如表 6 所示。
表 6 “零碳地下城”环境效益指标
在社会效益方面,“零碳地下城” 能够保证地下基础设施电、热的应急安全供应,提高地下基础设施的供能可靠性,保障地下基础设施的安全稳定运行,从而提高社会的用能满意度。 此外,地下基础设施的一体化合理开发避免了因地下基础设施重建造成的路面封锁等问题,进而提高城市居民生活满意度。同时,地下空间的快速健康发展能够节约地表生态空间,使得城市的生态环境更加和谐,从而促进城市的可持续发展。 通过节约地表空间,城市可以更好 地规划生态综合体、生态公园等项目,进一步发挥地表生态潜力,从而提高居民生活的健康指数与幸福水平,为建设美丽社会做出积极贡献。 “ 零碳地下城”社会效益主要从资源效益、防灾效益 2 方面进行评价,各级指标如表 7 所示。
表 7“零碳地下城”社会效益指标
5 结论与展望
地下空间的快速发展为我国实现“双碳” 目标提 供了新的解决途径,但由于地下空间初期发展不协调、低碳发展政策失位等问题,地下基础设施发展中暴露出较为严重的碳排放问题,如何缓解乃至消除地下空间发展的碳排放问题亟待解决。 为此,本文首先总结了地下空间建设助力城市低碳发展的现状,并且梳理了地下空间低碳技术研究与应用情况;其次,分析了城市地下空间低碳发展面临的问题,并提出了对策建议;最后,提出了“零碳地下城”构想,强调了地下基础设施与可再生能源、储能设施的耦合运行模式,与以往研究相比更加注重地下空间的低碳化发展路径。
本文面向地下空间碳排放问题提出了一种“零碳地下城”构想,通过依托可再生能源、储能设施,充分发挥地下基础设施的发展潜力,实现碳的零排放乃至负排放。 本文工作能够为未来地下基础设施建设开发提供一定的借鉴,进一步探索挖掘多主体地下基础设施与可再生能源、储能等资源的一体化开发,促进可再生能源、储能设施与地下基础设施的深度融合,推动地下空间低碳可持续发展。