既有城市公園更新的低碳改造技術體系分析

王 花，范麗佳，季永新，陳 凱，黃晨光

(中建四局工程技術研究院，廣州 510665)

0 引言

快速的城市化發展進程給城市可持續發展帶來了巨大挑戰，包括綠地減少、城市功能下降、環境污染加劇等。聯合國于2016 年發布的《The new urban agenda》(即《新城市議程》)[1]中，建議將可持續發展納入城市更新決策進程。城市更新是促進城市可持續發展的重要手段，為了更好地確保城市更新戰略實施的有效性和適用性，許多學者對其進行了大量研究。現有研究主要是通過評估建筑和基礎設施條件、土地利用效率、公共服務設施的可達性、綜合區域利益、利益相關者的關系和社會文化，提出可持續的城市更新規劃路徑[2-4]。因此，制定可持續的城市更新戰略對促進城市可持續發展具有重要意義。

碳達峰、碳中和目標的提出使中國進入了氣候經濟時代，迎來了兼具機遇和挑戰的綠色變革。占地面積僅占全球土地面積約3%的城市地區的二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放總量的75%[5]，且隨著城市化發展進程的加劇，這一比例將顯著增加，低碳發展已成為城市實現可持續發展的新途徑。然而，一個城市的整體可持續性必須取決于該城市每個組成單元的可持續性，這意味著可持續發展應融入城市的各個組成單元。因此，需要通過不同的城市更新戰略對既有城市單元進行低碳改造，以進一步促進城市的可持續發展。

現有關于城市更新的低碳改造(下文簡稱為“低碳更新”)策略研究主要集中在工業園區及城市社區的低碳更新，其中，針對工業園區綠色發展的相關研究主要聚焦在生態工業園區的規劃、環境管理的改進、工業共生和供應鏈網絡的演變、基礎設施的優化、經濟環境績效的評價等方面[6]；針對城市社區低碳更新的相關研究主要是從社區內的建筑、交通、電力能源、水資源、廢物處理、社區環境及生活方式等方面展開[7]。到目前為止，針對城市公園低碳領域的相關研究僅局限于對城市公園內樹木和土壤中碳儲量的影響因素[8-9]，很少有針對城市公園低碳更新的相關研究。而公園作為城市重要的生態基礎設施，其如何實現存量化的可持續更新成為現階段低碳發展的重要議題。基于此，本文從碳減排和碳匯的角度，提出一種既有城市公園低碳更新的技術體系，并以廣東省中山市某國家濕地公園為例，對所提出的技術體系進行驗證。該技術體系不僅可以促進既有城市公園更新的有效實施，也可以促進城市向綠色、低碳、可持續方向發展。

1 既有城市公園低碳更新技術體系

低碳更新是指基于某一個碳排放控制目標而實施的改造，主要包括運用適宜性手段控制區域內的碳排放指標、綜合各種手段提高區域內的碳匯功能、全面提高人類的低碳生活意識與生活方法等方面，其研究對象不僅針對建筑單體，還包括區域內的交通、設施、綠化等。而低碳更新技術體系則是針對控制區域內的研究對象搭建的多維度、多層次的低碳改造實施體系。

本文提出的既有城市公園低碳更新技術體系包括低碳建筑改造、低碳設施改造、生態系統碳匯、低碳管理4 個方面，下文進行詳細介紹。

1.1 低碳建筑改造

根據中國建筑節能協會能耗專委會發布的《中國建筑能耗研究報告(2021)》，2019 年，中國建筑全過程的碳排放總量為49.97 億t，占全國碳排放總量的50.6%，其中，建筑運行階段的碳排放量占全國碳排放總量的21.6%。由此可見，既有建筑的節能改造仍然是城市低碳化轉型的核心。考慮到既有建筑運行階段的碳排放是公園碳排放的重要組成部分，必須著重削減這一組成部分的碳排放量，以促進整個公園的低碳發展。

1.1.1 被動式低碳建筑改造技術

被動式低碳建筑改造主要是依靠建筑自身結構設計來減少建筑內外有效熱交換，無需安裝環境調節設備。被動式低碳建筑改造主要包括圍護結構保溫隔熱性能的優化、自然通風改造、建筑遮陽改造、被動式太陽能利用改造等，通過對既有建筑的綜合低碳改造，從源頭上降低既有建筑的運行能耗，從而大幅降低建筑運行階段的碳排放量。

1.1.2 超高能效用能設備及系統

超高能效用能設備及系統包括超高能效用能設備和“光儲直柔”新型能源系統兩個方面。

1)超高能效用能設備。例如：提升空調能效等級，優化空調布局，采用適合公園小型辦公建筑的“變制冷劑流量多聯熱泵分體式空調+集中新風系統”，并設置獨立全熱回收機組等；其照明控制系統采用高效燈源并設置調光面板，依據采光分析結果布置燈具，遵循“燈具陣列布置、單獨控制”的原則來設置[10]。

2)“光儲直柔”新型能源系統。在建筑表面引入新型光伏發電系統與儲能設備，基于末端電氣設備直流配電，打破了建筑電器向電網單向無序索取電能的現狀，使建筑變為有序取電和可再生能源電力消納方，實現需求側響應、建筑電器可根據建筑用電對電網需求柔性可控的目的，從而構建“光伏發電+儲能蓄電+直流供電+柔性用電”的新型能源系統，進而實現削峰填谷、降低建筑運行能耗的目的。

1.1.3 設備集成控制系統

設備集成控制系統是基于物聯網和大數據對設備各個子系統的集成，以人機交互的方式進行數據采集及遠程控制，實現設備管理與能源管理的可視化。設備集成控制系統主要包括供暖空調系統、配電照明系統、智能控制系統、能源管理系統、碳排放監測系統等，該系統在提高建筑運營管理效率的基礎上實現了能耗的控制、預警及評價，進而降低了建筑運行階段的碳排放量。

1.1.4 建筑可再生能源應用

與歐洲、美國等發達地區和國家不同，中國的能源結構高度依賴煤炭。隨著未來電氣化技術的進一步發展，發電方式將在能源綠色低碳轉型過程中發揮更為重要的作用。目前既有城市公園內的能源使用所產生的大部分碳排放量都來自于公園內既有建筑的電力消耗，因此，研究區域應優化能源消耗結構，提高風能、太陽能、地熱能等可再生能源的利用率，增加可再生能源在既有城市公園能源使用的比例。

1.2 低碳設施改造

1.2.1 公園內部交通網絡改造

交通網絡的低碳優化也是促進既有城市公園碳減排的重要組成部分，鼓勵游客使用公共交通工具是實現城市低碳理念的重要途徑。因此，公園園區內應大力推廣電動觀光車，以及集“頂棚發電+遮陽、廣告載體+充電”于一體的光儲充一體綠電車位，交通設施的電氣化及可再生能源的利用將大幅減少由公園內部交通產生的碳排放量。

應根據公園園區面積大小、形狀和主要功能分區，合理布置電動觀光車及自行車租賃或停靠點，采用人車分流的形式，合理設置步行和自行車專用道，提升公園園區內綠色出行的可達性，同時合理規劃公共交通網絡，構建公園內部行人、自行車及公共交通的多元化交通網絡。

1.2.2 公園配套設施改造

公園配套設施是游客完成游園體驗必不可少的人工配套設施。配套設施的低碳化需要根據各種服務設施所承擔的不同職能進行低碳化設計，主要從低碳運動設施及低碳服務設施兩個方面進行改造。低碳運動設施主要包括智慧步道、陪跑互動屏、虛擬騎行設施等；低碳服務設施主要包括光伏廣告座椅、智慧遮陽傘、智慧仿生樹、智慧路燈等。

1.2.3 公園科普設施改造

城市公園兼具碳減排、碳匯和科普教育的功能，在其低碳更新中增設科普展館、互動科普設施、智能垃圾分類科普設施等科普宣傳點，通過游園路線搭建低碳科普宣傳網絡。通過低碳科普的方式可以將低碳相關知識生動、科學地展示給游客，既宣傳普及了低碳知識，同時也能讓低碳生活的方式滲透到每位游客的生活理念中，例如：節能電器的使用、廢物回收處理等。

1.3 生態系統碳匯

城市公園的生態系統碳匯主要是通過增加生態系統的碳匯來提高碳封存能力，主要涉及土壤、綠地、濕地等方面，生態系統碳匯可以直接減少二氧化碳的排放，因此在既有城市公園低碳更新中應盡可能增加綠地面積，同時保持現有的景觀區域。城市公園的生態系統碳匯可以從土壤碳匯、綠地碳匯及濕地碳匯3 個方面開展。

1.3.1 土壤碳匯

在全球碳循環中，土壤的碳儲量是森林和其他植被碳儲量的5 倍，是大氣碳儲量的3 倍。土壤中的有機碳循環包括植物封閉大氣中二氧化碳的“碳輸入”和微生物分解土壤中有機碳的“碳輸出”兩個環節。土壤中二氧化碳的“碳輸入”包括大氣傳輸、碳酸鹽溶解和土壤水滲入曝氣區；反向過程“碳輸出”將釋放二氧化碳，形成無機碳循環。通過提高既有城市公園中土壤肥力及常綠樹木的比例，可以增加土壤中有機碳的儲存量，從而進一步減少溫室氣體的排放。因此，提高既有城市公園中土壤的有機碳儲存能力是碳減排的重要途徑之一。

1.3.2 綠地碳匯

綠地是公園生態環境的重要組成部分，公園綠地承載著固碳釋氧、降溫增濕、雨水減排、凈化大氣、景觀游憩等生態功能。公園綠地植物群落的固碳效益受植物種類、植物群落結構層次、郁閉度、平均胸徑及群落密度等因素的影響，因此，應當遵循植物群落更新配置的原則，兼顧景觀效果和固碳效益，優先從高固碳的樹種、復層植物群落、高郁閉度、低胸徑、高密度植物群落等方面來改善公園綠地區域的碳儲量。

1.3.3 濕地碳匯

紅樹林和藻類在濕地公園中尤為常見，紅樹植物屬于濕地木本植物群落，藻類屬于水生植物，兩者在凈化水體、固碳儲碳、維護生物多樣性等方面均發揮了重要作用。

紅樹林和藻類通過光合作用吸收水體二氧化碳，增加生態系統碳匯，這一過程可以促進大氣中二氧化碳向水體的擴散；同時，紅樹林和藻類具有碳儲存可測性、栽培可控性、可凈化水域等優點。因此，實施紅樹林、藻類的保護和養殖可以實現水體二氧化碳負排放，是實現濕地公園減少碳排放及增加碳匯的有效措施。

1.4 低碳管理

為了量化碳排放，從城市公園環境和功能需求的角度將城市公園的碳排放分解為3 個子系統，即建筑能源消耗系統、設施能源消耗系統、綠地碳匯系統。綜合分析研究城市公園內的碳源，并基于排放系數法的碳排放核算模型計算城市公園的碳排放量。

排放系數法是由聯合國政府間氣候變化專門委員會(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。該方法通過結合來自排放源的活動數據與單位活動的相關碳排放或吸收情況來核算研究區域內的碳排放量，碳排放核算模型的計算式可表示為：

式中：CE為研究區域內的碳排放總量；CE,i為研究區域內各碳排放源i的碳排放量；CS,f為研究區域內各碳匯源f的碳排放量；AD,i、AD,f分別為研究區域內各碳排放源i和各碳匯源f的活動水平；EF,i、EF,f分別為研究區域內各碳排放源i和各碳匯源f的碳排放因子。

城市公園內各碳排放源或碳匯源的碳排放因子如表1 所示。

表1 城市公園內各碳排放源或各碳匯源的碳排放因子Table 1 Carbon emission factors of various carbon emission sources or carbon sink sources within urban parks

基于排放系數法的碳排放核算模型，搭建城市公園碳排放智慧監測管理平臺，即通過能耗監測、碳排放監測、分析及核算等功能模塊，對城市公園內部的碳排放及碳匯數據進行統計、分析、核算，并生成碳核算分析報告，以便掌握整個公園的碳排放水平，進而可為其節能降碳提供理論依據。

2 廣東省中山市某國家濕地公園的低碳更新案例

2.1 低碳更新項目概況

廣東省中山市某國家濕地公園位于廣東省中山市，地理位置為22.583°N，113.35°E；該地區的年均太陽總輻射量為1330 kWh/m2，根據GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》，其屬于Ⅲ 類地區，即太陽能資源豐富地區。

該濕地公園低碳改造區域包括公園主入口管理用房、公園主入口綜合用房、售票中心，以及管理中心前廣場，改造區域位置效果圖如圖1所示。其中：公園主入口管理用房的建筑面積為793.6 m2，建筑基底面積為396.8 m2，為地上兩層建筑，建筑高度為11.482 m；公園主入口綜合用房的建筑面積為1000 m2，建筑基底面積為500 m2，為地上兩層建筑，建筑高度為11.332 m；售票中心的建筑面積為502 m2，建筑基底面積為502 m2，為地上1 層建筑，建筑高度為7.982 m；管理中心前廣場的面積約為2805.10 m2。

圖1 廣東省中山市某國家濕地公園的低碳改造區域位置效果圖Fig. 1 Effect diagram of location of low-carbon transformation area in a national wetland park in Zhongshan City，Guangdong Province

該低碳更新項目在保持濕地公園現有綠化、水系及建筑風貌的基礎上，主要從建筑用能和低碳設施兩個方面入手，即進行低碳建筑能源系統改造和低碳設施改造，同時通過碳排放智慧監測管理平臺實現對整個濕地公園園區的碳排放監測。

2.2 低碳建筑能源系統改造

在公園主入口管理用房的屋面新建了分布式光伏發電系統，在保持原建筑風貌的基礎上，光伏組件優選三曲漢瓦(一種銅銦鎵硒薄膜光伏組件)。綜合考慮屋面鋪裝面積及整個濕地公園園區的用電量后，設計該屋面分布式光伏發電系統裝機容量為30 kW。同時，該園區中還新建了采用常規單晶硅光伏組件的裝機容量達35 kW 的觀光車光伏車棚。整個濕地公園園區的光伏發電總裝機容量達65 kW。

對該濕地公園進行建筑用能末端的直流化改造，構建基于“自發自用+儲能”的新型園區低碳建筑能源系統。在該濕地公園低碳更新過程中，綜合考慮負載用能情況及建設資金情況，創新采用“光儲直柔”分布式直流微電網，以交/直流母線為中心，靈活接入屋面分布式光伏發電系統、儲能系統等電源，以交/直流電形式為負載供電，實現“光伏發電+儲能+負載+智能電網”技術的有機融合。“光儲直柔”分布式直流微電網的系統拓撲圖如圖2 所示。圖中：BMS 為電池管理系統。

搭建的“光儲直柔”分布式直流微電網可以全面整合能源控制參量及能量信息，實現多種形式能源協調控制和綜合能效管理，形成多點接入、網絡共享、需求感知的交直流混合微電網，提高分布式電源的利用效率，降低能源損耗，更好地體現綠色低碳理念。

2.3 低碳設施改造

2.3.1 低碳交通網絡改造

濕地公園在維護碳循環和保護生物多樣性等方面，發揮了不可替代的重要作用，因此，濕地公園的低碳交通網絡改造對濕地保護尤為重要。

在對廣東省中山市某國家濕地公園進行低碳交通網絡改造時，結合園區現有的交通網絡情況，主要從光儲充一體充電站及低碳步道兩個方面進行低碳交通網絡的搭建，具體的改造類目及情況如表2 所示。

表2 低碳交通網絡改造的類目及情況Table 2 Category and situation of low-carbon transportation network renovation

2.3.2 低碳配套設施改造

濕地公園內的配套設施兼具游園服務及生態效益的功能。服務設施的低碳化建設既能為游客提供智慧化、低碳化的服務，也能在低碳科普推廣及增強景觀效果等方面起到非常重要的作用。

在對廣東省中山市某國家濕地公園進行低碳配套設施改造時，主要引入光伏路燈、光伏仿生樹、光伏廣告座椅及智慧遮陽傘等低碳配套設施，具體的改造類目及情況如表3 所示。

表3 低碳配套設施改造的類目及情況Table 3 Category and situation of low-carbon supporting facilities renovation

2.3.3 低碳科普設施改造

相比于普通的城市公園，濕地公園是兼具物種及其棲息地保護、低碳游園和低碳科普功能的城市景觀園區。通過科普設施實景展示的方式，將濕地公園的固碳釋氧、碳排放及碳匯等相關知識生動科學地展現給游客，在科普低碳知識的同時也潛移默化地影響每個游客的低碳生活理念。

在對廣東省中山市某國家濕地公園進行低碳科普設施改造時，主要打造了與濕地科普、低碳百科互動、植物碳匯科普、智能垃圾分類科普等相關的低碳科普設施，具體的改造類目及情況如表4 所示。

表4 低碳科普設施改造的類目及情況Table 4 Category and situation of low-carbon science popularization facility renovation

2.4 碳排放智慧監測管理平臺

為實現對該國家濕地公園整個園區的碳排放監測，低碳更新項目定制化設計開發了一套碳排放智慧監測管理平臺。該平臺基于可視化建模技術，對光伏發電系統、儲能系統、配電系統等進行模型構建，以“所見即所得”的交互式體驗，打造公園碳排放監測管理全景大屏，并進行實時碳排放監測分析，對該濕地公園的能耗、碳匯及碳排放進行全場景量化分析，精準掌握濕地公園的碳排放水平。通過對能源數據進行統計、分析，為能源優化及節能減排措施的制定提供可視化數據支撐，實現“可視化交互+實時監測+碳核算”三位一體的碳排放管理。該平臺具體的功能模塊及應用價值如表5 所示。

表5 碳排放智慧監測管理平臺的功能模塊及應用價值Table 5 Functional modules and application value of carbon emission intelligent monitoring and management platform

2.5 效益分析

2.5.1 經濟效益分析

廣東省中山市某國家濕地公園的低碳更新項目中，公園主入口管理用房的屋面分布式光伏發電系統采用額定功率為30 W 的銅銦鎵硒薄膜光伏組件，鋪設面積為300 m2，裝機容量為30 kW；觀光車光伏車棚采用額定功率為540 W 的常規單晶硅光伏組件，鋪設面積約為168 m2(10個車位)，裝機容量為35 kW；整個園區的光伏發電總裝機容量達65 kW。光伏地磚、光伏路燈、光伏廣告座椅的發電量過小且僅用于滿足自身用電需求，因此不納入核算。

經計算，在25 年運營期內，屋面分布式光伏發電系統的年均發電量為32120.54 kWh，觀光車光伏車棚的年均發電量為37047.77 kWh；整個園區光伏發電的年均總發電量達6.92 萬kWh，25 年光伏發電的總發電量約達172.92 萬kWh。按照園區內平均電價為0.9 元/kWh 進行測算，整個園區光伏發電的年均收益約為6.23 萬元，25 年光伏發電的總收益約為155.63 萬元。

2.5.2 環境效益分析

基于排放系數法，對該濕地公園可再生能源項目運營期內的環境效益進行分析，其中，二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氮化物(NOx)、粉塵的排放系數分別為2.600、0.022、0.010、0.017。該濕地公園可再生能源項目運營期內的環境效益測算結果如表6 所示。

表6 該濕地公園可再生能源項目運營期內的環境效益測算結果Table 6 Calculation results of environmental benefits during operation period of renewable energy project in the wetland park

3 結論與展望

既有城市公園的低碳更新是促進低碳城市建設的基礎載體，為了推動城市公園向綠色、低碳、可持續的方向發展，本文從碳減排和碳匯的角度，提出了一種多維度、多層次的既有城市公園低碳更新技術體系，集低碳建筑、低碳設施及生態系統碳匯于一體，并以廣東省中山市某國家濕地公園為例，對該技術體系進行了驗證。該技術體系在廣東省中山市某國家濕地公園低碳更新項目的成功實踐，驗證了其可以根據既有城市公園更新的需求與多維低碳更新技術體系進行靈活適配，同時可以通過碳排放智慧監測管理平臺對園區的能源消耗和生態系統碳匯進行碳排放監測，通過量化分析園區的碳排放和碳匯，最終實現對整個公園碳排放的精細化管理。本文研究結果可以為類似的既有城市公園低碳更新項目提供參考，但需要說明的是，考慮到更新決策過程涉及到許多利益相關者，本研究后續將進一步研究決策過程中參與者之間的關系及其對決策的影響程度，從而可以有效協調各方的利益，保證項目的順利實施。