城市地下基础设施低碳发展策略研究_王国盛.pdf

城市地下基础设施低碳发展策略研究DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.01.012城市地下基础设施低碳发展策略研究王国盛，季港澳，路德春，杜修力（北京工业大学岩土与地下工程研究所，北京 100124）摘要：在韧性城市、海绵城市与城市更新的背景下，城市地下基础设施作为城市建设的重要部分，其低碳、安全、协调发展对推动城市高质量发展，助力我国“双碳”目标实现具有重要作用。本文通过总结城市地下基础设施低碳发展的现状及存在的问题，提出了新建和既有城市地下基础设施低碳发展的实施路径与策略。研究认为，对于新建城市地下基础设施，以源头端、消费端、固碳端三端为抓手，提出了在规划设计、建造物化、运行维护阶段等全面考虑城市地下基础设施全生命周期的低碳发展策略；对于既有城市地下基础设施，提出了电气化、智能化和实用化的绿色改造策略以及新老交汇、和而不同的绿色扩建策略。为进一步推动我国城市地下基础设施低碳发展，从摸清城市地下基础设施温室气体排放家底、完善城市地下基础设施低碳发展顶层设计、加强城市地下基础设施低碳发展技术研发、加强城市地下基础设施低碳发展政策倾斜4个方面提出了对策建议。关键词：城市地下基础设施；碳中和；全生命周期；源头端；消费端；固碳端中图分类号：TU28 文献标识码：ALow-Carbon Development Strategy of Urban Underground InfrastructureWang Guosheng,Ji Gangao,Lu Dechun,Du Xiuli(Institute of Geotechnical and Underground Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:The urban underground infrastructure is a vital part of urban construction.In the context of resilient city,sponge city,and urban renewal,the low-carbon,safe,and coordinated development of urban underground infrastructure is crucial for promoting the high-quality development of cities and helping China achieve its carbon reduction goals.This study summarizes the development status and problems of low-carbon development of urban underground infrastructure and proposes carbon development paths and strategies for new and existing urban underground infrastructures.For new urban underground infrastructure,a low-carbon development strategy that considers the whole lifecycle of the infrastructure is proposed from the perspective of the source,consumer,and carbon fixation sides.For existing urban underground infrastructure,a green transformation strategy that features electrification,intelligence,and practicality is proposed alongside with a green expansion principle of harmony in diversity.To further promote the low-carbon development of Chinas urban underground infrastructure,the following measures are suggested:figuring out the greenhouse gas emission status,improving the top-level design,strengthening the research and development of low-carbon technologies,and promoting policy incentives.Keywords:urban underground infrastructure;carbon neutralization;full lifecycle;source side;consumer side;carbon fixation side收稿日期：2022-11-08；修回日期：2022-12-10通讯作者：路德春，北京工业大学岩土与地下工程研究所教授，研究方向为岩土与城市地下工程；E-mail:资助项目：中国工程院咨询项目“城市地下基础设施低碳发展战略研究”(2022-XY-76)本刊网址： 2023 年 第 25 卷 第 1 期一、前言地下空间具有扩充基础设施容量、提高土地利用率、节省土地资源、缓解中心城市密度、防治交通阻塞、增加城市绿化面积等特点和优势。21世纪以来，为了解决“大城市病”问题，提升大型城市的运行效率，越来越多的城市基础设施在地下建设，地下空间资源开发利用在世界许多国家和地区得到了快速发展1。日本通过建设地下综合管沟、地下道路、地下公共设施等城市地下基础设施，来解决有限土地资源和人口密集的问题2。加拿大蒙特利尔以地铁为核心，以人行通道为网络，形成长达32 km的地下城网络3。截至2015年，芬兰赫尔辛基已建设包含地下停车场、地铁、煤和石油储库、综合管廊等多种功能的地下基础设施近千万立方米4,5。我国积极开展城市地下空间开发利用，20世纪90年代，钱七虎院士就提出“21世纪是地下空间的世纪，地下空间将是城市发展的第二空间”的前瞻性观点6。上海市城市地下空间专项规划（2021年）中提出，未来城市基础设施逐步改造地下化，新建市政管线设施优先采用地下形式建设，持续升级地下交通基础设施7；郑州市城市总体规划（20182035年）（2018年）中指出，要使智能化现代城市与地下设施协调发展，提高郑州市地下空间的多元高效利用8。在韧性城市、海绵城市与城市更新的背景下，国务院关于加强城市基础设施建设的意见（2013年）也提出，在城市基础设施建设时要坚持“先规划、后建设，先地下、后地上”的原则；在城市地下空间开发利用“十三五”规划、“十四五”规划及各地方政府的规划中，均涉及到了大力发展城市地下空间。城市地下基础设施低碳发展可着重从碳排放与碳固定两方面来实现，其中碳排放又包括源头端和消费端，因此城市地下基础设施低碳发展可从源头端、消费端和固碳端“三端”发力。当前，新建基础设施的地下化建设和既有基础设施的地下化改造发展势头良好，适应了城市更新中对地上功能补充的发展要求。城市地下基础设施能够直接或间接实现节能减排，如地下仓储设施与地上的相比，具有恒温恒湿特点，能够直接减少由于温度、湿度控制产生的CO2；将部分城市交通采用地下轨道交通，能够有效减少交通阻塞，提升交通运输效率，进而间接减少碳排放。在建筑与交通领域，为实现碳达峰、碳中和目标，迫切需要探索城市地下基础设施的低碳发展路径。为推动城市地下基础设施低碳发展研究，本文总结城市地下基础设施在助力“双碳”目标的优势、城市地下基础设施的发展现状与存在的问题，提出城市地下基础设施低碳发展的理念、路径及减排技术，并给出相应的对策建议，以期为我国城市地下基础设施低碳发展提供参考。二、城市地下基础设施助力实现“双碳”目标的优势（一）直接减排的城市地下基础设施利用地热资源开发城市地下基础设施（如地源热泵），能够达到直接减排效果。目前，我国地热资源直接利用量处于世界领先水平，逐步研发了地热资源梯级利用技术、地下含水层储能技术等9。我国336个地级以上城市规划区范围内浅层地热能资源年可开采量约为7108 tce10，建设城市地源热泵基础设施能够有效助力能源结构转型，提高可再生资源利用率，减少由于供暖和制冷产生的CO2。以北京大兴国际机场中的地源热泵系统为例，该系统每年提取的浅层地热能约为5.6361014 J，根据北京气候及项目用能特点，冬季供暖期通常为123天，夏季制冷期为120天，以日使用时间为24 h计，可满足2.57106 m2建筑的冬季供暖和夏季制冷需求，节省天然气约 1735.89 m3，减少碳排放量超过了3750 t11。此外，若将城市商务区的商场转至地下空间，对比地上同等规模的工程设施能够显著减少碳排放。例如，可以从建筑能耗、地热能源低碳效果、交通能耗3个方面来考量，将建筑面积为71 630 m2的商业区碳排放与地下化后进行对比，采用地下基础设施的商业区建设可实现年碳减排2.336 t CO212。（二）间接减排的城市地下基础设施一些城市地下基础设施虽然无法实现直接减排，但可以通过服务其他基础设施实现间接减排。例如，地下交通设施可以有效缓解交通阻塞问题，提升交通运输效率。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%13。2020年，成031城市地下基础设施低碳发展策略研究都地铁累计客运量约为1.21109乘次，全年日均客运量为3.311106乘次，相当于每日减少7.86105辆私家车出行，城市公共交通出行分担率超过50%，通过提升运客效率，间接减少碳排放约8.75104 t14。城市地下空间作为城市的重要组成部分，开发利用地下空间，可有效节省土地资源。例如，苏州森林公园南入口建设的地下筒仓式智能停车库，占地面积仅82.7 m2，将原来停放3辆车的泊位，改造为可以提供48个车位，在缓解周边停车难问题的同时，有效节省了地面资源。“十三五”期间，全国地下空间开发直接投资总规模约为8万亿元、全国累计新增地下空间建筑面积达到1.07109 m2，极大地节省了土地资源15。（三）城市地下基础设施的碳汇效益城市绿化是城市生态文明建设的重要组成部分，也是体现城市文化和内涵的重要载体。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，有利于腾出地面空间，营造绿地生态环境，增加碳汇，如将轨道交通、商业、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。研究表明，每1 m3林木的蓄积量大约可吸收约1.83 t CO2，以上海市为例，居住用地为 549.77 km2，商业服务业设施用地为124.66 km2，若均将其50%转入地下，可置换出约337.2 km2的绿地面积，如用于营造城市园林，可获得约4.24106 m3的树木蓄积量，吸收约7.76106 t CO216。综上所述，城市地下基础设施在源头端、消费端和固碳端都具有减排增汇效益，可以有效助力“双碳”目标的实现。在源头端，地热资源可有效代替部分化石能源，为地下基础设施提供制冷、供热，提高清洁能源消费占比；利用地下空间的天然优势，部分地下基础设施运行会消耗更少的资源能源。在消费端，部分地下基础设施（如地铁、地下车库）能够提升城市运行效率，进而实现节能减排。在固碳端，地下空间本身具有封闭的特点，可以更好地完成碳捕集工作；此外，发展地下基础设施能够释放地面空间，营造绿地生态环境，增加自然生态系统的碳汇能力。三、城市地下基础设施低碳发