能源约束下城市空间发展模式选择

谭 宇，石智雷,王前进

(中南财经政法大学 人口与区域研究中心,湖北 武汉 430073)

城市化是中国实现现代化的必由之路，而能源是实现城市可持续发展的重要因素之一。一般来说，当城市化率达到30%时将进入起飞阶段，我国城市化率现已经达到46%，已处于起飞阶段。城市快速发展的时期也是能源消费的高涨时期。能源短缺越来越成为城市发展的瓶颈，制约着城市发展的水平和速度，决定了城市发展的方向和趋势。城市化反映在地域实体上就是空间的扩展和空间资源的优化。伴随着快速的城市化进程，我国的城市空间形态也发生了急剧变化。那么，选择合理的城市空间发展模式，优化城市能源的空间结构形式，便成为当前缓解能源危机实现城市可持续发展的关键。

一、中国城市能源严峻形势

城市能源消费占总能源的2/3。经济增长，人口增加和城市化的加速，既给有限的现存能源带来日益沉重的压力，也增大了对城市环境质量和公众健康的威胁。城市社会经济的可持续发展受到前所未有的严重挑战。

(一)城市能源需求旺盛，供应不足

当前，随着经济的发展和城市化的加速，我国城市能源需求量居高不下，市场供求紧张。截至2009年底，中国的城市化率为46.6%[1]，比世界平均水平低了5个百分点，与同等收入国家相比低了近10个百分点。未来一个时期，中国的城市化进程将加快发展，2020年中国的城市化率将达到55%～60%。当前城镇人口年均消耗能源为农村人口的3.5倍，城市化水平即使每年提高一个百分点，中国每年也将增加至少1300万城镇人口，需要大量的新增能源[2]。据研究，1985至2000年我国城市人口和能源消费量两者相关系数达到0.8879，城市化水平每提高1%，城市居民能源消费需求就将增加3800万吨标准煤。这相当于我国2000年能源生产总量106988万吨标准煤的3.56%[3]。国际能源署日前发布的2010年《世界能源展望》显示，中国在2009年已经超过美国成为世界上最大的能源消费国家，估计2035年中国占世界能源的需求将超过全球需求总量的1/5。

近年来，中国交通运输业能耗的绝对消耗量增加迅速。到2004年，我国机动车保有量已达96499597辆，其中，汽车保有量为24211615辆，私人汽车保有量已达12427672辆。经济学家指出，机动车的快速增长必然与经济的快速发展相对应。按照发达国家的一般规律，当轿车平均价格接近人均国内生产总值(GDP)的2至3倍时，是轿车批量进入家庭的门槛。据有关专家预测，2015年人均国内生产总值将达到3440美元，此时将具备足以支撑汽车进入家庭、私人购车持续增长的重要条件[4]。未来10年国内机动车拥有数量有着持续猛增的势头(见图1)。目前我国就会有家用小轿车3420万辆以上，仅是每年小轿车所耗汽油就要6000多万吨。

图1 中国机动车拥有辆预测

从能源消费的部门结构来看，到2020年，交通部门的用能将迅速增长，其用能所占的比例将从2000年的11.1%提高到2020年的17.1%[5]。作为主要原油进口国，我国原油进口已达1.2亿吨，成为世界第二大石油进口国，其中43%用于交通领域。按照近几年的我国城市每年机动车拥有辆平均增长速度(10%～15%)，考虑经济、科技和社会发展因素，估计中国石油现有储量仅能维持大约28～30年[6]。城市建筑和重化工耗能在总能源利用中所占比例有逐年增加之势。全国空调高峰负荷已达到4500万千瓦，相当于2.5个三峡电站满负荷出力。随着城市化的进程和人民生活质量的改善，按照目前的建筑能耗状况，到2020年我国建筑能耗将比2004年增加2.5亿吨/年标煤和新增耗电5800～6300亿度/年，总计折合电力约1.3万亿度，新增量相当于目前建筑总能耗的1.3倍。[7]

(二)城市能源利用效率低下，浪费严重

中国2000年的能源系统效率为33.4%，比国际先进水平低10个百分点左右，日本在1975年能源效率就已经为36.5%。中国11个高耗能产业的33种产品能耗比国际先进水平高46%左右[2]。同国外城市相比，我国城市的能源利用技术仍然比较落后(见图2)。根据OECD统计，2000年全世界平均单位GDP能耗为2.5×10-4toe.US$-1。按可比口径计算，北京市2000年能耗水平相当于世界平均水平的4.8倍、日本东京1995年单位能耗的26倍。[8]

图2 中日城市能源利用效率比较

从建筑的能源效率看。上海自1991年来建成住宅1.96亿平方米，建筑热工性能大多不能符合现行的建筑节能标准，中央空调系统能耗较高，建筑综合能耗是发达国家的3～4倍。北京市5%的大型公用建筑,消耗了北京市50%的能源。如果近10余年新建住宅按现行建筑节能标准进行建筑围护结构节能改造，耗资将达117.6亿元。[9]

二、城市空间发展模式、交通结构和能源消耗

合理的城市发展模式是城市交通结构优化的基础，而合理的交通结构的确立是建设可持续发展的现代化城市的核心。近年来，随着“可持续发展”、“能源危机”、“低碳城市”等概念的热现，对相应的城市空间发展模式进行新的反思。在本部分我们从不同出行分布、出行方式和交通结构的能源消耗差异的角度来分析城市空间发展模式的选择。

(一)城市空间发展模式影响出行距离和分布

高密度的城市空间模式，往往可以有效地缩短人们的出行距离，并且较高的人口密度可以增加城市组织的有机性[10]：

1.在既定的交通距离内(尤其是便于步行的距离内)，增加了各种可以获得的活动的机会；

2.扩大了在特定地点内可供养的公共服务的比例和规模，形成规模效应的同时，减少了当地居民出行到其他地方的需要；

3.“交通端”人口密度的增加足以支持公共交通。

表1 不同的人口密度与交通方式下人均每周的出行距离(单位:千米)

数据来源: National Travel Survey, 1986 ，英国。

一般说来，高密度的城市空间布局，使得城市居民出行距离大大缩短，且大多采用步行或自行车等交通方式。这样，人口空间分布强度越大，机动车使用比率将逐渐下降。表1反映了英国的城市里，较高的居住密度与较小的出行距离以及公车、步行等交通方式的利用率之间有着较强的相关性。另据有关专家研究发现，当人口密度超过10000人/平方千米时，年人均机动车里程较低，多数在10千米/人以下，且随着人口密度进一步增加，变化趋于稳定[11]。产生这一现象的原因是，城市区域开发强度高，各种城市功能在有限的地域范围内集成，人们的工作、教育学习、休闲娱乐、访友探亲、社交购物等日常活动都可以在较小的空间内组织安排，有效地缩短了交通出行需求和出行距离。ECOTEC(1993年)为英国政府所做的一项研究证明了城市密度与交通距离之间存在着负相关：在人口密度最低的地区，人们每周的驾车行驶里程是密度最高地区的两倍。[12]

对于城市居民的出行分布，高强度开发的城市开发和紧凑布局，更容易实现城市居民交通出行在较小的范围内就地均衡。在西方蔓延式的城市化模式中，由于居住与工作地的分离，新区与老区的分离，生活与娱乐的分离，形成对交通的过度依赖，导致钟摆式交通分布状况。交通距离和出行次数的增加，强化了居民对私人小汽车的需求，由此机动车数量和出行率大增，城市交通“瓶颈”日益突显。与此相反，集中化城市区域，由于各种城市要素的高效聚集、有机组织，把居民的活动局限在较小的区域，有效的缩短了人们的出行距离，形成城市内部交通人流的有机分散。

(二)城市空间发展模式影响出行方式的选择

研究表明，不同城市开发密度，居民的出行方式选择会明显不同。总体而言，在各种出行方式中，城市密度对私家车和公交车的影响最为显著，高密度开发的地区居民更倾向于选择公共交通和非机动车方式，而低密度开发地区则以小轿车交通为主。从居住密度和工作密度对交通方式选择的影响来看，可以得出一些有意义的结论和指标。赛韦罗采用1985年全美住户调查数据(1985AHS)研究表明，提高城市密度，结合土地混合使用，能降低机动车拥有率和减少出行距离；普什卡和朱潘(Pushcarev and Zupan)发现，当密度达到148单位/公顷以上时，一半出行将以公交方式实现。

另一方面，就业密度也影响工作出行方式的选择。希默克发现就业密度越高，公共交通使用的比例越大；弗兰克和皮沃(Frank and Pivo)则进一步给出了相应的经验数值，计算出交通方式由单人驾车向公交、步行方式转化存在的就业密度门槛：每达到62～123人/公顷就业人数的密度时，随密度的增加单人驾车开始部分转为公交、步行方式，而达到185人/公顷就业人数的密度时，则随着密度的增加，发生转化的人数明显增加。[11]

表2 不同城市密度地区日常通勤交通方式选择(单位：%)

数据来源：根据周素红，杨利军：《城市开发强度影响下的城市交通》一文整理。

由表2可以看出城市密度与交通方式选择的相关性。以高密度著称的新加坡仅有23.7%的私家车使用，远低于莫里斯和伦敦的81.2%和71%；与此对应在使用公交车方面，新加坡是52.4%，而莫里斯是4.2%。当然，不能否认交通方式的选择与各地的居民习惯、生活观念、城市发展策略和城市管理方式等有很大关系，但是出行方式与城市结构和道路交通供给关系更为密切。紧凑的城市发展模式，高密度的市区开发，社区土地的混合使用，绿色可持续的交通规划，公交优先的城市管理，可以为居民的日常交通做合理的规划和引导，增加公共交通的利用效率，可以在更加方便的通勤距离内为居民提供足够的工作、日需品、服务以及休闲娱乐的选择。如表2所示，由于政府对绿色交通的重视以及城市规划师的精心设计，城市密度中等的伦敦反而比高密度的新加坡在使用自行车和步行方面有更高的比例。

(三)城市空间发展模式影响交通结构

城市交通系统的能源消耗主要体现在各种交通工具的运动过程中。表3根据英国能源部1990年的报告列出了各种城市客运交通方式在满载情况下的能源消耗情况。从表3可以看出优化城市交通结构体系，提倡公共汽车和轨道交通可以有效减少交通能源消耗，但是如果因为公交经营不善而承载率过低则会大大削弱公共汽车人均能耗上的优势，从而对城市交通规划提出了更高的要求。当然，在实际生活中私家小汽车非满载的情况为多，加上在城市交通拥挤状况下，其能源消耗指标更是直线上升。

表3 各种客运方式在满载下的能耗(单位：MJ/KM)

数据来源：根据陆化普,王键伟,张鹏“基于能源消耗的城市交通结构优化”整理。

发展城市公共交通是解决城市交通堵塞和能源危机等问题的关键，它一方面可以解决居民的出行问题，另一方面还有助于缓解城市能源供应的压力。有关学者以上海为例，应用中长期能源规划模型，研究了在确保交通需求增长的前提下，发展不同的交通模式对能源需求的影响[13]。研究所用的方法为情景分析法，根据现状设计未来的发展趋势，并在该发展趋势下对未来的前景进行预测分析的方法。在实验过程中，将交通总需求量划分为私人交通、公共交通、商务交通等多种交通出行方式；结合各种交通出行方式的能源强度和排放因子，应用LEAP模型计算交通运输的能源需求量。研究结论见表4。在情景1中，假设上海私人轻型客车按目前趋势发展，到2020年预计全市私人轻型客车保有总量达250万辆，机动车总量将达到411万辆。为满足运输需求，预计到2020年全市道路交通能源需求将分别达到1 378万吨标准煤，是2000年4.9倍。在情景2中，发展公共交通后，2020年上海市机动车总量的增长可控制在301万辆以内，道路交通的能源需求将降到1 146万吨标准煤，比情景1减少了17%。

表4 发展私人轻型客车与发展公共交通的能源需求比较

数据来源：根据黄成，陈长虹，王冰妍：《城市交通出行方式对能源与环境的影响》一文整理。

研究结果表明，调整交通方式后，即改为大力发展公交巴士和轨道交通，公共交通的发展可以有效削减未来交通对城市道路和能源的需求。到2020年，上海市道路交通的能源需求将减少44%，从而在很大程度上缓解了城市发展所需的能源供应的压力。

三、城市空间发展模式与建筑节能

建筑能耗即建筑使用的能源总量，包括采暖、空调、热水供应、炊事和家用电器等方面的能耗。其中以建筑采暖和空调能耗为主，占建筑总能耗的50%～70%。1999年我国建筑能耗占社会总能耗的比例是20%～25%，而发达国家所占比例现已达到30%～40%[14]。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的进一步提高，以及城镇化进程的加快，我国的建筑能耗将进一步增加,预计至2020年，建筑能耗约占我国总能耗的38%以上。

从城市空间形态的角度来说，紧凑的城市是以高密度的居民、高层的建筑与集中的服务设施为主要结构形态；而发散的城市则无节制的粗放的向城郊蔓延，代表性的是郊区化和“卧城”，建筑物松散、低层和较小的人口密度。从建筑能源利用的角度来说，不同的城市形态就有着不同的建筑结构，不同的建筑结构能源利用效率迥异。紧凑的城市可以在建筑的建造和使用过程中节省能源的结论得到世界上广大学者的认可。在这方面国外学者作了大量的实证性研究：McLaren证实了，紧凑的城市能够在维持城市原有生活水平不变的前提下减少城市制冷和供暖的能源消耗，并提高各种社会软性基础设施(基层政府机关)的利用效率[15]。紧凑的城市的建筑节能主要体现在以下几个方面：

(一) 高密度的城市建筑有利于减少建筑物体型系数，降低住宅楼能源消耗。建筑物体型系数是指建筑物与大气接触的外表面积与其所包围的建筑物体积之比。体型系数越大，说明单位建筑空间所分担的散热面积越大，能耗就越高。据测算，体型系数增大1%，耗热量便增加2.5%。在建筑设计中，采取减少户面宽并加大住宅进深，适当提高层数，加长组合体或设计转角单元等方法，可以有效减小体型系数。[16]

(二) 高密度的城市有利于建筑物的集中供热、供冷和供汽。以供热为例，供热一般分集中供热和分户供热，集中供热又有城市和区域供热之分。集中供热是热源集中设置，产生的高温热水、蒸汽通过城市管网供给整个城市或部分区域所需的热量。主要热源为热电联产、大型燃气、燃煤、燃油锅炉房等。集中供热能源转换效率较高，环境污染小，运行成本较低，应为大力发展的城市供热方式[17](见表5)。

表5 集中供热、区域供热、户式供热运行费分析表

注：热价：0.15元/(天.平方米 )；煤价：380元/吨；油价：4.1元/千克；天然气价：2.1元/立方米；电价：0.56元/(千瓦．小时)；年采暖天数120天，每天24小时；工人工资：800元/月；设备折旧率：15%。

数据来源：根据朱彩霞，王红霞，马富琴：《几种常用城市供热方式的技术经济分析》一文整理。

(三) 高密度的城市有利于减少能源输送损耗。长距离的能源输送为能源管道的隔热和密封设计提出了更高的要求，并且能源的运输损耗和运输距离成正比关系，距离越远总的能源利用效率越低。

四、中国城市空间发展模式的选择

从城市的交通结构、市民出行距离和建筑节能等方面来说，紧凑的城市发展模式、合理的城市空间结构和有效的公共交通系统可以更为充分地利用有限的城市能源，更能适应城市可持续发展的要求。根据前面的分析，提出相应的对策建议如下：

(一)合理地紧缩城市

紧凑城市起源于欧洲发达国家，相对目前不少西方城市分散的空间发展模式，“紧凑城市”是更有效地实现城市可持续发展的空间策略[18]。紧凑城市理论的“分散化集中”可以根据我国的实际情况得到合理的应用。紧凑型城市的目标是实现资源能源和城市公共服务设施的有效利用，更加注重对城市边缘区农田和其他开敞空间的保护，注重提高社区生活质量和提高人们对于住宅的支付能力。为此要对现有的城市进行“填充式开发”，严格控制城市边界引导城市向紧凑化发展。紧凑城市理念强调必须在城市增长和保持生活质量之间建立联系，在新的发展和既有社区改善之间取得平衡，注重恢复城市中心和充分发挥既有社区的活力。紧凑开发城市还需注意在邻里层面进行“都市村落集合”发展单元的尝试，打破单一的功能布局，采用混合土地利用和密集发展政策。城市化实质就是多种社会元素的集中，高密度的聚集和有机的功能组合，可以实现城市的高效率——城市的起源工效，并且创造社区生活的丰富多彩，中国的香港就是一个鲜明的事例。

(二)优化大城市的空间结构

城市摊大饼式的发展，不仅破坏了城市的空间结构和城市可持续发展的能力，而且导致了人居环境的恶化和交通的堵塞。必须通过城市空间结构的优化，发展卫星城镇和各类园区，在城市内部实施分散多中心模式，使城市空间得到有机疏散，实现城市的可持续发展。分散多中心的原则是在城市聚集区为密度过高的大城市中心减少负担，在城市中心区边缘形成多功能综合、独立的次中心。基本思路[19]是:城市由多个中心区组成，每个中心区具备完善的城市功能，有购物中心、娱乐区、托儿所和学校等；人们的日常生活基本上在各自的中心区内，中心区之间通过高等级道路或地铁来加强它们之间的必要的联系。这样，既可减少各中心区之间不必要的流动，又没有限制它们之间的联系。分散的多中心对于大城市空间结构来说，可以起到使城市地域空间次序化、合理化的积极作用。同时可以避免目前在城市化过程中不断出现的边缘化现象，即城市边缘失去控制，无节制的向外蔓延的趋势。优化城市空间结构要注意城市各区域土地使用功能的适当混合，这一原则与前面探讨的缩短居民出行距离目的是紧密相连的。通过合理的规划布局，管理引导，减少不必要的交通，尤其是钟摆式交通，不仅方便居民的生活，减少通勤时间，而且大大降低了能源消耗。

(三)推广TOD理念

世界城市发展历程证明，在城镇化水平处于加速发展阶段，建设公共交通(含轨道交通)系统对引导、促进城市空间形态的发展起到了关键性作用。现在我国正处于城镇化水平高速发展时期，且人口多，密度大，土地少，能源紧张，以公共交通引导城市发展(Transit-Oriented Development， TOD)也是缓解中国城市能源问题的主要策略之一。居住人口的高密度有利于公共交通的发展，而公共交通则有利于节约能源和保护环境，促进城市的和谐发展。

可以尝试Curitiba的线形“TOD”的紧凑发展模式[20]：重组交通系统，城市发展沿大运量交通线路选择结构轴线和节点，通过密集的、高强度的开发和混合土地利用措施，以及与规划、环境政策整合获得城市可持续发展。不同规模的城市有不同的用地布局形态，其对应的出行分布状况也有不同的特点，所以每个城市都应该选择适合自身特点的公共交通模式，而不是盲目追求大容量、高标准的公共交通系统，如轨道交通系统。在当前调整倚重小汽车交通的错误方向时，也要特别提倡自行车和步行，应从规划、设计和保护上统筹考虑，建设环境优美、人性化的自行车道和步行路。

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