厦门市城市能源代谢综合分析方法及应用

赵颜创, 赵小锋,*, 林剑艺, 崔胜辉

厦门市城市能源代谢综合分析方法及应用

赵颜创1,2, 赵小锋1,2,*, 林剑艺1,2, 崔胜辉1,2

1. 中国科学院城市环境研究所, 中国科学院城市环境与健康重点实验室, 厦门 361021
2. 厦门市城市代谢重点实验室, 厦门 361021

城市代谢理论目前被认为是系统解析城市病症结的重要切入点。能源是人类活动和城市发展的物质基础, 研究其代谢规律可以揭示城市能源利用过程中存在的问题及其代谢污染物的生态环境效应, 从而为城市能源规划与管理提供科学依据。文章在部门调研数据、统计年鉴数据和文献资料分析的基础上, 提出了一种基于能量流的城市能源代谢综合分析方法。该方法系统分析能源在城市内部的流动过程, 全面核算5种主要代谢污染物的排放量, 并使用7个指标对能源代谢进行评价, 进一步使用该方法系统研究了厦门市2009年能源代谢情况, 结果表明: (1)厦门本地能源稀缺, 对外依存度高, 并且结构较为单一, 主要依赖煤炭和燃油, 分别占能源总量的61%和23%。(2)代谢污染物CO2、NO2和废热首要来自能源加工转化, SO2和PM2.5首要来自工业。(3)2009年能源代谢总效率为0.43 tce·t-1, 在各部门中服务业及其他的效率最高, 加工转化的效率最低, 代谢效率与能源结构关系密切。(4)文章提出的方法可为城市能源代谢研究提供方法参考。

能源代谢; 综合分析; 能量流; 代谢效率; 厦门

1 前言

随着我国城市化与工业化的推进, 巨大的资源压力与生态环境问题已成为限制城市发展的重要因素[1–2], 我国正面临着世界上最为严重的城市生态问题, 而城市代谢理论目前被认为是系统解析城市病症结的重要切入点[3]。Wolman于1965年首先提出“城市代谢”这一概念, 通过同自然代谢过程相类比,将其定义为从环境中输入物质和能量, 然后输出产品和废物的过程[4]。基于此观点, 后续学者不断丰富城市代谢的理论, 并用来探视城市内部物质与能量的代谢机制与流动过程, 评估代谢废弃物的环境影响, 探究城市存在的资源环境问题, 进而寻求城市可持续发展道路[1]。

能源是人类活动和城市发展的物质基础。随着经济的发展, 我国能源需求急剧增加, 能源短缺问题日益严重[5]。与此同时, 能源代谢产生的污染物如CO2、SO2、NOX等不断引发气候变化、酸雨等生态环境问题。因此, 能源引发的资源环境问题已成为城市可持续发展的重要议题之一。研究城市能源的代谢可以揭示城市在能源利用过程中存在的问题及其代谢污染物对生态环境的影响, 从而为城市能源规划与政策提供科学依据。目前国内外文献关于能源代谢的研究主要分为两类, 一类是将其作为城市代谢的一个组分, 例如杨德伟等利用能值分析法对厦门市能量代谢的研究[6], Piña等利用物质流分析法对圣菲波哥市物质代谢的研究[7]等, 另一类是专门以能源为对象, 例如Browne等分别利用物质流、代谢比和生态足迹分析法探讨了利默里克市能源代谢情况[8], 张妍等利用生态网络分析法对比了中国四个城市的能源代谢水平[9], 梁赛等对投入—产出法进行了改进, 并成功用于苏州市能源代谢的分析[10]。以上研究在评估能源代谢污染物时通常只分析了CO2、SO2和NOX等传统的代谢污染物。随着社会对环境质量的重视, PM2.5和城市废热也日益受到关注, 二者主要来自化石能源的燃烧[11–14]。根据2013年末陈竺院士等在《柳叶刀》发表的文章, PM2.5已经成为中国人健康的第四大威胁, 而废热会导致城市热岛效应加重, 进而影响城市微气候[15],并会增加城市居民的健康风险[16]。因此, 在研究城市能源代谢时很有必要考对PM2.5和废热进行分析。另外, 当前研究在衡量能源代谢水平时, 使用的指标较为单一, 例如常用指标能源强度主要衡量能源代谢的经济效率[7], 而基于能值的代谢评价指标侧重于系统内可利用总能量的分析, 未包含代谢污染物的排放量[6], 不能全面反映城市能源代谢产生的资源环境效应。因此, 迫切需要一种包含多指标、多种能源代谢污染物的城市能源代谢分析方法, 从多方面对能源代谢过程进行综合分析和评价, 以便全面、深入的刻画城市能源代谢现状, 揭示代谢过程中存在的问题, 从而为城市能源规划提供科学依据。

能量流分析法由Haberl于1997年提出[17], 其以能量为研究对象, 可以揭示城市代谢的路径和内涵,近年来不断受到重视[1]。本文以厦门市为例, 在当前研究基础之上, 提出了一种基于能量流的城市能源代谢综合分析方法。该方法系统分析能源在城市内部的流动过程, 全面核算5种主要代谢污染物的排放量, 并使用7个指标对能源代谢进行评价, 为全面研究城市能源代谢问题提供方法借鉴。进而系统分析了厦门市能源代谢情况, 以期为厦门能源调控策略和可持续发展提供科技支撑。

2 研究区概况与研究方法

2.1研究区概况

厦门市位于福建省东南部, 北部与泉州毗邻,西接漳州, 东南与台湾本岛和澎湖列岛隔海相望,陆地面积1565 km2, 海域面积390 km2[18], 是我国东南沿海重要的中心城市、港口及风景旅游城市。厦门市本地能源极其匮乏, 99%以上需从外地调入[19]。伴随着经济发展和快速的城市化进程, 能源需求不断增加, 据估算, 2013年度厦门市能源消费总量为1404万吨标准煤(等价值)[20], 另一方面, 能源代谢产生的污染物也显著影响厦门市的环境质量。2013年厦门市酸雨发生率为68.8%[21]; 2014年初, 厦门遭遇史上最强雾霾[22]。热岛强度与热岛面积近年来也明显增加[15]。能源及其引发的生态环境问题已成为制约厦门市实现可持续发展的重要因素[23]。因此有必要以能源为对象, 对其代谢过程和效率进行系统全面的研究, 为能源规划和调控策略提供科学基础。

2.2研究方法

2.2.1 数据来源

本研究使用的数据来源于部门调研、统计年鉴以及文献资料三方面。参考的年鉴有《厦门经济特区年鉴2010》、《厦门市能源平衡表2009》、《厦门市环境统计》等。各部门各类能源的消费量通过部门调研完成, 调研的部门包括厦门市电业局、经济发展局、发展改革委员会、建设与管理局、统计局、交通局、规划局、公安交通管理局指挥中心以及市政园林局等。

2.2.2 能量流分析

能量流分析法(EFA)是一种由物质流分析法(MFA)发展而来的城市代谢的分析方法。它以能量守恒为理论基础, 通过跟踪能量在社会经济系统中的流动途径及过程, 揭示能量的流动特征、转化效率和吞吐量[2]。能量流分析在核算过程中使用能量单位, 使其研究对象可以涵盖非物质形态的能源,比如电力、热力。本文以厦门市行政区作为研究边界, 使用的能源平衡方程为: 外界输入量+本地加工转化量=本地终端部门消费量+损失量, 核算单位使用万吨标煤, 电力和热力使用当量值。

2.2.3 城市能源代谢过程分析

根据能源代谢的分析框架, 结合厦门市实际情况, 构建如图1所示的城市能源代谢概念模型。将能源代谢的过程细化为以下四个环节: (1)能源输入; (2)能源加工转化; (3)终端部门能源消费; (4)能源代谢污染物排放。

2.2.3.1 能源输入环节

能源输入端反映研究区可利用能源的来源, 包括本地采掘和外地调入两部分。厦门市受地域资源限制, 长期以来99%以上的能源从外地调入, 自给率不足1%, 故忽略本地采掘部分, 将外地调入量作为代谢的输入端。

图1 城市能源代谢概念模型Fig. 1 Conceptual model of urban energy metabolism

2.2.3.2 能源加工转化环节

能源加工转化主要包括煤炭、石油加工以及电力、热力转化等过程。厦门市煤炭、石油等能源加工业产值很小, 且数据获取存在困难, 因此忽略该部分, 能源加工转化环节仅考虑电力、热力的转化过程。

2.2.3.3 终端部门能源消费环节

终端部门能源消费是指直接使用能源进行生产和生活的过程。在此, 将厦门市能源消费终端部门分为工业、交通运输业(仅包括公路运输)、农林牧副渔业、建筑业、居民生活、服务业及其他共六大部门。将其消耗能源的类型分为原煤、煤制品、汽油、柴油、燃料油、天然气、液化石油气、电力和热力。

2.2.3.4 能源代谢污染物排放环节

本研究综合考虑了能源利用过程中代谢污染物CO2、SO2、NO2、废热以及PM2.5的直接排放。其中CO2排放量的计算参照IPCC方法[24]; SO2排放量根据物料平衡算法计算, 参照《关于在酸雨控制区和二氧化硫污染控制区开展征收二氧化硫排污费扩大试点的通知》; NO2排放量根据排放因子法计算, 排放系数参照《工业污染物产生和排放系数手册》[25]; PM2.5排放量的计算参考《大气细颗粒物(PM2.5)源排放清单编制技术指南(试行)》[26]。热效率指终端得到的有用能与输入能量之比, 当前文献关于废热排放量的研究中很少考虑终端部门利用能源的热效率[12–13], 计算结果偏高。鉴于此, 本研究在计算废热排放量时考虑了不同部门使用能源时的热效率, 使结果更加符合实际情况, 计算方法如下:

其中:hE为废热排放量;ijF为i部门消耗j类能源的标准煤量; α为标准煤热值,ijη为i部门利用j类能源的热效率, 其值参考文献[27]。

2.2.4 能源代谢评价指标

本文采用以下7个代谢指标从资源、环境和生态三方面深入分析厦门市能源代谢的经济、人均和空间水平, 各指标计算公式和说明如表1所示:

表1 能源代谢评价指标Tab. 1 Energy metabolic indicators

3 结果与分析

根据厦门市能源统计数据, 2009年厦门市能源代谢输入量为629万吨标煤, 全部从外地调入。其中大约48%用于二次能源电力、热力的转化, 其余直接用于生产和生活消费, 没有对外输出。

3.1能源输入环节

图2为2009年厦门市能源代谢输入端的能源结构, 最重要的部分是原煤, 占61%, 其他比重较大的包括柴油、汽油和电力, 分别占11%、9%和9%。汽油、柴油和燃料油可统称燃油, 共占能源输入总量的23%。可见厦门市能源动力主要依靠原煤和燃油。

3.2能源加工转化环节

表2为2009年厦门市能源加工转化情况, 主要是燃煤发电与供热。电力、热力部门分别投入284.01和33.28万吨标煤的化石能源, 产生了109.66万吨标煤的电力和32.78万吨标煤的热力, 转化效率分别为38.6%和98.5%, 均高于当年按中国能源平衡表计算得的全国平均转化效率37.4%和74.4%。

图2 厦门市能源代谢输入端的能源结构Fig. 2 Energy input structure of urban energy metabolism in Xiamen

表2 厦门市能源加工转化情况Tab. 2 Energy process and transformation in Xiamen 万吨标煤

3.3终端部门能源消费环节

图3为2009年厦门市终端部门能源消费结构,可以看出主要为电力、原煤, 比例分别为37%、18%,其次是柴油和汽油, 比例分别为15%和12%, 其他能源的比例较小。图4为2009年厦门市各终端部门的能源消费情况, 工业最多, 为253万吨标准煤; 其次是交通运输业, 为107万吨标煤; 服务业和居民生活消耗相当, 均在46万吨标煤左右; 农林牧副渔业和建筑业消耗最少, 均在5万吨标煤左右。

图3 厦门市终端部门消费环节的能源结构Fig. 3 Energy consumption structure in Xiamen

图4 厦门市各终端部门的能源消费情况, 其中(1): 工业(2):交通运输业(3): 农林牧副渔业(4): 建筑业(5)服务业及其他(6): 居民生活Fig. 4 The energy amount of sectors consumption in Xiamen, (1) industry, (2) transport, (3) agriculture, (4) construction, (5) commercial and services, (6) residential

3.4能源代谢污染物排放环节

能源代谢的各个环节中加工转化和终端部门利用都会产生污染物排放, 而能源加工转化广义上也属于一种工业门类, 为便于对比分析这里将能源加工转化视为与能源终端利用各行业并列的一个部门进行比较。

2009年厦门市能源代谢各部门中主要污染物排放情况如图5所示, 其中能源加工转化是CO2的主要来源, 占其总排放量的57%; 其次是工业和交通运输业, 比例分别为22%和16%; 建筑业、农林牧副渔业、居民生活和服务业的排放量很小, 三者之和仅为5%。SO2的主要来源是工业, 占其总排放量的65%; 其次是能源加工转化环节, 比例为22%; 其余5个行业SO2排放量所占比例很小, 总和仅为13%。NO2的主要来源是能源加工转化和交通运输业, 分别占其总排放量的45%和35%; 工业排放的比例为18%, 其余四个行业所占比例之和为2%。PM2.5的主要来源是工业和交通运输业, 分别占其总排放量的46%和33%; 其余5个行业所占比例之和为21%。废热的主要来源是能源加工转化、工业和交通运输业, 分别占其总排放量的42%、33%和19%, 其他四个行业所占比例之和为10%。

图5 厦门市各部门能源代谢污染物排放情况, 其中(1): 工业(2): 交通运输业(3): 农林牧副渔业(4): 建筑业(5)服务业及其他(6): 居民生活(7): 能源加工转化Fig. 5 Pollutions of sectors emission in Xiamen, (1) industry, (2) transport, (3) agriculture, (4) construction, (5) commercial and services, (6) residential, (7) energy process and transformation

综合以上分析可知: 厦门市2009年能源代谢污染物主要来自能源加工转化和工业, 其中能源加工转化是CO2、NO2和废热的首要来源, 工业是SO2和PM2.5的首要来源。主要原因是厦门市当年能源加工转化投入量和工业消费量分别为316和253万吨标煤, 远高于其他行业, 其煤炭比例分别占其能源总投入的94%和30%, 煤炭的各类污染排放系数一般均高于其他类型的能源, 故二者成为代谢污染物的主要来源。另外, 能源加工转化的去硫和除尘效率可达到95%以上, 均高于工业, 使其SO2和PM2.5的排放量少于工业。

3.5能源代谢评价

本研究使用7个指标从资源、环境和生态三方面分析了厦门市能源代谢水平, 2009年厦门市能源代谢强度为0.36 tce·万元-1GDP, 能源代谢幅度为2.5 tce·人-1, 能源代谢密度为3997 tce·km-2, CO2、SO2、NO2、PM2.5和废热污染强度分别为831 kg·万元-1、0.76 kg·万元-1、5 kg·万元-1、0.3 kg·万元-1和6.8 GJ·万元-1, 其污染幅度分别为5729 kg·人-1、5.26 kg·人-1、34.46 kg·人-1、2.07 kg·人-1和47.2 GJ·人-1,其污染强度分别为9178 t·km-2、8.4 t·km-2、55.2 t·km-2、3.3 t·km-2和75.6 TJ·km-2。根据厦门市能源总投入量和污染物总排放量, 得到厦门市能源代谢总效率为0.43 tce·t-1。而各部门的能源代谢过程效率如图6所示, 服务业及其他的代谢效率最高, 能源加工转化部门的代谢效率最低。这与二者的能源结构密不可分, 服务业及其他以消耗电力为主, 污染物直接排放量小, 故其代谢效率最高; 而厦门市能源加工转化主要是火力发电, 以煤炭为主的能源结构致使其污染物排放量与能源消耗量比值最大, 效率最低。

图6 厦门市各部门的能源代谢效率, 其中(1): 工业(2): 交通运输业(3): 农林牧副渔业(4): 建筑业(5)服务业及其他(6):居民生活(7): 能源加工转化Fig. 6 Energy metabolic efficiency of sectors in Xiamen, (1) industry, (2) transport, (3) agriculture, (4) construction, (5) commercial and services, (6) residential, (7) energy process and transformation

通过对厦门市能源代谢过程的综合分析, 可以发现厦门市能源代谢存在的问题。首先是代谢输入端, 厦门本地能源稀缺, 几乎全部从外调入, 对外依存度高, 随着经济的快速发展, 厦门市能源需求将不断增长, 届时将会更加依赖于外界的能源供给,加大了其经济发展的风险。其次是加工转化环节,厦门市能源加工转化主要是火力发电、供热, 虽然其工艺水平高于国家平均水平, 但其仍是厦门市能源代谢三大主要污染物的首要排放源。另外, 能源终端消费结构不尽合理, 尤其是工业、交通运输业和农林牧副渔业, 其煤炭和燃油所占比例较高。为此, 厦门市需要建立能源应急储备制度以保障能源供应, 同时加大本地新能源和新技术的开发程度,优化能源结构, 提高能源代谢效率。另外调整产业构成, 减少化石能源的消耗, 从而实现社会、经济、环境、资源的可持续发展。

4 结论

本文在部门调研数据、统计年鉴数据和文献资料分析的基础上, 提出了一种基于能量流的城市能源代谢综合分析方法。该方法系统分析能源在城市内部的流动过程, 全面核算5种主要代谢污染物的排放量, 并使用7个指标对能源代谢进行评价, 进一步使用该方法系统研究了厦门市2009年能源代谢情况, 得到结论如下:

(1) 厦门本地能源稀缺, 对外依存度高, 能源结构较为单一, 主要依赖煤炭和燃油。

(2) 能源代谢污染物主要来自能源加工转化和工业, 其中能源加工转化是CO2、NO2和废热的首要来源, 工业是SO2和PM2.5的首要来源。

(3) 厦门市2009年能源代谢总效率为0.43 tce·t-1,在各部门中服务业及其他的效率最高, 加工转化的效率最低, 代谢效率与能源结构关系密切。

(4) 本文提出的方法可为城市能源代谢研究提供系统全面的研究方案。

本研究可以为厦门市能源规划与政策提供科学基础, 从而为实现厦门市可持续发展提供技术支持。

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An integrated analysis of urban energy metabolism: a case study of Xiamen City

ZHAO Yanchuang1,2, ZHAO Xiaofeng1,2,*, LIN Jianyi1,2, CUI Shenghui1,2
1.Key Lab of Urban Environment and Health,Institute of Urban Environment,Chinese Academy of Sciences,Xiamen361021,China
2.Xiamen Key Lab of Urban Metabolism,Xiamen361021,China

Urban metabolism is regarded as one of most important methods to systematically analyze urban problem. Energy is essential for human activities and urban development. So research on the rule of energy metabolism can reveal the problems of energy use, which could provide scientific basis for urban energy planning and management. Based on sectoral survey, statistical data, and literature review, this paper proposed a comprehensive energy-flow-based method to analyze the urban energy metabolism. By tracking the energy flows within urban system, this method calculated the emissions of five environmental pollutions, namely carbon dioxide (CO2), nitrogen dioxide (NO2), sulfur dioxide (SO2), PM2.5 and waste heat. And seven indicators were used to evaluate the efficiency of energy metabolism. This method was applied to analyze the energy metabolism of Xiamen City in 2009. Research results are as follows. (1) Most of the energy consumed in Xiamen was imported from outside areas. The dominant energy was coal and petroleum, which contributed 61% and 23% of the total energy consumption, respectively. (2) The CO2, NO2and waste heat were primarily emitted in the energy transformation process, while the SO2and PM 2.5 were primarily emitted by industrial sector. (3) The total efficiency of energy metabolism of Xiamen city was 0.43 tce·t-1in 2009. The metabolic efficiency of service sector was the highest, while that of energy transformation sector was the lowest. The efficiency of energy metabolism was highly related to energy structure. (4) The method proposed by this paper could provide some technical implications for the further study on urban energy metabolism.

energy metabolism; integrated analysis; energy flow; metabolism efficiency; Xiamen City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.016

X24

A

1008-8873(2016)05-110-07

赵颜创, 赵小锋, 林剑艺, 等. 城市能源代谢综合分析方法及应用—以厦门市为例[J]. 生态科学, 2016, 35(5): 110-116.

ZHAO Yanchuang, ZHAO Xiaofeng, LIN Jianyi, et al. An integrated analysis of urban energy metabolism: a case study of Xiamen City[J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 110-116.

2015-06-16;

2015-07-18

厦门市重点实验室滚动资助项目(3502Z20130037); 国家自然科学基金面上项目(41371392, 71573242); 厦门市科技计划项目(3502Z20142020)

赵颜创(1988—), 男, 河南郑州人, 硕士, 研究实习员, 主要从事城市生态环境管理研究, E-mail: yczhao@iue.ac.cn

*通信作者: 赵小锋, 男, 博士, 副研究员, 主要从事城市生态环境管理研究, E-mail: xfzhao@iue.ac.cn