城市地下空間開(kāi)發(fā)與碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)研究

向 斌

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

城市地下空間廣泛開(kāi)發(fā)利用源于20世紀(jì)50年代，聯(lián)合國(guó)自然資源委員會(huì)于1981年5月將地下空間確定為重要自然資源。城市地下空間開(kāi)發(fā)大幅增加城市容量和豐富城市空間資源，成為低碳城市發(fā)展必然途徑。[1]我國(guó)明確提出“雙碳”目標(biāo)即2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用助力碳達(dá)峰和碳中和，為“雙碳”破題和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。城市地下空間研究成果豐碩為城市地下空間開(kāi)發(fā)利用提供了很好思路，學(xué)者們研究成果主要集中在地下空間評(píng)價(jià)研究[2-4]和城市地下空間開(kāi)發(fā)利用策略研究等[5-7]。碳達(dá)峰、碳中和成為近期研究熱點(diǎn)和焦點(diǎn)，中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，碳達(dá)峰、碳中和是中國(guó)走向綠色經(jīng)濟(jì)體必然選擇[8]，也是我國(guó)高質(zhì)量發(fā)展內(nèi)在要求[9]。碳達(dá)峰、碳中和研究主要集中在碳達(dá)峰、碳中和科學(xué)內(nèi)涵及我國(guó)政策措施[10]、碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)路徑、碳達(dá)峰、碳中和對(duì)策建議等。經(jīng)過(guò)梳理，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用與碳達(dá)峰、碳中和研究成果建樹(shù)不多，這為本文提供了研究空間。

1 城市地下空間開(kāi)發(fā)利用與碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)必要性

碳達(dá)峰是二氧化碳排放量達(dá)到歷史最高值后進(jìn)入持續(xù)下降的過(guò)程。碳中和是在一定時(shí)期內(nèi)通過(guò)植樹(shù)造林增加植被、節(jié)能減排低碳等形式減少二氧化碳排放量與增加二氧化碳吸收量，最終實(shí)現(xiàn)“零碳排放”。城市地下空間開(kāi)發(fā)利用有助于碳達(dá)峰、碳中和，有利于提高碳達(dá)峰、碳中和工作成效和實(shí)現(xiàn)“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”政策目標(biāo)。

1.1 利于增加綠地，提升城市碳匯

城市地下空間開(kāi)發(fā)利用可將適宜于城市地下環(huán)境的交通運(yùn)輸、商業(yè)商場(chǎng)、污水處理、垃圾處理和轉(zhuǎn)運(yùn)站、變電站等轉(zhuǎn)入城市地下空間，實(shí)現(xiàn)城市由二維空間向三維空間拓展，有利于實(shí)現(xiàn)多重利用城市土地和多層拓展城市空間，從而騰出更多城市地面面積和更廣城市地面空間植樹(shù)造林營(yíng)造城市生態(tài)綠地，加強(qiáng)吸收城市碳排放，提升城市碳匯。

1.2 利于降低能耗，減少城市碳排放

地下空間多以巖土體介質(zhì)為外部環(huán)境，在地下一定深度范圍內(nèi)地溫基本恒定不變，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用比城市地上空間要節(jié)省大量的溫度調(diào)節(jié)能耗。充分利用城市地下空間恒溫特征開(kāi)發(fā)建設(shè)地下商業(yè)、工業(yè)、物流倉(cāng)儲(chǔ)等地下空間可節(jié)省溫度調(diào)節(jié)從而降低能耗，保持城市地下空間自身所獨(dú)具的恒溫和恒濕特點(diǎn)產(chǎn)生的節(jié)能低碳效應(yīng)，能減少城市碳排放。

1.3 利于轉(zhuǎn)變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，提供城市清潔能源

我國(guó)地?zé)豳Y源稟賦良好，主要包括淺層地?zé)崮?、水熱型地?zé)?地下熱水)和干熱巖等類(lèi)型。我國(guó)范圍內(nèi)普遍分布淺層地?zé)崮苜Y源和水熱型地?zé)豳Y源。我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用可以充分利用地?zé)崮?、水熱型地?zé)岷透蔁豳Y源等清潔能源，實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

2 城市地下空間開(kāi)發(fā)利用與碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)基本原則

2.1 統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)保護(hù)相結(jié)合原則

城市地下空間開(kāi)發(fā)利用要把生態(tài)安全評(píng)價(jià)、資源承載力評(píng)價(jià)、工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)等作為重要前提，結(jié)合城市地下空間功能設(shè)置需求和設(shè)計(jì)，合理開(kāi)發(fā)規(guī)劃和利用城市地下空間，做到彈性預(yù)留有利于地下節(jié)能減排層位空間，實(shí)現(xiàn)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用與實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和進(jìn)行前瞻性規(guī)劃、開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)保護(hù)。城市地下空間開(kāi)發(fā)利用統(tǒng)籌規(guī)劃和有機(jī)融合城市地下空間與城市地面空間，充分做到功能協(xié)調(diào)與減碳低碳，優(yōu)先安排城市市政建設(shè)、城市地下交通、應(yīng)急防災(zāi)等基礎(chǔ)設(shè)施，適時(shí)適當(dāng)安排垃圾處理和轉(zhuǎn)運(yùn)站、污水處理等城市市政功能設(shè)施。重點(diǎn)合理開(kāi)發(fā)建設(shè)城市地下商業(yè)、地下物流倉(cāng)儲(chǔ)等地下設(shè)施，美化城市地面綠色生態(tài)環(huán)境，做好城市生態(tài)保護(hù)工作，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和。

2.2 低碳節(jié)能和技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合原則

城市地下空間開(kāi)發(fā)要統(tǒng)籌考慮城市地下空間地下水、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉春唾Y源的綜合價(jià)值和可持續(xù)性，協(xié)同開(kāi)發(fā)利用城市地下空間與共生資源能源，引導(dǎo)城市地下空間適時(shí)適度、科學(xué)有序開(kāi)發(fā)利用，合理利用城市地下空間新能源、清潔能源，做到城市地下空間資源開(kāi)發(fā)與統(tǒng)籌利用相結(jié)合，減少碳排放，實(shí)現(xiàn)碳中和。城市地下空間開(kāi)發(fā)利用要推廣應(yīng)用和創(chuàng)新清潔能源、水資源循環(huán)利用、固廢回收和資源化利用、綠色建筑、太陽(yáng)能、地源熱泵等節(jié)能減耗技術(shù)，開(kāi)展城市地下空間低碳減排規(guī)劃和低碳減排技術(shù)建造研究和技術(shù)創(chuàng)新，改善城市地下空間開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中碳排放和碳吸收，提升城市地下空間低碳減排節(jié)能效果。

3 城市地下空間開(kāi)發(fā)利用與碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)機(jī)理

發(fā)達(dá)國(guó)家二氧化碳排放軌跡顯示，首先要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，碳排放呈倒U形趨勢(shì)，二氧化碳排放量觸及最高峰值之后會(huì)持續(xù)下降。隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的推進(jìn)，碳達(dá)峰是必然的、可期的自然發(fā)展過(guò)程，短期內(nèi)既要求促進(jìn)提前碳達(dá)峰，經(jīng)歷削峰、壓峰、拉低二氧化碳峰值水平，最后為碳中和預(yù)留空間，實(shí)現(xiàn)碳排放減少和碳吸收增加才能實(shí)現(xiàn)碳中和，見(jiàn)圖1。

圖1 城市地下空間開(kāi)發(fā)利用與碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)機(jī)理

3.1 減少碳排放

城市地下空間碳排放主要表現(xiàn)在城市地下空間空調(diào)取暖和制冷造成的碳排放。在城市地下空間開(kāi)發(fā)利用中提倡用太陽(yáng)能空調(diào)、熱泵空調(diào)、地?zé)岬惹鍧嵞茉磥?lái)制冷取暖，充分利用綠色建筑材料，減少城市地下空間碳排放，從源頭上控制碳排放為碳達(dá)峰、碳中和做出貢獻(xiàn)。

3.2 增加碳吸收

城市地下空間開(kāi)發(fā)利用可以建設(shè)綠色生態(tài)和實(shí)現(xiàn)生態(tài)碳匯。生態(tài)碳匯即綠色植物光合作用減少空氣中二氧化碳存量，故要開(kāi)展城市地面森林、綠地植被等生態(tài)綠地建設(shè)增加碳吸收。城市地下空間碳吸收一方面是靠城市地面綠色生態(tài)光合作用固碳，另一方面是依靠城市地下空間進(jìn)行碳捕捉和碳封存，從碳吸收方面為碳達(dá)峰、碳中和做出貢獻(xiàn)。

4 城市地下空間開(kāi)發(fā)利用與碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)路徑

城市地下空間具有天然的減碳條件，在地下交通節(jié)能、新能源利用等都比城市地面設(shè)施和地上建筑物尤具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。要實(shí)現(xiàn)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用與碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用需要轉(zhuǎn)變開(kāi)發(fā)利用理念，聚焦“降低能耗、增加碳吸收、減少碳排放”，科學(xué)規(guī)劃、開(kāi)發(fā)和利用城市地下空間資源，見(jiàn)圖2。

圖2 城市地下空間開(kāi)發(fā)利用與碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)路徑

4.1 推進(jìn)綠色建筑和智慧建筑，提高碳減排

碳減排是采取節(jié)約使用能源、提高能源使用效率策略減少碳排放。實(shí)施城市地下空間建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)，減少能源浪費(fèi)、降低建筑碳排放，提高建筑能效，降低建筑運(yùn)行能耗，建設(shè)高品質(zhì)城市地下空間綠色建筑；推廣綠色化、信息化、集約化等建筑方式，實(shí)現(xiàn)城市地下空間工程建設(shè)全程綠色建筑。

一是城市地下空間建筑需要綠色轉(zhuǎn)型，提高城市地下空間建筑節(jié)能減排水平。充分利用太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉矗捎行娲鷤鹘y(tǒng)能源耗費(fèi)，降低城市地下空間碳排放，提高城市地下空間暖通空調(diào)、照明與電氣設(shè)備能效水平。能耗是碳排放重要來(lái)源，低碳高效進(jìn)行城市地下空間開(kāi)發(fā)利用解決城市地下空間低碳建筑和全生命周期低碳運(yùn)營(yíng)維護(hù)問(wèn)題，降低城市地下空間建筑能耗。

二是推崇綠色建筑，降低資源耗費(fèi)。城市地下空間建設(shè)選用低碳高強(qiáng)、高耐久性建筑材料，推進(jìn)綠色建材使用，推行全裝飾、安裝式修建等綠色建筑方法，選擇低碳建材，有效降低建筑材料資源耗費(fèi)水平，并帶動(dòng)降低材料出產(chǎn)、運(yùn)送能耗，推廣超低能耗、近零能耗建筑，發(fā)展零碳建筑，推動(dòng)高質(zhì)量綠色建筑規(guī)模化發(fā)展。采用新型低碳建筑結(jié)構(gòu)體系和高性能建筑材料，提高節(jié)能減排新型材料在建筑中的使用占比，減少使用高碳鋼和水泥，多使用零能耗和零碳建筑。采用裝配式建造，降低建筑隱含碳減少碳排放量。通過(guò)城市地下空間布局優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用自然采光和自然通風(fēng)等措施，降低建筑用能需求。創(chuàng)新以電氣為主導(dǎo)的建筑物和靈活的能源系統(tǒng)，做到建筑電氣化走向城市地下空間零碳。做到城市地下空間智慧運(yùn)營(yíng)和智慧建筑，協(xié)同統(tǒng)籌電熱氣等能源，降低建筑運(yùn)行能耗，減少碳排放實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。

4.2 利用新能源和清潔能源，增加碳替代

城市地下空間爭(zhēng)取利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料以減少碳排放。為確保城市地下空間真正做到實(shí)現(xiàn)低碳減排效益，降低城市地下空間在采光照明方面由于耗電產(chǎn)生的碳。第一，城市地下空間充分吸收太陽(yáng)光，實(shí)現(xiàn)照明和采暖，充分利用自然光節(jié)省電源，保證城市地下空間實(shí)現(xiàn)低碳減排效益。第二，導(dǎo)光管是自然采光的一種新型健康、節(jié)能、環(huán)保型照明產(chǎn)品，它將城市地下空間外的自然光線(xiàn)通過(guò)采光罩進(jìn)入地下空間，并且導(dǎo)光管能夠自然彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)特殊制作的光導(dǎo)管道傳輸和強(qiáng)化后由系統(tǒng)底部的漫射裝置使自然光準(zhǔn)確均勻漫射到城市地下空間角落。

地源熱泵作為一種地球淺層熱能是開(kāi)發(fā)地下熱能儲(chǔ)存的一種形式，它利用天然地層、地下水或人造地質(zhì)條件為儲(chǔ)存介質(zhì)，把天然的過(guò)剩能量或者天然的熱能如地?zé)帷⒍颈?、地下水等高效?chǔ)存作為冬季熱源和夏季冷源，然后通過(guò)熱泵機(jī)組向建筑物提供取暖熱量或制冷，夏季把城市地下空間熱量取出來(lái)，釋放到地下去。冬季把地能中的熱量“取”出來(lái)提高溫度為城市地下空間采暖和供暖，實(shí)現(xiàn)城市地下空間和地下溫度的平衡，從而達(dá)到合理吸收利用能源的目的。利用地?zé)釣槌鞘械叵驴臻g供暖制冷成為城市地下空間低碳減排首要選擇和清潔能源利用的首選方案。城市地下空間可利用地下熱源作為供熱和制冷能源進(jìn)而達(dá)到低碳減排效益目標(biāo)，地源熱泵在減少排放、綠色生態(tài)作用顯著。

4.3 促進(jìn)碳封存和碳循環(huán)，提高碳吸收

碳封存是以捕獲并安全儲(chǔ)存方式來(lái)取代直接排放二氧化碳的技術(shù)和路徑。陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)二氧化碳吸收是一種自然碳封存過(guò)程。人工碳匯就是利用城市地下空間封閉性、穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)二氧化碳地下封存，在城市地下空間開(kāi)發(fā)和利用中要充分考慮人工碳匯。碳封存重點(diǎn)是捕獲并分離把工業(yè)、電力、交通等排放出來(lái)的二氧化碳，將其注入深地層結(jié)構(gòu)層中和城市地下空間中去進(jìn)行碳封存，從而提高城市地下空間碳吸收。碳循環(huán)重要內(nèi)容是森林碳匯。森林碳匯是指森林植物吸收并固定二氧化碳以減少空氣中二氧化碳的濃度和存量，如通過(guò)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用擴(kuò)大城市森林覆蓋面積，增加植被碳吸收能力，從而實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和。

結(jié) 語(yǔ)

碳達(dá)峰、碳中和是黨和國(guó)家作出的重大戰(zhàn)略決策，成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展內(nèi)在要求。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)要求降低碳排放和增加碳吸收，最后實(shí)現(xiàn)碳排放和碳吸收相互抵消實(shí)現(xiàn)碳中和。城市地下空間開(kāi)發(fā)利用對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和至關(guān)重要，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用與實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和必須推進(jìn)綠色建筑材料和智慧建筑提高碳減排、利用新能源和清潔能源增加碳替代、促進(jìn)碳封存和碳循環(huán)，提高碳吸收。