城市地下空間開發與碳達峰、碳中和實現研究

向 斌

(中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430074)

城市地下空間廣泛開發利用源于20世紀50年代，聯合國自然資源委員會于1981年5月將地下空間確定為重要自然資源。城市地下空間開發大幅增加城市容量和豐富城市空間資源，成為低碳城市發展必然途徑。[1]我國明確提出“雙碳”目標即2030年前實現碳達峰和爭取2060年前實現碳中和，城市地下空間開發利用助力碳達峰和碳中和，為“雙碳”破題和實現“雙碳”目標。城市地下空間研究成果豐碩為城市地下空間開發利用提供了很好思路，學者們研究成果主要集中在地下空間評價研究[2-4]和城市地下空間開發利用策略研究等[5-7]。碳達峰、碳中和成為近期研究熱點和焦點，中國實現碳達峰、碳中和是一項系統性工程，碳達峰、碳中和是中國走向綠色經濟體必然選擇[8]，也是我國高質量發展內在要求[9]。碳達峰、碳中和研究主要集中在碳達峰、碳中和科學內涵及我國政策措施[10]、碳達峰、碳中和實現路徑、碳達峰、碳中和對策建議等。經過梳理，城市地下空間開發利用與碳達峰、碳中和研究成果建樹不多，這為本文提供了研究空間。

1 城市地下空間開發利用與碳達峰、碳中和實現必要性

碳達峰是二氧化碳排放量達到歷史最高值后進入持續下降的過程。碳中和是在一定時期內通過植樹造林增加植被、節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，最終實現“零碳排放”。城市地下空間開發利用有助于碳達峰、碳中和，有利于提高碳達峰、碳中和工作成效和實現“2030碳達峰、2060碳中和”政策目標。

1.1 利于增加綠地，提升城市碳匯

城市地下空間開發利用可將適宜于城市地下環境的交通運輸、商業商場、污水處理、垃圾處理和轉運站、變電站等轉入城市地下空間，實現城市由二維空間向三維空間拓展，有利于實現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造林營造城市生態綠地，加強吸收城市碳排放，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為外部環境，在地下一定深度范圍內地溫基本恒定不變，城市地下空間開發利用比城市地上空間要節省大量的溫度調節能耗。充分利用城市地下空間恒溫特征開發建設地下商業、工業、物流倉儲等地下空間可節省溫度調節從而降低能耗，保持城市地下空間自身所獨具的恒溫和恒濕特點產生的節能低碳效應，能減少城市碳排放。

1.3 利于轉變能源消費結構，提供城市清潔能源

我國地熱資源稟賦良好，主要包括淺層地熱能、水熱型地熱(地下熱水)和干熱巖等類型。我國范圍內普遍分布淺層地熱能資源和水熱型地熱資源。我國城市地下空間開發利用可以充分利用地熱能、水熱型地熱和干熱資源等清潔能源，實現能源消費結構轉變。

2 城市地下空間開發利用與碳達峰、碳中和實現基本原則

2.1 統籌開發利用與生態保護相結合原則

城市地下空間開發利用要把生態安全評價、資源承載力評價、工程建設適宜性評價等作為重要前提，結合城市地下空間功能設置需求和設計，合理開發規劃和利用城市地下空間，做到彈性預留有利于地下節能減排層位空間，實現城市地下空間開發利用與實現碳達峰、碳中和進行前瞻性規劃、開發利用和生態保護。城市地下空間開發利用統籌規劃和有機融合城市地下空間與城市地面空間，充分做到功能協調與減碳低碳，優先安排城市市政建設、城市地下交通、應急防災等基礎設施，適時適當安排垃圾處理和轉運站、污水處理等城市市政功能設施。重點合理開發建設城市地下商業、地下物流倉儲等地下設施，美化城市地面綠色生態環境，做好城市生態保護工作，實現碳達峰和碳中和。

2.2 低碳節能和技術創新相結合原則

城市地下空間開發要統籌考慮城市地下空間地下水、地熱能等清潔能源和資源的綜合價值和可持續性，協同開發利用城市地下空間與共生資源能源，引導城市地下空間適時適度、科學有序開發利用，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發與統籌利用相結合，減少碳排放，實現碳中和。城市地下空間開發利用要推廣應用和創新清潔能源、水資源循環利用、固廢回收和資源化利用、綠色建筑、太陽能、地源熱泵等節能減耗技術，開展城市地下空間低碳減排規劃和低碳減排技術建造研究和技術創新，改善城市地下空間開發利用過程中碳排放和碳吸收，提升城市地下空間低碳減排節能效果。

3 城市地下空間開發利用與碳達峰、碳中和實現機理

發達國家二氧化碳排放軌跡顯示，首先要實現碳達峰，碳排放呈倒U形趨勢，二氧化碳排放量觸及最高峰值之后會持續下降。隨著工業化、城市化進程的推進，碳達峰是必然的、可期的自然發展過程，短期內既要求促進提前碳達峰，經歷削峰、壓峰、拉低二氧化碳峰值水平，最后為碳中和預留空間，實現碳排放減少和碳吸收增加才能實現碳中和，見圖1。

圖1 城市地下空間開發利用與碳達峰、碳中和實現機理

3.1 減少碳排放

城市地下空間碳排放主要表現在城市地下空間空調取暖和制冷造成的碳排放。在城市地下空間開發利用中提倡用太陽能空調、熱泵空調、地熱等清潔能源來制冷取暖，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峰、碳中和做出貢獻。

3.2 增加碳吸收

城市地下空間開發利用可以建設綠色生態和實現生態碳匯。生態碳匯即綠色植物光合作用減少空氣中二氧化碳存量，故要開展城市地面森林、綠地植被等生態綠地建設增加碳吸收。城市地下空間碳吸收一方面是靠城市地面綠色生態光合作用固碳，另一方面是依靠城市地下空間進行碳捕捉和碳封存，從碳吸收方面為碳達峰、碳中和做出貢獻。

4 城市地下空間開發利用與碳達峰、碳中和實現路徑

城市地下空間具有天然的減碳條件，在地下交通節能、新能源利用等都比城市地面設施和地上建筑物尤具獨特優勢。要實現城市地下空間開發利用與碳達峰、碳中和目標，城市地下空間開發利用需要轉變開發利用理念，聚焦“降低能耗、增加碳吸收、減少碳排放”，科學規劃、開發和利用城市地下空間資源，見圖2。

圖2 城市地下空間開發利用與碳達峰、碳中和實現路徑

4.1 推進綠色建筑和智慧建筑，提高碳減排

碳減排是采取節約使用能源、提高能源使用效率策略減少碳排放。實施城市地下空間建筑領域碳達峰、碳中和行動，減少能源浪費、降低建筑碳排放，提高建筑能效，降低建筑運行能耗，建設高品質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，實現城市地下空間工程建設全程綠色建筑。

一是城市地下空間建筑需要綠色轉型，提高城市地下空間建筑節能減排水平。充分利用太陽能、地熱能等可再生能源，可有效替代傳統能源耗費，降低城市地下空間碳排放，提高城市地下空間暖通空調、照明與電氣設備能效水平。能耗是碳排放重要來源，低碳高效進行城市地下空間開發利用解決城市地下空間低碳建筑和全生命周期低碳運營維護問題，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。城市地下空間建設選用低碳高強、高耐久性建筑材料，推進綠色建材使用，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水平，并帶動降低材料出產、運送能耗，推廣超低能耗、近零能耗建筑，發展零碳建筑，推動高質量綠色建筑規模化發展。采用新型低碳建筑結構體系和高性能建筑材料，提高節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。通過城市地下空間布局優化設計、采用自然采光和自然通風等措施，降低建筑用能需求。創新以電氣為主導的建筑物和靈活的能源系統，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營和智慧建筑，協同統籌電熱氣等能源，降低建筑運行能耗，減少碳排放實現碳達峰、碳中和。

4.2 利用新能源和清潔能源，增加碳替代

城市地下空間爭取利用太陽能、風能等可再生能源，代替傳統燃料以減少碳排放。為確保城市地下空間真正做到實現低碳減排效益，降低城市地下空間在采光照明方面由于耗電產生的碳。第一，城市地下空間充分吸收太陽光，實現照明和采暖，充分利用自然光節省電源，保證城市地下空間實現低碳減排效益。第二，導光管是自然采光的一種新型健康、節能、環保型照明產品，它將城市地下空間外的自然光線通過采光罩進入地下空間，并且導光管能夠自然彎曲和轉動，經特殊制作的光導管道傳輸和強化后由系統底部的漫射裝置使自然光準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發地下熱能儲存的一種形式，它利用天然地層、地下水或人造地質條件為儲存介質，把天然的過剩能量或者天然的熱能如地熱、冬季冰雪、地下水等高效儲存作為冬季熱源和夏季冷源，然后通過熱泵機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，釋放到地下去。冬季把地能中的熱量“取”出來提高溫度為城市地下空間采暖和供暖，實現城市地下空間和地下溫度的平衡，從而達到合理吸收利用能源的目的。利用地熱為城市地下空間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而達到低碳減排效益目標，地源熱泵在減少排放、綠色生態作用顯著。

4.3 促進碳封存和碳循環，提高碳吸收

碳封存是以捕獲并安全儲存方式來取代直接排放二氧化碳的技術和路徑。陸地生態系統對二氧化碳吸收是一種自然碳封存過程。人工碳匯就是利用城市地下空間封閉性、穩定性等優勢實現二氧化碳地下封存，在城市地下空間開發和利用中要充分考慮人工碳匯。碳封存重點是捕獲并分離把工業、電力、交通等排放出來的二氧化碳，將其注入深地層結構層中和城市地下空間中去進行碳封存，從而提高城市地下空間碳吸收。碳循環重要內容是森林碳匯。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，如通過城市地下空間開發利用擴大城市森林覆蓋面積，增加植被碳吸收能力，從而實現碳達峰和碳中和。

結 語

碳達峰、碳中和是黨和國家作出的重大戰略決策，成為我國經濟社會高質量發展內在要求。實現碳達峰、碳中和目標要求降低碳排放和增加碳吸收，最后實現碳排放和碳吸收相互抵消實現碳中和。城市地下空間開發利用對于實現碳達峰、碳中和至關重要，城市地下空間開發利用與實現碳達峰、碳中和必須推進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、促進碳封存和碳循環，提高碳吸收。