数字技术赋能零碳城市建设白皮书 2023.pdf
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1、前言前言城市的运作与人类活动密切相关,自工业革命以来,人类经济活动产生了大量碳排放,使得大气 CO2浓度上升了 75%,造成全球气候变化和极端气候灾害频繁发生。城市是人类生产生活的主要场所,虽然城市面积仅占不到陆地面积的 3%,但城市是碳排放最集中的区域。碳达峰、碳中和双碳战略是指引我国未来可持续社会经济发展变革的基本方向,要实现“双碳”战略目标,构建“零碳”城市是必然要求,是落实“双碳”战略计划的基础环节,也是未来绿色发展科学规划的一部分。近年来,国家在“零碳能源”、“零碳建筑”、“零碳家庭”、“零碳交通”等城市功能系统上的重视程度和投入逐年增强,尽量减少碳的排放量(碳源)。另一方面,城市本
2、身也包含大量的植被覆盖,如城市森林、城市农田、城市草地等绿色植物,城市热岛及相对较高 CO2浓度环境,使城市绿地发挥其生态服务功能,实现更高效率的固碳(碳汇)。“零碳”城市并非追求“零碳”排放,而是碳排放和固碳的均衡,即净“零碳”。提升城市植被固碳能力,可以抵消城市碳排放,从而实现城市的“近零碳”、“零碳”甚至“负碳”目标。中国联通智能城市研究院与武汉大学联合成立数字孪生城市联合创新实验室,利用数字化技术赋能零碳城市建设,结合遥感、大数据、云计算、人工智能、数字孪生、物联网等技术手段,基于遥感云服务平台、城市信息模型 CIM平台,汇集并整合城市各类基础设施数据、社会经济发展统计数据及监测数据,
3、深入分析“零碳”城市数字化建设内涵、城市碳排和固碳的评价方法、计算模型,突出城市规划管理优化降低碳排放和提升城市固碳能力,提出数据融合和因地制宜升级城市生态系统管理策略,为“零碳”城市建设提供参考。通过“零碳”城市的实践建设,为全国推广“零碳”城市提供实例,助力国家“双碳”战略目标达成,为全球气候变化应对贡献中国力量。目录目录1.“双碳”战略,城市高质量发展必由之路.11.1.“双碳”战略的意义.11.2.“零碳”城市内涵.21.3.“零碳”城市发展现状.31.4.“零碳”城市建设机遇与挑战.72.数字化技术,城市“双碳”创新管理重要驱动力.82.1.物联网技术强化城市“双碳”数据获取途径.9
4、2.2.遥感技术创新城市“双碳”监测手段.102.3.智能计算提升城市“双碳”核算能力.122.4.大数据分析节能减排和挖掘固碳潜力.152.5.数字孪生辅助“零碳”城市规划决策.173.城市“零碳”数字孪生,助力“零碳”城市建设.193.1.“零碳”城市数字化建设总体架构.193.2.“零碳”城市数据体系建设.213.3.遥感云服务,“零碳”城市“血液”更新助力泵.233.4.城市信息模型 CIM,构筑城市“零碳”孪生时空能力中枢.243.5.数字孪生低碳应用,赋能城市“零碳”应用服务.254.试点先行,数字孪生技术赋能“零碳”城市实践.294.1.江西吉水,数字孪生技术助力城市双碳规划管理
5、.294.2.湖南长株潭,构筑城市双碳空天地一体化监测管理体系.304.3.杭州余杭,助力打造生态共富“双碳革新”.325.发展展望,“零碳”城市数字化发展思考.345.1.统筹顶层规划与标准建设,引领“零碳”城市建设.345.2.加快技术提升与融合共治,持续赋能“零碳”城市建设.355.3.建立一体化绿色生态联盟,构筑“零碳”城市新生态.356.总结.36参考文献.3711.“双碳”战略,城市高质量发展必由之路“双碳”战略,城市高质量发展必由之路1.1.“双碳”战略的意义“双碳”战略的意义“双碳”战略,即碳达峰、碳中和的简称,我国力争 2030 年前实现碳达峰,2060 年前实现碳中和。“双
6、碳”战略目标的提出将我国绿色发展之路提升到新的高度,也是我国城市高质量发展的必由之路。科学内涵:气候变暖确定性增强,减排控温已成为全球共识科学内涵:气候变暖确定性增强,减排控温已成为全球共识全球变暖等气候变化,是当今人类面临的重大全球性挑战,会引发极端天气、海平面上升、物种灭绝等灾难性后果。联合国气候科学机构政府间气候变化专门委员会(IPCC)已先后发布了六次气候评估报告,明确了全球气候变暖的确定性规律,更确认了人类碳排放在增温中的重要影响,刻不容缓地开展减排控温工作已成为国际社会的共识。政治战略:推动生态文明建设,做负责任大国政治战略:推动生态文明建设,做负责任大国我国是全球最大的能源生产国
7、、消费国和碳排放国,在全球气候治理中发挥着关键作用。当今世界正在经历百年未有之大变局,在全球抗击新冠肺炎疫情的共同影响下,新一轮科技革命和产业变革进入暴发增长期,各国经济社会数字转型和绿色转型进入交汇发展期。在这样的国际环境下,我国向国际社会承诺 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的“双碳”目标,是国家基于构建人类命运共同体作出的重大战略决策,加强生态文明建设,彰显我国应对全球气候变化的大国担当。2 经济意义:工业化发展后期,加快发展与“碳”逐渐脱钩经济意义:工业化发展后期,加快发展与“碳”逐渐脱钩我国已步入高质量发展阶段,从“数量追赶”转向“质量追赶”,从“规模扩张”转向“结
8、构升级”,从“要素驱动”转向“创新驱动”,从“高碳增长”转向“绿色发展”。“双碳”战略目标先后被写入国务院政府工作报告和国家“十四五”发展规划,并被列为十四五时期的重点工作,“双碳”战略也成为推动高质量发展的重要任务。十四五时期是碳达峰的攻坚期和窗口期,当前我国单位 GDP 的能耗仍高于世界平均水平,以技术进步、创新驱动和制度改革促进经济社会高质量发展成为主旋律,促进经济社会发展全面绿色转型,进一步巩固“碳”和经济增长脱钩的态势。1.2.“零碳”城市内涵“零碳”城市内涵 城市是温室气体排放的主要来源区域城市是温室气体排放的主要来源区域城市化是当代人类社会发生的最为显著的变化之一,我国城市化进程
9、的速度和规模在人类历史上前所未有,城市数量和规模均迅速增加,据最新人口普查数据显示,当前全国常住人口城镇化率超过 60%。城市在社会发展中扮演着重要的角色,承载了人类社会、经济、文化活动的大部分职能。这也使得城市成为碳排放的重要场所,根据联合国人居署的统计,城市消耗了全世界 78%的能源,超过 60%的温室气体排放来自城市地区。城市生态系统的碳收支城市生态系统的碳收支城市一般是指以非农业活动和非农业人口为主的人类聚居地,此外,城市还包括除建成区外的公共绿地、广场、公园,以及城市3郊区的农田、森林、草地、湿地等不同植被覆盖的区域,共同构成了综合的城市自然生态系统。城市生态系统的整体碳收支(碳源汇
10、),由自然生态系统的碳收支和社会经济活动产生的碳排放构成。首先,城市自然生态系统的植被固碳量和植物及土壤的呼吸碳排放处于动态变化中,两者间的相对大小决定了城市自然生态系统碳收支(源或汇)结果;此外,城市中发生的各项社会经济活动会在大气中排放大量的 CO2温室气体。“零碳”城市内涵与意义“零碳”城市内涵与意义在全球应对气候变化的背景下,城市率先实现低碳转型和可持续的绿色发展逐渐成为国际共识。所谓“零碳城市”,也可称“生态城市”,就是最大限度地减少温室气体排放的环保型城市,同时尽可能增加城市的固碳能力。“零碳”城市并不是要求绝对的做到零碳排放,而是要求组成城市功能的各个系统的节能化、环保化实现碳排
11、放和固碳相互抵消,实现城市碳中和,是一种城市低碳发展的极致目标。1.3.“零碳”城市发展现状“零碳”城市发展现状“零碳”城市政策现状“零碳”城市政策现状近年来,我国高度重视“零碳”城市发展建设,在宏观政策层面出台相关指导文件,在不同行业领域推动双碳战略目标的有效实行:4能源结构调整方面能源结构调整方面,国家发改委发布能源生产和消费革命战略(2016-2030),着力支持建设绿色低碳能源体系和绿色技术创新,筑牢能源安全基石,实现能源生产和消费方式根本性转变;工业生产方面工业生产方面,国家工信部等三部委联合印发工业领域碳达峰实施方案,从产业结构调整、生产制造回收、数字化转型等多方面提出大规模产能更
12、新部署计划,力求实现工业低碳化改造和绿色制造;交通运输方面交通运输方面,国务院办公厅印发新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年),重点支持新能源汽车行业发展,推动自动驾驶汽车规模化应用,有效促进节能减排水平和社会运行效率的双重提升,全面构建城市绿色交通运输体系;城市建设与建筑工程方面,城市建设与建筑工程方面,国家“十四五”规划中明确指出要推进生态文明建设示范区、低碳试点建设工作,优化生态空间的组成、结构、空间布局和实施重大生态修复工程,提升蓝绿生态系统的碳汇潜力,助力绿色建筑等行业的发展;经济发展与消费方面,经济发展与消费方面,国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见提
13、出大力推动循环经济发展,积极引导经济生产与消费的全面绿色转型。健全绿色低碳循环发展的生产体系,健全绿色消费体系、倡导低碳环保的生活方式。自然生态保护方面,自然生态保护方面,良好的城市生态环境,是建设人与自然和谐共生现代化的重要内容和基础。习近平总书记提出,“建设人与自然和谐共生的现代化,必须把保护城市生态环境摆在更加突出的位置,科学合理规划城市的生产空间、生活空间、生态空间,处理好城市生产生活和生态环境保护的关系,既提高经济发展质量,又提高人民生活品质”。5 国际“零碳”城市建设现状国际“零碳”城市建设现状联合国在 2019 年发起了名为“零碳竞赛”的气候行动,全球共有超过四百个城市参与,截止
14、目前已有 100 多个城市承诺将于 2050年前实现净零碳排放。这些城市从城市形态、空间规划、产业体系、能源体系、技术体系和生活方式等诸多方面发力,推动城市经济社会的低碳转型发展。聚焦建筑、能源、交通、产业等视角,开展“零碳”城市的研究与实践,探索“零碳”城市建设路径。零排放、零污染城市的建设在很大程度上依赖于绿色能源的使用,欧洲、美国等多个城市大力普及绿色能源,推广氢能、风力发电等清洁能源的使用;住宅是城市建筑中最主要的组成单元也是碳排放的主要源头之一,生态住宅的研究也成为英国、德国、新加坡等地区“零碳”城市实现的重要路径;为了减少交通拥挤、降低能源消耗和环境污染、节省建设维护费用,建设发展
15、低污染、多元化城市交通运输系统是众多城市的主要选项;产业转型是城市面临的重大挑战,众多以重工业为主导产业的城市在产业结构调整方面发力,改变经济发展对煤炭、钢铁和重工业等的过度依赖,探索可持续的经济发展模式。国内“零碳”城市建设现状国内“零碳”城市建设现状为推进生态文明建设,推动绿色低碳发展,确保实现我国控制温室气体排放行动目标,我国积极推进“低碳”、“零碳”城市试点工作。自 2010 年起陆续启动了三批共 87 个省市地区作为低碳试点,在探索低碳发展模式、推进能源优化利用、打造低碳产业体系、加快低碳技术研发与应用等方面积累了宝贵经验。6表 1-1 全国低碳试点城市2022 年中国净“零碳”城市
16、发展报告中分析了全国 30 个“净零碳”城市样本。从分析结果可以发现,当前发展现状下,城市发达水平与净零碳发展水平密切相关,服务型城市的低碳发展水平整体较高,这也说明我国工业型城市尚有很大的低碳发展空间。样本城市在能源结构方面的主要举措是降低火力发电比例,推广风能和太阳能发电,同时节约用电在节能工作中的重要性也日益凸显。一线发达城市在绿色交通方面的优势非常明显。零碳目标可发生在不同的层次上,从零碳企业、零碳社区、零碳园区,到“零碳”城市,直到实现碳达峰、碳中和,城市起着承7上启下的作用。当前国内以江西、杭州、深圳、雄安新区等城市和地区为代表的,持续推进“零碳”城市、零碳园区、零碳村等试点建设工
17、作。1.4.“零碳”城市建设机遇与挑战“零碳”城市建设机遇与挑战“零碳”城市当前仍处于建设的初期阶段,还需要漫长的发展过程。“零碳”城市建设不仅面临前所未有的机遇,同时也面临重重挑战。“零碳”城市建设的机遇国家宏观政策积极推进,为“零碳”城市建设发展创造了良好的环境。“零碳”城市建设的机遇国家宏观政策积极推进,为“零碳”城市建设发展创造了良好的环境。我国始终坚持走绿色可持续发展的道路,党的十八大以来,我国把生态文明建设作为统筹推进“五位一体”总体布局的重要内容,确立绿色发展是新发展理念的五大理念之一,加快推进顶层设计和制度体系建设,推动绿色转型取得重大进展。新一轮科技革命为“零碳”城市建设注入
18、新动能。新一轮科技革命为“零碳”城市建设注入新动能。以大数据、物联网、人工智能、云计算等为代表的新一轮科技革命,正在从导入期转向拓展期,新技术的发展在产业结构优化、能源结构转型中都显示出了惊人的力量,也必然会为“零碳”城市的实现增添新动能。“零碳”城市建设的挑战城市零碳目标实现需要平衡节能减排和经济发展的关系。“零碳”城市建设的挑战城市零碳目标实现需要平衡节能减排和经济发展的关系。我国的城市化进程仍在继续,人口的增长会影响城市的规模,进而影响城市的能源消耗和资源利用。我国经济高速增长长期依赖于资源、能源消耗和环境排放的增加,特别是发展水平较低的城市仍然处于8能源利用的增加阶段。在保证经济高速增
19、长的前提下,优化产业结构、加快创新驱动,实现经济增长与碳排放的脱钩是“零碳”城市建设的重要挑战。城市零碳目标实现需要新技术的加速融合与突破。城市零碳目标实现需要新技术的加速融合与突破。“零碳”城市的建设发展需要零碳技术的科技支撑,当前在新能源、清洁煤、节能降耗等战略性技术领域仍存在诸多卡脖子的瓶颈。如何加快形成具有自主知识产权的先进技术,做到各技术之间的协调融合,也是“零碳”城市建设面临的关键问题。城市零碳目标实现需要成熟可行的建设实施路径。城市零碳目标实现需要成熟可行的建设实施路径。当前“零碳”城市、低碳城市的试点建设工作仍处于起步阶段,尚未总结出明晰的建设思路。零碳行动方案实施落地困难,缺
20、乏切实可行的城市级零碳达标解决方案也是“零碳”城市进一步发展的挑战。此外在实施过程中,我国国内碳源汇数据的采集核算标准尚未实现与国际的互通互认,也缺乏权威的碳监测标准与信息化管理工具。2.数字化技术,城市“双碳”创新管理重要驱动力数字化技术,城市“双碳”创新管理重要驱动力以网络化、数字化和智能化为标志的第四次科技革命浪潮席卷全球,人类社会开启了以数字技术为引擎的创新时代。我国的新型智慧城市建设历经多年探索实践,已经进入大规模落地深化阶段。在“双碳”背景下,5G、物联网、人工智能、大数据、数字孪生等新一代信息技术融合,遥感服务、数据智能、城市信息模型(CIM)等共性赋能平台支撑,以及数字孪生协同
21、化智能化的运行管理模式,为促进生活生产节能减排、经济发展动力转换,引导市民转变生活消费理念提供创新驱动,助力“零碳”城市建设,推动探索低碳减排与经济增长的共赢路径。9图 2-1 数字化技术赋能双碳建设思路2.1.物联网技术强化城市“双碳”数据获取途径物联网技术强化城市“双碳”数据获取途径数据的获取采集是城市“双碳”核算的基础,物联网技术为获取相关要素,提供了高效便捷的基础条件,基于传感器的数据采集和 5G高效网络的数据传输,丰富和提高了碳监测手段和效率。图 2-2 物联网技术碳监测 智能感知数据采集技术,丰富城市“双碳”数据监测智能感知数据采集技术,丰富城市“双碳”数据监测智能感知技术为获取城
22、市碳排和固碳要素,提供了便捷的基础条件。通过在园区、企业、家庭等部署智能感知终端,对能源消耗和工业生产过程进行监控,汇聚城市工农业、交通、建筑等重点行业碳排放基础数据,支撑社会经济碳排放数据监测。城市生态系统10的光合固碳是城市固碳的最主要方式,基于特定传感器的碳通量监测和环境信息采集,助力城市碳通量监测,为城市生态系统的固碳核算提供了最直接的方法,为计量城市生态系统固碳提供了保障。城市生态系统固碳与环境因子密切相关,智能感知技术的发展为快速、自动采集城市气温、降水、太阳辐射、土壤水分等环境因子数据提供了保障,实现城市“双碳”环境因子监测。高效网络传输提高城市“双碳”数据采集传输效率高效网络传
23、输提高城市“双碳”数据采集传输效率基础网络、5G 等高效网络传输技术能够以业务需求和城市功能为驱动力,提供面向业务协同的网络基础设施,实现网络资源协同智能调度,为城市“双碳”数据的采集传输提供高效、可靠的网络服务质量保障。5G 通信技术的高速率、大带宽、低时延优势,发挥着重要作用,5G 技术应用使得泛在传感连接和数据传输网络走入现实,并于与电力、通信、交通等基础设施领域紧密结合,催生了大量以技术融合创新为特征的新型基础设施建设。基础设施智能感知终端的部署、基于 5G 的高效传输网络建设、多技术融合的信息化平台建设,为城市碳排放的获取、分析核算及基于城市碳核算基础上的城市管理决策,提供了高效能力
24、支撑,大大提高了数据采集效率。2.2.遥感技术创新城市“双碳”监测手段遥感技术创新城市“双碳”监测手段遥感技术可以在更大范围、连续空间、持续周期地对地表、大气进行动态观测,对城市“双碳”监测具有更多的优势,与传统物联网技术形成有效互补,实现对城市“双碳”的创新监测。遥感技术可以对城市碳排放、城市固碳的相关因子进行大范围高效采集,11通过在线数据传输和数据计算,反演出城市碳排放和固碳的区域变化和时序变化,为差异化城市管理,提供决策支持。现代遥感技术以更高的分辨率(空间、光谱、时间和辐射),以搭载在卫星、飞机、无人机等平台上的主动(发射探测信号)或被动(太阳辐射)为信号源为基础,同时以搭载在对应平
25、台上的信号传感器为接收装置,进行信息获取。结合地面信息,可完成遥感数据解译、分析和地面覆盖参数的反演,形成信息和知识。其中,城市“双碳”监测的植被、地形、气象、土壤等环境因子,均可以通过遥感监测手段进行大范围、周期性的高效获取。搭载有高光谱温室气体探测仪的碳卫星,可直接绘制二氧化碳分布的立体全景图。遥感大气碳浓度的直接探测,对气体探测仪的专一性和灵敏度要求非常高,全球仅少数国家具备碳卫星实施能力,包括日本 2009 年发射的 GOSAT 和美国 2014 年发射的 OCO-2,我国 2016 年发射了“全球二氧化碳监测科学实验卫星”(碳卫星),可有效绘制和掌握全球二氧化碳分布情况,提供了基础数
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