城市人居环境能量代谢的生态学研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李栋 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-06-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 王如松 |
| 关键词 | 城市生态 能量代谢 终端建模 能源‐经济‐环境分析 Urban Ecology Energy Metabolism Bottom‐up modeling climate energy consumption energy‐economy‐environment analysis |
| 其他题名 | Ecological Researches on the Energy Metabolism in Urban Human Settlement |
| 学位专业 | 生态学 |
| 中文摘要 | 城市发展的重要基础之一是能量代谢，通过对城市能量代谢过程的分析，可了 解能源供给、输送、消耗和排放状况及其与城市载体的关系，认识能源功效与耗散 的特点，探索和挖掘城市能量代谢系统开源节流的途径。城市人居环境能量代谢分 析的核心是促进城市能源的良性循环与可持续利用，构建生态调控体系、强化服务 功能、减少无效益损耗和负面环境影响。 现有的城市能源研究注重核算能源投入与消费的数量，但对能源生产、使用和 废弃的系统整合较少，缺乏跨尺度的研究框架和工具。尚未形成对城市能量代谢全 过程的社会－经济－自然复合生态系统研究。本文通过回顾相关分析方法、评价指 标、研究案例和实施工具，针对目前快速城市化过程中的能量代谢特点，在物质流 分析和生命周期评价的基础上，提出了适应于不同尺度特征、结合能源分析、火用 值分析与能值分析的能量代谢生态学分析框架，区分了局部系统和完全系统，从投 入、效率、耗散、环境影响和系统胁迫等几方面入手，强调了代谢系统正负服务效 应的整合：既包括了提供给居民的服务，也包括对自然造成的环境影响和生态胁迫， 并将此分析框架在LEAP 模型上进行实现，形成较为完整和易用的能量代谢生态学 分析包。 在此框架内，分别构建了自底而上（Bottom‐up）和部门分析的研究模型，对 建筑物、社区和城市三类不同尺度城市人居环境能量系统案例进行了实证研究。在 建筑单体尺度辨识了建筑的生命周期代谢影响；在小区尺度结合现场调研和数据挖 掘，对家庭居民生活方式、耗能设备性能和公共物业服务等方面进行了探讨，对天 通苑居住区改善措施进行了复合情景分析和必选。 在宏观城市尺度上讨论了北京城市能量代谢与局地气候系统之间的作用机理， 并基于代谢分析研究了北京城市发展与热岛效应耦合的调控情景，突出了全球气候 变化与局部人类生态系统之间的交互关系，强调二者之间的相互作用。分别从机理 层次建立了能量代谢耗散废热同局地气候变化间的关系，以及局地气候变化对城市 居住区能量消耗的影响，结果表明城市能量代谢与局地气候系统是紧密联系和互相 耦合的。并进一步对北京未来30 年城市社会经济发展、人居系统建设与热岛强度 进行了情景分析，给出了基于代谢评价的发展路径排序。 上述结果表明，此分析框架可提供能量代谢局部系统与完全系统的较完整评估，评价指标具有跨尺度的可比性，并能与情景分析工具链接，实现对改善措施的多目 标比较。 主要结论： 建筑单体尺度，框架类结构建筑单位面积能量投入相对较大；建筑单体能量代 谢效率基本为50%，主要贡献部分来自水泥的生命周期效率；玻璃产品的温室 气体及酸性气体排放水平是主要代谢污染物环境影响，光化学臭氧合成潜值影 响主要源于铝材的使用。 社区尺度，天通苑小区单位住宅建筑面积能耗为23.93KgCE/m2/yr，人均能耗为 1114.09KgCE/yr；户均能值消耗为1.87E+16sej/yr，其中能耗生态成本为41.8%。 该小区局部系统代谢投入强度为1.09E+3MJ/m2，代谢效率为38.03%，代谢耗 散强度为4.26E+2MJ/m2，代谢污染物环境影响分别为156.89g CO2 eq./MJ、1.81g SO2 eq./MJ 和0.06g ethane eq./MJ，代谢系统整体胁迫达63.12，远大于北京市 平均水平。潜在的改善措施中，采用燃气供暖、提高设备能效和降低小区密度 对缓解局部系统代谢影响作用显著。 城市尺度，北京由于温室气体排放导致的增温效应占地区增温幅度的10.52%， 耗散则导致了增温幅度的19.97%，城市中废热耗散的增温效应远大于全球平均 水平。废热耗散的管理应成为调控北京城市气温上升的重要措施。由于北京气 温升高，过去25 年间北京每年节省供暖能耗约1.36E+8 TCE；增加空调能耗约 3.82E+6 KWh，每年冬季采暖节能效应约为夏季制冷耗能增加的36 倍。 结合偏最小二乘回归建立北京城市发展指标参数与城市热岛效应的数量关系。 结果显示未来常规情景下2035 年北京热岛效应将达到2.94℃，高密度城市建 设路径的热岛效应最高，达3.47℃，而低速经济增长模式热岛效应最低，为 2.50℃。综合比较城市发展指标、热岛效应强度及代谢评价指标后，本文认为 中密度城市建设是较好的发展途径。 本文创新点： 针对能量代谢的特点，在生命周期过程内综合了能源分析、火用值分析与能值分 析，在物质性代谢指标的基础上拓展了代谢评价的方法工具，适应多尺度研究 需要。 计算了人类活动产生的温室气体及废热对局地气候的影响，认为城市局部集中 代谢的环境下，废热排放带来的气候变化影响要大于温室气体影响。 对城市建设、热岛效应与能量代谢进行了多目标模拟和多属性比较。 |
| 学科主题 | 城市生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2010-06-03 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/288]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_城市与区域生态国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李栋. 城市人居环境能量代谢的生态学研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2008. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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