空间能源生产：新能源时代城市空间低碳转型新路径——基于光伏能源生产与城市空间互动融合视角

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研究缘起

近年来，城市建筑屋顶、墙面、场地出现的分布式光伏系统正成为人们关注的焦点。见微知著，“小小的光伏板”暗示着城市发展逻辑“大变革”的到来，“空间”成为能源生产的关键要素。   一般城市空间开始具备能源生产功能，形成城市全新发展维度——“空间能源生产”，这成为塑造当代及未来城市的重要力量   。然而，   我们关于城市空间的观念均形成于化石能源时代，面对这一新生事物，我们应怎么去理解？用什么方法去分析？怎么用实践来促进？这是我们空间规划学科理应直面的时代问题   。  

本文深入讨论了 “空间”和“能源”的关系，围绕新能源独有的“空间能源生产”形式，探讨光伏能源生产空间与城市空间的互动模式，推动建构适应于低碳发展的未来城乡人居图景。

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能源变革与城市空间转型

人类文明的发展史就是能源的应用史。每一次能源利用方式的变革都会推动人类文明形态的巨变。近年来，新能源的发展正在改变化石能源占主导的能源结构，让我们又一次站到了能源变革的风口中。新能源革命凸显了“空间”要素在能源生产中的关键作用，大规模能源的生产意味着大规模空间的使用，形成了“空间即能源”的全新原则。城市空间蕴含着巨量的清洁能源潜力，如加以有效利用将对城市能源结构产生战略性影响。充分利用空间，开展“空间能源生产”， 将是我们城市发展的重要方向。

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空间能源生产相关概念、特征与模型

3.1 空间能源生产与

相关城市空间概念界定

（1）空间能源生产概念界定  

本文认为在新能源革命中，空间不再仅仅是传统能源活动的背景，而是直接参与能源生产的核心要素。“空间能源生产”最直接的理解就是利用光伏组件将投射于一定空间范围内的阳光能量转化为电能的过程（图1，公式1~公式2，公式解释详见原文 ） 。

  ▲     图1    |    空间能源生产（光伏发电 ） 示意

E = H·I·S′·K   （1）

S′ = S·sinα    （2）

（2）空间能源生产视角下的城市空间  

空间是哲学的基本范畴。从“空间能源生产”出发，能源生产的形式就是对阳光资源的占用与转化，所需空间可以抽象为包含“长、宽”两个线性维度的“面”（图2），是迥异于传统城市空间认知与实践方式的全新城市空间范式，是开展城市空间能源生产的基本切入点。

▲     图2  |  空间能源生产视角下城市空间构成示意

注：（   A）一个假设的城市空间模型；（B）西墙面；（C）屋面；（D）北墙面；（E）南墙面；（F）地面；（G）东墙面。  

3.2 面向空间能源生产的

城市空间发展模型

（1）宏观：面向空间能源生产的城市空间发展评估模型  

任何一个城市均可以被分解为无数个阳光照射面，本质上均是能源空间，具备空间能源生产的潜能。然而，很多“面”要么承担着采光、消毒、植被光合作用的功能，要么不具备经济可行性而没有被开发利用，只有部分“面”开展空间能源生产。空间能源生产具有明确目标导向，即追求在有限的城市空间中尽可能实现能源生产总量最大化的目标（公式3，公式解释详见原文）。该过程可以表述为：

（3）

▲     图3  |  面向空间能源生产的城市空间发展评估模型示意

注：（1）右图为一个假设的城市片区在阳光照射下空间能源生产的情况示意。设定阳光从正南方射入，阳光高度角为60°。（2）左图为城市片区ABCD在阳光光路的法向面上产生A'B'C'D'投影，其中，紫红色区域为空间能源生产区域投影，而蓝色部分则为未利用面的投影。

数值A为城市空间能源生产利用率，即片区内空间能源生产总量E   _产   与片区理论空间能源总量E   _城   的比值，是评价城市空间能源生产的核心指标（0<A<1）（表1）。

  ▲     表1  |  面向空间能源生产的城市空间发展评估模型的三种假设情景示意

（2）微观：面向空间能源生产的城市空间开发利用模型  

城市空间能源生产的宏观现象是由微观层面一个个具体的空间能源生产行为构成的。本文立足于理性人假设，构建微观层面的面向空间能源生产的城市空间开发利用模型，将城市空间开发利用过程描述为：一个具有空间产权的理性主体（法人或自然人），在空间能源生产过程中，会获得一定的收益，也会承担一定的成本（公式4~公式5，图4，详细解释见原文）。

P = E·Q   =  H·I·S·sinα·K·Q  =（H·I·sinα·K·Q）·S  = f收·S   （4）

  C = f成·S + T   （5）  

  ▲     图4  |  面向空间能源生产的城市空间收益与成本解释模型  

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空间能源生产与“新”城市空间塑造

4.1 “新”城市空间塑造的关键问题

（1）关键问题一：能源生产空间的构成比例  

能源生产空间的格局主要是指城市空间中屋面、墙面、地面在阳光光路法向面投影后的比例。综合来看，屋面资源优于墙面、地面资源，屋面资源相对来说更适宜开展空间能源生产。但现实城市中三类空间是相互依赖又相互制约的关系，都不可能以单独形式存在（表2，案例解释详见原文）。  

  ▲     图5  |  不同倾角(α)的能源生产空间示意

▲   表2  |  不同类别地块能源生产空间构成比较

（2）关键问题二：能源生产空间的产能效率  

能源生产空间产能效率的高低直接决定了空间是否具备能源生产的可能性以及相关的空间规模门槛。更高的生产效率会降低空间规模门槛，推动更多的空间纳入空间能源生产体系。反之，则会造成大量空间资源的闲置（公式4，图5，表3，案例解释详见原文图8）。  

▲     表3  |  不同倾角的能源生产空间的生产效率

注：表格中4个面均为同一个面围绕AB偏转一定角度的结果，其中ABC3D3位置的能源生产效率最高，本研究以100作为其能源生产效率值，以量化比较其他面的生产效率。

  ▲     图6  |  空间能源生产效率对城市空间利用规模门槛影响

（3） 关键问题三：能源生产空间的规模门槛  

规模门槛是指能源生产空间只有达到一定面积规模才具有开发的可行性。一个空间随着其规模从S ₁ 突破规模门槛增大至 S ₂ ，当让空间能源生产的收益开始大于成本时，才使能源空间具有开发的基础（图7~图8，案例解释详见原文）。

▲   图7  |  空间规模与空间能源生产适宜性关系

▲   图8  |  能源生产空间规模对城市空间影响

4.2 “新”城市空间转型路径

（1）转型路径一：城市空间传统功能产权与能源生产空间产权“两权并设”。   建立光伏能源生产导向的产权空间体系，服务于城市光伏能源空间的开发利用，尽可能保障单一产权主体下能源生产空间的最大化，以保障更多的空间达到规模门槛，减少城市无法或很难利用的光伏能源空间。   （2）转型路径二： 建立面向城市全域空间的阳光资源协调机制。   应将阳光资源作为一种具有全局性、战略性的要素，纳入城市战略层面，来有效协调统筹城市功能分区、高度分区、光伏基础设施的配置，尽可能提升城市整体能源空间生产利用率。   （3）转型路径三：建立空间能源生产导向的城市空间布局与形态设计。   优化改进城市空间布局与形态设计，构建相应规划实施体系，发挥主观能动性协调能源生产空间与常规城市空间诉求的矛盾，提升空间能源生产效率、优化城区能源生产空间（屋面、墙面的地面）的构成比例。

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总结与讨论

新能源革命正如火如荼地进行中，推动着城市从单纯的能源“消费者”转向能源“生产者”职能，这深刻改变了城市空间与能源的互动模式。因而，需要以推动能源增量为核心来构建城市空间发展的新范式、新方法与新路径。

（本文荣获第18届全国青年城市规划论文竞赛三等奖。按照期刊出版要求，论文标题进行了适当修改。 ）

本文撰稿： 王乙喆