中国城市建筑运行CO?排放与网格尺度功能混合度

《Sustainable Cities and Society》：Operational Building CO? Emissions and Grid-Level Functional Mixedness in Chinese Cities

　　

摘要

功能混合通常被认为是紧凑型低碳城市发展的关键要素，但其与建筑运行碳排放之间的关系尚不明确，因为排放量会随部门构成、建筑运营方式和空间背景而变化。本研究利用1千米建筑功能网格、遥感三维建筑存量数据和分部门二氧化碳核算方法，构建了2010—2020年中国289个物理边界确定的城市实体的面板数据。在城市尺度上，混合功能存量占比每增加10个百分点，人均建筑运行碳排放降低1.7%。这些关联在不同功能组合之间差异显著。商业—服务业混合呈现出最强的负相关关系，而住宅和工业—服务业混合仅表现出较弱的负信号。在Benjamini–Hochberg错误发现率校正后，公共—商业、交通—公共和交通—住宅—工业配置下观察到受FDR支持的负相关关系，而交通—工业配置与总排放量仍呈正相关。基于熵指标、一阶差分模型以及排除2020年数据的稳健性检验支持了总体规律，同时揭示了部门敏感性。这些发现表明，功能混合与运行排放之间的关联随所组合的功能及其空间嵌入方式而变化。低碳规划应根据部门构成、空间嵌入和运营强度来评估混合功能再开发，而不能假设功能更混合的城市空间会自动降低建筑排放。

引言

建筑运行排放构成城市碳排放的重要组成部分。2022年建筑和建筑行业占终端能源需求的30%，其中运营活动和建造过程贡献了37%的能源相关和过程相关二氧化碳排放（UNEP 2024）。在中国，2021年建筑运行排放达到23亿吨二氧化碳，约占全国能源相关排放的21.6%（Li等，2024）。因此，建筑脱碳工作主要聚焦于单体建筑的性能，包括围护结构效率、设备系统和能源供应。在城市尺度上，运行需求分布在服务于不同功能的建筑存量之中。住宅、商业服务、公共服务、工业服务和交通相关建筑在占用时间、服务强度和终端能源结构上存在差异。因此，这些功能的相对份额及其在地域的共存关系可能与运行排放的水平和部门构成均有关联。与单体建筑能耗性能相比，建筑存量的功能组织模式仍有待更深入的理解。

紧凑型开发和混合土地利用已成为将居住、就业和服务设施布置在较短距离内的成熟规划方法（Bibri, Krogstie and K?rrholm, 2020, Lwasa等，2022）。关于其碳影响的研究主要聚焦于交通领域。密度、土地利用多样性、城市设计、目的地可达性和路网配置与车辆出行相关联（Cervero and Kockelman, 1997, Ewing and Cervero, 2010），实证研究也将土地利用混合和服务设施邻近性与较低的交通运输二氧化碳排放联系起来（Barla, Miranda-Moreno and Lee-Gosselin, 2011, Marzolla等，2026-, (Zagow, 2020）。在邻里尺度上，混合用途开发将具有不同运营时间表和能源结构的建筑功能聚集在同一局部区域。由此形成的建筑用途组合与占用状况、设备运行和能源需求的时间模式差异相关（Hachem-Vermette and Grewal, 2019, Singh and Hachem-Vermette, 2019-, (Jo and Kim, 2025）。

建筑侧研究表明，功能混合的排放影响因混合构成而异。在Hachem-Vermette and Grewal（2019）对卡尔加里混合用途邻里的模型研究中，研究者调整了住宅建筑类型、开发密度以及商业与住宅建筑面积之比，结果发现不同邻里组合下的能源使用量和温室气体排放存在差异。Singh and Hachem-Vermette（2019）随后研究了混合用途邻里中的商业组成部分，报告了办公楼、零售建筑和超市的不同结果：超市份额增大时净能耗增加，而办公楼和零售份额增大时相对于参照组合的能耗较低。这两项研究均涉及邻里内部不同类型建筑的组合，而非单体建筑内的多用途。来自实际邻里的证据同样具有条件性。在首尔，土地利用混合并不统一地与较低的建筑排放相关联，当伴随着更密集的城市活动时，还可能与较高的能源使用量同时出现（Jo and Kim, 2025）。这些发现将研究问题从功能混合是否为低碳转变为哪些功能被组合、其运营强度如何以及它们在城市肌理中的位置。

尽管关于城市形态与建筑相关排放的证据不断增加，但建筑存量的功能组织在功能混合实际形成的空间尺度上仍未得到充分考察。现有城市尺度文献大多通过土地利用多样性、功能分区或一般城市功能形态在宗地、街区或城市层面衡量"混合"（He等，2024, Tan等，2024）。这些指标对于描述活动的空间排列很有用，但未能捕捉局部网格单元内住宅、商业服务、公共服务、工业服务和交通相关建筑存量的部门构成，而这些正是运行负荷产生的地方。第二个局限涉及分析的空间边界。中国的城市级排放研究仍普遍依赖行政边界，尽管建筑用途、混合使用强度和运行需求在物理连续的建筑区内部组织得更加紧密。边界选择会显著影响城市二氧化碳排放的估算结果，与行政边界相比，建成区边界更适合用于城市排放核算（Cai and Zhang, 2014）。近期城市级建筑排放数据集在部门和时间覆盖方面有所改进（Wang等，2024, Yu等，2024），但未能提供跨城市一致考察这些关系所需的网格级功能构成数据。

本研究考察了网格级建筑存量功能构成与中国各城市人均建筑运行二氧化碳排放之间的关联。通过划定物理连续的城市实体，使排放、建筑存量与功能构成在共同的空间边界内测量。在每个城市实体内，利用多源空间数据在1千米网格单元中分类住宅、商业服务、公共服务、工业服务和交通相关建筑存量，并识别总体功能混合度、两两组合和三种功能配置。这些网格级指标被汇总至城市—年度层面，并与2010—2020年建筑运行二氧化碳排放面板数据相链接（图1）。通过从局部网格单元内建筑存量的构成来定义功能混合，分析将总体混合强度与混合中所含的具体功能区分开来，进而评估其与运行排放的关联是否在不同部门和功能配置之间存在差异。

本文余下部分安排如下：第2节介绍数据与方法，第3节展示空间与计量经济结果，第4节讨论结果解释与局限，第5节得出结论并提出政策建议。

注：模块1划定物理城市实体，结合建成区地表、建筑高度和POI推导的功能权重，在1千米网格中重建分部门建筑存量。模块2将省级最终能源平衡数据映射至五个分析部门，并利用分部门活动权重将部门二氧化碳排放分配至城市。模块3将网格级混合度和配置指标汇总至城市—年度层面，采用固定效应模型和稳健性检验估计其与总及分部门人均排放的关联。

章节片段

材料与方法

本节介绍用于考察网格级混合功能建筑存量与建筑运行二氧化碳排放之间关联的数据来源、变量构建、碳核算流程和实证策略。第2.1节划定各年度城市实体并重建1千米网格单元的功能构成和建筑存量。第2.2节通过分配省级能源平衡数据估算不同建筑部门的运行二氧化碳排放

建筑存量扩张与空间分化

中国城市建筑存量从2010年的764亿平方米大幅扩张至2020年的1114亿平方米，增幅达45.8%。扩张速度随时间放缓，从2010—2015年的22.9%降至2015—2020年的17.7%（图2a）。这一减速表明存量积累逐步趋于缓和，与城市更新、置换以及既有建成区内部重组日益重要的作用相一致。

建筑存量的分布发生了转移

讨论

功能混合常以缩短出行距离和改善可达性作为低碳规划原则的依据，但与紧凑型或交通导向规划常依赖的里程缩减和可达性提升论证不同，建筑侧排放受使用构成的组合、运营时间表、占用强度、设备负荷以及需求的时间互补性或重叠性所塑造。本分析识别出一种温和的负相关关系

结论与政策

本研究考察了网格级建筑存量功能混合度与中国各物理城市实体人均建筑运行二氧化碳排放之间的关联。通过将1千米建筑存量网格、功能构成和排放数据在物理划定的城市边界内对齐，分析超越了行政城市单元和一般的土地利用多样性。结果显示，城市范围内较高的混合功能建筑存量与较低的人均排放相关联

CRediT作者贡献声明

Shang Xu：撰写—初稿，形式分析，数据整理，概念构思。Zhenshan Yang：监督，资源，经费获取。Xiaoyue Liu：可视化，数据整理。Douglas Sono：监督，方法学。

利益冲突声明

作者声明不存在可能被认为影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究受中国国家自然科学基金资助（批准号：42271249）。

Xu Shang|Zhenshan Yang|Xiaoyue Liu|Douglas Sono

中国科学院地理科学与资源研究所，北京，100101，中国