基于邻近性的社区尺度食物-能源-水（FEW）集成：蒙特利尔Pointe-Saint-Charles案例研究

《Energies》：Proximity-Based Food–Energy–Water (FEW) Integration in a Neighborhood-Scale Montreal Case Study

　　

废弃和未充分利用的建筑/空间通过整合食物-能源-水（FEW）系统，展现出转化为资源生产枢纽（RPHs）的巨大潜力。本研究以Pointe-Saint-Charles社区作为FEW整合与邻近性导向开发（PODs）的代表性案例。研究人员开发了一个可扩展的食物-能源-水+邻近性导向开发（FEW-POD）框架，用于将改造策略整合到现有社区中。食物通过城市农业（UA）种植，能源利用太阳能光伏（PV）产生，雨水被收集以支持灌溉。研究人员开发了资源分享网络（RSNs），以提高食品的可用性和可及性。研究进行了基于情景的评估，其中情景1（S1）包括基准资源需求评估，情景2（S2）整合了FEW，情景3（S3）通过开发RSNs将食品从盈余邻里单元（NUs）分配到赤字邻里单元。研究开发了食物-能源-水-碳指数（FEWCI），用于估算对资源需求的贡献和碳减排量。该指数基于食物自给率（FSS）、能源自给率（ESS）和水自给率（WSS），并规避了来自食物里程和电网的碳排放。从S1到S2，食物里程和电网的碳排放分别减少了96%和27.5%，但在S3中保持不变，因为没有额外的食物或能源被生产。ESS和电网碳减排的估算排除了温室运营相关的能源需求，因为纳入这部分将降低能源和碳效益。通过引入FEW生产，该社区的FEWCI提高到0.40；通过在邻里单元之间分配食物，FEWCI提高到0.66。

一、研究背景与问题

全球城市化不断加剧，使食物、能源和水等资源需求持续上升，也加重了高密度城市社区的气候影响。在加拿大，建筑部门是温室气体（GHG）排放的重要来源，2024年约占全国GHG排放的12%，相当于8.14 MTCO₂e。与此同时，2025年数据显示约24%的加拿大人（约980万人）正经历食物不安全，其原因涉及食物供应、可及性、运输和长距离供应链。气候变化又进一步干扰粮食生产格局。现有研究多关注建筑尺度上的城市农业（UA）、可再生能源发电系统（REGS）和雨水收集系统（RWHS）整合，但缺乏社区尺度的空间分析、资源分享以及废弃/未充分利用空间改造为资源生产枢纽（RPHs）的研究。此外，资源可及性长期被忽视。因此，研究者提出将FEW系统整合与基于15分钟城市和公交导向开发（TOD）的邻近性概念结合，以提升社区的资源自给率（RSS）并降低碳排放。

二、研究方法概述

研究采用多准则评估的社区适宜性评分（NSS）筛选社区；利用Google Earth和OpenStreetMap进行空间筛查，识别废弃/未充分利用空间；基于Rhino3D+Grasshopper（Ladybug Tools）构建建筑能量模型，以能源使用强度（EUI）估算社区能耗；按街区将社区划分为91个邻里单元（NU），分类为住宅、商业、工业、混合型；设置S1（基准）、S2（FEW整合）、S3（资源分享网络）三种情景；构建FEWCI，由FSS、ESS、WSS及食物里程和电网碳减排指标归一化加权构成；按15分钟城市/公交导向原则，以行人路径距离划分资源分享区（RSZ），并建立RSN。人口数据来自蒙特利尔市2025年人口普查，为15,275人。

三、主要结果

4.1 基准社区（S1）

研究者对91个NU逐一估算基准资源需求。结果表明，所选作物的年需求为1345吨/年；加拿大境内运输和进口运输产生的食物里程碳排放分别为65.32和455.96 MTCO₂/年；社区年能耗约377,568 MWh/年，电网碳排放为641.86 MTCO₂e/年。作物灌溉需求差异明显，胡萝卜为170 L/kg，猕猴桃和覆盆子均为67.5 L/kg。由于无本地生产，基准FEWCI为0。

4.2 食物-能源-水集成（S2）

情景2依据建筑类型和可用面积部署改造：平屋顶面积大于2000 m²的住宅、商业和工业建筑分别安装绿色屋顶或温室，不足2000 m²的屋顶安装太阳能光伏；废弃地块用于露天土壤种植，停车场加装光伏遮阳棚。结果显示，绿色屋顶和温室共产出约407吨/年作物，满足30.26%的年食物需求；绿色屋顶使对应NU能耗降低4.45%~17.40%，温室使能耗降低15%~46%；UA使社区总能耗降低15.56%，光伏满足14.05%的能耗；电网碳排放从641.86降至465 MTCO₂/年；年雨水收集量为544,814 m³，可满足100%胡萝卜灌溉需求（27,210 m³），余水为479,279 m³。该情景下食物里程碳排放减少30.22%，FEWCI升至0.40。

4.3 资源分享网络（RSNs）（S3）

情景3按15分钟城市和行人路径原则，将91个NU组成8个RSZ，每个RSZ至少包含一个杂货店（GS），并发展NU-NU和RSZ-RSZ两级食物分享网络。总食物产量未增加（407吨/年），但通过再分配，1266吨/年的社区作物需求得到满足，FSS从0.31提高到0.94；胡萝卜因可用面积限制仍无法满足。食物里程碳排放进一步减少96%，FEWCI升至0.66。

4.4 情景比较

情景3相较情景2，ESS、WSS和电网碳减排保持不变，因未新增能源或水干预。敏感性分析显示，当作物产量降低5%、10%和20%时，S2仍可在20%减产情况下满足24.21%的年需求，S3通过再分配可满足75%；FEWCI权重敏感性分析表明，水权重最高时FEWCI最高，能源权重最高时FEWCI最低，本研究采用等权重进行情景比较。

4.5 社区尺度FEW-POD框架

FEW-POD框架包含六个可迁移步骤：收集社区特征与资源需求、基准需求评估、FEW整合空间分析、UA集成、FSS/ESS/WSS及碳减排指标计算并形成FEWCI、建立RSN。该框架可通过调整输入参数迁移至其他社区和气候区，但数值输出具有案例特异性。

四、讨论与结论

讨论部分指出，UA与屋顶温室在寒冷气候下可降低建筑能耗，与已有研究一致；RWHS满足灌溉需求并减少对市政供水的依赖；RSNs通过食物再分配显著提升FSS和食物里程碳减排，表明FEW与邻近性导向开发（POD）策略结合有助于提升RSS。该研究仍属规划层面干预，实施前需逐栋结构评估；光伏寿命约20–25年，绿色屋顶约40–50年，温室约25–30年，RWHS约30–50年。实际落地还受居民接受度、区划法规、冬季清雪及步行可达性等因素影响。与Lin et al. (2025)、Kock et al. (2024)和Kandy et al. (2024)的研究相比，本框架扩展到社区尺度，并纳入空间分析、FEW策略和资源分享。

研究结论可概括为：通过开发RSNs，FSS显著提高约94%；UA整合使社区总能耗降低15.56%，太阳能光伏满足14.05%的建筑能耗；RWHS在扣除径流损失后可满足灌溉需求；然而，若纳入温室能耗，上述能源和碳效益会有所降低。FEW-POD框架虽以蒙特利尔这一寒冷气候区为特征，但可通过调整气候参数、作物类型、产量、太阳能潜力、降水、建筑类型、人口和法规，迁移到其他气候区。政策上，现有体系将食物、能源、水和交通分开管理，而综合的FEW-POD方法