Research

Pathway for Renewable Energy Application in Urban Green Space under the Low Carbon Perspective

  • WANG Kailun , 1 ,
  • NIU Tonggang , 1 ,
  • LIU Lian , 2 ,
  • WANG Zhongjie , 1, *
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  • 1Landscape Architecture and Landscape Research Branch of the China Academy of Urban Planning and Design (CAUPD)
  • 2School of Landscape Architecture, Beijing Forestry University

WANG Kailun, Master, is an engineer in China Academy of Urban Planning and Design. Her research focuses on construction of low-carbon blue-green space, child-friendly space, and landscape planning and design

NIU Tonggang, Master, is a professorate senior engineer in the China Academy of Urban Planning and Design. His research focuses on construction of low-carbon blue-green space, climate change and sustainable development, and landscape planning and design

LIU Lian is a Ph.D. candidate in the School of Landscape Architecture, Beijing Forestry University. Her research focuses on construction of low-carbon blue-green space, and landscape planning and design

WANG Zhongjie, Master, is a professorate senior engineer in and director of the Landscape Architecture and Landscape Research Branch, China Academy of Urban Planning and Design. His research focuses on territorial spatial planning, park city, national park, urban and rural green eco-infrastructure, and urban and rural landscape planning and design

Received date: 2024-08-15

  Revised date: 2025-02-19

  Online published: 2025-12-14

Copyright

Copyright © 2025 Landscape Architecture. All rights reserved.

Abstract

Objective In the context of global climate change and the ongoing transition of energy structures, promoting the application of renewable energy in urban green spaces has become a crucial strategy for achieving carbon neutrality and sustainable urban development. Urban green spaces, in addition to their ecological benefits such as regulating urban climates, improving air quality, and providing areas for social interaction, also play an essential role in meeting energy demands. These demands include lighting, heating, cooling, and infrastructure operation. Despite the importance of urban green spaces, existing research tends to focus primarily on individual renewable energy technologies or localized applications, with little systematic exploration of urban green spaces as a distinct spatial typology. Moreover, there is a lack of comprehensive adaptability analysis regarding the application of renewable energy technologies in different energy usage modes and spatial contexts. In practice, issues such as insufficient integration of energy facilities with landscape, the lack of tailored energy supply models, and underdeveloped management and operation systems have impeded the effective promotion of renewable energy. As such, there is a need to establish a scientifically grounded approach to applying renewable energy in urban green spaces to optimize energy configurations, enhance carbon reduction capabilities, and provide actionable planning and management strategies. This is particularly important for advancing the construction of low-carbon cities and promoting broader sustainability goals. Methods This research systematically reviews the research on renewable energy application in urban green spaces by exploring interdisciplinary fields such as landscape architecture, urban ecology, and energy planning. The research focuses on assessing the applicability of renewable energy in urban green spaces. Based on existing renewable energy classification systems, the research considers factors such as spatial openness, ecological foundation, and available areas of urban green spaces to examine five main types of renewable energy: solar, wind, biomass, hydropower, and geothermal energy. To evaluate the practical application of renewable energy in urban green spaces, the research analyzes 33 typical domestic and international case studies, with a particular emphasis on urban parks, which are the most widely implemented example of urban green spaces. The case studies are systematically analyzed to summarize key aspects including renewable energy technology selection, spatial distribution, landscape integration models, and operational management approaches. The cases are categorized into three major types: comprehensive recreational spaces, natural ecological spaces, and small green spaces. The research provides a detailed analysis of energy application types and methods, as well as energy consumption models for each of the aforesaid three types of green spaces. Results The research identifies three core challenges in the application of renewable energy in urban green spaces: 1) How to scientifically select the most appropriate renewable energy types and optimize spatial layouts in accordance with natural resource constraints and the functional requirements of green spaces in order to improve energy efficiency; 2) how to effectively integrate the technical functions of energy facilities with landscape and ecological values, so as to achieve a seamless integration of energy infrastructure with landscape, thereby enhancing both environmental adaptability and public acceptance; and 3) how to develop flexible energy utilization and management strategies tailored to the energy consumption characteristics of different green space types, thus ensuring long-term, stable, and sustainable energy supply. To address these challenges, the research proposes a systematic framework for renewable energy application that includes energy technology selection, landscape integration, and scenario adaptation. The proposed framework aims to optimize the energy structure of green spaces and enhance their carbon reduction effectiveness. The research finds that the applicability of solar, wind, biomass, hydropower, and geothermal energy in urban green spaces is significantly influenced by factors such as climate, topography, and hydrology. As such, renewable energy types should be selected based on the local resource endowment and the specific energy needs of each green space. Furthermore, the research highlights the importance of optimizing the layout of renewable energy facilities within green spaces. In terms of spatial organization, renewable energy facilities can be integrated into landscape using techniques such as sculptural landscape design, facility integration, and ecological participation. These methods not only enhance the aesthetic appeal of green spaces, but also promote multifunctional synergies. Regarding energy management, the research identifies several adaptive strategies, including self-generation and consumption, energy storage system, grid-connected solution, and microgrid model, all tailored to the energy consumption characteristics of different types of green spaces. These strategies are essential for adapting to diverse energy demands and ensuring that each green space can rely on a stable, sustainable, and adaptable energy supply. Conclusion The pathway for renewable energy application proposed in this research offers a comprehensive solution for low-carbon energy use in urban green spaces. This pathway can serve as a reference for other types of green spaces and provides valuable insights into urban energy transition and green infrastructure development. The research not only offers practical solutions for urban green spaces, but also contributes new theoretical support for global climate change mitigation efforts. The research findings underscore the importance of interdisciplinary collaboration in addressing the challenges of integrating renewable energy into urban environments. Future research should explore renewable energy application in urban green spaces in various climate zones, urban development models, and socio-economic contexts. The goal is to develop promotion strategies that are more universally applicable, thereby enhancing the scalability and operability of renewable energy application in urban green spaces. By doing so, the research contributes to the global transition towards sustainable, low-carbon cities and highlights the potential for renewable energy to play a transformative role in urban sustainability.

Cite this article

WANG Kailun , NIU Tonggang , LIU Lian , WANG Zhongjie . Pathway for Renewable Energy Application in Urban Green Space under the Low Carbon Perspective[J]. Landscape Architecture, 2025 , 32(4) : 116 -124 . DOI: 10.3724/j.fjyl.202408150454

近100年来,全球能源需求显著攀升。根据国际能源署(International Energy Agency, IEA)的研究数据,全球化石燃料消费占能源总量的 80% 以上,其中煤炭、石油和天然气仍为主要能源来源[1],化石燃料的燃烧带来了大量二氧化碳排放。研究表明,清洁能源的推广使用能够帮助逆转排放趋势[2]。近年来,中国积极推进“双碳”目标,加快可再生能源(renewable energy, RE)发展,推动构建绿色低碳能源体系[3]。中国城市建成区内绿地占比约 39%[4],是城市生态系统重要的组成部分。尽管绿地碳排放量相较工业、交通、建筑等领域低[5],但能源需求贯穿设施建设、日常运营和废弃物处理等过程,涵盖建筑、照明、设施、弱电、养护、灌溉等方面,长期积累的直接和间接碳排放不可忽视(图1)。
图1 城市公园用能类型及碳排放特征

Fig. 1 Energy use types and carbon emission characteristics in urban parks

绿地的空间分布和自然资源特性为太阳能、风能和水能等技术的应用创造了理想条件,也高度契合其他可再生能源的应用,二者的结合不仅强化了绿地的功能,也丰富了可再生能源的景观表现。此外,绿地能源需求负荷较低且波动性小,与可再生能源的不稳定性互补[6],提高了能源利用效率与弹性。同时,城市绿地作为重要的公共空间,开展节能实践能够提升公众对清洁能源技术的认知与接受度,形成的科普与示范效应能强化绿地的社会价值,还能通过间接减排进一步放大综合环境效益。
本研究旨在探讨可再生能源在城市绿地中的适应性应用路径,推动绿地能源结构优化,实现生态、能源与社会效益的协同增效。通过构建多场景适应性路径,提出可操作的技术与管理策略,以降低绿地运营碳排放,为城市“双碳”目标提供实践支撑,并为低碳城市建设提供可推广的路径示范。

1 城市绿地中可再生能源应用研究进展

“可再生能源”概念最早在联合国新能源与可再生能源大会上被提出[7],《中华人民共和国可再生能源法》规定“可再生能源,是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源”[8]。参考已有分类体系[9],考虑城市绿地的开放性、生态基础与可利用空间,结合现有能源技术条件及广泛适用性,笔者选取太阳能、风能、生物质能、水能和地热能作为研究对象。

1.1 理论研究

能源与环境的交叉研究兴起于20世纪70年代,能源景观(energy landscape)作为能源与景观学科融合的产物,其相关研究关注能源开发对土地利用、景观美学和生态环境的影响[10-11]。Sijmons等[12]阐述了能源转型对景观的影响,Nadaï等[13]提出了能源景观规划的理论框架,Lokman等[14]进一步探讨了能源景观的形态演变及适应策略。这些研究为能源系统的空间规划提供了理论支撑,但主要聚焦于大尺度能源开发,对城市空间的适应性探讨相对不足。
在能源景观研究的基础上,“可持续能源景观”“新能源景观”等概念进一步深化了能源与景观的协同融合方向。Stremke[15]认为,可持续能源景观应在保障能源供应的同时,维护景观服务功能、生物多样性与景观质量;Armstrong[16]系统论述了可持续能源景观的构建方法;张惠青[17]将可持续能源景观界定为再生景观基础设施,强调其生态修复和资源循环功能。这些研究拓展了能源开发的规划理念,但能源景观的适用场景仍集中于郊野区域或大尺度开放空间。
除了空间规划层面的研究,可再生能源设施的生态与社会效益也是学者关注的重点。Leibenath等[18]分析了风能景观的土地治理模式,揭示了能源开发与生态保护的平衡策略;Nadaï等[19]剖析了风能开发对局部气候、动植物生存环境及水资源等方面的影响,同时探讨其社会文化层面的作用;Krauss[20]着眼于生态系统,分析风能开发对生态稳定性、生物多样性带来的改变。这些研究表明,可再生能源利用不仅是技术问题,也涉及生态系统服务与社会接受度的协调,但在城市绿地尺度,系统性的应用研究仍较少。
尽管已有研究明确了可再生能源在城市绿地中的应用潜力[21],并探讨了能源系统与景观空间融合的具体方向,但当前成果仍以宏观规划与理论建构为主,具体实践场景的理论研究有限,如张玉坤等[22]从生产线景观视角梳理了多种能源设备与景观设施集成的方式,Moussa等[23]聚焦街道景观中能源设施与路灯、站台等元素的结合方法。然而,目前针对城市绿地的研究仍缺乏系统性的应用分析,尚未形成适应不同资源条件与功能需求的整合模式。因此,在城市绿地尺度深入探讨可再生能源的适应性应用路径,不仅可以弥补当前研究的薄弱环节,也是未来的重要发展方向。

1.2 实践研究

尽管理论研究相对滞后,但全球低碳转型的热潮推动了诸多可再生能源在城市绿地中的应用实践,多集中于公园绿地。《低能耗城市景观》中收录了部分太阳能和风能在城市景观中的应用案例[24]。根据对现有实践的调研与文献分析,笔者筛选出国内外33个已建成并公开的公园项目,优先选择可再生能源技术应用形式多样、能源利用模式清晰、景观与技术融合紧密的典型案例,并对其进行实践案例分析。依据公园功能特性归纳为综合游憩类、自然生态类、小微绿地类及其他类四大类型,并梳理各案例中可再生能源的应用类型、应用形式及用能模式(图2~5表1),以识别其应用特征与发展趋势。
图2 不同类型公园中可再生能源应用概况

Fig. 2 Overview of renewable energy application in different types of parks

图3 不同类型可再生能源应用频次

Fig. 3 Application frequency of different types of renewable energy

图4 可再生能源应用方式占比

Fig. 4 Proportion of renewable energy application models

图5 可再生能源用能模式占比

Fig. 5 Proportion of renewable energy consumption patterns

表1 城市绿地中可再生能源应用案例

Tab. 1 Cases of renewable energy application in urban green spaces

序号 绿地名称 绿地类型 面积/hm2 RE类型 应用形式a) 用能模式b)
  注:*为国家公园案例,对于生态郊野绿地的实践具有重要参考价值,因此纳入讨论范围。
    a)编码规则:IS为独立布设,指完全独立的能源设施,未与景观功能结合;IL为景观化独立布设,指独立布设的能源设施,造型景观化处理;CF为设施集成,指能源设施与绿地设施复合设置;EC为生态循环参与,指能源设施参与绿地生态循环的一部分。
    b)编码规则:SC为自发自用,指能源完全用于本地负载,不涉及电网互动;FI为自发自用,余电上网,指能源首先自用,剩余部分接入电网;ES为储能,指设置储能设备;GI为并入电网,指能源直接并入电网,园区无需储能;SM为智慧能源管理,指设置智能系统动态管理。
1 广州越秀碳中和主题园 综合游憩类 0.1 太阳能 CF SC、ES、SM
2 北京中建智地零碳公园 综合游憩类 0.3 太阳能 CF SC
3 北京龙湖G-PARK科技公园 综合游憩类 1.0 太阳能 CF SC、ES、SM
4 美国科珀斯克里斯蒂北部海湾公园 综合游憩类 1.0 风能 IL FI
5 大连低碳公园 综合游憩类 1.2 太阳能
风能
IS、CF SC
6 东莞万科建筑研究中心绿地 综合游憩类 1.9 风能 IL、EC SC
7 德国慕尼黑风之庭院 综合游憩类 2.7 风能 IL SC
8 上海李子园公园 综合游憩类 4.7 太阳能 CF SC
9 北京昊天碳中和公园 综合游憩类 6.4 太阳能 IS、CF ES
10 台湾高雄旅津风车公园 综合游憩类 7.0 风能 IL FI
11 芬兰赫尔辛基能源公园 综合游憩类 15.0 太阳能
风能
生物质能
IS、CF、EC SC
12 深圳龙岗零碳公园 综合游憩类 18.5 太阳能
风能
IL、CF FI
13 法国博捷尔·谢奈生态区 综合游憩类 30.0 风能 IL、CF SC
14 琼海博鳌零碳示范区 综合游憩类 62.0 太阳能
风能
IL、CF SC
15 新加坡滨海湾花园 综合游憩类 101.0 太阳能
生物质能
CF、EC SC、ES
16 美国卡瓦列雷公园 自然生态类 13.8 太阳能 CF SC
17 扬中滨江公园 自然生态类 20.0 太阳能
风能
CF SC、ES、SM
18 张家口风电主题公园 自然生态类 34.2 风能 IS GI
19 北京温榆河低碳公园 自然生态类 48.8 太阳能
地热能
IS、CF ES、SM
20 上海三林楔形绿地 自然生态类 240.0 太阳能 CF SC
21 北京亦庄新城滨河公园 自然生态类 462.1 太阳能
风能
IL、CF SC、ES
22 北京市城市绿心森林公园 自然生态类 739.0 太阳能
地热能
IS、CF ES、SM
23 美国加利福尼亚州海峡群岛国家公园圣米格尔岛* 自然生态类 2 450.0 风能 IS GI
24 阳江海陵岛风电公园 自然生态类 10 889.0 风能 IS GI
25 美国梅萨维德国家公园* 自然生态类 21 140.0 太阳能
水能
IS SC
26 美国锡安国家公园* 自然生态类 59 300.0 太阳能 CF SC
27 美国迪纳利国家公园和保护区* 自然生态类 2 450 000.0 太阳能
水能
IS、CF SC
28 丹麦新能源汽车充电公园 小微绿地类 1.0 太阳能 IS SC
29 意大利绿豌豆零售公园 小微绿地类 2.0 太阳能
地热能
IS、CF SC
30 丹麦阿马格焚烧中心绿地 小微绿地类 4.1 太阳能
生物质能
IS、CF FI
31 西安世界园艺博览会荷兰园 其他类 0.2 太阳能
风能
CF、EC SC
32 保定电谷城市低碳公园 其他类 3.2 太阳能 CF FI
33 美国布朗诉教育委员会国家历史公园 其他类 130.0 地热能 IS SC
从能源类型来看,太阳能因适应性强且设备易于集成,应用广泛,主要表现为设施集成。风能应用集中于自然生态绿地,通常作为独立景观元素布设。水能受限于空间条件,仅在拥有大型水系的绿地中少量应用。其他3类能源则多以非景观化的独立布设形式应用。从绿地类型来看,综合游憩类绿地能源应用种类多元,布局倾向于功能集成,实现功能与美学的双向调和,能源利用以自发自用为主,辅以储能,有较高的能源调控灵活性。自然生态类绿地中通常布设大型能源设备,更倾向于通过景观化独立布设方式平衡功能性与景观性,且发电量较大,往往设置储能设备或直接并入电网。小型绿地以太阳能应用为主,明显依赖自发自用模式。用能模式的选择受制于空间规模、功能定位和技术条件的综合影响,少量用能类型多元且规模较大的绿地中采取了智慧能源管理。
然而,当前实践中也存在若干不足:如能源应用形式单一,且与景观融合度低;未充分考虑能源技术与自然条件的适配性,或能源利用模式粗放,致使系统性能和利用效率低下。值得注意的是,在低碳宣传的热潮下,一些城市绿地建设项目中不乏流于表面的尝试——仅将可再生能源设施作为象征性景观展示,缺乏实际效能。

2 可再生能源在城市绿地中的应用路径

综合上述理论研究及实践分析,笔者识别了可再生能源在城市绿地中应用的3个关键问题:1)如何在自然资源和公园功能需求等影响因素的约束下,科学选择合适的可再生能源类型并合理布局;2)如何协调能源效率与景观、生态功能,推动能源设施的景观化融合;3)如何根据不同场景的用能特性,通过灵活的能源利用与管理策略实现高效且可持续的能源利用。为了回应以上关键问题,笔者提出了全流程的、系统性的应用路径框架(图6),来实际解决城市绿地中可再生能源的降碳减排效用问题。
图6 城市绿地中可再生能源应用框架

Fig. 6 Framework for renewable energy application in urban green spaces

2.1 可再生能源筛选

在城市绿地中应用可再生能源,需要系统评估不同自然条件对能源转换效率的影响,以科学筛选适宜的能源类型,并优化其空间布局。气候、地形、水文等环境因素不仅决定了各类可再生能源的适用性,也影响它们在绿地场景中的布置方式(表2)。
表2 可再生能源应用的影响因素、影响机制及优化措施

Tab. 2 Analysis of influencing factors, mechanisms, and optimization measures of renewable energy application

可再生能源 影响因素 影响机制 优化措施
气候条件 立地条件
光照 气温 降水 风力 现状
植被
土壤情况 地形地貌 水文
条件
  注:/无影响,+轻微影响,++低影响,+++中等影响,++++较强影响,+++++极强影响。
太阳能
+++++ +++ + / +++ / + / 太阳辐射强度、气温、地形、尘埃影响效率。高温降低性能,坡度和朝向影响光照,尘埃减少透光率 优化日照、组件位置和倾角,改善散热,修剪遮挡植被
风能 / + + +++++ + / +++ / 风速、风向、地形等影响风力效率,地形改变风速或产生涡流,影响稳定性 选择风速高、风向稳定区域,结合地形优化风机布局,减少噪声和生物干扰
生物质能 ++ ++ ++ / +++++ +++ + ++ 植物生长速率、气候、降水、土壤影响生物量积累 选用适应性强、产量高的植物,优化废弃物收集与转化
水能 / + +++ / / + ++ +++++ 降水、流速、水文变化、地形坡度影响水能。水流落差大、降水丰沛区域适宜开发 水流落差大、降水丰沛区域适宜开发。结合水景设计,优化水能利用与灌溉系统,兼顾生态保护
地热能 / / / / / + + / 地质构造、地热梯度、土壤导热性决定可利用性 根据土壤类型和植被情况,优化埋管深度和布局
太阳能光伏系统的能效受多种自然环境因素的影响,其中太阳辐射强度是决定光伏转换效率的核心因素[25],气温变化[26]、电阻损耗、地形条件[27]及尘埃覆盖[28]等也对系统性能产生重要作用。高太阳辐射区域通常更适宜光伏发电,但过高的环境温度会导致半导体材料的电阻增加,从而降低系统输出效率。此外,坡度和朝向影响光伏组件的受光角度,坡地或山谷地形可能因遮挡而降低有效光照时间,而尘埃或降水沉积会减少光照透射率,进一步影响能效。太阳能应用于城市绿地中时,应综合评估场地的日照时长与强度,合理选择光伏组件的安装位置和倾角,以最大化太阳能吸收效率。在建筑光伏一体化应用中,应结合建筑形态优化散热设计,以降低高温引起的能效损失。此外,在多尘、多雨或存在植被遮挡的环境中,应确保光伏组件的易清洁性,并适当修剪遮挡植被,以减少光照损失,提高发电效率。
风能转换系统的运行效率受风速、风向、空气密度、地形及季节变化等多重因素的影响[29-30]。其中,风速是决定风力发电效率的核心参数,稳定且持续的风向有助于提高风能利用率[31]。地形因素会改变风速与涡流特性[32],例如,山脉、山谷及高层建筑群会产生风速增益效应或紊流,影响风能的稳定性和可利用性[33]。风能应用于城市绿地中时应考虑:优先选择风速较高且风向稳定的区域,如山顶、开阔地带或沿海区域,并结合地形优化风机的安装位置和倾斜角度。针对城市环境的特殊性,可采用低噪声设计,以减少对周边居民和生物栖息地的干扰。同时,在鸟类迁徙通道或生态敏感区域,应优化风机布局,降低对生物多样性的潜在影响。
生物质能的获取依赖于植物的生长速率和有机物积累,受植物种类、气温、降水和土壤条件等因素影响。通常,速生植物能提供更高的生物质产出,而气候条件则通过影响生物量的积累速率,进一步影响生物质可采收量与利用效率。例如,湿润温暖地区适宜种植高生物质产量植物,而干旱或寒冷地区,生物质的累积速率较低,供应量可能受限。生物质能应用于城市绿地中时,应通过优化植被选择和废弃物管理提高效率。优先选择适应当地气候、具备较高生物量积累的植物,如多年生禾本科或高纤维乔木,并合理规划种植布局。考虑结合公园日常维护,构建园林废弃物收集体系,如利用落叶、草屑等进行堆肥或热解转化。
水能的可利用性主要受降水模式、河流径流、季节性水文变化及地形坡度等因素的制约[34-35]。降水丰沛且水流落差较大的区域更适合水能开发,而季节性降水不均可能影响水能系统的持续供能能力。此外,河流流速、流向及沉积物特征亦决定了水轮机的运行稳定性和维护需求。水能应用于城市绿地中时,应将水能利用结合水体景观设计进行优化,与绿地水系统循环、灌溉共同考虑。同时,应考虑生态保护与水文调节需求,避免对水生生境产生不利影响。
相较于其他可再生能源,地热能的利用受气候因素的影响较小,主要取决于地下地质构造、地热梯度及土壤导热特性[36]。地热资源丰富的区域可通过浅层地热交换系统或深层地热发电技术加以利用。在城市绿地中,可根据土壤类型和植被情况,优化埋管深度和布局。
此外,城市绿地作为生态系统的重要组成部分,可再生能源的筛选并非简单的技术叠加,而是需要从多目标视角出发,考量技术成熟度、场景匹配度[37]、经济可行性和生态影响[38-39]、社会效益等维度,对城市绿地建设需求进行动态分析,以应对复杂的可再生能源应用变量。

2.2 可再生能源设施景观化

将能源设施与绿地景观进行有机融合,是协调能源功能、景观质量与生态功能的核心。基于案例研究,可再生能源设施的景观化方式有3种:1)造型景观化,即通过设计使独立的能源设施本身成为景观的一部分,如花朵风机;2)设施集成,指能源设备附加于现有的绿地设施之上,如建筑光伏一体化、光伏树小品;3)生态参与,强调能源参与绿地物质循环,如风能与水系统净化结合。
太阳能转化主要依托光伏系统[40-41],其性能和效率是与城市景观集成的基础[42-43]。太阳能转化技术包含光热和光电两类,前者主要用于建筑物的供暖和制冷[44],但由于其集热装置体积较大且视觉影响较强,不易与绿地景观有机融合;后者有晶体硅电池和薄膜电池两大主流应用方向。晶体硅成本低、寿命长[45],但造型单一,适用于建构筑物顶或侧立面,如博鳌零碳示范区中的“椰林聚落”驿站,通过调整光伏板弧度、方向达成美观性。薄膜电池具有更高的造型灵活性[46],适用于建筑光伏一体化和小品设施集成,如龙湖G-PARK科技公园中的垃圾桶、休憩伞、光伏路面都采用了薄膜电池来进行能源转化。此外,光导纤维技术通过将太阳光导入建筑物内部或其他阴暗区域,在不依赖电力的情况下提供有效的照明,实现光照优化。
风能目前在滨海和山地环境中应用较多,除为一般景观设施供能外,也可结合水系统灌溉、循环净化综合设置。在城市绿地中,体量较大的风能设施应优先考虑景观化处理方式,如科珀斯克里斯蒂北部海湾公园中将风力发电机元素与海螺造型相结合,实现了地域性美学的表达;小型风力设施则可与景观雕塑、互动小品等进行一体化设计,如博鳌零碳示范区中花朵造型的风机。
生物质能在城市绿地中应用前景广泛[47],能效转化方式包括发电、生成沼气[48]和固/液体燃料等[49]。养护管理中产生的园林废弃物是其优质原料[50],生物质热值较高的园林修剪残枝经粉碎压制,可制备成颗粒燃料;热值较低的枯枝败叶和花卉秸秆则可进行堆肥处理[51]。生物质能与景观融合的方式以生态参与为主,不同于其他能源的设施美化和功能整合,是通过废弃物的循环利用参与绿地的生态系统建设。以新加坡滨海湾花园为例,生物质能发电余热通过超级树结构散发,调节微气候,而燃烧后的副产品用于土壤改良,构建闭环的低碳模式。
水能和地热能受地域资源限制,在城市绿地空间中不具有普适性。水能利用多为大型水电站形式[52],在大型郊野公园、湿地公园等拥有河流、湖泊、瀑布等自然水体的场景下,微型水电站更具可行性。在城市绿地中,可通过水流势能转化驱动水车、喷水设施等装置,形成自循环的景观水体系统[53]。浅层地热能多适用于建筑的供暖制冷,以实现冬夏气温调节[54-55]。可考虑于地质资源良好绿地中的大型公共建筑和地下停车场中应用。
除满足能源效率和美学需求外,能源设施还应满足照明、植物养护、遮风避雨、互动展示和智慧导览等多功能的协同需求[56],笔者归纳了不同类型可再生能源设施与绿地景观间的有效结合方式(图7)。城市绿地作为能源技术网络中的关键节点,其中可再生能源的应用有助于促进技术、自然与公众之间的多维度互动与融合,凸显了其在城市绿色基础设施构建中的重要作用。
图7 可再生能源设施的景观融合方式

Fig. 7 Diverse methods for integrating renewable energy facilities with landscape

2.3 可再生能源的用能模式与场景适配

可再生能源具有间歇性、波动性的特点,城市绿地能源需求也具有一定时空变化特征。因此,针对多样化的用能场景,选择适应性的能源利用策略和能源管理方式是保障系统高效运行的关键。需要指出的是,尽管初始能源形式多样,最终大多数能源均以电力形式供应给绿地中的各类用能需求,生物质能同样通过燃烧转化为电力,以适应电力驱动的设施和需求。
城市绿地的能源利用模式可归纳为自发自用、储能、并入电网、微电网4类。1)自发自用模式指将产能直接供给绿地设施,适用于供需同步的非关键负荷场景[57],如喷泉、互动装置和灌溉系统等,优点在于灵活性高,初期投资和维护成本低。2)储能模式通过储能设备存储过剩能量,在需求高峰或供给不足时释放使用[58],可有效优化电力负荷、平滑波动[59]。适用于需要持续、稳定能源供给的负荷场景,如安保系统和必要照明。对于大型园区来说,电动车与电网双向能量交换(Vehicle-to-Grid, V2G)技术也具有一定应用潜力,将电动车作为移动储能单元,为微电网提供备用电力和调频服务[60]。3)并入电网模式往往适配能源产量较大的场景,能源设施产生的电力在满足自用的基础上,将剩余电力输送至公共电网,能源不足时则从电网获取补充,实现双向动态平衡与互补。如张家口风电主题公园就设置了多台大型风力发电机,发电规模实际远超场地自身需求,则直接将发电并入电网,优化了能源输送与利用效率。4)微电网模式通过协调控制多种分布式能源、储能装置和负荷等[61],灵活调配资源,优化能源效率[62],能够在独立和并网模式下灵活切换[63],适用于具有多种能源供应和复杂用能需求的城市绿地。
在可再生能源应用的实践场景中,智慧能源管理系统(smart energy management system, SEMS)是重要的能源管理手段,可覆盖用能全流程。通过整合分布式能源[64]、接入环境传感器实时监控环境变量,确保资源合理分配。并根据用户行为数据和运行反馈进行智能调度优化,识别冗余与浪费[65],优化能源调度与成本控制[66],增强电网的灵活性和可靠性[67]
不同的城市绿地功能需求和用能特征差异明显,因此能源应用场景和管理策略也应有所侧重。对于口袋公园、社区公园等规模较小且功能单一的小微绿地,能耗通常集中于基础照明和少量设施的运行,能源需求总量较低且时段分布相对稳定,适合采用小型光伏设备与绿地基础设施(如路灯、小品、养护机械)集成,分散式布置,应用自发自用模式来驱动照明系统、灌溉设备或互动装置等,以减少输配电损耗,辅以公共电网进行补充供能。
综合公园等以游憩功能为主的绿地,能源负荷具有明显的时段波动和功能区分化特征。基于此,以光伏系统、风能系统等多能协同利用为核心,自发自用与储能技术联合应用,实现能源供应的多样化与灵活性。能源设施的布设可结合科普展示功能,将设施景观化或集成于游憩设施中,兼顾功能与教育的双重功能。在能源调控上,可引入负荷优先级算法或智慧能源管理系统,根据不同时间段和区域的需求变化动态调整供能,确保在能源短缺时关键区域(如游客服务中心、保障性设施等)优先获得电力,并优化常规情况下的能源配置。
城市郊野公园、森林公园等自然生态类绿地往往面积较大,能源利用有着更高的独立性和生态保护需求。可优先布设混合能源系统(如光伏与风能结合),通过微电网模式实现能源的自给自足,为应对极端天气,需配置大容量储能设备[68],结合智慧能源管理系统进行储能设备的调度优化。在设备设计上,应采用环保材料并注重设施的隐蔽性与生态友好性,以减少对自然景观和生态系统的干扰。

3 不足与展望

本研究阐明了可再生能源在城市绿地中的系统应用路径,为城市绿地的能源降碳减排提供实用的解决方案。但由于城市绿地尺度下的能耗量化研究尚处于起步阶段,且相关数据获取受限,未能深入探讨各类可再生能源在城市绿地生态系统中的具体效用及其相互作用。例如,光能、风能和生物质能的集成应用对微气候调节、碳汇功能和生物多样性保护的量化影响尚未得到充分评估。未来的工作可基于实证数据,开展系统的定量分析,深化对不同能源技术的经济性和环境效益的评估,并开发更精确的能效模型和算法,以便更有效地量化可再生能源的经济和环境收益。
此外,考虑到城市绿地的复杂性及多功能性,后续研究可进一步探讨生态与游憩功能在不同实施方案中的权衡与优化路径。随着储能技术、智能传感器和人工智能等新兴技术的不断发展,未来可关注这些技术与可再生能源系统的深度集成,以实现更高效的能源利用和更智能的园林管理。

文中图表均由作者绘制。

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