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一、城市形态与能源消耗的关系
城镇化空间格局是城镇化的重要维度，对能源消耗具有重要的影响。城镇化对于能源消耗的影响体现在不同空间尺度。Owens（1986，p.5）总结了城市形态在不同空间尺度上对于能源消耗的影响（表2-2）。在区域层面，区位的位置、区位间交通网络、区位规模、土地利用形态（蔓延或紧凑）和密度是影响能源消耗的主要要素，能源消耗的影响主要体现在它对交通能源消耗的影响；在城市层面，影响能源消耗的主要因素有：区位规模、土地利用形态、密度、区位内的交通网络、土地利用的混合度和服务设施的布局，城市层面的城市形态要素对于能源的影响主要体现在交通能源消耗；在社区（包括了居住区和就业区）层面，能源消耗主要受区位内交通网络、土地利用混合度、服务设施的布局以及房屋类型的影响，其中房屋类型和社区内道路网络是城市形态在微观层面的最为重要的两个要素，在社区层面，城市形态对于交通部门、居住部门和商业建筑与活动部门的能源消耗均有影响；在建筑层面，房屋类型和房屋群的布局与设计，例如朝向等，将对居住部门和商业建筑与活动部门的能源消耗产生影响。
表2-2 城市形态在不同空间尺度上对能源消耗的影响
资料来源：Owens，1986。
城市形态对于居住部门的能源消耗的影响主要是通过建筑的层高、高度和房屋类型来影响取暖（包括制冷）和照明等能源消耗。取暖（制冷）和照明分别占了房屋总能源消耗的60％和10％。社区密度的增加将体现在三个方面：房屋层高的降低（进深加大）、房屋高度增加和更多的高层公寓。英国的实例研究表明，在其他条件不变的情况下，高层公寓能够比独立型低密度住宅减少40％的房屋热损失（Steemers，2003）。但是，层高降低，房屋外表面积与建筑面积比率增大，将会减少房屋自然光的采光面积，从而增加取暖和照明能耗。研究表明，房屋的层高降低30％就会导致取暖和照明能耗增加5％～10％（Steemers，2003）。在高密度区域，整栋房屋高度的增加意味着房屋采光仰角的增加和自然采光总面积比率的下降，结果将导致单位面积的取暖和照明能耗的增加。自然采光面积每减少10％，将会增加10％～15％的取暖能耗（Steemers，2003）。对于商务写字楼建筑来说，空调、照明和取暖分别占了总能源消耗的44％、34％和22％。建筑的高密度布局能够减少房屋热损失，但是层高减少和进深增大（单位土地面积上的房屋单元密度增加）将会减少自然采光和通风，从而增加空调和照明能耗。例如，当商务建筑的进深从12m增加到24m，则其整体能源消耗将增加200％，其中绝大部分的增加来自于空调和照明能耗的增加（Bakker and Steemers，2000）。英国试验研究表明，综合以上居住和商务建筑能耗状况，某区位上房屋密度的增加：容积率从1.25增加到5，该区位上单位面积的居住和商务建筑能耗将增加近25％（Ratti and Riches，1999）。上述讨论表明，紧凑城市形态和高密度开发具有节约居住和商务建筑能耗的潜力，同时，如果高密度开发如果不能保障建筑具有较好的自然采光和通风，那么它也将增加房屋的能源消耗。
城市形态对于交通能源的消耗具有重要的影响，通常状况下，有着高密度、高混合度和高公共交通供给的紧凑城市相对于蔓延型城市来说具有较低的交通能源消耗（Banister et al.，1997）。紧凑城市开发减少能源消耗的原因主要有：（1）紧凑开发能够克服城市土地开发的区位分散布局，从而总体上减少出行公里数；（2）紧凑开发能够将出行目的地集中布局，从而增加目的地间的步行交通；（3）紧凑开发能够支持公共交通所需要的人口门槛需求，有利于公共交通供给，从而提高公共交通的出行比例；（4）高密度式的紧凑开发能够通过高费用的停车场和适当拥堵来减少小汽车的使用，从而增加公共交通出行。
城市形态对于能源消耗的影响概念框架图如图2-4所示。该框架总结了城市形态在减少能源消耗上的作用机制。当然，还有其他因素也会对能源消耗产生影响，例如，能源价格、居住收入等，限于本研究的重点，这里不一一展开。城市形态通过影响交通模式对交通能源消耗产生影响，机动车是石化能源的主要直接消费部门，因而不同城市形态对机动车出行公里数和小时数的影响将对道路交通能源消耗产生决定性的作用。城市形态在社区层面上体现为房屋的类型与布局，而房屋的类型与布局也是房屋密度、人口密度和建筑密度（容积率）的空间体现，城市形态对于居住和商务建筑的能源消耗有着显著的影响，这些影响主要体现在建筑物的采光、通风和取暖（制冷）等能源消耗上。城市形态对于个体交通和建筑产生能源影响，最终将影响区域的整体能源消耗水平。
图2-4 城市形态对能源消耗的影响的概念图
从低碳城市的实践角度来讲，相对于居住和商务建筑节能，通过改变城市形态减少交通能源消耗及有关温室气体排放具有更加重要的政策意义。主要原因有以下几个方面：第一，交通部门能源消耗中的石化燃料的比例要高于建筑部门，而石化燃料是温室气体排放的主要污染源，交通节能对于气候变化政策具有重要的意义；第二，建筑物物理状态（密度和类型）的改变相对于交通模式或者车辆状态（高效能的新型机动车）的改变来说要相对较为缓慢，这就意味着有关改变交通模式的交通政策在交通节能上具有更高的实际操作效益；第三，交通能源消耗的主要影响因素包括了机动车出行公里数和小时数，而减少机动车出行公里数和小时数的政策往往与其他社会影响有着密切联系，例如减少拥堵，节约交通成本等，从这些方面讲，交通节能对于城市整体政策有着更加深远的意义。因而，本研究将侧重于城市形态对于交通能源消耗的影响。关于更多的城市形态对于交通能源消耗和温室气体排放影响的研究文献，本研究将在第四章中进行详细回顾。
二、城市形态与交通能源消耗
密度是城市形态要素中对交通能源消耗影响最为显著的要素（Banisteretal.，1997）。而且，大多数研究证实，在城市层面，增加密度可以有效地减少城市整体交通能耗。其中主要有两个原因：首先，高密度能够减少出行距离（Ewingetal.，2003；Giuliano and Narayan，2003）。其次，高密度能够提高非机动交通模式，即公共交通和步行的比例（Robert Cervero，1996；Dunphy and Fisher，1996）。大量的研究结果证实了高密度对于减少交通能耗的积极作用。其中，Newman and Kenworthy的研究起了典范作用（Newman and Kenworthy，1989）。他们研究了世界各地多个大城市，分析结果显示城市密度与交通汽油消耗之间的关系，高密度与较低的交通能源消耗有显著相关，当人口密度低于每公顷29人时，交通石化能源消耗明显增长（Newman and Kenworthy，1989）（图2-5）。
图2-5 世界大城市密度与交通能源消耗的关系
资料来源：Newman and Kenworthy，1989
Newman and Kenworthy在1999年的研究中（Newman and Kenworthy，1999），采用了新数据，对世界上37个城市作了实例研究，以证实上述他们的1989年的研究结论。分析结果证实：城市密度与机动化水平密切相关，城市密度是解释交通能源消耗的主要因素，随着人口密度的增加，人均私人交通能源的消耗量在下降。作者们建议，紧凑城市开发应该是城市减少交通能耗的重要手段，紧凑城市开发要着重提高交通节点和次中心的人口密度，并增加公共交通设施。
Grazi等（2008）（Grazi et al.，2008）利用荷兰住房调查数据分析研究了人口密度对于交通二氧化碳排放的影响。分析研究结果显示：高密度地区（高于每公顷25户）工作者的人均二氧化碳排放量要比低密度地区的低47％，当人口密度每提高每公顷5户时，二氧化碳的人均排放量要降低15％。主要原因是高密度能够减少出行距离，作者们的研究结果显示低密度地区工作者平均每日要比高密度地区的工作者多出行11.9km。
Golob和Brownstone（2009）（Golob and Brownstone，2009）利用出行调查数据从微观层面上研究了密度对于交通能源的消耗。作者以美国加利福尼亚地区的住户为例，采用结构方程式估计每平方英里住房数量对于小汽车使用和交通能源消费的影响。在控制了诸多社会经济变量（例如收入、教育、退休状态和孩子数量）之后，作者分析发现密度对于家庭的小汽车公里数和交通能源消耗有显著影响，在控制其他变量下，密度每降低1000住房单位每平方英里（降低40％），则家庭每年的小汽车公里数要增加1200英里（4.8％），每个家庭的交通能源消耗则增加65加仑（5.5％）。而且，作者分析表明密度通过两个方面的机制减少交通能源消耗：机制之一是低密度将导致出行公里数的增加，由于公里数增加所造成的交通能源消耗的增量为45加仑；机制之二是低密度将导致小汽车出行比例的增加，由于小汽车出行比例增加所造成的交通能源消耗的增量为20加仑。
除了城市密度，其他城市形态要素也对交通能源消耗和温室气体的排放有着显著影响。例如，VandeWeghe和Kennedy（VandeWeghe and Kennedy，2008）对加拿大多伦多都市统计区内的住户温室气体排放进行了研究。研究表明城市形态对于住户的总温室气体排放量有显著的影响，总体来看交通出行所产生的温室气体排放与住宅建筑有关的温室气体排放量相当，但在郊区，私人机动车辆的温室气体排放量要明显高于居住建筑有关的温室气体排放量，主要原因是郊区的城市蔓延产生的低密度和低混合度土地利用造成机动车出行公里数的增长。而且，研究也显示在所有研究区域中，10个温室气体排放最多的区域均为郊区低密度住宅区域。该研究结果表明：城市形态对于个体住户的能源消耗影响会随着城市形态对于交通的影响而显著变化，郊区的紧凑城市开发对于减少住户的交通能源消耗具有重要的影响意义。
Frank等（2000）以美国Puget Sound地区为例详细研究了人口密度、就业密度和街道道路的连接性（用基本统计单元密度来表示）对于住户交通能源消耗的影响。在分析中作者控制了家庭收入和家庭的机动车数量等变量，并考虑了车辆的状况，例如冷启动、热启动等因素。分析结果显示：较高的人口密度、就业密度和街道的连接性与低水平温室气体排放[氮氧化物、一氧化碳和挥发性有机化合物（VOC）]显著相关，每增加10％的人口密度和街道道路的连接性将分别减少0.18％和0.82％的氮氧化物。其中主要原因是人口密度和就业密度的增加将会减少机动车的出行数量（弹性系数为0.09）、机动车出行的公里数（弹性系数为0.43）、机动车出行的小时数（弹性系数为0.16）和机动车冷启动的次数（弹性系数为0.07）。虽然街道道路的连接性对于减少机动车出行数量没有明显效果，但是其对于减少机动车出行的公里数和小时数有着显著绩效。作者认为高的街道道路的连接性将会减少出行出发地和目的地之间的距离，并有利于步行和自行车等非机动交通方式。
Naess和Sanderg（1996）对挪威奥斯陆不同工作地就业者的交通出行特征和能源消耗作了调查研究，这些被分析的调查者（485人）分布于6个不同的工作地，6个工作地分别位于市中心、近郊区和远郊区。比较研究结果表明：远郊区工作地的就业者具有较高的小汽车使用比例、通勤距离和人均每日交通能源消耗，就业于距离中心区12公里工作地的就业者每天交通通勤的能源消耗是16.8kW·h，而就业于距离中心区2公里工作地的就业者每天交通通勤的能源消耗仅是9.7kW·h。在控制了收入和小汽车拥有率等因素后，回归分析表明距离市中心的距离与小汽车出行距离和能源消耗显著相关。主要原因是工作地的公共交通服务欠缺，以及工作地周边的低密度降低了其他公共设施的可达性，导致了就业者不得不使用小汽车出行。
与Naess和Sanderg（1996）相反，Perkins等（2010）用详细的问卷调查研究了不同居住地的住户的交通和住房能源消耗以及相关的二氧化碳排放。作者以澳大利亚的Adelaide市为例，将住户分为三类：外郊区独栋低密度住宅区的住户（174），内郊区联排中密度的住户（48）和城市中心区高层公寓楼中的住户（41）。研究比较发现：居住在高层公寓楼中的住户有最低的每户交通能源消耗（13GJ/年）和每人交通能源消耗（8GJ/年），而郊区低密度住宅区的每户交通能源消耗和每人交通能源消耗是最高的（分别为132GJ/年和48GJ/年）。在交通温室气体的排放上，郊区低密度住宅区住户每年要比内郊区住户和中心区高层公寓住户分别多5.5t和7.3t二氧化碳当量。其主要原因是低密度住户具有较高的机动车出行公里数和小时数。
三、城市形态对交通节能的深度思考
大量的研究结果证实，城市形态能够并且显著地影响交通出行特征，紧凑城市形态对于减少小汽车公里数，促进可持续交通，节约交通能耗，减少温室气体的排放等具有积极的作用。但是，也有少数学者对此持有怀疑态度。首先，一些学者认为，土地利用变化与出行特征的变化很难同步，即土地利用的变化相对即时变化的交通出行要缓慢一些，尤其是在西方一些城市化相对较高的城市，例如英国（Simmonds and Coombe，2000；Williams et al.，2000a）。Simmonds and Coombe（2000，p.130）指出：（准备用于影响交通的）土地利用政策是一个慢性政策，因为城市开发是相对缓慢的，即使在过去的20多年开发较快的情况下，城市形态的变化还是很有限的。
其次，关于紧凑城市对于交通的影响往往侧重于通过改变土地利用来减少居民居住地与其他城市设施之间的空间距离，从而减少“出行需求”。因而，土地变化对于出行特征的影响取决于居民在何种程度上选择就近出行，而居民的“需要出行”随着小汽车的普及和生活方式的变化而变化，随着其他影响出行的要素的出现，“就近出行”已不再是决定交通模式的首要原则，结果是，紧凑城市通过影响土地利用而影响交通出行的作用是有限的。例如，油价和小汽车拥有程度要比人口密度更能影响小汽车的使用（Kirwan，1992a，，1992b；Pucher，1990）。
有些学者通过新的统计方法对以前的一些研究所用的数据进行分析，发现城市形态与交通之间的相关性并不是很明显。例如，Mindali等（2004）对Newman and Kenworthy的研究数据用新的统计方法进行再分析，结果发现密度与能源消耗之间的关系并没有像 Newman and Kenworthy以前所发现的那么显著。
而有些研究者认为鼓励紧凑城市形态的城市政策并不能明显地减少总的出行需求和小汽车的使用。例如，Simmonds and Coombe（2000）对于英国城市的研究，他们认为：如果没有其他严格控制机动性的政策，具有紧凑特征的土地利用政策并不能有效地减少小汽车的使用。Williams（2000，p.37）对于英国的紧凑政策目标和开发实际作了对比，他们发现，从环境的角度讲，紧凑政策在实现减少温室气体的政策目标上并不是很成功。其中的原因有两方面，一方面土地利用形态是历史的产物，很难在短期内发生变化；另一方面，小汽车拥有量的增加和分散的郊区生活模式很难只通过土地利用规划来改变。
[1]JonesDW.Urbanization and energy use in economic development.Energy Journal，1989，10（1）：29-44.
[2]JonesDW.How urbanization affects energy use in developing countries，Energy Policy，1991，19（7）：621-630.
[3]ParikhJ，ShuklaV.Urbanization，energyuse，and greenhouse effects in economic development：results from a cross-national study of developing countries.Global Environmental Change，1995，5（2）：87-103.
[4]Kenworthy JR，Laube FB.Automobile dependence in cities：an international comparison of urban transport and land use patterns with implications for sustainability.Environmental Impact AssessmentReview，1996，16（4-6）：279-308.
[5]Ewing R，Rong F.The impact of urban form on U.S.residential energy use.Housing Policy Debate，2008，19（1）：1-30.
[6]Lariviere I，Lafrance G.Modeling the electricity consumption of cities：effect of urban density.Energy Economic，1999，21（1）：53-66.
[7]Pesaran M，Shin Y，Smith R.Bounds testing approaches to the analysis of level relationships.Journal of Applied Econometrics，2001，16（3）：289-326.
[8]O’Neill BC，Ren X，Jiang L，Dalton M.The effect of urbanization on energy use in India and China in the iPETS model.Energy Economics，2012，34（S3）：S339-S345.
[9]Poumanyvong P，Kaneko S.Does urbanization lead to less energy use and lower CO 2 emissions？ A cross-country analysis.Ecology Economics，2010，70：434-444.
[10]Al-mulaliU，Sab CNBC，Fereidouni HG.Exploring the bi-directional long run relationship between urbanization，energy consumption，and carbon dioxide emission.Energy，2012，46（1）：156-167.
[11]Perry S.Do urbanization and industrialization affect energyintensity in developing countries？Energy Economics，2013，37（2013）：52-59.
[12]Sajal G，Kakali K.Long-term equilibrium relationship between urbanization，energy consumptionand economicactivity：Empirical evidence from India.Energy，2014，66（2014）：324-331.
[13]Qiang Wang.Effects of urbanisation onenergy consumption in China.Energy Policy，2014，65（2014）：332-339.
[14]Burney NA.Socioeconomic development and electricity consumption：a crosscountry analysis using the random coefficient method.Energy Economics，1995，17（3）：185-195.
[15]Baizhan Li.Runming Yao.Urbanisation and its impact on building energy consumption and efficiency in China.Renewable Energy，2009，34（2009）：1994-1998.
[16]Boqiang Lin，Xiaoling Ouyang.Energy demand in China：Comparison of characteristics between the US and China in rapid urbanization stage.Energy Conversi on and Management，2014，79（2014）：128-139.
[17]Reinhard M，Yasin S.Impacts of urbanizati on onurban structures and energy demand：What can we learn for urban energy planning and urbanization management？Sustainable Cities and Society，2011，1（2011）：45-53.
[18]Al-mulali，Hassan GF，Janice YM，Che NBCS.Exploring the relationship between urbanization，energy consumption，and CO 2 emission in MENA countries.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，23（2013）：107-112.
[19]Liu Y.Exploring the relationship between urbanization and energy consumption in China using ARDL（autoregressive distributed lag）and FDM（factor decomposition model）.Energy，2009，34（11）：1846-1854.
[20]Madlener R，Sunak Y.2011.Impacts of urbanization on urban structures and energy demand：what can we learn for urban energy planning and urbanization management？Sustainable Cities and Society，2011，2011（1）：45-53.
[21]York R.Demographic trends and energy consumption in European Union Nations，1960-2025，Social ScienceResearch，2007，36（3）：855-872.
[22]ParkH，Andrews C.City planning and energyuse.Encyclopedia of energy，2004.Amsterdam：Elsevier Science.
[23]Girardet H.Creating sustainable cities 1999.Bristol：Green Books.
[24]Steemers K.Energy and the city：Density，buildings and transport.Energy and Buildings，2003，35（1）：3-14.
[25]Georgina Santos，Hannah Behrendt，Laura Maconi，Tara Shirvani，Alexander Teytelboym.PartI：Externalities and economicpolic iesinroad transport.Researchin Transportation Economics，2010，28（2010）：2-45.
[26]Gyo-Eon Shim，Sung-MoRhee，Kun-Hyuck Ahn，Sung-Bong Chung.The relationship between the characteristics of transportation energy consumption and urban form.Annals of Regional Science，2006，40（2006）：351-367.
[27]Erling Holden and Ingrid T.Norland.Three Challenges for the Compact City as a Sustainable Urban Form：Household Consumption of Energy and Transport in Eight Residential Areas in the Greater Oslo Region.Urban Studies，2005，42（12）：2145-2166.
[28]Wu Y.China’s economic growth：a miracle with Chinese characteristics.New York：Routledge Curzon，2004.
[29]Jung TY，La Rovere EL，Gaj H，Shukla PR，Zhou DD.Structural changes in developing countries and their implication for energy-related CO 2 emissions.Technological Forecasting and Social Change，2000，63（2-3）：111-36.
[30]Adams FG，Shachmurove Y.Modeling and forecasting energy consumption in China：implications for Chinese energy demand and imports in 2020.Energy Economics，2008，30（3）：1263-1278.
[31]T.M.I.Mahlia，H.H.Masjuki，I.A.Choudhury，R.Saidur.Potential CO 2 reduction by implementing energy efficiency standard for room air conditioner in Malaysia.Energy Conversion and Management，2001，42（14）：1673-1685.
[32]Na Na Kanga，Sung HeuiChoa，Jeong TaiKim.The energy-saving effects of apartment residents’awareness and behavior.Sustainable and healthy buildings，2012，46（03）：112-122.
[33]J.Ouyang，K.Hokao，Energy-saving potential by improving occupants’behavior in urban residential sector in Hangzhou City，China，Energy and Buildings，2009，41（2009）711-720.
[34]Nadel S.Appliance energy efficiency：opportunities，barriers，and policy solutions.Proceedings on energy efficiency in household appliances，1st International Conference，Florence，Italy，1997，22-37.
[35]Banister，D.，Watson，S.，& Wood，C.（1997）.Sustainable cities：transport，energy，and urban form.Environment and Planning B，24，125-143.
[36]Cervero，R.（1996）.Mixed land-uses and commuting：Evidence from the American Housing Survey.Transportation Research PartA，30，361-377.
[37]Dunphy，R.T.，& Fisher，K.（1996）.Transportation，congestion，and density：new insights.Transportation Research Record，1552，89-96.
[38]Ewing，R.，Pendall，R.，& Chen，D.（2003）.Measuring sprawl and its transportation impacts.Transportation Research Record，1831，175-183.
[39]Frank，L.D.，Stone，B.，&Bachman，W.（2000）.Linking land use with household vehicle emissions in the central Puget Sound：Methodological framework and findings.Transportati on Research D，5，173-196.
[40]Giuliano，G.，& Narayan，D.（2003）.Another look at travel patterns and urban form：the US and Great Britain.Urban Studies，40，2295-2312.
[41]Golob，T.F.，& Brownstone，D.（2009）.The Impact of Residential Density on Vehicle Usage and Energy Consumption.Journal of Urban Economics，65，91-98.
[42]Grazi，F.，van den Bergh，J.C.J.，& van Ommeren，J.（2008）.An Empirical Analysis of Urban Form，Transport，and Global Warming.The Energy Journal，29，97-122.
[43]Kirwan，R.（1992a）.Urban Consolidation.Australian Planner.Australian Planner，30，13-20.
[44]Kirwan，R.（1992b）.Urban form，Energy and Transport：A Note on The Newman-Kenworthy Thesis.Urban Policyand Research，10，6-23.
[45]Mindali，O.，Raveh，A.，&Salomon，I.（2004）.Urban density and energy consumption：a new look at old statistics Transportation Research A，38，143-162.
[46]Naess，P.，&Sandberg，S.（1996）.Workplace location，modal split and energy use for commuting trips.Urban Studies，33，557-580.
[47]Newman，P.W.G.，& Kenworthy，J.R.（1989）.Gasoline consumption and cities：a comparison of U.S.cities with a global survey.Journey of American Planners Association，55，24-37.
[48]Newman，P.W.G.，& Kenworthy，J.R.（1999）.Sustainability and Cities：Overcoming Automobile Dependence.Washington，DC：Island Press.
[49]Owens，S.（1986）.Energy Planning and Urban Form.London：Pion.
[50]Pucher，J.（1990）.Review of Newman and Kenworthy.Transport Research A，24，315-316.
[51]Simmonds，D.，&Coombe，D.（2000）.The transport implications of alternative urban forms.In K.Williams，E.Burton & M.Jenks（Eds.），Achieving Sustainable Urban Form（pp.121-130）.London：E & FN SPON.
[52]VandeWeghe，J.R.，& Kennedy，C.（2008）.A Spatial Analysis of Residential Greenhouse Gas Emissions in the Toronto Census Metropolitan Area.Journal of Industrial Ecology，11，133-144.
[53]Williams，K.（2000）.Does Intensifying Cities Make Them More Sustainable？In K.Williams，E.Burton &M.Jenks（Eds.），Achieving sustainable urban form（pp.30-45）.London：E & FNSpon.
[54]Williams，K.，Burton，E.，& Jenks，M.（2000）.Achieving sustainable urban form：Introduction.In K.Williams，E.Burton & M.Jenks（Eds.），Achieving sustainable urban form（pp.1-5）.London：E & FN Spon.