“双碳”战略下新型智慧城市建设思考
摘要
“十四五”开启中国绿色发展新篇章，“绿色化”与“数字化”“智能化”的协同成为了“十四五”期间的重点发展方向，新型智慧城市建设将为“碳达峰、碳中和”目标的实现提供重要抓手。本文论述了“双碳”战略下新型智慧城市的建设思路;通过对新型智慧城市的顶层设计、数字基础设施、智能中枢、智慧应用等方面的分析，梳理出与“双碳”战略相关的建设内容，最后提出了“双碳”战略下新型智慧城市建设的发展建议。
引言
“双碳”战略目标自2020年被写入2021年政府工作报告和“十四五”规划中，现已上升为“十四五”期间重要的国家战略，也标志着我国告别高资源投入模式，转向以技术进步、创新驱动和制度改革促进经济社会高质量发展和全面现代化的新发展模式。城市作为人类经济社会活动集中分布的区域，是重要的碳排放源，也是实现“双碳” 目标的主战场。当下，我国智慧城市建设已成燎原之势，在实现城市可持续发展、提升城市综合竞争力等方面起到了极大的作用。智慧城市在提升治理能力、推动民生和产业发展的同时，以数据为核心要素、以新一代信息技术为驱动，赋能千行百业绿色化转型、引领生活方式绿色化变革，为“双碳”目标下的城市可持续发展开辟新路径，从而推动经济社会的系统性变革，为生态文明建设注入强大动力。在“十四五”数字中国建设和“双碳”背景下，新型智慧城市建设将为“双碳”战略的全面落地提供有力抓手。
1 新型智慧城市建设助力“双碳”目标实现
1.1 “双碳”战略是推动“十四五”高质量发展的重要任务
2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上向世界宣布了中国2030年“碳达峰”目标与2060年“碳中和”愿景。在2021年全国两会中，“碳达峰、碳中和”被首次写入国务院政府工作报告，“扎实做好碳达峰、碳中和各项工作”被列为重点工作。“十四五”时期是碳达峰的攻坚期和窗口期，“十四五”规划纲要要求深入推进工业、建筑、交通等领域低碳转型，目标是在“十四五”期间单位国内生产总值二氧化碳排放量下降18%，实现社会经济高质量发展。全国17个省/市在各自的2021年政府工作报告中将“碳达峰、碳中和”列为未来重点工作，并于2021年下半年加快制定本省/市碳达峰行动方案，明确规划目标并突出地方特色。“双碳”战略是涉及国家发展和改革委员会、工业和信息化部、生态环境部等多部委的国家级长期战略，2021年国家能源局出台《能源碳达峰实施方案》，住房和城乡建设部等15个部门联合印发了《关于加强县城绿色低碳建设的意见》，国家发展和改革委员会发布《“十四五”循环经济发展规划》 并明确下一步将推出2030年前碳排放达峰行动方案，构建起双碳的“1+N”政策体系，带动产业、技术、商业模式和发展理念的全面变革，推动各领域各行业全方位绿色转型。
1.2 新型智慧城市是“双碳”目标实现的重要抓手
目前，我国处于快速城镇化时期，城市地区承载着我国 60%的常住人口，碳排放量占总量的70%以上。人口集聚与经济增长的压力迫使大中小城市面临产业升级、环境污染、资源利用等诸多问题，使得人们更加关注城市绿色化、低碳化发展，由此城市在实施“双碳”战略中扮演着重要角色。新型智慧城市在促进城市治理体系现代化、提升市民生活品质和发展绿色经济方面提供了强大支撑，已经成为当今时代我国城市运行的新模式、城市管理的新方式和城市建设的新机制。与此同时，智慧城市的建设与发展少不了新一代信息技术的赋能，以物联网、人工智能、云计算等为代表的新技术也将全面支撑双碳战略的落地，推动优政、兴业、惠民等多场景节能减排，大力探索以技术创新驱动的双碳战略发展的新路径和新模式。“十四五”时期，我国迈入高质量发展新阶段，牢固树立和贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，推动经济社会持续健康发展，是我国社会进入新的发展阶段的重要任务。持续深化新型智慧城市建设必须认真贯彻新发展理念，建设宜居、创新、智慧、低碳城市，助力双碳目标的实现，推动城市发展方式绿色转型，实现资源高效利用和循环利用。
我国的新型智慧城市建设历经多年探索实践，已经进入大规模落地深化阶段。目前，新型智慧城市建设更加强调构建“云网端”的基础设施体系，5G、物联网、人工智能、大数据、区块链等新一代信息技术融合，数据智能、城市信息模型(City Intelligent Modeling，CIM)等共性赋能平台支撑，以及数字孪生协同化智能化的运行管理模式，并向“三融五跨”方向发展。在“双碳”背景下，新型智慧城市建设不仅要通过先进的技术强化城市治理能力、便捷居民生活和提升产业经济水平，也要以数字化手段促进生活生产节能减排、经济发展动力转换，引导市民转变生活消费理念，探索低碳减排与经济增长的共赢路径。
2 “双碳”战略下智慧城市建设的重点
在“双碳”战略下，新型智慧城市的建设也需要增加“双碳” 相关的重点内容。中国信息通信研究院在《新型智慧城市发展研究报告(2019年)》中提出新型智慧城市建设应包含顶层设计、体制机制、智能基础设施、智能运行中枢、智慧生活、智慧生产、智慧治理、智慧生态、技术创新与标准体系、安全保障体系建设架构10个方面，本文基于此梳理出智慧城市建设中与“双碳”战略相关的建设内容，将“双碳”融入新型智慧城市建设中(见图1)。在顶层设计层面，新型智慧城市顶层设计中应增加关于“双碳”战略的内容，通过数字化全面赋能，助力“双碳”战略目标实现。在数字基础设施层面，云网端都应与“双碳” 紧密相关，终端侧应大力推进碳监测物联网终端的部署，实现碳数据采集信息化、广泛化;网络侧应推广绿色5G建设，发挥5G“使能效应”，助力各行业提质增效、节能降耗;云计算侧的数据中心是碳减排最相关的建设内容，应打造绿色数据中心，通过余热回收和清洁能源的供应等举措将大大减少数据中心的碳排放。在智能中枢层面，新型智慧城市将继续升级迭代数据中台、AI能力中台、物联网中台、应用支撑平台、城市时空信息平台等中枢平台，但更重要的是进行“双碳”主题库专题库的建设，在数据基础之上进行“双碳”智能分析和智能算法的研究，支撑上层“双碳”相关的智慧应用。在智慧应用层面，在优政、惠民、兴业等方面更多地打造“双碳”特色应用，并且在城市智能运营管理中心(Intelligent Operations Center，IOC)进行“双碳”相关信息的可视化呈现，帮助城市管理者了解“双碳”战略进度并做好决策、指挥工作。
“双碳”智慧城市整体架构
新型智慧城市顶层设计中融入“双碳”元素是下一步智慧城市建设的重中之重。2019年，我国正式发布GB/T 36333-2018《智慧城市顶层设计指南》，在该指南的引导下，越来越多的省/市都开始重视智慧城市顶层设计或总体规划，通过顶层设计进行高位统筹谋划已经成为智慧城市建设实施的前提。据中国信息通信研究院《2020智慧城市产业图谱研究报告》统计，我国智慧城市相关试点已经超过700个，开展新型智慧城市顶层设计的省会城市及计划单列市、地级市已经达到94%和71%。“双碳”战略作为国家战略而且又与智慧城市建设密切相关，更加需要在顶层设计中体现，在数字基础设施、智能中枢、智慧应用的各个层面都需要重视并设计与“双碳”相关的建设内容，真正把“双碳”战略贯穿在智慧城市的建设中。
3 数字基础设施——夯实“双碳”战略信息化基础
3.1 云——数据中心是能耗减排重要发力点
数据中心是智慧城市建设中的重要部分，尤其近几年在国内变得愈发“炙手可热”，一方面随着5G逐步走向大规模商用和互联网的迅猛发展，数据中心作为数据处理设备的载体，承接了巨量的业务需求。另一方面，数据中心被列入国家“新基建” 战略范畴，成为国家信息基础设施建设的重要一环。但是，数据中心作为能耗大户，也是智慧城市建设中最需要进行碳减排的部分。
数据中心的余热回收将是碳减排中最有效的办法，近期各地政府纷纷发文支持数据中心进行余热回收利用。2021年4月，北京市经济和信息化局发布的《北京市数据中心统筹发展实施方案(2021—2023年)》明确提到要“鼓励数据中心进行热源利用。鼓励数据中心采用余热回收利用措施，为周边建筑提供热源，提高能源再利用效率。”由于数据中心是24h不间断工作，其中的IT设备在运行时会产生很多热量，传统的风冷设备一般是将热量直接排到大气中，没有经过任何的回收利用。目前的余热回收技术已经成熟，采用液冷技术可以更好地收集余热，将液体作为载体，直接通过热交换接入周边写字楼和社区的采暖系统和供水系统，满足居民供暖和温水供应。在北方以及一些有条件的地区，冬天来临的时候完全可以收集数据中心的余热进行供暖，这样不仅数据中心可以节省能耗，城市也可以减少煤的燃烧量，同时通过收取供暖费创造新的商业模式，对智慧城市长效运营以及碳减排都有非常积极的作用。
余热回收只是数据中心碳减排的一个方面，要推进绿色数据中心建设可从多方面发力。比如强化绿色设计，采用氢能源、液冷、分布式供电、模块化机房等高效的系统设计方案，实现节能、节水、节地、节材和环境保护。对于存量的数据中心也可进行绿色技术应用和改造，推进氢能源、液体冷却等绿色先进技术应用。数据中心是智慧城市建设中碳减排重要的一环，打造绿色数据中心将大大助推“双碳”战略目标的实现。
3.2 网——绿色5G开创节能新路径
网络层面，我国5G网络建设风驰电掣，5G建设所需的能耗巨大，所以5G自身的绿色化发展也是实现“双碳”战略目标的重要一环。下一步5G网络建设需要开创绿色节能新路径，构建5G等多元化组网服务，实现行业场景的全覆盖，构建完善的碳数据传输能力，同时加强5G产业链上下游的积极融创，建立起设备、器件、材料、能源等上下行企业的信息融通、联合创新机制，形成畅通高效的合作链，联合创新节能降耗产品，持续降低5G能耗。同时，运营商部署5G网络的方式也应作出相应改变，在5G网络规划和优化时重点考虑能源效率，比如设计基站的智能电源、在预防性维护中支持人工智能等。
5G也是提高能源效率的重要推动力，可以助力其他行业实现各自的“双碳”目标，这被称为5G的“使能效应”。根据国际电信联盟(ITU)SMART 2020的报告，到2020年年底，在所有ICT中，使能效应的规模将相当于全球所有排放量的15%。5G的使能效果来自流程和行为的变化，通过5G与传统高能耗行业的深度融合，助力钢铁、化工、冶炼等高能耗行业在产品开发、技术升级和数字化转型等方面发挥其应有作用，为各行业提质增效、节能降耗、低碳环保作出贡献。
3.3 端——物联网终端部署实现碳数据采集精准化
在智慧城市终端建设方面，目前有关碳监测物联网感知设备的部署还不是很多，直接影响到后期碳排放的测算。碳排放量的测定方法主要有计量法和监测法两种，前者通过碳排放活动和碳排放因子计算得来，后者通过设备监测直接获得数据。目前，我国碳排放的测定仍以计量法为主，但是准确性较差;而监测法具有更高的准确性，且易于监管，但需要部署大量的碳监测感知终端。随着碳市场的完善，碳监测或将逐步取代碳计量：从国内碳市场的发展来看，行业内工艺流程的不断更新会加大监管部门的管理难度，使监管标准不断更迭，推动对灵活性更优、具备云端化能力的碳监测的需求。通过部署布局大量碳监测物联网感知设备，打造“碳排放” 数字监测体系，利用底层采集和传输能力，将助力实现碳排放核算的实时化、精准化和自动化。同时，我国应推进低功耗低成本物联网终端产业的发展，实现碳数据采集信息化、广泛化。
3.4 智能中枢——“双碳”数据库建设需求增加
智能中枢层面，各地基本都已经规划或者建设了数据中台、AI中台、物联网中台、应用支撑平台、城市时空信息平台等几个重要的中枢平台，各地政府也都建设了丰富的数据库以满足民生和政务多方面的需要，但是“双碳”主题的数据库建设相对较少。随着各地政府对数据的重视和“双碳”战略的实施，数据中台的建设将更加重要，未来我国将建设更多的“双碳”相关主题数据库(如碳排放数据库、碳交易数据库)并进行相关的智能分析。目前，国内比较知名的“双碳”数据库有中国碳核算数据库(China Emission Accounts and Datasets，CEADs)。CEADs主要包括能源清单、二氧化碳排放清单、工业过程碳排放清单、排放因子及投入产出表等子数据库。随着各地政府“双碳”战略的进一步落地，基于本地区更加准确的实时“双碳”数据库需求将大大增加，数据中台的内容也将更加丰富。“双碳”数据的智能分析将根据不同需求更加多样化，比如碳中和智能分析、碳配额预测预警分析、碳足迹数据分析、城市碳减排推演等。在智能中枢层面，通过“双碳”数据库的建设以及智能分析，结合城市IOC进行可视化专题呈现，帮助政府管理者了解目前“双碳”战略实施的进度，辅助管理者决策，从而进行更加科学的指挥调度，助力当地“双碳”目标的达成。高能耗行业企业也可借助“双碳”大数据智能分析、人工智能领域的算力，制定智慧能效解决方案，优化能源系统运行方式，提高运行效率，以此推进节能减排，助力建设节能低碳、绿色生态、集约高效的用能体系，推动全面绿色转型。
4 智慧应用——多场景智慧应用助力碳减排
在智慧应用建设层面，本文从优政、惠民、兴业以及城市IOC方面梳理出与“双碳”相关的建设内容，通过智慧应用建设，助力“双碳”战略实施。
4.1 优政——智慧政务多措并举节能减排
政府运行节能低碳对推广低碳生活、引领社会经济绿色转型具有重要意义。通过推广协同办公系统、移动办公系统可在实现无纸化办公的同时促进文件高效流转、提升办事效能。数字集约化OA办公平台具备电子套红、电子印章和电子签名等功能，从公文的拟稿到签发，可以实现全流程电子化，并支撑业务部门的公文流转、公文交换、信息交换等协同工作，并通过多端同屏在线的移动办公实现工作“掌上办、指尖办”。“一网通办”是优化办事流程的有力抓手，通过一门式受理、让数跑路实现减环节、减材料，可极大地降低耗材使用，提供高效化低碳化服务。
智慧城市还可为政府碳监测提供抓手，通过碳排放数据的精准采集与数据可视化指导政策制定与低碳场景打造。“一网统管”是城市精细化管理的重要手段，可将重点园区、企业、社区、楼宇的物联网数据、水电气数据等纳入一网统管数据体系，实现碳排放运行动态监测，服务于环境管理部门、环境监测部门、污染排放及治理企业和公众，并为政府的科学规划和宏观调控提供参考。此外，针对高排碳企业，在营商环境监测平台中将低碳可持续作为一个关键模块或指标纳入到企业画像库中，构建产业和企业的碳画像体系，控制企业的二氧化碳排放，提高能源利用效率。建立高效、清洁、低碳的市政体系也是实现城市低碳运行的关键举措，构建城市综合能源数字化智慧化平台和行业数字化使能平台，为政府部门、能源企业、用能客户的能源碳监测、碳评估、碳预测等提供智慧化手段，如以智慧水务提升水环境监测能力和优化分质供水的减碳能力，完善垃圾资源回收利用处理系统，以“互联网+”精细化推进生活垃圾分类管理等。解决碳排放问题不仅需要管控高排碳行业和企业，还需要加强对自然资源的有效保护和利用，更好地发挥林草系统碳汇作用，将植被碳汇量精准管理纳入智慧林业平台，通过智慧林业实现林地智慧监管、高效保护。
建立碳排放权交易市场是我国通过市场机制配置碳排放权资源的重要途径，可在助力政府构建、管理和规范碳交易市场方面发挥重要作用。我国多个省/市都在持续探索碳排放权交易市场建设，截至2021年7月，我国陆续在北京、上海、天津、重庆、湖北、广东、深圳和福建8个省/市开展了碳排放权交易试点。可围绕碳交易构建面向企业的交易平台，利用区块链技术实现碳排放权交易数据可溯源，在碳排放核算、数据统计、数据质量控制方面保障数据安全可信。此外，还可面向企业构建服务平台，提供碳减排、碳转化等解决方案并推广节能技术。面向市民提供碳普惠平台，将绿色出行等低碳行为转换为现实收益，并结合数字人民币形态拓展平台应用场景。
4.2 惠民——智慧交通和智慧社区向低碳化迈进
交通行业的二氧化碳排放量约占全国碳排放总量的10%，其中道路交通在交通全行业碳排放中的占比约为 80%，且仍处于快速发展阶段，提升交通工具能效可在未来30年累计额外减排32亿吨二氧化碳当量，以道路交通为主的交通行业绿色化转型势在必行。在智慧交通方面，从近期来看，可以优先提升交通工具能效，利用城市交通大脑、智能交通调度指挥系统等改善道路拥堵状况，有序发展网约车、共享单车和共享电单车，依靠平台算法优化车辆使用效率，减少拥堵和空驶率，推动出行结构低碳共享化。而从中远期来看，可大力发展电动交通工具，并配套发展充电桩等基础设施，虽然提高电动交通工具占比需要较高的设备投入和运行维护成本，但此举可带来较大的减排效果。逐步发展自动驾驶将改变人们的出行习惯并提升公路运输效率，加快零碳交通目标的实现。此外，仓储物流也是高排碳行业，需以智慧仓储、智慧运输、智慧包装为核心，智能化、精细化管控运输、经营、服务和管理各个环节，提升能源利用效率，优化物流生态体系。
从人居环境的角度来看，小到智慧家居中的节能家电使用，大到智慧低碳建筑、零碳社区、低碳园区等建设都将对碳达峰作出重要贡献。在低碳建筑方面,建筑运营的碳排放量不可小觑，可在智能化绿色建筑中依托智能终端设置智能照明系统、空调采暖系统、智能遮阳板等，并在智能楼宇IOC中对大楼照明、空调、用水等楼宇能耗数据进行监测分析，构建楼宇能耗指标体系，对能耗控制与消耗进行有效配置管理。目前，我国老旧小区改造和新型社区建设都将向绿色化、低碳化方向发展，并从绿色建筑、绿色能源、循环资源、节能家居等多方面实现智慧与低碳的结合，如利用感知设备对社区中的人车物、道路管网、能源供给与消耗、绿化碳汇、民生服务等信息进行智能感知和自动获取，依托综合服务平台对获取的信息进行整合、分析与共享，并接入城市管理部门平台进而推动碳排放的精细化管理。
4.3 兴业——智能制造和智慧农业绿色化转型
随着国家对数字经济的重视，各地政府对智慧城市在兴业方面的建设要求也越来越高。首先是智能制造，在“双碳”战略的大背景下，低碳化、节能化成为制造业升级转型的大趋势，也将成为制造业高质量发展的必然结果。而要实现制造业低碳节能，数字化技术赋能是关键着力点，智能制造应借助大数据、人工智能、工业互联网等新一代信息技术实现提质增效，以更小的消耗和排放实现相同甚至更高的产出价值，达到节能降耗的目的。通过数字化技术的赋能，不仅能在生产过程中提质增效，而且能在设计、销售等环节打造全生命周期的智能管理，以系统和持续的方法消除生产制造系统中的浪费，实现资源能源的循环利用，最终实现全面的节能降耗。
当然“双碳”目标实现不只需要智能制造，还应在智慧能源这些工业领域发力，智慧农业也对“双碳”战略具有重要的意义和贡献。农作物生长需要大量的二氧化碳，通过数字化技术对农业生产全生命周期的赋能将实现农业降本增效，有助碳中和，甚至可以达到零碳排放。将农业物联网技术应用于田间种植，通过对种植过程的精细计算，可以有效节约肥料、农药的投入，促进农业生产节能降耗。还有通过水肥一体化智能灌溉系统结合土壤墒情监测系统、植物传感器和智能气象站，可以监控农作物生长的整体环境，包括光照强度、土壤养分以及空气温湿度，从而决定播种、灌溉、施肥的最佳时间点，从而有效节约资源并提升农作物的产量和质量，最终从智慧农业方面助力“双碳”目标实现。
4.4 城市IOC——实时掌握“双碳”态势
目前，各个城市的智慧城市建设中城市IOC基本已成为标配，通过IOC的建设，可全面展现城市管理、产业经济、民生服务等关键领域的运行状况。未来IOC的建设需要增加“双碳”主题内容(比如碳画像、碳足迹、碳排放预警监测等)，依托智能中枢“双碳”数据的强大支撑，实现对全市“双碳”态势的可视呈现、智能预警、实时分析和协调指挥，打造城市碳排放“一屏观”，还可以基于数字孪生技术，建立可视化碳地图模型，构建排放驱动因素追踪、减排动态模拟推演、能耗告警检测分析等能力，融合物联网、社交媒体、行业数据、消费数据等相关大数据，从而建立起清晰的碳排放监测、管控、分析等体系，便于城市管理者直观掌握城市“双碳”实时状态，支撑科学决策，丰富IOC的强大功能。
5 发展建议及保障措施
在新型智慧城市建设中涉及“双碳”的领域较多，本文主要针对下一步新型智慧城市建设中如何助力“双碳”战略达成，提出以下述建议及保障措施。
(1)在智慧城市顶层设计层面加强对“双碳”内容的规划，结合“双碳”智慧城市整体架构，在智慧城市建设的各个方面都融入“双碳”理念，提高政府、企业、民众对“双碳”战略的认识。加强5G、人工智能、云计算、大数据、区块链等新一代信息技术在“双碳”领域的运用，同时使碳排放的节能技术、绿色能源技术与智慧城市深度结合，强化智慧城市中“双碳”数据资产的积累，发力数字经济与绿色转型，推动疫情后中国经济绿色复苏。
(2)探索智慧城市在“双碳”领域的商业模式。智慧城市建设与“双碳”战略结合需要建立长效运营机制，在发展数字经济的同时大力发展负碳经济;鼓励智慧城市的各个参与方积极地参与到“双碳”战略中来，通过探索成功的商业模式，在智慧城市的建设中助推“双碳”战略目标实现。
(3)加强体制机制方面的创新和保障，确保在智慧城市建设中“双碳”相关目标达成。加强在智慧城市“双碳”领域的技术创新和场景创新，并形成相关标准，把先进的成功经验推广到全国;“双碳”战略是国家战略，关系到国家的核心利益，需要确保“双碳”重要数据的安全，加强信息安全保护工作。
6 结束语
新型智慧城市建设与“碳达峰，碳中和”密切相关，尽管目标实现面临严峻挑战，但这一过程也蕴含巨大机遇。目前，在智慧城市的各个领域都开始重视“双碳”战略的研究和落地实施，相信通过新型智慧城市建设的逐步升级，新一代数字技术的赋能，将助力我国“双碳”战略目标早日达成。
来源：创新研究
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