基于LEAP模型的既有城鎮(zhèn)住區(qū)清潔能源替代及二氧化碳排放研究

陳 緯，李 瓊

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

現(xiàn)有城鎮(zhèn)居住區(qū)的清潔能源替代是我國城鎮(zhèn)更新和高質(zhì)量發(fā)展的體現(xiàn)，也是實現(xiàn)國家碳排放目標(biāo)要求。2018年，我國建筑運行能耗總量為10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能耗總量的21.7%。建筑業(yè)的碳排放總量為21.1億噸，占中國能源碳排放總量的21.9%[1]。建筑減排降耗已經(jīng)成為影響能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、實施資源與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵因素[2]。既有城鎮(zhèn)住區(qū)氣候適應(yīng)性較差，缺乏適應(yīng)不同氣候地區(qū)的既有城鎮(zhèn)住區(qū)清潔能源替代技術(shù)體系，既有城鎮(zhèn)住區(qū)清潔能源升級改造技術(shù)研究需要考慮區(qū)域優(yōu)勢清潔能源生產(chǎn)與能源需求的匹配，且滿足“雙碳”目標(biāo)要求。

近年來，不同學(xué)者從不同角度對居住建筑低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)行研究。鄭倩[3]、丁欣之[4]分別為寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)建筑清潔能源改造提供建議。張蕊[5]從改造決策效益最大化角度為夏熱冬冷及夏熱冬暖地區(qū)建筑清潔能源改造提供參考建議。張春煥[6]從性能提升的角度結(jié)合BIM技術(shù)對其進(jìn)行清潔能源提升研究。俞詩言[7]從四個不同層面研究了鄭州地區(qū)既有城鎮(zhèn)住宅清潔能源改造現(xiàn)狀，并提供可行性的綠色改造策略。同時，LEAP模型因為其在能源規(guī)劃研究中的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于研究中。李棟等[8]利用LEAP模型評價了城市居住區(qū)能值并且分析了復(fù)合情景，T.Zhao等[9]利用LEAP模型研究了中國低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景。曹斌等[10]建立了LEAP模型，對廈門市節(jié)能與溫室氣體減排進(jìn)行了潛力分析。賈彥鵬等[11]建立了景德鎮(zhèn)的LEAP模型，研究了城市能源規(guī)劃與CO2減排。目前對于清潔能源替代及二氧化碳達(dá)峰研究應(yīng)用的模型及方法不相同，缺少針對既有城鎮(zhèn)住區(qū)清潔發(fā)電趨勢及碳達(dá)峰目標(biāo)情景條件的預(yù)測和有效的清潔能源替代方案。

LEAP模型因其綜合性、整體性較高等特點，本文則以山東省為例研究既有城鎮(zhèn)住區(qū)清潔能源替代策略，首先分析山東省優(yōu)勢清潔能源，然后建立山東省LEAP模型預(yù)測山東省建筑能耗趨勢，最后結(jié)合我國碳達(dá)峰目標(biāo)研究不同情景下山東省城鎮(zhèn)住區(qū)碳達(dá)峰情況，研究結(jié)果能夠為山東省既有城鎮(zhèn)住區(qū)清潔能源改造提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 LEAP模型

LEAP(Long-range Energy Alternative Planning system)，即長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)模型，是能源系統(tǒng)分析模型中的一種，由瑞典斯德哥爾摩環(huán)境研究所(SEI，Stockholm Environment Institute，)與美國波士頓大學(xué)共同開發(fā)，主要用于國家和城市的中長期能源環(huán)境規(guī)劃，可預(yù)測不同驅(qū)動因素影響下的全社會能源供應(yīng)與需求量,LEAP模型是自下而上的計量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)靈活，可透明輸入等特點，根據(jù)數(shù)據(jù)可得性、分析目的和類型，使用者可靈活構(gòu)造對應(yīng)的數(shù)據(jù)集合[12]。

本次研究建立的山東省LEAP模型分為四個層次：第一層次：總類別，既有城鎮(zhèn)住宅建筑；第二層次：終端用能部門，包括空調(diào)、照明、設(shè)備、電梯、炊事和熱水等，對應(yīng)指標(biāo)為各部門的活動水平；第三層次：用能設(shè)備，按照終端用能的設(shè)備類型劃分，如房間空調(diào)器、普通燈具、節(jié)能燈具、電腦、電熱水器、燃?xì)庠?、天然氣灶等，對?yīng)指標(biāo)為設(shè)備活動水平及能源強(qiáng)度;第四層次：用能類型，用能設(shè)備消耗的能源類型，如電力、天然氣等。對應(yīng)指標(biāo)為能源使用類型、能源比例、能源效率、能源碳排放強(qiáng)度等。

1.2 二氧化碳排放研究

碳排放量基于 IPCC 推薦的碳排放系數(shù)法計算各種能源的碳排放量[13]，具體計算見式。

T(co2)=∑HECj*CDEJ

(1)

式中，T(CO2)為能源消費二氧化碳排放量，萬噸；HECj為第 j 種能源消費量，萬噸；CDEj為第 j 種能源的二氧化碳碳排放系數(shù)。

本文總體研究路線如圖1所示。

圖1 研究路線圖

2 山東省示范區(qū)案例研究

2.1 山東省優(yōu)勢清潔能源概況

山東省作為我國煤炭消耗最多的省份之一，由表1可知，2019年山東省清潔能源發(fā)電占總發(fā)電的10.24%，其中光伏太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電分別占總發(fā)電量的2.83%和3.82%，是山東省清潔能源發(fā)電的主要構(gòu)成部分。從清潔能源發(fā)電增速的角度，2019年清潔能源發(fā)電增長了3.57%，增速較之前有明顯提升。其中，光伏太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定增長，增長率與前3年基本相同，2019年山東省大力發(fā)展核電，核電廠的投入使用使得2019年山東省核能發(fā)電量是2018年的5倍多。

《2021年全省能源工作指導(dǎo)意見》指出，到2021年底，新能源和可再生能源發(fā)電裝機(jī)要達(dá)到5200萬度以上，占電力總裝機(jī)比重達(dá)到32%以上；煤電裝機(jī)控制在1億度左右，占電力總裝機(jī)比重66%左右。2021年，天然氣供應(yīng)量220億m3以上；省外來電1200億度以上；能源基礎(chǔ)設(shè)施投資600億元以上。由于當(dāng)?shù)氐鼐墐?yōu)勢，風(fēng)能、太陽能、海洋能等優(yōu)勢明顯且是當(dāng)前山東省大力發(fā)展的清潔能源種類。

2.2 建筑能耗需求預(yù)測模型構(gòu)建

根據(jù)調(diào)研，參考中國能源統(tǒng)計年鑒2020中山東省的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到了居民建筑能耗數(shù)據(jù)，見表2。

表2 居民建筑能耗數(shù)據(jù)

將表2中居民生活能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用到山東省LEAP模型中，對后續(xù)20年的城鎮(zhèn)居民建筑能耗增長趨勢進(jìn)行預(yù)測，模型中人口增長率和城鎮(zhèn)化率使用預(yù)測值，人均建筑能耗強(qiáng)度保持當(dāng)前水平，預(yù)測在能耗水平不變的情況下，未來20年山東省居民建筑能耗情況，其中，人口增長率的預(yù)測值基于《山東省統(tǒng)計年鑒2019》人口數(shù)據(jù)對山東省人口增長率進(jìn)行Growth預(yù)測得到，設(shè)置未來20年山東省年均人口增長率為0.56%；城鎮(zhèn)化率根據(jù)山東省城鎮(zhèn)化建設(shè)目標(biāo)設(shè)置2040年山東省城鎮(zhèn)化率為73%，最終由山東省LEAP模型得到圖2預(yù)測結(jié)果。

由圖2可知，居民生活能耗隨著居民生活水平及人口呈現(xiàn)逐年增長的趨勢，其中，2040年電力消耗總量為2010年的2.66倍；同時電力在城鎮(zhèn)居住建筑能耗占據(jù)的比例也逐年上升，從2010年的61%上升至2040年的70%，電力已經(jīng)成為并將繼續(xù)是居民建筑所消耗的主要能源。居民生活中實際使用的清潔能源相對較少，從2010年至2040年占據(jù)當(dāng)年總能耗的5%～7%。根據(jù)以上分析，居民直接使用清潔能源的占據(jù)很小的比例，因此清潔能源替代技術(shù)主要應(yīng)用方向主要是發(fā)電燃料的替代，即從化石能源發(fā)電逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵞茉窗l(fā)電。

圖2 后續(xù)20年居民建筑能耗增長趨勢(百萬噸標(biāo)煤)

2.3 二氧化碳排放趨勢

基于上述研究，電力作為未來居民生活用能的主要方式，同時也是清潔能源改造最有效快速的方式，當(dāng)前山東省政府大力發(fā)展清潔電力，以清潔電力為依托的清潔能源替代是山東省實現(xiàn)碳中和的有效方式。結(jié)合2030年碳達(dá)峰目標(biāo)，預(yù)測清潔電力發(fā)電逐年增加比例對山東省城鎮(zhèn)居民建筑碳達(dá)峰的影響，將上述預(yù)測作為基準(zhǔn)情景，設(shè)置不同情景研究二氧化碳排放情況，具體情景設(shè)置見表3。

表3 山東省城鎮(zhèn)居民建筑二氧化碳排放預(yù)測情景設(shè)置

由圖3可以看出，基準(zhǔn)情景下，山東省城鎮(zhèn)居民建筑能耗二氧化碳排放至2040年仍逐年上升，不能滿足2030年碳達(dá)峰目標(biāo)。情景1中，i為0.5%時，全省居民生活能耗二氧化碳排放在2040年前持續(xù)上升，與基準(zhǔn)情景相比，城鎮(zhèn)住區(qū)建筑二氧化碳排放量降低；情景2中i為0.6%時，全省居民生活能耗二氧化碳雖然可以于2035年達(dá)峰，但仍然不能實現(xiàn)2030年前碳排放達(dá)峰的目標(biāo)，情景3中i為1%時可以在2025年前實現(xiàn)全省居民生活能耗碳排放達(dá)峰。而由于城鎮(zhèn)化率的逐年升高，相比較全省居民生活能耗碳排放達(dá)峰，i為1%的情景不能實現(xiàn)城鎮(zhèn)生活能耗碳排放達(dá)峰在2030前達(dá)峰的目標(biāo)，情景4中i為1.5%時可以在2030年左右實現(xiàn)城鎮(zhèn)居民生活能耗碳排放達(dá)峰，情景5中i為2%時可以在2025年前實現(xiàn)居民生活能耗碳排放達(dá)峰。

圖3 不同情景下山東省城鎮(zhèn)居民建筑能耗二氧化碳排放情況

3 結(jié)論

(1) 本文采用LEAP模型對于既有城鎮(zhèn)住區(qū)清潔能源需求和建筑能耗進(jìn)行了預(yù)測。

(2) 由預(yù)測結(jié)果可以看出，清潔能源替代技術(shù)主要應(yīng)用方向是發(fā)電燃料的替代，即從化石能源發(fā)電逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵞茉窗l(fā)電。

(3) 結(jié)合山東省區(qū)域優(yōu)勢清潔能源，得到山東省示范工程清潔能源替代策略，當(dāng)山東省清潔電力發(fā)電逐年增加超過1.5%時，可以在2030年左右實現(xiàn)城鎮(zhèn)居民生活能耗碳排放達(dá)峰。

(4) 本文研究結(jié)果能夠為下一步既有城鎮(zhèn)住區(qū)清潔能源改造的研究和應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。