碳中和目標(biāo)背景下的建筑碳排放計(jì)算模型研究綜述

同濟(jì)大學(xué) 潘毅群 梁育民 朱明亞

1 背景

自20世紀(jì)70年代起，全球氣候變暖問題逐漸引起國際社會的重視。與工業(yè)化前1850—1900年間相比，2006—2015年間的全球平均地表溫度上升了0.87 ℃[1]。世界氣象組織(WMO)發(fā)布的《2020年全球氣候狀況》報告指出：2020年全球平均溫度比前工業(yè)化時期水平約高1.2 ℃，是有記錄以來的3個最暖年份之一[2]。多項(xiàng)研究表明，全球氣候變暖已經(jīng)對生態(tài)系統(tǒng)及人類發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[3-5]。《巴黎協(xié)定》提出，本世紀(jì)全球平均氣溫升幅應(yīng)控制在2 ℃之內(nèi)，并努力將氣溫升幅限制在前工業(yè)化時期水平以上1.5 ℃之內(nèi)[1]。全球氣候變化的最大成因之一是人為溫室氣體的排放[6]。全球碳排放量已從2000年的24.69萬t增加到了2014年的36.14萬t，并且仍在持續(xù)增加[7]。預(yù)測表明，從2007年至2035年，全球石油耗量將增加30%，天然氣和煤炭耗量將增加50%，由此導(dǎo)致的逐年碳排放增量將超過2%[8]。因此，為減緩氣候變化的風(fēng)險，降低二氧化碳的排放量至關(guān)重要。

據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)測算，為實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》中規(guī)定的2 ℃乃至1.5 ℃控溫目標(biāo)，全球必須在2050年達(dá)到二氧化碳凈零排放[9]，即實(shí)現(xiàn)碳中和，每年的二氧化碳排放量可通過植樹造林、節(jié)能減排等方式抵消。目前，全球越來越多的國家和地區(qū)提出了碳中和目標(biāo)[10]。其中，大部分將目標(biāo)時間定在2050年，如歐盟、英國、新西蘭、加拿大、智利、南非等；部分國家計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳中和的時間更早，如烏拉圭為2030年，芬蘭為2035年，冰島和奧地利為2040年，瑞典為2045年；此外，不丹由于人口較少，森林和水電資源豐富，處于負(fù)排放狀態(tài)，計(jì)劃在經(jīng)濟(jì)增長過程中維持碳中和。中國是世界上最大的能源消費(fèi)和溫室氣體排放國。進(jìn)入21世紀(jì)后，中國的碳排放量迅速增長，占全球碳排放量的比例不斷上升。2005年，中國碳排放量的世界占比為18%，到2017年已達(dá)到27.2%[11]。因此，中國在全球節(jié)能減排工作中承擔(dān)著重大任務(wù)，針對中國碳排放的相關(guān)研究對解決世界碳排放問題也有舉足輕重的意義。為應(yīng)對氣候變化，中國政府提出于2030年前后達(dá)到二氧化碳排放量峰值，爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

建筑行業(yè)在應(yīng)對全球氣候變暖問題中有重要作用[12]，建筑能耗約占全球終端總能耗的36%，由此產(chǎn)生的碳排放量約占總碳排放量的40%[13-14]。近年來，由于城市化進(jìn)程的加快和居民能源消費(fèi)需求的增加，建筑碳排放已成為全新的增長領(lǐng)域。自2000年到2017年，中國的建筑碳排放量從6.7億t增加到20.4億t[15]，給國家節(jié)能減排工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。但與此同時，建筑行業(yè)也具有最大的節(jié)能潛力，據(jù)估計(jì)，到2050年，中國建筑行業(yè)將為56%的減碳量作出貢獻(xiàn)[16-17]。因此，中國能否實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的承諾，很大程度上取決于建筑行業(yè)的節(jié)能減排。在碳中和目標(biāo)背景下，各國亟需制定涵蓋建筑能耗及碳排放計(jì)算模型的減碳路線，本文旨在歸納主要的建筑碳排放計(jì)算模型，并探究不同國家建筑節(jié)能減排路線制定中模型的應(yīng)用。

2 碳排放計(jì)算模型的基本方法

根據(jù)計(jì)算思路，可將建立建筑能耗與碳排放模型的基本方法分為自上而下(top-down)方法和自下而上(bottom-up)方法[18]。自上而下方法是先估算總體建筑能耗與碳排放，再進(jìn)行時間和空間的降尺度分析；而自下而上方法是先計(jì)算單個建筑的逐時能耗，再放大到區(qū)域尺度進(jìn)行碳排放計(jì)算。Kavgic等人對2種方法的思路進(jìn)行了對比[18]，如圖1所示。

① AEEI(autonomous energy efficiency improvement)：非政府和市場引導(dǎo)性的自主能效提升，如制冷機(jī)組的COP提升、照明設(shè)備的能效提升等；② 采用其他替代能源時價格因素的影響，如用燃?xì)馓娲姟⒂每稍偕茉刺娲鷤鹘y(tǒng)能源。圖1 自上而下和自下而上方法計(jì)算思路對比[18]

自上而下方法通常是從宏觀層面進(jìn)行分析，旨在擬合國家能源消耗和碳排放數(shù)據(jù)的歷史時間序列，其模型可以分為經(jīng)濟(jì)自上而下模型和技術(shù)自上而下模型。經(jīng)濟(jì)自上而下模型主要基于經(jīng)濟(jì)收入、能源價格和GDP等變量，表征能耗或碳排放與經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系。因此，經(jīng)濟(jì)自上而下模型更強(qiáng)調(diào)宏觀經(jīng)濟(jì)因素的影響，而非物理因素對建筑能耗的影響，往往缺乏技術(shù)細(xì)節(jié)[19]。此外，在面對環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)狀況與歷史可能完全不同的氣候變化問題時，歷史數(shù)據(jù)趨勢也許并不適用。技術(shù)自上而下模型還包括一系列影響能耗和碳排放的其他因素，如飽和效應(yīng)、技術(shù)進(jìn)步和能源結(jié)構(gòu)變化，但并未在模型中明確表示[19]。

而自下而上方法考慮了溫濕度、建筑性能、末端設(shè)備和運(yùn)行特點(diǎn)等細(xì)節(jié)，以具有代表性的典型建筑的能耗為基礎(chǔ)，預(yù)測和模擬區(qū)域、地區(qū)乃至國家尺度的建筑能源需求，進(jìn)而推算碳排放量。自下而上方法模型可分為3種：物理模型、統(tǒng)計(jì)模型和混合模型[20]。物理模型是指搭建各類建筑(辦公樓、商場、賓館、住宅等)的典型建筑模型，模擬得到各類建筑的能耗強(qiáng)度，再根據(jù)每類建筑的面積估算得到區(qū)域建筑的總能耗。采用自下而上方法物理模型可模擬各種節(jié)能減排技術(shù)的效果，為決策者制定能源政策和確定技術(shù)措施提供支持。統(tǒng)計(jì)模型是基于回歸分析方法的模型，由單體建筑能耗推算區(qū)域建筑能耗和碳排放。統(tǒng)計(jì)模型的技術(shù)細(xì)節(jié)和靈活性較差，對節(jié)能措施效果的評價能力有限。

總的來說，自下而上方法基于建筑細(xì)節(jié)層面建模，較自上而下方法更有助于評價各類節(jié)能措施對節(jié)能減排的貢獻(xiàn)，可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)確定實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)的最具成本效益的方案[21]。因此，目前各國應(yīng)用的建筑碳排放模型中，自下而上方法物理模型占比較大。

3 歐美國家碳排放計(jì)算模型

表1匯總了歐美國家主要應(yīng)用的碳排放計(jì)算模型，不同模型采用的核心方法和側(cè)重點(diǎn)不同。各模型要求的輸入?yún)?shù)都分為建筑層面、技術(shù)層面及能源和政策的情景設(shè)定，輸出結(jié)果包括能源需求及相應(yīng)的碳排放量，細(xì)節(jié)上有一定差異，如表2所示。應(yīng)用相關(guān)模型，各國學(xué)者分析了不同國家、不同情景下未來的碳排放趨勢，并提出了相應(yīng)的節(jié)能減排路線，如表3所示。

表1 歐美國家主要應(yīng)用的建筑碳排放計(jì)算模型

3.1 歐洲國家碳排放計(jì)算模型及應(yīng)用

20世紀(jì)，歐洲各國在用電、供熱和交通等方面的能源需求急劇增加，其中約有80%的能源來自化石燃料的燃燒，造成了大量二氧化碳及其他溫室氣體排放[26]。為應(yīng)對日益嚴(yán)重的氣候變暖威脅，歐洲議會和歐盟委員會都提出了溫室氣體減排的目標(biāo)，明確到2030年，溫室氣體排放水平與1990年相比減少40%。展望未來，歐盟委員會在《2050年歐盟能源路線圖》中明確，到2050年，歐盟溫室氣體排放水平與1990年相比應(yīng)減少80%[39]。為指導(dǎo)建筑行業(yè)的節(jié)能減排，歐洲各國學(xué)者提出了多種建筑能耗與碳排放計(jì)算模型，常用的有Invert/EE-Lab、ECCABS、RE-BUILDS和CoreBee模型。

Invert/EE-Lab是動態(tài)自下而上模型，用于模擬整個地區(qū)或國家的建筑供熱、供冷和熱水需求，并評價不同的激勵制度和能源價格情景對未來能源結(jié)構(gòu)、碳排放量及可再生能源使用占比的影響[22]。Invert/EE-Lab模型的邏輯框架如圖2所示，其算法核心是短期成本導(dǎo)向的Logit方法，可在信息不完全條件下進(jìn)行目標(biāo)尋優(yōu)，從而代表決策者做出與建筑相關(guān)的決策[23]。通過自下而上方法，Invert/EE-Lab模型可在高度細(xì)化的水平上模擬建筑的供熱、供冷和熱水系統(tǒng)，計(jì)算出相關(guān)的負(fù)荷與能耗；模型基于威布爾分布確定建筑翻新周期，從而預(yù)測建筑存量的變化；此外，Invert/EE-Lab模型也考慮了一定的自上而下因素，例如能源價格、用戶偏好及政策制度的影響[24]。Invert/EE-Lab模型在歐洲各國應(yīng)用較為廣泛，Kranzl等人利用該模型對歐盟主要國家的減排方案作了政策驅(qū)動的情景分析，結(jié)果表明，歐盟提出的幾個“雄心”方案到2050年可實(shí)現(xiàn)減排56%～96%，其中只有27%的方案能實(shí)現(xiàn)85%以上的減排量[25]。

表2 各模型主要輸入與輸出匯總

表3 歐美各國碳中和目標(biāo)及減碳路線

注：t為計(jì)算時間(年份)；下標(biāo)0、1、2、…代表不同年份。圖2 Invert/EE-Lab模型邏輯框架[22]

ECCABS是自下而上模型[27]，該模型可用于評價建筑節(jié)能減排措施的效果。ECCABS模型基于逐時熱平衡方法計(jì)算典型建筑的凈能耗，通過權(quán)重系數(shù)疊加得到區(qū)域尺度上的建筑能耗。在計(jì)算區(qū)域建筑能耗的基礎(chǔ)上，該模型可分析不同節(jié)能措施下不同的改造成本和能源價格情景對應(yīng)的碳排放量。ECCABS模型已經(jīng)在歐洲國家廣泛應(yīng)用[26]。Arababadi采用ECCABS模型計(jì)算了英國252棟建筑的能耗，與英國能源和氣候變化部(DECC)提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，居住建筑和非居住建筑的年能耗誤差分別為2.6%與-3.2%[28]。影響模型精度的主要原因之一是輸入?yún)?shù)的缺失，因此，判斷關(guān)鍵參數(shù)以減少模型所需的輸入?yún)?shù)十分重要。Arababadi等人采用敏感性分析和回歸分析法對ECCABS模型使用中的輸入?yún)?shù)作了敏感性排序，其中室內(nèi)溫度的敏感性最高，室內(nèi)溫度每升高1%，建筑能耗將增加1.63%，建筑外表面積和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性能次之。此外，設(shè)備效率等參數(shù)會對能耗產(chǎn)生負(fù)影響，如鍋爐效率每提高1%，建筑能耗會降低約0.6%，這也對建筑節(jié)能措施的選擇提供了參考[29]。但是，ECCABS模型不能解決建筑建造、運(yùn)維和拆除全壽命周期碳排放計(jì)算[27]，相關(guān)的研究仍在繼續(xù)。

RE-BUILDS是基于動態(tài)物質(zhì)流分析法的混合模型[30]。該模型主要的驅(qū)動是人口變化對居住建筑和商業(yè)建筑面積需求的影響。RE-BUILDS模型通過概率函數(shù)對既有建筑的拆除時間和翻新周期進(jìn)行預(yù)測，并按建筑類型、建造時間和改造情況劃分不同的典型建筑。根據(jù)典型建筑的能耗強(qiáng)度、能源結(jié)構(gòu)和所在地的可再生能源使用情況，模型可計(jì)算城區(qū)建筑的總能耗及各能源的使用占比。在此基礎(chǔ)上，模型引入各能源形式的碳排放因子以計(jì)算總碳排放量。RE-BUILDS模型最早由Sartori等人提出并用于對挪威居住建筑進(jìn)行分析，指出目前挪威居住建筑的翻新率將從2010年的約1.0%提高至2050年的1.8%，而若要在2050年實(shí)現(xiàn)歐盟碳排放目標(biāo)，翻新率需要在2050年達(dá)到2.3%～3.0%，意味著挪威居住建筑的翻新周期仍需縮短[31]。Sandberg等人在歐洲11個國家的居住建筑上應(yīng)用該模型，較好地模擬了從1900年到2050年居住建筑的占比及翻新率的長期變化[32]。RE-BUILDS模型早期只能用于模擬居住建筑，Sandberg等人開發(fā)了RE-BUILDS 2.0模型，可同時模擬居住建筑和非居住建筑，引入零碳建筑和零碳技術(shù)，對未來不同情景下挪威建筑的節(jié)能改造和新建進(jìn)行分析，指出零碳建筑政策的制定和實(shí)施將為2050年的節(jié)能和減碳目標(biāo)提供巨大潛力[33]。

CoreBee是自下而上模型，基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)計(jì)算參考建筑的供暖和制冷能耗，目前主要適用于歐盟建筑[35]。該模型根據(jù)建筑類型、建造時間、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能及空調(diào)系統(tǒng)劃分典型建筑，而后為每個典型建筑確定成本最優(yōu)的節(jié)能減排方案(包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造、建筑節(jié)能技術(shù)應(yīng)用和可再生能源利用等)。由于使用自下而上物理方法，CoreBee模型可應(yīng)用于單體建筑、社區(qū)和國家不同尺度建筑的一次能源消耗和碳排放分析。Filippidou等人基于成本效益分析的原理建立了CoreBee模型，并將其應(yīng)用于德國和希臘的建筑分析，提出了針對國家和地區(qū)的節(jié)能減排措施，探討了現(xiàn)在和未來能源結(jié)構(gòu)變化對建筑冷熱供給及碳排放強(qiáng)度的影響[35]。

已有大量研究應(yīng)用上述模型對歐洲不同國家的建筑碳排放進(jìn)行情景分析并給出了合理的減排建議。Kranzl等人應(yīng)用Invert/EE-Lab模型對奧地利、立陶宛和英國的建筑供熱用能進(jìn)行了分析[23]。奧地利是歐洲中部可再生能源使用占比相對較高的國家，研究表明，政府補(bǔ)貼形式引導(dǎo)下的熱泵系統(tǒng)應(yīng)用及生物質(zhì)能普及是奧地利未來主要的減碳路線，可使建筑供熱方面的碳排放在2030年和2050年分別較2012年減少約30%和65%[23,25]。立陶宛目前主要采用區(qū)域供熱系統(tǒng)和生物質(zhì)能進(jìn)行建筑供熱。由于其應(yīng)用相對廣泛，在立陶宛的減碳路線中，這2項(xiàng)技術(shù)仍占主導(dǎo)地位，穩(wěn)定發(fā)展區(qū)域供熱技術(shù)和生物質(zhì)能將使立陶宛2030年和2050年的碳排放分別較2012年減少約40%和68%[25]。與奧地利不同，模擬結(jié)果顯示，由于用戶已經(jīng)形成使用生物質(zhì)能的偏好，因此直接制定政策的方式相較補(bǔ)貼激勵更適合于立陶宛的生物質(zhì)能推廣[23]。英國主要使用天然氣進(jìn)行分散式供暖，可再生能源占比較低，實(shí)現(xiàn)以生物質(zhì)能、太陽能取代天然氣的可再生能源供熱激勵政策是適合英國的主要減碳路線[23]。

ECCABS模型的應(yīng)用以瑞典為案例，通過應(yīng)用一系列的建筑節(jié)能減排措施(包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造、排風(fēng)熱回收、照明等用電設(shè)備節(jié)能升級、采用更高能效的供熱及輸送設(shè)備、降低冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度等)，可將瑞典建筑領(lǐng)域的年能耗降低55%，相應(yīng)碳排放量降低63%[27]。

Filippidou等人采用CoreBee模型對德國和希臘的建筑能耗和碳排放進(jìn)行了預(yù)測[35]。研究表明，對于德國和希臘的居住建筑，熱泵技術(shù)均是成本最優(yōu)的節(jié)能措施，將燃?xì)忮仩t替換為熱泵可同時實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排。在供熱技術(shù)升級這一路線下，2030年德國的碳排放將較仍采用鍋爐情景下減少45%，到2050年將減少89%；希臘采用熱泵供熱，相較傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t，碳減排量在2030年將達(dá)到約55%，在2050年將達(dá)到88%[35,40]。

RE-BUILDS模型的應(yīng)用主要集中在挪威，Sandberg等人研究的各情景下，廣泛使用熱泵和光伏發(fā)電技術(shù)將使2030年挪威居住建筑能耗與2016年相比降低約21%，到2050年將降低約47%[34]。

3.2 美洲國家碳排放計(jì)算模型及應(yīng)用

北美洲國家的典型代表為美國。美國作為全球碳排放大國，為緩解氣候變暖的風(fēng)險，必須大量降低二氧化碳排放[1,41]。《美國2050年深度脫碳戰(zhàn)略》制定了到2050年美國將溫室氣體排放量在2005年的基礎(chǔ)上減少80%的基本路線[42]。一方面，美國地方氣候呈現(xiàn)出高度多樣性；另一方面，美國有超過3.25億的人口且數(shù)量仍在持續(xù)增長[43-44]。這都增加了建筑能耗預(yù)測模型的復(fù)雜性，但同時也為減少碳排放創(chuàng)造了潛力。

Scout是用于美國住宅和商業(yè)建筑的自下而上模型，用以評估各類節(jié)能措施(energy conservation measure, ECM)對建筑能耗和碳排放的影響[36]。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室最早開發(fā)了Scout模型，模型框架如圖3所示。對于節(jié)能措施，Scout模型考慮其相對或絕對能效、投資成本、服務(wù)壽命和市場化程度的概率分布。對于建筑模型，Scout采用美國能源信息管理局(EIA)在年度能源展望中的定義，根據(jù)建造年份、氣象參數(shù)、建筑類型、建筑用途及用能類型劃分典型建筑，并通過EnergyPlus進(jìn)行典型建筑的能耗模擬，從而計(jì)算節(jié)能措施的效果。

圖3 美國Scout模型框架[36]

Langevin等人采用Scout模型探究了美國建筑行業(yè)到2050年的減碳潛力，結(jié)果表明，在積極采取建筑節(jié)能措施、推進(jìn)建筑技術(shù)電氣化及提高可再生能源使用占比的情況下，與2005年水平相比，到2050年，美國可以減少72%～78%的二氧化碳排放，僅略低于戰(zhàn)略目標(biāo)所定的80%[36]。從技術(shù)層面講，電力供應(yīng)脫碳化對美國建筑減排貢獻(xiàn)巨大。其中，大部分減排量來自于居住建筑，熱泵技術(shù)的使用、建筑控制系統(tǒng)的升級及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能提高和氣密性增強(qiáng)均可產(chǎn)生積極作用。

在南美洲，為獲取政治上更高的支持率，巴西政府要求土地所有者增加森林砍伐，這很大程度上增加了巴西為《巴黎協(xié)定》目標(biāo)作出貢獻(xiàn)的難度[37]。森林砍伐加劇給其他行業(yè)的減排工作帶來了巨大負(fù)擔(dān)，甚至需要利用尚未成熟的技術(shù)以補(bǔ)償土地過度開發(fā)造成的額外碳排放。目前，較少有模型能綜合評價農(nóng)業(yè)、林業(yè)及土地利用對建筑等方面碳排放的影響。在此背景下，巴西學(xué)者開發(fā)了BULES模型[37]，用以評估巴西其他行業(yè)為彌補(bǔ)環(huán)境治理不足而在減排方面所需付出的努力。在此框架下，厄瓜多爾學(xué)者開發(fā)了ELENA模型[38]以分析厄瓜多爾的土地利用與能源系統(tǒng)對二氧化碳減排的影響。

BLUES是利用國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)信息平臺開發(fā)的一個混合整數(shù)線性優(yōu)化模型[37]。該模型可以在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境變量的限制下判斷給定時間內(nèi)整個能源系統(tǒng)(包括發(fā)電、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、運(yùn)輸和建筑物)成本最低的配置方案。BLUES模型可以對人口增長和GDP等變量進(jìn)行彈性響應(yīng)，也可以對能源價格進(jìn)行響應(yīng)，計(jì)算包括農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和工業(yè)在內(nèi)的與土地利用、燃料燃燒和廢物處理有關(guān)的CO2、CH4和N2O等溫室氣體排放量。

研究表明，為控制全球溫升在2 ℃以內(nèi)，巴西需控制2010—2050年間的累計(jì)碳排放量小于24.0 Gt[45]。Rochedo等人利用BLUES模型對巴西環(huán)境保護(hù)政策進(jìn)行情景分析得出，在巴西政府現(xiàn)行的政策下，2010—2050年間僅因森林砍伐產(chǎn)生的碳排放將達(dá)到23.1 Gt，意味著即便其他領(lǐng)域引入尚未成熟的節(jié)能技術(shù)也無法實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。而加強(qiáng)環(huán)保政策，為保護(hù)森林建立激勵政策的情景下，可以將森林砍伐產(chǎn)生的碳排放控制在9.6 Gt，其他行業(yè)有14.4 Gt的碳排放空間，為減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了可能[37]。具體到建筑行業(yè)，在能源效率和建筑技術(shù)電氣化水平提高的情景下，到2050年，建筑終端能耗和碳排放量與現(xiàn)行政策不變相比將分別減少17 TW·h(5%)和10 Mt CO2(42%)[46]，其中82%的減排量來自居住建筑，這一過程需要通過大量實(shí)施住宅節(jié)能技術(shù)，并從傳統(tǒng)燃料向天然氣和液化石油氣等能源轉(zhuǎn)型來實(shí)現(xiàn)。

ELENA模型是厄瓜多爾第一個綜合評估模型，由Villamar等人在BLUES模型的框架上建立[38]。ELENA模型的邏輯框架如圖4所示，其考慮了6個能耗部門(交通、建筑、商業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他)的可再生能源和電力需求，模擬從一次能源到用能側(cè)的整個能量轉(zhuǎn)換鏈，是一種部分均衡綜合優(yōu)化模型。ELENA模型可預(yù)測未來能源結(jié)構(gòu)、土地利用的變化及溫室氣體排放的趨勢。對于居住建筑，ELENA模型采用自下而上方法，同時考慮人口、住宅規(guī)模及消費(fèi)情況變化，對現(xiàn)有和新建住宅的供冷、供熱及用電設(shè)備的能效進(jìn)行評估。

圖4 ELENA模型邏輯框架[38]

Villamar等人應(yīng)用該模型對厄瓜多爾2050年的減碳路線進(jìn)行了評估，指出為了實(shí)現(xiàn)深度脫碳，政府有必要支持生物質(zhì)能的使用并開始重新造林[38]。為了實(shí)現(xiàn)比前工業(yè)化時期水平全球溫升小于2 ℃乃至1.5 ℃的目標(biāo)，厄瓜多爾需實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多樣化，在交通、建筑和工業(yè)部門提高低碳技術(shù)應(yīng)用和終端用能電氣化的水平。在此情景下，2050年厄瓜多爾的碳排放水平與2015年相比將降低65%～82%，屆時可再生能源占比將達(dá)到近95%。對于居住建筑脫碳，建筑設(shè)備的電氣化水平和能效提高將是可行的途徑。此外，水力發(fā)電是南美洲最重要的可再生電力來源，占總發(fā)電量的比例近65%[47]。然而，在氣候變化的背景下，水力發(fā)電的可用性有很大的不確定性[48]。對于厄瓜多爾，以擴(kuò)大水力發(fā)電規(guī)模為主，增加天然氣、生物質(zhì)能和地?zé)崮艿氖褂脼檩o是有效應(yīng)對氣候變化的減碳路線，預(yù)測表明，2050年厄瓜多爾能源結(jié)構(gòu)中，水電與生物質(zhì)能將分別占30%和20%[49]。

4 中國建筑碳排放計(jì)算模型研究

由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國已成為全球碳排放量最大的國家[50]。中國一次能源耗量的年均增速為5.6%，是1978—2015年世界同期平均速度的2.9倍[51]，因此中國的節(jié)能減排工作面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。除工業(yè)和交通業(yè)外，建筑業(yè)是中國三大能源消費(fèi)領(lǐng)域之一，也是重要的碳排放來源。在此背景下，中國政府已開展了諸多建筑節(jié)能工作，包括對新建建筑實(shí)施節(jié)能規(guī)范，對既有建筑進(jìn)行節(jié)能改造，以及在建筑中推廣可再生能源應(yīng)用等。為實(shí)現(xiàn)中國“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，中國建筑的碳排放預(yù)測是制定中國建筑碳排放總量控制和減碳行動路線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[52]。

4.1 中國建筑碳排放達(dá)峰預(yù)測

針對中國的建筑碳排放相關(guān)研究中，Zhou等人采用LBNL中國終端能源模型，就節(jié)能政策分別設(shè)定持續(xù)改進(jìn)情景(continued improvement scenario, CIS)和加速改進(jìn)情景(accelerated improvement scenario, AIS)來評估中國控制能源需求增長和減少二氧化碳排放的潛力[16]。LBNL中國終端能源模型包括能源需求和供應(yīng)兩方面的模塊，考慮活動因素(人口增長、城市化、建筑和交通工具存量、商品生產(chǎn)等)、經(jīng)濟(jì)因素(GDP、國民收入)及能耗強(qiáng)度(耗能設(shè)備的能效等)對終端能耗和碳排放的影響。從模擬結(jié)果來看，中國一次能源需求仍將持續(xù)增長，到2030年前后達(dá)到峰值，相應(yīng)碳排放量將分別于2033年達(dá)到峰值約120億t(CIS)和于2027年達(dá)到峰值約97億t(AIS)。隨著加速改進(jìn)情景(AIS)下節(jié)能政策的實(shí)施和電力脫碳，相比2005年，中國可在2050年將碳排放強(qiáng)度減少88%，其中對減碳貢獻(xiàn)最大的是建筑行業(yè)，特別是商業(yè)建筑。

在此基礎(chǔ)上，Zhou等人展開進(jìn)一步研究，采用美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的DREAM模型對中國建筑的能源需求和碳排放進(jìn)行情景分析[17]。DREAM模型采用自下而上方法，通過LEAP(long-range energy alternatives planning)軟件平臺實(shí)現(xiàn)能耗和排放的分析。該模型涵蓋了中國的5個能源需求部門(居住建筑、商業(yè)建筑、工業(yè)、運(yùn)輸和農(nóng)業(yè))和1個能源轉(zhuǎn)換模塊(考慮能源的生產(chǎn)、傳輸和分布)，建筑模塊通過預(yù)測建筑存量的變化，反映中國到2050年的城市化路徑。DREAM模型允許通過情景分析對比不同的節(jié)能減排政策和措施，Zhou等人就中國建筑設(shè)定了從“高能源需求、現(xiàn)有節(jié)能政策(HI)”到“低能源需求、高效節(jié)能措施和強(qiáng)力政策(TEP)”的4個逐級強(qiáng)化的情景[17]。分析表明，最積極的情景(TEP)下，中國建筑碳排放將于2030年達(dá)峰，而最消極的情景(HI)下，中國建筑碳排放達(dá)峰會推遲到2045年。相應(yīng)地，到2050年，積極的節(jié)能減排政策將使中國建筑碳排放量較消極情景降低約77%。這意味著，廣泛部署建筑節(jié)能技術(shù)的同時，也需要配套強(qiáng)力政策來克服實(shí)施中可能遇到的障礙。

近年來，中國城市化進(jìn)程的加速使得城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，帶來了人口、土地利用和經(jīng)濟(jì)活動的大量集中。這也使得城市住宅和商業(yè)建筑的能源需求持續(xù)增加，城市化已成為影響中國建筑碳排放的重要因素。而中國城市化的進(jìn)程具體將如何影響建筑碳排放達(dá)峰，已有學(xué)者對此展開了研究[15,50,53]。Huo等人應(yīng)用STIRPAT模型，依據(jù)中國2000—2015年30個省份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從人口、經(jīng)濟(jì)和空間3個角度出發(fā)，建立了一個全面的城市化碳排放框架。研究表明，城市人口和建筑用地的增加將導(dǎo)致城市建筑碳排放的增長，但經(jīng)濟(jì)方面，第三產(chǎn)業(yè)的增值將對城市建筑減排帶來積極作用[50]。進(jìn)一步的研究中，Huo等人結(jié)合擴(kuò)展的Kaya恒等式和蒙特卡羅模擬方法，構(gòu)建了動態(tài)情景模擬模型，以研究2000—2050年中國建筑碳排放的變化軌跡。動態(tài)情景模擬顯示，中國建筑CO2排放將在2037年達(dá)到峰值30.9億t。具體地，城市居住建筑將在2040年達(dá)到峰值12.7億t，農(nóng)村居住建筑將在2021年達(dá)到峰值5.1億t，商業(yè)建筑將在2038年達(dá)到峰值14.1億t[15]。敏感性分析表明，城鄉(xiāng)遷移帶來的經(jīng)濟(jì)城市化和空間城市化會對中國建筑碳排放的峰值和達(dá)峰時間產(chǎn)生促進(jìn)作用，在此基礎(chǔ)上，Huo等人為中國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)提出了以下建議：1) 從經(jīng)濟(jì)城市化的角度，需要優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)第三產(chǎn)業(yè)的低碳發(fā)展，使建筑碳排放與經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)系脫鉤；2) 從空間城市化的角度，建議加快由粗放型城市建設(shè)模式向集約型城市建設(shè)模式的轉(zhuǎn)變，控制城市人均建筑面積，保證房地產(chǎn)市場的健康發(fā)展；3) 從人口城市化的角度，合理有序地促進(jìn)城市化健康發(fā)展，對于控制城市居住建筑碳排放峰值，實(shí)現(xiàn)中國整個建筑行業(yè)的減排目標(biāo)具有重要意義[15]。

4.2 中國建筑碳排放總量控制路徑

為探究中國建筑碳排放總量的控制路徑，Yang等人從中國的總體減排目標(biāo)出發(fā)，建立了中國建筑碳排放模型(China building carbon emission model，CBCEM)[52]。該模型采用自下而上的方法，結(jié)合情景分析對中國建筑行業(yè)未來的碳排放趨勢進(jìn)行預(yù)測。CBCEM模型以聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)所提出的碳排放計(jì)算公式(排放量=活動水平×活動因子)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了如圖5所示的計(jì)算方法。其中，建筑面積的計(jì)算分3個層次：1) 按建筑壽命周期分為新建、保有和拆除建筑；2) 按建筑類型分為公共建筑、城鎮(zhèn)住宅及農(nóng)村住宅；3) 按所在地區(qū)分為北方、夏熱冬冷及南方地區(qū)。建筑碳排放強(qiáng)度的計(jì)算分3個方面：保有建筑運(yùn)行碳排放、新建建筑碳排放、建筑拆除及回收碳排放。

圖5 CBCEM計(jì)算方法

單位建筑面積能耗的計(jì)算引自相關(guān)研究[54]中對2020—2050年中國一次能源耗量(標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量)的預(yù)測結(jié)果。歷史數(shù)據(jù)表明，我國建筑能耗占比相對穩(wěn)定在20%～25%，為確保經(jīng)濟(jì)繁榮和可持續(xù)發(fā)展，建筑能耗占總能耗的比例必須控制在25%[55]以下。因此，將2020—2050年的總能耗中，建筑行業(yè)的上限占比定為25%。

碳排放因子的計(jì)算與能源結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。Yang等人依據(jù)歷史數(shù)據(jù)，對中國2020—2050年能源結(jié)構(gòu)的變化趨勢作了預(yù)測[52]，結(jié)果如圖6所示。非化石燃料的占比將逐年上升，到2050年，煤炭占比45%，非化石燃料占比36%，天然氣和石油分別占11%和8%。在此基礎(chǔ)上，假定如表4所示的3種情景，分別計(jì)算碳排放因子，結(jié)果如表5所示。

圖6 中國能源結(jié)構(gòu)變化趨勢預(yù)測[52]

表4 能源結(jié)構(gòu)情景設(shè)定[52]

表5 中國建筑碳排放總量控制路線[52]

結(jié)合建筑面積的預(yù)測，計(jì)算得到3種情景下2020—2050年間中國建筑碳排放總量變化，如圖7所示。預(yù)測結(jié)果表明：情景Ⅰ下中國建筑碳排放將持續(xù)增加；情景Ⅱ和情景Ⅲ下，建筑碳排放分別將在2040年和2030年達(dá)到峰值；只有在情景Ⅲ下，建筑行業(yè)才會對中國“2030碳達(dá)峰”目標(biāo)作出積極貢獻(xiàn)。因此，確定以情景Ⅲ的結(jié)果作為中國建筑碳排放總量控制目標(biāo)，相應(yīng)的CO2排放量為2020年23.4億t，2030年25.3億t，2040年24.9億t，2050年24.2億t。

圖7 各情景下中國建筑碳排放總量[52]

應(yīng)用CBCEM模型探究中國建筑碳排放總量控制路徑的過程表明，建筑面積、建筑能耗及能源結(jié)構(gòu)均會對建筑碳排放產(chǎn)生顯著影響。因此，從這3個方面考慮，Yang等人提出了如圖8所示[52]的中國建筑減碳行動路線：1) 按地區(qū)協(xié)同控制建筑面積和建筑能耗；2) 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)化石能源向清潔能源轉(zhuǎn)型；3) 實(shí)施更嚴(yán)格的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以降低建筑能耗；4) 為建筑節(jié)能減排指定配套法規(guī)和激勵措施，助力中國實(shí)現(xiàn)“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)。

圖8 中國建筑減碳行動路線

5 結(jié)論

1) 建立建筑能耗與碳排放模型的基本方法分為自上而下(top-down)方法和自下而上(bottom-up)方法。自下而上方法基于建筑細(xì)節(jié)層面建模，較自上而下方法更有助于評價各類措施對建筑節(jié)能減排的貢獻(xiàn)。因此，目前采用自下而上方法的建筑碳排放計(jì)算模型較多。

2) 歐洲國家主要應(yīng)用的建筑碳排放計(jì)算模型有Invert/EE-Lab、ECCABS、RE-BUILDS和CoreBee模型。對于歐洲國家，熱泵技術(shù)供熱是最主要的減排措施，同時應(yīng)積極推進(jìn)以生物質(zhì)能和太陽能為主的可再生能源普及。

3) 美國建筑碳排放計(jì)算采用Scout模型。積極采取建筑節(jié)能措施、提高可再生能源使用率以實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)脫碳將助力美國到2050年碳減排約72%～78%。南美洲國家以巴西和厄瓜多爾為例，分別采用BLUES和ELENA模型進(jìn)行碳排放計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)，南美洲國家需實(shí)施強(qiáng)力的造林、護(hù)林政策，并豐富能源結(jié)構(gòu)，在水力發(fā)電基礎(chǔ)上增加生物質(zhì)能和地?zé)崮艿氖褂谩?/p>

4) 在積極的減排政策下，中國建筑碳排放可于2030年前后達(dá)到峰值。CBCEM模型被用于探究中國建筑碳排放總量控制路徑，并相應(yīng)給出減碳路線。城市化進(jìn)程加速影響下，中國需要協(xié)同控制建筑面積和建筑能耗，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)。

5) 目前的建筑碳排放計(jì)算模型大多著眼于對建筑能耗的分析，但建筑碳排放還應(yīng)更全面地囊括從建材準(zhǔn)備和運(yùn)輸、建筑施工、建筑運(yùn)行和維護(hù)到建筑拆毀和回收全壽命周期的所有過程碳排放。此外，導(dǎo)致全球氣候變暖的溫室氣體不只有二氧化碳，甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等氣體也同樣會產(chǎn)生溫室效應(yīng)，如何準(zhǔn)確進(jìn)行建筑詳盡溫室氣體排放的全壽命周期分析是現(xiàn)有模型進(jìn)一步研究的方向。就中國建筑碳排放預(yù)測研究而言，采用歷史能耗和碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法較多，但均不能很好地描述具體節(jié)能措施在建筑中的應(yīng)用，因此需要在現(xiàn)有的中國建筑碳排放模型基礎(chǔ)上，引入針對節(jié)能技術(shù)的分項(xiàng)碳排放測算工作。