碳減排背景下的建筑能源規(guī)劃方法

張改景 孫昀燦 張蓓紅

上海市建筑科學研究院

0 引言

建筑能源規(guī)劃是城區(qū)能源供需的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展，從能源需求側(cè)出發(fā)，通過優(yōu)化城區(qū)建筑能源系統(tǒng)的配置和調(diào)整城區(qū)建筑能源結(jié)構(gòu)，達到降低能源消耗、提高能源利用率、滿足城區(qū)能源消耗和CO2排放的總量控制指標的實現(xiàn)手段之一。

2020年國家正式提出力爭2030年前碳達峰、2060年前碳中和的戰(zhàn)略目標，2021年政府工作報告和“十四五”規(guī)劃中均涉及了碳減排的具體行動方案。為使建筑的建設(shè)在規(guī)劃階段就能合理制定節(jié)能減排目標及采用適宜規(guī)劃技術(shù)體系，需要研究制訂系統(tǒng)的建筑能源規(guī)劃技術(shù)方法與流程，指導建筑節(jié)能減排目標的落地。

1 國內(nèi)外能源規(guī)劃發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 能源規(guī)劃發(fā)展進程

20世紀以來，世界各國都在全方位推動能源高效利用及規(guī)劃發(fā)展。1908年，國際區(qū)域能源協(xié)會成立，致力于促進提供可靠的、經(jīng)濟的、高效率的、對環(huán)境有利的、正確的區(qū)域能源方案[1]。1970年，區(qū)域空調(diào)在大阪首次供熱，區(qū)域能源平均供給面積為50萬m2以上，主要應用于辦公建筑和商業(yè)建筑。1978年美國開始提倡小型熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）[2]。我國在建國初期，在北方最先發(fā)展區(qū)域能源供熱系統(tǒng)，近30年來由分散供冷發(fā)展到集中供冷，又逐漸向區(qū)域供冷發(fā)展，尤其是近十年，我國的區(qū)域能源發(fā)展方向漸趨綜合，與此同時，2014年國家層面正式開始推動能源革命。2016年《巴黎協(xié)定》正式生效，在世界范圍內(nèi)發(fā)展高效清潔能源和提高能源效率成為供給側(cè)與需求側(cè)所面臨的主要任務。

1.2 能源規(guī)劃方法

能源規(guī)劃的主要宗旨是為區(qū)域長遠發(fā)展制定能源和溫室氣體目標，確定實現(xiàn)目標的具體措施并編制實施戰(zhàn)略。這需要可靠、一致和可重復的定量方法和管理流程，以此支持以證據(jù)為基礎(chǔ)的社區(qū)能源和排放政策。

以下為成功實現(xiàn)地方能源規(guī)劃轉(zhuǎn)型過程的一般步驟：

第一步，編制能源和排放清單；

第二步，邀請利益相關(guān)方參與，創(chuàng)建遠景，設(shè)立目標；

第三步，評估機會、創(chuàng)建未來情景；

第四步，制定城市能源總體規(guī)劃和居住區(qū)能源規(guī)劃；

第五步，實施政策和項目，監(jiān)測、評價和調(diào)整過程。

社區(qū)能源規(guī)劃是從需求側(cè)出發(fā)，基于用戶需求特征的分析，采用系統(tǒng)的觀點將城區(qū)能源轉(zhuǎn)換、分配及利用作為一個整體進行統(tǒng)籌考慮，以明確城區(qū)能源利用引導和管控的要點以及政策訴求，通過減少需求（減需）、提升效率（提效）以及增加本地可再生能源利用（開源）來促進節(jié)能減排目標的實現(xiàn)。

將社區(qū)內(nèi)多個用能、產(chǎn)能對象綜合考慮，構(gòu)建集中與分布式協(xié)同、可再生能源與化石能源相融合的社區(qū)能源系統(tǒng)，可增加可再生能源利用量，提高需求側(cè)能源利用率[3]，優(yōu)化頂層設(shè)計，完善運營管理。

國內(nèi)外眾多學者開發(fā)出了針對社區(qū)能源系統(tǒng)經(jīng)濟技術(shù)模型包括HOMER、DER-CAM、EAM、MARKAL/TIMES、RETScreen、H2RES等，對模型的開發(fā)機構(gòu)、模型特點、使用者主觀因素對結(jié)果的影響進行了匯總和比較[4]，上述軟件均可以為能源規(guī)劃提供計算工具支撐。

1.3 碳中和背景下的建筑能耗達峰預測

2019年11月，中國建筑節(jié)能協(xié)會能耗專委會于上海發(fā)布了《中國建筑能耗研究報告（2019）》（以下簡稱“報告”），聚焦建筑碳排放達峰分析。報告采用基于年鑒統(tǒng)計的計算方法計算2017年中國及各個省市建筑能耗數(shù)據(jù)，并基于此數(shù)據(jù)，采用排放因子法對2000-2017年全國建筑碳排放和2017年各省市建筑碳排放進行測算。

2000-2012年全國綜合碳排放因子較為穩(wěn)定，2012-2017年全國城鎮(zhèn)建筑碳排放增加1.23億t。2017年，建筑能耗9.47億tce，占全國能源消費比重21.11%；全國建筑總面積643億㎡，城鎮(zhèn)人均居住建筑面積37.2㎡；建筑碳排放20.44億t CO2，占全國能源碳排放19.5%[5]。電力是建筑碳排放的主要來源，占49%，公共建筑碳排放強度遠遠高于全國及其他居建強度水平，約是全國強度水平的2.11倍。2017年全國綜合碳排放因子為2.16 kgCO2/kgce，即平均每消耗1 kgce，釋放2.16 kgCO2。

報告基于宏觀驅(qū)動因素的隨機模擬，充分考慮居民用能需求的增加，確定建筑領(lǐng)域能源消耗與碳排放的總量控制目標及達峰年份。2017年，建筑能耗9.47億tce，占全國能源消費比重21.11%，預測建筑能耗達峰年份2042年，達峰峰值12.18億tce；建筑碳排放20.44億t CO2，占全國能源碳排放的19.5%，預測建筑碳排放達峰年份2039年，達峰峰值24.11億t CO2[5]。

2 建筑能源規(guī)劃目標制定

設(shè)定目標應綜合考慮區(qū)域內(nèi)資源環(huán)境、氣候條件、經(jīng)濟發(fā)展、城市規(guī)劃、生活習慣等諸多因素，兼顧不同建筑類型的功能特點和社區(qū)內(nèi)的人居生活品質(zhì)，遵循提高能源效率、利用可再生能源、終端節(jié)能資源化三大原則[6]，使得設(shè)定的目標具有先進性、準確性、可操作性、可比較性的特點。

建筑能源規(guī)劃目標的制定應包含建筑節(jié)能、可再生能源滲透率、運行階段碳排放核算和智慧能源管控四個方面，規(guī)劃目標具體分為基本目標、提升目標和創(chuàng)新目標三類。

建筑節(jié)能目標以居住建筑能耗綜合值和公共建筑本體節(jié)能率為指標，在滿足《近零能耗建筑技術(shù)標準》GB/T51350-2019中超低能耗建筑的技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，逐步提升近零能耗、零能耗建筑比例。

可再生能源滲透率以10%為目標基準，20%為提升目標，創(chuàng)新目標則要求達到50%。

區(qū)域及建筑運行階段需進行碳排放核算。碳排放量根據(jù)建筑不同類型能源消耗量和不同類型能源的碳排放因子確定（排放系數(shù)法），各類能源的碳排放因子按GBT 51366-2019《建筑碳排放計算標準》附錄A取值。

構(gòu)建區(qū)域能源智慧管控系統(tǒng)，結(jié)合智慧管控手段（用能管控、智慧樓宇、設(shè)備運行優(yōu)化等）合理制定智慧能源管控目標，提升能源利用效率。

3 建筑能源規(guī)劃流程

1）適用范圍與對象

建筑能源規(guī)劃應以區(qū)域建筑為對象，并與相關(guān)法定規(guī)劃及各專項規(guī)劃聯(lián)動，作為專項規(guī)劃與空間控制性詳細規(guī)劃同步完成，并與區(qū)域電力、熱力和燃氣規(guī)劃相協(xié)調(diào)，同時激勵管理部門、投資商、主要用戶共同參與。

2）規(guī)劃前期準備

建筑能源規(guī)劃之前應確定規(guī)劃目標及方法要點等，同時對規(guī)劃方案進行綜合評估。

3）規(guī)劃目標制定

規(guī)劃目標的制定應以強化節(jié)能和擴大可再生能源利用為準則，在不同層級落實分級指標。

4）能源需求預測

規(guī)劃區(qū)的能源需求分析應根據(jù)工程項目的實際情況確定當前已知的建筑設(shè)計參數(shù)，并基于此對目標建筑所屬類型的典型模型進行參數(shù)調(diào)整，從而獲得描述目標建筑能耗特性的仿真模擬結(jié)果，并進一步確定在所預設(shè)的能耗限額條件下，建筑的空調(diào)負荷、空調(diào)系統(tǒng)運行效率、設(shè)備和照明的功率密度等設(shè)計參數(shù)所需要達到的數(shù)值。

5）資源潛力評估

能源規(guī)劃中應對規(guī)劃區(qū)的各類資源開展?jié)摿υu估，了解區(qū)域內(nèi)可利用的能源基礎(chǔ)設(shè)施信息。

（1）根據(jù)建筑功能和規(guī)劃區(qū)用氣情況，評估常規(guī)能源資源（電、天然氣）潛力。

（2）根據(jù)規(guī)劃區(qū)可再生能源種類及分布情況，開展太陽能、地表水能、污水資源等能源潛力評估與核算。

6）能源系統(tǒng)配置

規(guī)劃區(qū)的系統(tǒng)優(yōu)化配置應根據(jù)系統(tǒng)所服務區(qū)域的用能特征、資源稟賦，能源系統(tǒng)的技術(shù)特點、投資成本等進行綜合評估后，確定適宜的系統(tǒng)形式，提供配置方案參考。

7）智慧能源管控

能源智慧管控系統(tǒng)以現(xiàn)代化信息通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能、儲能等新技術(shù)為依托，充分調(diào)動負荷側(cè)的調(diào)節(jié)響應能力，在建筑能源監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分考慮集中式能源系統(tǒng)、可再生能源、微電網(wǎng)和電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等，形成一個綜合協(xié)調(diào)的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)能源利用效率的提升和碳減排的目標，智能管理整個規(guī)劃區(qū)域運行。

8）規(guī)劃綜合評估

規(guī)劃方案完成后應進行先進性與合理性、節(jié)能性與經(jīng)濟性、環(huán)保性與可靠性等綜合評估。

9）成果清單

建筑能源規(guī)劃成果內(nèi)容包括文本、圖件和附件，其中：

（1）文本宜包括總則（規(guī)劃目的、原則、范圍、期限和依據(jù)）、規(guī)劃指標、需求預測、資源潛力評估、能源系統(tǒng)、智慧管控和綜合評估；

（2）圖件包括圖紙和圖則，其中圖紙宜涵蓋建筑能耗強度圖、可再生能源應用形式引導圖、建筑能源系統(tǒng)應用形式引導圖、能源智慧管控應用系統(tǒng)引導圖等，圖則包括控規(guī)圖則必要信息、能源規(guī)劃指標、技術(shù)方案和實施引導等內(nèi)容；

（3）附件宜包括說明書、基礎(chǔ)資料匯編和必要的研究報告。

4 結(jié)論與展望

理與規(guī)劃方法的剖析，明確了區(qū)域建筑能源規(guī)劃的目的和意義，以碳減排背景下的建筑節(jié)能為目標，依據(jù)國家和行業(yè)標準，詳細闡述了規(guī)劃目標制定方法與原則，并建立建筑能源規(guī)劃指標體系。

以建筑能源高效利用為準則，研究建筑能源規(guī)劃流程，包括規(guī)劃前期準備、規(guī)劃目標制定、能源需求分析、資源潛力評估、能源系統(tǒng)配置、能源智慧管控、規(guī)劃綜合評估和成果清單內(nèi)容幾個方面，研究內(nèi)容可以為我國建筑能源規(guī)劃提供依據(jù)和理論支撐。

由于客觀因素及研發(fā)時間比較短，本研究尚存在區(qū)域建筑能源規(guī)劃目標的制定受政策標準、技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟效益等約束而有所不足，影響因素眾多，需在后續(xù)研發(fā)中進行更準確的影響權(quán)重分析，并需在以后工作過程中繼續(xù)努力深化研究。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，區(qū)域建筑能源規(guī)劃需要綜合的能源規(guī)劃軟件來支撐，是區(qū)域建筑能源規(guī)劃后續(xù)研發(fā)的重要方向之一。