雙碳背景下建筑碳排放動態(tài)基準(zhǔn)線研究

鄭立紅 周志華 郭而郛 王辰冬 羅丹吳

（1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300354；2.天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司 天津 300467）

0 引言

眾所周知，當(dāng)前能源消耗持續(xù)增長，能源危機問題明顯，節(jié)能減排形式嚴(yán)峻，作為世界上最大的能源消費國，中國提高能源效率的努力對全球能源和氣候格局至關(guān)重要。2018年，僅中國就占全球能源消耗的22%，燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放總量的29%[1]。據(jù)國際能源署統(tǒng)計，在社會碳排放中，建筑終端能源消耗量占比為36%且碳排放占比為39%[2]，而運行階段建筑碳排放占全生命周期的比例為70%-80%[3]。建筑運行階段存在能耗高、效率低、污染強的問題，故建筑節(jié)能減排是實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。中國特色社會主義進(jìn)入新時代，我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。隨著我國國際地位的不斷提高，經(jīng)濟增長速度保持穩(wěn)定向前，人民不僅僅滿足于溫飽問題，更多的是追求美好生活的品質(zhì)，故應(yīng)設(shè)立合理并行之有效的能耗基準(zhǔn)線，控制建筑能耗總體碳排放，進(jìn)而實現(xiàn)“30·60”目標(biāo)。

國內(nèi)外關(guān)于基準(zhǔn)線的研究較多，在碳排放研究方面，張孝存[4]采用混合法構(gòu)建了單體建筑全生命周期碳排放的量化體系，并采用基于數(shù)據(jù)質(zhì)量評價的半?yún)?shù)化概率分析，對碳排放量化的不確定性進(jìn)行了研究。楊斯慧[5]我國公共建筑碳交易現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，分析了我國公共建筑碳交易過程中碳排放責(zé)任劃分、碳配額分配方面存在的問題，對碳排放配額分配方法提出了調(diào)整思路。孫穎[6]在分析碳配額分配影響因素的基礎(chǔ)上，對比分析不同的配額分配方法，選擇熵權(quán)法和基準(zhǔn)法構(gòu)建了一套系統(tǒng)的公共建筑碳排放配額初始分配體系。在能耗基準(zhǔn)線研究方面，朱能[7]等對統(tǒng)計學(xué)方法、線性回歸法、四分位法、概率分布法進(jìn)行了對比，確定能耗基準(zhǔn)線并進(jìn)行了校園案例研究。李月寒[8]等人則結(jié)合上海市公共建筑實際運行數(shù)據(jù)對基準(zhǔn)線進(jìn)行了動態(tài)調(diào)整，使其更加適應(yīng)碳交易體系，張慈枝[9]基于監(jiān)測平臺的實測數(shù)據(jù)樣本，運用統(tǒng)計分析方法，制定教學(xué)樓、學(xué)院、學(xué)生宿舍等各類型教育建筑的能耗定額，建立教育建筑能耗評價，為推動公共建筑實行量化管理及節(jié)能改造提供參考依據(jù)。

從以上分析可以看出，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多偏向于對能耗基準(zhǔn)線的研究，而針對能耗設(shè)定值與碳排放指標(biāo)相結(jié)合的研究內(nèi)容較少，由此，本文根據(jù)寒冷地區(qū)某區(qū)域?qū)嶋H能源消耗數(shù)據(jù)確定了不同情景動態(tài)碳排放基準(zhǔn)線，以此作為城市能源規(guī)劃和運行管理的依據(jù)。

1 技術(shù)路線

采用建筑行業(yè)碳排放總量和碳排放強度雙控措施，首先根據(jù)實際能源水平制定不同建筑類型、不同能源類型的碳排放基準(zhǔn)線，采用不同情景分析基準(zhǔn)線是否滿足達(dá)峰要求，最后結(jié)合國家和地方政策制定達(dá)峰情景下的基準(zhǔn)線和實施方案，如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 technical roadmap

2 研究方法

2.1 指標(biāo)選擇

我國建筑能耗基準(zhǔn)線的研究和應(yīng)用包括兩類，第一，基于基準(zhǔn)模型的能耗基準(zhǔn)線，第二就是基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的能耗基準(zhǔn)線[10]，后者更側(cè)重于建筑的實際能耗水平。本文借鑒能耗基準(zhǔn)線的制定方法，統(tǒng)計各類型民用建筑實際碳排放數(shù)據(jù)，根據(jù)算術(shù)平均法、四分位法、線性回歸法、概率分布法等統(tǒng)計學(xué)方法確定該行業(yè)的動態(tài)基準(zhǔn)線。常用的基準(zhǔn)單位有單位面積碳排放強度、單位人口碳排放強度以及單位產(chǎn)值碳排放強度[11]，對于建筑行業(yè)，更適合采用單位面積碳排放強度。

2.2 影響因素分析

建筑碳排放具有多樣性、周期性與復(fù)雜性的特點，因此影響因素考慮越全面，分類越詳細(xì)，基準(zhǔn)線設(shè)定將越精準(zhǔn)。將影響建筑碳排放的主要影響因素進(jìn)行劃分如下：

（1）建筑類型。建筑功能是影響公共建筑的重要因素，其運營方式各有特點，各項節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定、能耗監(jiān)測要求和審計工作的開展也經(jīng)常按照建筑類型進(jìn)行分類。故此，按建筑類型將研究對象分為居住建筑、公共建筑和工業(yè)建筑；其中，公共建筑按照功能分為政府辦公、中小學(xué)、幼兒園、辦公建筑、商業(yè)建筑、酒店、文娛設(shè)施以及場站類建筑。

（2）能源供應(yīng)。由于地源熱泵有很好的節(jié)能效果，對可再生能源利用率貢獻(xiàn)較大，能源供應(yīng)類型也有所區(qū)別，故針對不同能源類型分為地源熱泵情況和市政熱+多聯(lián)機情況分別制定基準(zhǔn)線。

（3）節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[6]。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑規(guī)模、照明功率密度、新風(fēng)量指標(biāo)、設(shè)備功率密度等設(shè)計值都會影響建筑能耗，而不同的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)不同的性能要求，本文按照居住建筑從四步節(jié)能到五步節(jié)能，公共建筑從二步節(jié)能到三步節(jié)能進(jìn)行區(qū)分和設(shè)置。

2.3 基準(zhǔn)線研究方法

為了提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，本文以建筑3年平均能耗作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。能耗基準(zhǔn)線的計算方法有很多種，包括單項目基準(zhǔn)線、多項目基準(zhǔn)線、技術(shù)標(biāo)志基準(zhǔn)線和混合基準(zhǔn)線等方式。單項目基線一般針對單體項目設(shè)立，適用性強、數(shù)據(jù)可獲取性高，但長期收集數(shù)據(jù)，會存在成本高和工作重復(fù)的問題。多項目基準(zhǔn)線是針對一類具有相似特征項目群設(shè)置的基準(zhǔn)線，數(shù)據(jù)透明度高，后期工作量少，但在初期測算時數(shù)據(jù)采集成本很高。技術(shù)標(biāo)志基準(zhǔn)線是將采用相對先進(jìn)水平技術(shù)所產(chǎn)生的碳排放量作為統(tǒng)一排放標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)線，科學(xué)性高、適用范圍廣，但可操作性較差，難以實際落實?；旌匣鶞?zhǔn)線則是以上幾種方法的組合，從技術(shù)角度來說比較復(fù)雜，但均衡性較好。本文采用多項目基準(zhǔn)線，以居住建筑為例，分析均值法、四分位法、聚類分析法和概率分步法[6]的適宜性。

2.4 情景分析方法

情景分析法是在假定某種現(xiàn)象或某種趨勢將持續(xù)到未來的前提下，對預(yù)測對象可能出現(xiàn)的情況或引起的后果做出預(yù)測的方法，通常用來對預(yù)測對象的未來發(fā)展趨勢做出種種設(shè)想或預(yù)計，是一種直觀的定性預(yù)測方法。LEAP 是一個集成的、基于場景的建模工具，是斯德哥爾摩環(huán)境研究所開發(fā)的一個廣泛使用的用于能源政策分析和氣候變化緩解評估的軟件工具，可用于跟蹤能源消耗、生產(chǎn)和資源開采，可核算能源部門和非能源部門的溫室氣體（GHG）排放和碳匯。LEAP 已被全球190 多個國家的數(shù)千個組織采用，正在迅速成為各國進(jìn)行綜合資源規(guī)劃、溫室氣體（GHG）緩解評估和低排放發(fā)展戰(zhàn)略制定（LED）的研究工具。

LEAP 模型采用的是自下而上的計算方法，根據(jù)碳排放影響因素和能源種類建立合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，輸入碳排放系數(shù)和能源強度等數(shù)據(jù)，由LEAP軟件計算結(jié)果，并可直觀判定是否達(dá)峰。計算公式如（1）-（4）所示：

其中：Pz為建筑碳排放總量；Po為其他能源碳排放總量；Pe為電力碳排放總量。Ei為各類能源碳排放量；i為各類能源的碳排放因子；Ee為電力能耗總量；Wi,j為電力來源，i為各類能源的碳排放因子，j為各類電力來源占比；As,l為不同建筑類型的建筑面積，s為建筑類型，l為節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)；qs,l為單位建筑面積排放強度。

3 能源和碳排放現(xiàn)狀

3.1 能源現(xiàn)狀

本文中的電、氣、熱能源數(shù)據(jù)源于區(qū)域數(shù)據(jù)平臺，通過監(jiān)測用戶電表燃?xì)獗砗蜔岜?，將?shù)據(jù)采集并上傳，基準(zhǔn)線的初步確認(rèn)常用方法為均值法、四分位法和聚類分析法。

均值法是以歷史3年的能耗強度作為依據(jù)，計算平均值。

四分位法是將居住建筑能耗強度從小到大排列分成四等份，按順序三個分割點Q1、Q2、Q3位置的數(shù)值分別記為下四分位數(shù)、中位數(shù)和上四分位數(shù)作為排放基準(zhǔn)，一般選用上四分位數(shù)作為基準(zhǔn)值，即有25%的建筑超出規(guī)定限額，通過審計后需要進(jìn)行節(jié)能減排。

聚類分析法是利用SPSS 軟件的聚類分析，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，輸入聚類數(shù)為4，最大迭代次數(shù)為20，收斂因子為0.02。再根據(jù)各聚類中心的中點邊界來確定能耗基準(zhǔn)線，即低能耗線，中能耗線和高能耗線，

住宅項目按不同方法計算如表1所示。

表1 均值法能耗強度計算結(jié)果Table 1 Calculation results of energy consumption intensity by mean method

通過分析發(fā)現(xiàn)，聚類分析法數(shù)據(jù)偏高，如電耗為47.23kWh/m 的基準(zhǔn)線，95%的項目均能滿足，不利于節(jié)能減排的工作，綜合考慮上海等其他區(qū)域基準(zhǔn)線制定方法，本文選定四分位法作為基準(zhǔn)線研究方法，代入碳排放模型進(jìn)行達(dá)峰測算。

3.2 碳排放現(xiàn)狀

通過區(qū)域能源平臺，獲取各項目的實際能源情況，根據(jù)《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》方法，得到不同建筑類型不同能源類型近三年的碳排放情況，平均值如圖2所示。總體來看，三種供能形式中，電力碳排放量較大，其次是天然氣；對于不同建筑類型，政府辦公、文體設(shè)施碳排放較高；而從兩種采暖方式對比可以發(fā)現(xiàn)，地源熱泵的節(jié)能潛力較大，故需要將降低電力碳排放和重點領(lǐng)域碳排放作為實現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的突破口，研究減碳策略。

圖2 建筑2018-2020 碳排放水平（1 代表地源熱泵，2 代表市政采暖）Fig.2 Carbon emission level of buildings from 2018 to 2020(1 represents ground source heat pump and 2 represents municipal heating)

4 情景分析

4.1 情景設(shè)置

根據(jù)十三五建設(shè)情況和十四五綠色建筑專項規(guī)劃要求，現(xiàn)制定情景如下：

（1）基準(zhǔn)情景。新建建筑按照現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和運行，即住宅建筑滿足四步節(jié)能要求，公共建筑滿足三步節(jié)能要求，包含可再生能源，既有建筑不進(jìn)行改造。

（2）節(jié)能情景。新建住宅全部執(zhí)行五步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，新建公建2020-2025 全部執(zhí)行三步節(jié)能，2026年以后執(zhí)行四步節(jié)能，綠色建筑比例為100%，包含可再生能源，既有建筑不改造。

（3）低碳情景。在節(jié)能情景基礎(chǔ)上提高可再生能源利用率，同時對既有建筑進(jìn)行能源管控，大面積推廣零能耗建筑。

（4）達(dá)峰情景。在低碳情景基礎(chǔ)上，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低建筑碳排放水平，使其實現(xiàn)2030年碳排放達(dá)峰。

4.2 情景分析

在模型中輸入2021年至2040年規(guī)劃各類型建筑面積、各類能源碳排放因子，不同情景下的直接能源消耗強度，模型分析時間步長為1年，預(yù)測范圍為2021年至2040年，最終得出碳排放情況如圖3所示。達(dá)峰情景下，建筑碳排放在2030年達(dá)峰，碳排放量控制在2402.3 千噸CO2以內(nèi)，比基準(zhǔn)情景碳排放降低35.82%。至2040年，達(dá)峰情景碳排放量為2148.6 千噸CO2以內(nèi)，比基準(zhǔn)情景碳排放降低51.84%。2021年至2040年間累計碳排放量為43036.7 千噸CO2，比基準(zhǔn)情景碳排放降低38.49%。

圖3 不同情境下碳排放情況Fig.3 Carbon emissions under different scenarios

4.3 達(dá)峰基準(zhǔn)線

碳排放因子會隨著國家政策的完善逐漸降低，基準(zhǔn)線也逐年調(diào)整。經(jīng)測算，若建筑碳排放于2030年達(dá)峰，此年基準(zhǔn)線的模擬結(jié)果為：住宅建筑32.87kgce/m，政府辦公地源熱泵和市政供暖分別為64.77kgce/m 和49.73kgce/m，中小學(xué)地源熱泵和市政供暖分別為34.75kgce/m 和28.83kgce/m，幼兒園地源熱泵和市政供暖分別為42.13kgce/m 和42.14kgce/m，高校地源熱泵和市政供暖分別為35.47kgce/m 和 55.51kgce/m， 普通辦公為35.45kgce/m，商業(yè)機構(gòu)為80.66kgce/m，文體地源熱泵和市政供暖分別為72.33kgce/m 和59.76kgce/m，酒店地源熱泵和市政供暖分別為71.84kgce/m 和57.24kgce/m，醫(yī)療為75.79kgce/m 。

圖4 建筑2030年碳排放基準(zhǔn)線（1 代表地源熱泵，2 代表市政采暖）Fig.4 Carbon emission baseline of buildings in 2030(1 represents ground source heat pump and 2 represents municipal heating)

5 碳達(dá)峰實施路徑

（1）大力調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展新能源替代行動

隨著建筑面積的增加，建筑能源需求呈現(xiàn)逐年增長狀態(tài)，如圖5所示。在低碳情景下增加第五種情景（reduce energy），將建筑能源消耗降低6.47%，從結(jié)果看出碳排放水平僅降低4%，效果不顯著，所以僅控制能源需求量也很難實現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，如圖6所示，故必須提高可再生能源應(yīng)用比例。

圖5 建筑能源需求情況Fig.5 Building energy demand

圖6 降低能耗后碳排放趨勢Fig.6 Carbon emission trend after reducing energy consumption

大力發(fā)展可再生能源，是推動綠色低碳發(fā)展的重要支撐，也是我國應(yīng)對氣候變化、履行國際承諾的重要舉措。近年來，我國風(fēng)電、光伏發(fā)電等行業(yè)快速發(fā)展。截止到2020年底，全國風(fēng)電、太陽能、生物質(zhì)累計裝機分別達(dá)到2.81 億kW、2.53 億kW、2952 萬kW，到2030年，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達(dá)到12 億kW 以上，非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右。有研究指出，2030年世界可再生能源占比可達(dá)49%。中國近幾年可再生能源發(fā)展速度遞增，為了實現(xiàn)建筑行業(yè)2030年碳達(dá)峰，2040年綠電發(fā)電比例應(yīng)達(dá)到45%，項目級可再生能源利用率應(yīng)達(dá)到50%，較基準(zhǔn)情景比可降低碳排放量約22.39%。

（2）全面執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，提升建筑能效水平

在增加可再生能源比例基礎(chǔ)上，同步推進(jìn)建筑節(jié)能，形成建設(shè)領(lǐng)域能耗總量和能耗強度“雙控”目標(biāo)，2021年全面執(zhí)行居住建筑五步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，2026年全面執(zhí)行公共建筑四步節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，推動新建建筑嚴(yán)格實施節(jié)能措施，大力推廣零能耗建筑，2030年之前累計建成零能耗建筑100 萬平方米，2040年累計完成200 萬平方米。推進(jìn)綠色建材評價認(rèn)證和推廣應(yīng)用，建立綠色建材采信機制，并進(jìn)行設(shè)計、施工和運行全過程管理，不斷提升新建建筑能效水平。堅持政府和市場兩手抓，推廣合同能源管理模式，對既有建筑能耗進(jìn)行管控和約束，進(jìn)行節(jié)能服務(wù)體系建設(shè)，促進(jìn)各類節(jié)能技術(shù)服務(wù)機構(gòu)的創(chuàng)新模式和領(lǐng)域拓寬，增強服務(wù)能力，提高服務(wù)水平。推動綠色債券、綠色信貸等綠色金融工具應(yīng)用，探索與改造需求項匹配的市場推廣模式，鼓勵公共建筑加強綠色改造，較基準(zhǔn)情景比可降低碳排放量約13.43%。

（3）加大科技攻關(guān)力度，推動綠色低碳技術(shù)實現(xiàn)重大突破

依托城區(qū)和項目級能耗監(jiān)測平臺，推進(jìn)能耗統(tǒng)計和公示，加強智慧節(jié)能的應(yīng)用，做到科技節(jié)能，研究探索能耗監(jiān)測、運行大數(shù)據(jù)挖掘與建筑節(jié)能改造工作的有機反饋和聯(lián)動機制，充分挖掘節(jié)能降耗潛能，建立長效節(jié)能機制。應(yīng)用碳捕捉和存儲技術(shù)（“CCS 技術(shù)”），從生產(chǎn)活動中將二氧化碳從空氣中分離出來，運輸?shù)揭验_采油田、海洋等其他安全地下場所進(jìn)行封存，可使得建筑行業(yè)更早實現(xiàn)碳達(dá)峰。

6 結(jié)論

（1）民用建筑碳排放有望在2030年達(dá)峰，碳排放量控制在2402.3 千噸CO2以內(nèi)，比基準(zhǔn)情景碳排放降低35.82%。

（2）達(dá)峰情景應(yīng)同時滿足綠電比例2030年達(dá)28%，2040年達(dá)45%，可再生能源2030年達(dá)20%、2050年達(dá)50%，建成零能耗建筑100 萬平方米以及碳排放基準(zhǔn)線的要求。

（3）根據(jù)建筑能耗排放現(xiàn)狀，采用四分位方法，按照不同建筑類型與不同能源類型確定了精細(xì)化的動態(tài)碳排放基準(zhǔn)線，經(jīng)測算，2030年碳排放指標(biāo)為：住宅建筑32.87kgce/m，政府辦公地源熱泵和市政供暖分別為64.77kgce/m 和49.73kgce/m，中小學(xué)地源熱泵和市政供暖分別為34.75kgce/m 和28.83kgce/m，幼兒園地源熱泵和市政供暖分別為42.13kgce/m 和42.14kgce/m，高校地源熱泵和市政供暖分別為35.47kgce/m 和55.51kgce/m，普通辦公為35.45kgce/m，商業(yè)機構(gòu)為80.66kgce/m，文體地源熱泵和市政供暖分別為72.33kgce/m 和59.76kgce/m，酒店地源熱泵和市政供暖分別為71.84kgce/m 和57.24kgce/m，醫(yī)療為75.79kgce/m 。

（4）當(dāng)前建筑有較大的節(jié)能潛力，應(yīng)采用合同能源管理等市場化機制或能源審計等管理辦法，盡可能降低建筑能耗。