長(zhǎng)春地區(qū)城鎮(zhèn)冬季供暖技術(shù)路徑及碳排放研究

摘要：我國(guó)已提出“3060”目標(biāo)，即二氧化碳的碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。建筑能源系統(tǒng)作為建筑的組成部分，其能耗與碳排放是建筑節(jié)能減排的重要領(lǐng)域。供熱低碳發(fā)展是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要手段之一，通過(guò)清潔能源替代化石燃料實(shí)現(xiàn)供暖低碳發(fā)展具有重要意義。分析了長(zhǎng)春地區(qū)冬季供暖現(xiàn)狀，包括長(zhǎng)春用能發(fā)展現(xiàn)狀和冬季主要供暖技術(shù)路徑等。評(píng)估其碳排放必須首先明確建筑能源系統(tǒng)碳排放的計(jì)算方法，并通過(guò)建筑模擬手段對(duì)不同清潔供暖技術(shù)路徑進(jìn)行對(duì)比分析。研究得出，長(zhǎng)春地區(qū)城鎮(zhèn)減碳量最高的為集中生物質(zhì)供暖，其次是燃煤鍋爐供暖的技術(shù)路徑，此結(jié)果主要受供暖面積影響。單位面積減碳量結(jié)果顯示，減碳量較多的是生物質(zhì)鍋爐和熱泵供暖技術(shù)路徑，燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐單位減碳量較少。在綜合評(píng)價(jià)中，最優(yōu)的是水源熱泵，但在供暖技術(shù)路徑的選擇需因地制宜進(jìn)行考量。

關(guān)鍵詞：嚴(yán)寒地區(qū)；清潔供暖；碳排放計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TU832.1" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" "文章編號(hào)：２０９６-2118（2024）04-0065-04

Research on Winter Heating Technology Pathways and Carbon Emissions in Urban Areas of Changchun

ZHANG Jixin，YANG Jingang？鄢

（School of Municipal and Environmental Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract：China has put forward the“3060”goal，that is，carbon dioxide emissions strive to peak before 2030，and strive to achieve carbon neutrality by 2060.As an integral part of the building，energy consumption and carbon emissions of the building energy system are important areas of building energy conservation and emission reduction.Low-carbon development of heating is one of the important means to achieve carbon peak and carbon neutralization，it is of great significance to realize low-carbon development of heating by replacing fossil fuels with clean energy.The current situation of winter heating in Changchun area is analyzed，including the development status of energy consumption in Changchun and the main heating technology paths in winter.To evaluate its carbon emissions，it is necessary to first clarify the calculation method of carbon emissions from building energy systems，and compare and analyze different clean heating technology paths through building simulation methods.The study shows that the highest carbon reduction in urban areas in Changchun is centralized biomass heating，followed by the technical path of coal-fired boiler heating，this result is mainly affected by the heating area.The results of carbon reduction per unit area show that the most carbon reduction is the biomass boiler and heat pump heating technology path，and the unit carbon reduction of gas boiler and coal-fired boiler is less.In the comprehensive evaluation，the best is the water source heat pump，however，the choice of heating technology path must be considered according to local conditions.

Keywords：severe cold areas；clean heating；carbon emission calculation

0 引言

自20世紀(jì)末起，全球氣候變化引起了廣泛的國(guó)際關(guān)注。在這一環(huán)境議題中，全球變暖位居核心位置，其中最為關(guān)鍵的因素是溫室氣體的大量排放。研究指出，人類(lèi)活動(dòng)所導(dǎo)致的碳排放量急劇增加，是致使全球氣溫升高的主要因素。我國(guó)由于能源消費(fèi)和生產(chǎn)規(guī)模龐大，且以化石能源為主導(dǎo)，因此碳排放較大[1]。尤其是建筑耗能，其伴隨著建筑總量的不斷攀升和居住舒適度的提升，呈急劇上揚(yáng)趨勢(shì)。建筑能耗約占全社會(huì)總能耗的30%，其中供暖和空調(diào)能耗約占總能耗20%[2]。長(zhǎng)春市作為中國(guó)東北地區(qū)的重要城市之一，2021年采暖面積達(dá)40 867.3萬(wàn)m2，占總建筑面積的91.1%。在其采暖能耗中，燃煤供暖所產(chǎn)生的碳排放量高達(dá)89.3%，清潔能源供暖如電和天然氣的比例為10.9%。由于長(zhǎng)春市冬季大氣污染物濃度偏高，尤其是PM2.5和PM10等細(xì)顆粒物的排放，致使其在實(shí)現(xiàn)污染物減排目標(biāo)上面臨重大挑戰(zhàn)。

1 建筑能源系統(tǒng)碳排放評(píng)價(jià)方法研究

碳排放是指在能源生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)以及其他人類(lèi)活動(dòng)中釋放到大氣中的CO2等溫室氣體的過(guò)程。這些溫室氣體對(duì)地球的氣候產(chǎn)生影響，導(dǎo)致全球氣溫升高，氣候問(wèn)題日益嚴(yán)重。因此，對(duì)碳排放的關(guān)注成為當(dāng)今社會(huì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的焦點(diǎn)之一。

建筑碳排放是指建筑產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中產(chǎn)生的溫室氣體排放量，主要以CO2當(dāng)量值進(jìn)行量化。CO2的排放導(dǎo)致地表反射到太空中的長(zhǎng)波熱輻射增加，進(jìn)而導(dǎo)致大氣中的熱量積聚，加劇全球氣候變暖[3]。

在北方寒冷地區(qū)，冬季供暖成為一個(gè)重要的碳排放源。傳統(tǒng)的供暖方式主要依賴(lài)于燃煤，而燃煤釋放的CO2和其他污染物對(duì)環(huán)境和空氣質(zhì)量造成不良影響。

碳排放因子的計(jì)算過(guò)程應(yīng)遵從《IPCC國(guó)家溫室氣體清單》的指引，該指引詳細(xì)列出了應(yīng)當(dāng)計(jì)算的所有溫室氣體類(lèi)別，并推薦使用CO2當(dāng)量值作為衡量單位。通過(guò)將實(shí)際氣體排放轉(zhuǎn)換成CO2當(dāng)量，能更全面地評(píng)估不同活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響[4]。本文確定的碳排放因子主要包括能源碳排放因子、電力碳排放因子以及材料碳排放因子。這些不同類(lèi)別的排放因子為能源轉(zhuǎn)換、電力產(chǎn)生和消耗導(dǎo)致的CO2排放量提供了量化依據(jù)。

化石能源碳排放因子包括化石能源在生產(chǎn)和消耗過(guò)程當(dāng)中所引起的碳排放總和，包含了化石能源開(kāi)采、加工以及運(yùn)輸過(guò)程。其計(jì)算公式如下：

EF■=CC■×OF■×■（1）

式（1）中：CCi為第i種化石燃料的單位熱值含碳量，tC/TJ；OFi為第i種化石燃料的碳氧化率；■為CO2與碳的相對(duì)分子量之比。

本文所選用的碳排放因子數(shù)值經(jīng)由嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算獲得，以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)可靠性（見(jiàn)表1）。在實(shí)際應(yīng)用中，這些因子將被用于評(píng)估建筑能源系統(tǒng)所產(chǎn)生的碳排放量，從而為減少溫室氣體排放提供重要依據(jù)。需注意的是，在不同地區(qū)和條件下，碳排放因子的數(shù)值可能存在一定的差異性，因此在實(shí)施碳排放計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況合理調(diào)整因子值，以準(zhǔn)確反映當(dāng)?shù)鬲?dú)特的能源消耗特征和碳排放情況。

為了提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，生態(tài)環(huán)境部于2023年2月7日發(fā)布了《關(guān)于做好2023—2025年發(fā)電行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放報(bào)告管理有關(guān)工作的通知》，本文此次采用的電力碳排放因子為0.601 kgCO2/kW·h[5]。該排放因子代表每產(chǎn)生1 kW·h的電能所伴隨的CO2排放。這個(gè)數(shù)值是基于全國(guó)范圍內(nèi)各種發(fā)電方式的綜合考量得出的，可以作為評(píng)估建筑能源系統(tǒng)電力消耗導(dǎo)致的碳排放量的參考標(biāo)準(zhǔn)。

2 長(zhǎng)春市城鎮(zhèn)建筑運(yùn)行階段碳排放計(jì)算

目前，對(duì)于長(zhǎng)春市而言，城市集中供熱系統(tǒng)不僅在提高供暖效率上有著顯著的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其在節(jié)能降耗方面也顯示出其關(guān)鍵作用。長(zhǎng)春冬季以燃煤鍋爐為主，截至2021年，全市供暖面積約40 867.3萬(wàn)m2，其中清潔供暖面積18 859.2萬(wàn)m2。城區(qū)供暖面積29 795.9萬(wàn)m2，其中清潔供暖面積16 444.0萬(wàn)m2；縣城4 824.7萬(wàn)m2，其中清潔供暖面積2 318.2萬(wàn)m2。城區(qū)及縣城基本形成了以熱電聯(lián)產(chǎn)和區(qū)域鍋爐房集中供熱為主、清潔能源供熱為輔的城市供熱格局。長(zhǎng)春市供暖情況見(jiàn)表2。

2.1 軟件的選擇與應(yīng)用

本文對(duì)EnergyPlus能耗模擬軟件進(jìn)行了全面了解，并選擇了SketchUp和OpenStudio兩款輔助建模軟件。SketchUp軟件簡(jiǎn)單易用，本文選擇了OpenStudio，該插件的簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1[6-9]。

考慮到長(zhǎng)春特有的冬季氣候條件和供暖期限制，運(yùn)用了SketchUp建模軟件和OpenStadio負(fù)載模擬軟件，定制化地模擬分析了幾種供暖方式在建筑模型內(nèi)的性能，并結(jié)合《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》的數(shù)據(jù)，以期達(dá)到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。供暖設(shè)備的模擬包括燃煤鍋爐、電鍋爐、燃?xì)忮仩t、生物質(zhì)鍋爐、空氣源熱泵、地源熱泵和太陽(yáng)能板。

3 長(zhǎng)春地區(qū)城鎮(zhèn)供暖碳排結(jié)果分析

基于前文設(shè)定的建筑作為運(yùn)行階段能耗的計(jì)算依據(jù)。采用此計(jì)算依據(jù)，可以更加準(zhǔn)確地評(píng)估供暖方案運(yùn)行階段的碳排放情況。研究發(fā)現(xiàn)，將供暖技術(shù)路徑按照減碳量從大到小排序，依次是：集中生物質(zhì)鍋爐供暖、燃煤鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)、集中燃煤鍋爐供暖、水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵供暖及集中燃?xì)忮仩t供暖（見(jiàn)圖2）。

在單位面積年均供暖碳排放方面，集中生物質(zhì)鍋爐在長(zhǎng)春冬季表現(xiàn)出最高的碳排放水平（見(jiàn)圖3），水源熱泵、地源熱泵和空氣源熱泵減碳效率較好，可推廣使用。而燃煤鍋爐的單位減碳量較少，減碳效果較差，建議使用可再生能源替代。

在對(duì)長(zhǎng)春市供暖系統(tǒng)能耗和碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析之后，可以明顯觀察到各供暖技術(shù)之間存在顯著的性能差異。

4 長(zhǎng)春供暖結(jié)果綜合評(píng)價(jià)方法

4.1 綜合評(píng)價(jià)方法

在長(zhǎng)春冬季供暖中，由于碳排放量的量化和比較結(jié)果不充分，計(jì)算出不同供暖技術(shù)的碳排放和能耗存在顯著差異，僅僅依靠數(shù)值比對(duì)進(jìn)行研究分析是不夠全面的。因此，為綜合評(píng)估碳排放量和經(jīng)濟(jì)性獨(dú)立變量之間的關(guān)系，本文引入了一種綜合評(píng)價(jià)方法，旨在對(duì)各項(xiàng)供暖技術(shù)路徑的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析并找到最優(yōu)解。

通過(guò)建立碳排放量評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)，并考慮碳排放量、供暖能耗和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)指標(biāo)，從而合理地權(quán)衡它們之間的重要性。目標(biāo)函數(shù)的公式如下：

Q=p■W■■+p■W■■（2）

式（2）中：p和W分別為指標(biāo)i的懲罰因子和權(quán)重函數(shù)，*為調(diào)保參數(shù)控制值。在供暖期間，期待達(dá)到碳排放量和產(chǎn)生費(fèi)用越低越優(yōu)。因此，將碳排放量所對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)設(shè)為0.6，而將產(chǎn)生費(fèi)用所對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)都設(shè)定為0.4。通過(guò)這一綜合評(píng)價(jià)方法，不僅能夠使各個(gè)參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，而且能夠找到最優(yōu)的供暖技術(shù)方案。

4.2 長(zhǎng)春供暖技術(shù)路徑分析及比對(duì)

在進(jìn)行調(diào)研后，針對(duì)長(zhǎng)春地區(qū)不同的供暖技術(shù)路徑，這些費(fèi)用對(duì)比結(jié)果提供出清晰的選擇標(biāo)準(zhǔn)，以便在滿(mǎn)足供暖需求的同時(shí)，更好地平衡經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和可持續(xù)性考慮。根據(jù)調(diào)研，不同的供暖技術(shù)路徑的費(fèi)用見(jiàn)表3。

通過(guò)圖2及表3的數(shù)據(jù)，代入式（2），得到長(zhǎng)春城鎮(zhèn)供暖最優(yōu)化路徑，使長(zhǎng)春市的供暖系統(tǒng)能夠在實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)的同時(shí)降低生產(chǎn)費(fèi)用。通過(guò)比較不同技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、能源利用等因素，能夠更全面地評(píng)估每種技術(shù)的優(yōu)劣（見(jiàn)圖4）。結(jié)果顯示：從中可以看出，評(píng)估值最高為水源熱泵1.88，其次是地源熱泵1.65，生物質(zhì)鍋爐評(píng)估值也相對(duì)較高1.61。

5 結(jié)論

在長(zhǎng)春實(shí)際供暖中，不同供暖技術(shù)的減碳量存在差異。生物質(zhì)鍋爐和燃煤鍋爐減碳較多，而單位面積減碳量較好的有熱泵系列供暖和生物質(zhì)鍋爐供暖，燃煤鍋爐供暖單位減碳量較少，燃?xì)忮仩t單位減碳量最少。因此應(yīng)該廣泛推廣可再生能源與清潔能源進(jìn)行供暖，減少使用燃煤鍋爐供暖。

通過(guò)對(duì)不同供暖技術(shù)路徑的費(fèi)用和減碳量進(jìn)行考量，綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)的是水源熱泵供暖技術(shù)路徑，為1.88，生物質(zhì)鍋爐綜合評(píng)價(jià)較好，為1.61。但在供暖方式選擇上還要因地制宜，比如在長(zhǎng)春地區(qū)進(jìn)行生物質(zhì)鍋爐供暖，生物質(zhì)燃料的收集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸可能未必適用，雖然它的燃料被認(rèn)為是碳中和的，但是燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生灰塵和其他污染物，所以對(duì)于長(zhǎng)春地區(qū)，該形式可作為碳中和、碳達(dá)峰中間過(guò)渡的供暖形式。

參 考 文 獻(xiàn)

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編輯：楊 洋