基于情景分析法的中國館碳減排效益評估

戴 潔 胡 靜 徐 璐 陳 碩 董亞萍 湯慶合

(1.上海市環境科學研究院，上海200233;2.上海市世博會事務協調局，上海200125;3.上海市零碳建筑科技有限公司，上海200001)

基于情景分析法的中國館碳減排效益評估

戴 潔1胡 靜1徐 璐2陳 碩3董亞萍3湯慶合1

(1.上海市環境科學研究院，上海200233;2.上海市世博會事務協調局，上海200125;3.上海市零碳建筑科技有限公司，上海200001)

建筑部門的低碳發展已成為推進我國低碳經濟至關重要的一個組成部分，因此正確客觀地評價建筑的低碳水平具有重要的指導意義。本文以2010年上海世博會中國館為研究對象，采用碳排放情景分析法，針對中國館的基準建筑與實際建筑，計算其世博結束后正常運行條件下的碳排放水平，評估中國館實際建筑的碳減排效益。使用建筑能耗模擬軟件DesignBuilder對建筑全年能源消耗水平進行了模擬，并通過相應能源品種的碳排放因子分別計算了實際建筑和基準建筑的碳排放水平;同時應用全生命周期方法(LCA)分析了中國館實際建筑應用太陽能光伏、LED照明技術相比于基準建筑所帶來的減排效益。結果表明:世博結束后正常運行條件下，中國館實際建筑年碳排放量為18 969 t CO2e，基準建筑年碳排放量為25 770 t CO2e，因此，相比基準建筑，中國館實際建筑一年減排6 801 t CO2e，年碳減排率為26.4%;減排效益主要由節能設計及綠色技術貢獻，分別占96.3%和3.7%。本文通過綜合評估中國館的碳減排效益，以期為我國公共建筑低碳工作的開展進行有益的探索。

中國館;情景分析法;建筑能耗模型;碳減排效益

為積極應對全球氣候變化，實現自身可持續發展，我國已明確提出，至2020年，單位GDP的CO2排放強度在2005年基礎上下降40% －45%。在歐盟發達國家，建筑全生命周期內的碳排放已經占了全部部門碳排放的50%［1］，而在我國建筑耗能引起的碳排放量也已占總排放量的19% －20%［2］，且房屋建造等間接能耗及碳排放量呈上升趨勢，建筑部門已成為主要的碳排放源，因此，推廣低碳建筑對遏制碳排放具有十分重要意義［3］。2005年，我國頒布首部公共建筑節能設計的綜合性國家標準——《公共建筑節能設計標準》(GB50189－2005)，標志著我國建筑節能工作在公共建筑領域的全面鋪開。“十二五”期間，我國公共建筑節能目標為力爭實現公共建筑單位面積能耗下降10%，大型公共建筑能耗降低15%。2010年上海世博會作為一屆低碳、環保的盛會，在建筑的碳減排方面也作了大量有益的嘗試和探索，尤其是永久建筑一軸四館(世博軸、中國館、世博中心、世博文化中心以及主題館)應用了很多節能設計和綠色技術，對“城市，讓生活更美好”的世博主題進行了充分演繹。

對于建筑碳減排效益的評估，目前還未出現一種公認的統一的方法，盡管如此，評價一個建筑低碳與否，有兩點基本是可以確認的，一是低碳建筑要實現的減碳是在某個“基準線”上的減碳［4］，因此需要建立一個參照體系，即假設一個基準建筑，從而與實際建筑的碳排放水平作出比較，得到減排效益;二是建筑的碳足跡對周圍環境最主要的影響是能源資源消耗［5］，因此對建筑的低碳評價主要圍繞因建筑能耗引起的碳排放進行評價。基于以上兩點認識，本文以上海世博會中國館為例，采用低碳經濟研究的最佳分析工具——情景分析法［6］，針對中國館的實際建筑和基準建筑兩種不同情景，參考國外建筑能耗計算方法學［7－8］，分析了中國館在世博會結束后正常運行條件下實際建筑和基準建筑的碳排放量，從而對中國館在世博會結束后繼續產生的環保、低碳效益作出客觀評價，以期為我國大型公共建筑的低碳評價研究作出有益探索。

1 研究方法

建筑物碳排放量評估體系一般選擇按照建筑的全生命周期，通過對建筑材料的生產及運輸階段、建設階段、使用階段、拆除階段和廢棄物處置階段這一生命周期的CO2排放核算，從而進行建筑物的碳排放計算［9］。建筑全生命周期的碳排放來源包括了建筑物生命周期物化階段(建材生產、施工階段)、使用階段以及拆除處置階段的碳排放(其中規劃設計階段不產生實物碳排放)。

據發達國家的統計分析，一般情況下，建筑物使用能耗與其它能耗之比大約為9∶1，不超過8∶2，建筑物使用階段的能耗，即運營能耗構成建筑物全生命周期能耗的主體。因此，本文主要研究中國館運營能耗帶來的碳排放。需要注意的是，由于中國館在世博期間的運行時間僅占其建筑生命周期內的極少部分(一般認為中國公共建筑的平均壽命為30年，世博舉辦時間僅為半年)，本文為針對中國館在世博結束后正常運行條件下碳減排效益作出的分析，并非針對世博期間中國館的運行情況。

1.1 情景設置

世博會期間，結合課題的開展，本研究對中國館的建筑形體形式、建筑墻體與門窗、機電策略、照明設計、新能源應用以及實際用電量等進行了大量的數據收集工作，同時研讀了國內外相關建筑節能方面的法規、標準，在此基礎上，分別對中國館實際建筑和基準建筑進行不同情景的設置。

實際建筑:中國館坐落于世博會規劃核心區，是世博園區“一軸四館”永久性建筑中的制高點，由國家館和地區館兩個部分組成。國家館和地區館總建筑面積157 855 m2(其中，地上建筑面積109 277 m2，地下建筑面積48 578 m2)。中國館應用了多種先進的節能建筑設計，包括采用斗拱結構的遮陽技術，使用架空中庭空間系統的自然通風技術、采用Low-E玻璃、采用輕質砂加氣砌塊新型環保墻體材料等，同時還應用了很多綠色環保技術如冰蓄冷空調、屋頂綠化、太陽能光伏、LED照明等。

基準建筑:一般來說，基準建筑必須與實際建筑有相同的尺寸、形狀和分區，而且測量采用同樣的度量衡，每一空間包括與實際建筑同樣空間內的活動(即有相同的活動參數值)，另外，基準建筑還應與實際建筑的方位和氣候數據相同，須有來自鄰近建筑物的相同位置的陰影和應用于實際建筑模型的其它地形特征。除此之外，中國館基準建筑的圍護結構、供能設備等主要參照2005年《公共建筑節能設計標準》(GB50189－2005)［10］規定的公共建筑節能設計，與實際建筑相比，主要參數設置的不同見表1。另外，基準建筑沒有采用冰蓄冷空調、屋頂綠化、太陽能光伏發電技術，照明采用CFL燈(緊湊型熒光燈)等。

1.2 建立模型

本研究所用模型為建筑全能耗分析軟件——DesignBuilder，用以模擬中國館建筑全年逐時的負荷及能耗。DesignBuilder是專門針對美國能源部支持下開發的

表1 實際建筑和基準建筑設置參數對比Tab.1 Parameters comparison of actual building and baseline building

建筑全能耗模擬引擎Energy Plus開發的用戶圖形界面軟件，包括了所有Energy Plus的建筑構造和照明系統數據輸入部分，也移植了所有的材質數據庫，包括建筑和結構材料、照明單元、窗戶和加氣玻璃、窗簾遮陽等，是第一個針對Energy Plus建筑能耗動態模擬引擎開發的綜合用戶圖形界面模擬軟件［11］。程序根據輸入的建筑情況(包括建筑結構、圍護結構材料、供暖空調方式與系統分布、室內人員活動規律等)和室內設定溫度值的要求，動態計算出建筑物的全年能耗情況，并以各種表格形式輸出。

1.3 計算碳減排效益

本研究使用DesignBuilder能耗分析模型軟件，分別對中國館實際建筑和基準建筑的能耗進行模擬及對比，在此基礎上，再將能耗乘以相應能源品種的碳排放因子來計算碳排放量，從而獲得中國館實際建筑和基準建筑的年能源消耗量和碳排放量;在此基礎上，對中國館實際建筑所采用的太陽能光伏和LED技術所帶來的碳減排效益進行分析，并在實際建筑的年碳排放量中進行扣除，從而得到中國館實際建筑與基準建筑相比所能產生的碳減排效益。

2 研究結果

2.1 實際建筑與基準建筑能耗模擬

本研究對中國館的能耗類型主要劃分為5大類:房間用電、照明、供熱、制冷和其他項。通過對模型輸入建筑所在地理位置、氣象數據、外墻、屋頂材料及傳熱系數，人員及室內熱源、空調區域及其能效等參數，中國館的逐日、逐月能耗均能得到模擬。圖1為中國館實際建筑和基準建筑的分項耗能圖，表2為中國館實際建筑和基準建筑綜合耗能全年能耗對比。可以看出，由于采用了大量先進的節能設計，與基準建筑相比，實際建筑的供熱、制冷能耗有了一定的降低，尤其是供熱方面，其供熱和制冷的能耗分別節約了80.3%、2.6%。中國館實際建筑全年能耗為21.9 GWh，而基準建筑全年能耗為29.2 GWh;另外，相對于基準建筑，中國館實際建筑的全年能耗波動更趨平穩，但耗能的高峰期還是在夏季酷暑時期。

圖1 實際建筑與基準建筑分項耗能對比圖Fig.1 Energy consumption comparison of different categories

2.2 實際建筑與基準建筑碳排放對比

中國館的碳排放主要為各分項的能耗乘以電力排放因子或天然氣排放因子，表3為中國館實際建筑和基準建筑模擬的全年CO2排放量。中國館運行一年實際碳排放為19 330 t CO2e，基準情景下碳排放為25 770 t CO2e，因此中國館每年可減少碳排放6 440 t CO2e，全年的變化趨勢與能耗變化趨勢保持一致。

表2 實際建筑與基準建筑全年能耗對比Tab.2 Annual energy consumption comparison

表3 實際建筑與基準建筑全年碳排放量對比Tab.3 Annual carbon emission comparison

2.3 綠色技術的減排效益

在實際建筑中，中國館還采用了綠色環保技術如屋頂太陽能光伏以及LED照明技術，這部分技術產生的碳減排效益應當在實際建筑的碳排放中進行抵扣。本文采用全生命周期的研究方法對中國館的太陽能光伏技術和LED照明技術分別進行了計算，一般來說，太陽能光伏的使用壽命為25年，每天有效發電時間為3.5小時，根據中國館安裝了302 kW的太陽能光伏計算，考慮生產過程的碳排放為 0.035 5 kgCO2/kWh［12］，太陽能光伏年減排量為327 t CO2e，全生命周期減排量為8 169 t CO2e。根據LED燈泡的使用壽命為25 000小時［13］，世博結束后每周LED照明使用12小時，中國館安裝了62.7 kW的LED，按LED比CFL燈節能50%進行計算，考慮生產過程的碳排放(使用期能耗為 658 kWh 時，生產能耗為 9.9 kWh)［13］，相對CFL燈來說，LED技術的年減排量為34 t CO2e，全生命周期減排量為1 369 t CO2e。因此，由于太陽能光伏技術和LED技術的應用所帶來的年減排效益為361 t CO2e，在實際建筑的年排放量中扣除此部分的減排效益，即中國館實際建筑一年的碳排放為18 969 t CO2e。

2.4 結果驗證

在建完模型后，非常重要的一項工作是使用實際能耗數據與模型模擬數據進行校驗，用以判斷模型模擬結果的準確性。由于本研究開展時間為世博舉辦期間，因此所獲得的中國館運行能耗數據時間為2010年5月－9月。由于模型模擬的中國館實際建筑為世博結束后正常運行情況，即每周5天，每天運營時間8∶00－18∶00，而在世博期間中國館每周運營7天，每天運營時間為8∶00－22∶30，所以按照運行時間對模型模擬值進行修正，修正因子為1.68，修正后的模型模擬結果與實測結果對比見表4。

從表4可以看出，模擬與實測的耗電量逐月變化趨勢類似，空調季節為能耗高峰期，過渡季節為能耗低峰期，均在上海最熱月七月耗能達到最高峰。中國館自2010年5月1日至9月底實測能耗總量為19.5 GWh，根據世博情況進行修正后模型模擬的六個月能耗值為18.5 GWh，模擬值與實測值相差5%，因此認為模型模擬結果可以接受，從而判斷模型能夠準確預測中國館在世博結束后的能耗情況，采用能耗模型進行模擬的結果是可信的。

表4 實測能耗與模擬能耗對比Tab.4 Comparison between measured energy consumption and modeled energy consumption

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 基準建筑的設定

由于實際建筑的碳減排效益是相對于基準建筑而言的，因此，基準建筑的設定直接影響到最終結果的準確性和可信度。一般來說，按照《公共建筑節能設計標準》，建筑節能效益評估都以20世紀80年代的建筑作為基準建筑。而在本研究中，即使2010年上海世博會并未采用實際情況下的多種節能設計及技術，考慮到中國館建設時期的設計及建設水平，以20世紀80年代的建筑作為基準建筑顯然是脫離實際的，因此，本文直接參照國家2005年出臺的《公共建筑節能設計標準》作為基準建筑的建筑水平，從而使實際建筑的碳減排效益更具有說服力。基準建筑的設定應從實際情況出發，綜合考慮各種因素，從而確定適合研究對象的基準建筑，這一步是準確評價建筑低碳與否的基礎及關鍵。

3.1.2 公共建筑的低碳評價

公共建筑的低碳評價有兩種評價維度，一種是相對于同類建筑作出的橫向評價，另一種是相對于本建筑在實際情景和基準情景下的縱向評價，而對于本文的研究對象——中國館來說，若采用第一種評價方法，則需收集上海地區同類建筑的碳排放數據，即展館類建筑數據，考慮到數據不可得性等方面原因，本研究選用了第二種評價方法，這種方法有效避免了由于建筑造型、地理位置等可能造成的碳排放差異，能夠較好地盡可能在同一尺度上客觀評價中國館的節能設計及綠色技術帶來的低碳效益，從而使評價更具準確性，也是對單體公共建筑的低碳評價方法進行的探索。

3.2 結論

本文使用Design Builder模型模擬了中國館實際建筑和基準建筑的全年能耗，在此基礎上，計算了實際建筑和基準建筑的一年碳排放量，同時對綠色技術對實際建筑產生的碳減排效益進行了扣除，得出的結論如下:

(1)世博結束后中國館正常運行情況下，實際建筑一年的碳排放為18 969 t CO2e，與基準建筑年排放25 770 t CO2e相比較，實際一年可減排6 801 t CO2e;中國館建筑面積為157 855 m2，因此，中國館實際建筑年均單位面積的碳排放為120 kg CO2e/m2，基準建筑年均單位面積的碳排放為163 kg CO2e/m2，碳減排比例高達26.4%。

(2)中國館減排效益6 801 t CO2e可分為兩部分，一部分是由節能設計貢獻，為6 440 t CO2e，占全部碳減排效益的96.3%;另一部分為綠色技術貢獻，為361 t CO2e，占減排效益的3.7%，其中太陽能光伏技術占3.2%，LED技術占0.5%。

從以上的結果不難發現，中國館的碳減排效益主要得益于源頭的節能設計，綠色技術的應用雖然有一定貢獻，但比例不大。目前，我國正大力發展低碳經濟，低碳、綠色建筑在全國各地也得到了很好的響應，“十二五”期間將有更多類似的建筑涌現，而在其中，建筑的源頭式管理不容忽視，應從設計開始貫徹綠色、低碳的理念，防止所謂的“低碳”建筑成為系列綠色技術的簡單堆砌。本研究通過對世博會中國館的定量化分析，客觀評估了中國館的碳減排效益，一方面從方法學上探索了節能設計和綠色技術應用對建筑產生的碳減排效益的有效評估，另一方面也為我國下一步公共建筑的可持續發展提供了一定的參考。

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Assessment on Carbon Emission Reduction Benefit of China Pavilion with Scenario Analysis Method

DAI Jie1HU Jing1XU Lu2CHEN Shuo3DONG Ya-ping3TANG Qing-he1
(1.Shanghai Academy of Environmental Sciences，Shanghai 200233，China;2.Bureau of Shanghai World Expo Coordination，Shanghai 200125，China;3.Shanghai Ling Tan Technology Co.，Ltd，Shanghai 200001，China)

Low-carbon development of building sector has been an important part of low-carbon economy in China;thus，it is necessary to assess the low-carbon level of buildings accurately and objectively.This study focused on the carbon emission reduction benefit analysis of China Pavilion in 2010 Shanghai World Expo，based on scenario analysis method by comparing carbon emission level between the actual building and the baseline building for China Pavilion under regular operations after Expo.Energy consumption of both baseline and actual building was analysed with DesignBuilder，an energy consumption modelling software.Then，carbon emission was calculated by multiplying the energy consumption by a corresponding emission factor.Besides，carbon emission reduction benefits of green technologies applied in the actual building，including Solar PV and LED Lighting，were calculated with a life cycle assessment method.It was concluded that under regular operations after Expo，annual carbon emission of the actual building for China Pavilion is 18，969 t CO2ewhile that of the baseline building is 25，770 t CO2e，which means a reduction of 6，801 t CO2eor reduction ratio of 26.4%;carbon emission reduction benefits are mainly contributed by green design(96.3%)and green technologies(2.7%).Therefore，this study is a useful exploration for the development of low-carbon buildings in China.

China Pavilion;scenario analysis method;energy consumption model;carbon emission reduction benefit

X24

A

1002－2104(2012)02－0075－05

10.3969/j.issn.1002－2104.2012.02.012

(編輯:劉照勝)

2011－08－13

朱玉春，教授，博導，主要研究方向為技術經濟、農村經濟及數量經濟分析。

高等學校博士學科點專項科研基金項目“晉、陜、蒙資源富集區農村公共品投資效率評價及優化研究:基于農戶滿意視角”(編號:20090204110022);陜西省科技廳軟科學項目“陜西省農村公共品投資效率評價與優化研究:基于農戶滿意視角”(編號:2010KRM80);西北農林科技大學基本科研業務費專項資金項目“基于農戶滿意視角的欠發達地區農村公共品投資效率評價與優化研究”(編號:GN2009096);2010年教育部博士研究生學術新人獎基金。