城市建筑群碳排放核算模型構建與實證研究

葉瑞克，李亦唯，高壯飛，王 麗

（浙江工業大學政治與公共管理學院，浙江杭州310023）

城市建筑群碳排放核算模型構建與實證研究

葉瑞克，李亦唯，高壯飛，王 麗

（浙江工業大學政治與公共管理學院，浙江杭州310023）

近年來，為加強低碳城市建設、實現區域低碳發展，我國各級政府相繼推出了諸如低碳社區試點、低碳城鎮試點等城市建筑群的低碳示范試點。設置節能減碳目標、出臺政策舉措和評價試點成效的前提是對碳排放的定量評估。城市建筑群碳排放核算模型綜合借鑒了 IPCC方法學、《城市溫室氣體核算國際標準》（GPC）、WRI《城市溫室氣體核算工具（1.0、2.0）》和國家發改委《公共建筑運營單位（企業）溫室氣體排放核算方法和報告指南（試行）》等碳核算方法學，基于城市建筑群碳排放高度集聚、來源復雜、邊界模糊等特征，對相關方法學進行了適用性修正，并通過某高教園區碳核算的實證檢驗。結果表明：城市建筑群碳排放模型可成為相關政府部門和管理機構核算碳排放的有效工具，為規劃制定、目標設置、政策出臺和成效評估提供了定量依據。

城市建筑群；碳排放核算模型；節能減碳；低碳試點

1 引言

研究表明，城市僅占全球陸地面積的2%，卻排放了全球75%的CO2［1］。其中，聯合國環境規劃署《建筑物與氣候變化》報告顯示，建筑部門碳排放占全球總碳排放的 30%—40%［2，3］。2001—2014 年，我國建筑業CO2排放量由 2233.139 萬 t增加到了7608.844 萬 t，年平均增速達到9.726%［4］。隨著建筑面積每年以20億m2增長，預計到2020年我國建筑業終端能耗將達到10.89 億 t標準煤［5］，折合 CO2約為 28.31 億 t，因此建筑業的節能減碳是城市低碳發展的關鍵所在。然而，我國各級政府在推進建筑節能減碳工作時并非以單體建筑為直接對象，而是以某一特定區域的建筑群——城區、社區、園區、城鎮作為低碳試點的重點區域，如2015年11月《中國國家自主貢獻》將“加快低碳社區建設”作為控制建筑領域碳排放的重要舉措之一。城市建筑群作為城市空間和人類活動的重要單元，是城市居民集中從事政治、經濟、社會活動和居住行為的主要空間載體。在能源消耗高度集中和碳排放量高度集聚的同時，人類行為的復雜性和用能設備的多樣性決定了城市建筑群碳排放源的復雜性，它既包括靜態的用氣用油設備、動態的傳統內燃機汽車和廢棄物處理過程的直接排放源，又包括以電耗為主的空調系統、照明系統、動力系統、集中供熱系統和電動汽車、電動自行車等的間接排放源。然而，邊界的確定是碳排放準確計量和實施科學管理的基本前提。眾所周知，城市空間呈現開放特質，移動交通工具的使用、人們工作生活等人類流動性活動的碳排放往往超出一個城市建筑群、一個城市乃至國家的邊界。

總體而言，城市建筑群碳排放呈現高度集聚、來源復雜、邊界模糊等特征，給相關管理主體帶來了碳排放核算和能耗終端計量與管理的諸多困難。當前，針對城市建筑群碳排放的相關研究較少，其核算邊界、方法學、水平數據獲取方法和途徑都需要進一步研究。因此，構建可供廣泛使用的城市建筑群碳排放核算模型顯得頗為重要，可直接為區域低碳改革提供碳排放核算工具，為試點低碳園區（城區、社區）的減碳目標制定與考核，低碳政策的制定、實施與調整提供科學準確的數據支撐和定量依據。

2 方法學述評與模型適用性修正

國家級的區域核算方法有IPCC方法學（聯合國政府間氣候變化專門委員會，1990年、1999年、2006年）等；省市區域（含城區和農村）的核算方法有《省級溫室氣體清單編制指南》（國家發改委，2011年）和《浙江省市縣溫室氣體清單編制指南》（浙江省發改委，2014年制定，2016年修訂補充）等；城市（建成區）的核算方法則有《城市溫室氣體核算國際標準》（世界資源研究所、C40城市氣候領袖群、國際地方環境行動理事會，2014年），以及更適合于中國城市的《城市溫室氣體核算工具（1.0、2.0）》（世界資源研究所，2015 年）；企業級的核算方法則有《工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》（國家發改委，2015年），以及24個行業的企業溫室氣體排放核算方法與報告指南；建筑碳排放方法學則有《公共建筑能耗監測系統技術規程》和《公共建筑運營單位（企業）溫室氣體排放核算方法和報告指南（試行）》（國家發改委，2015年），以及諸多基于全生命周期理論（LCA）的建筑碳核算方法學等。顯然，以上方法學對城市建筑群碳排放的核算確有可借鑒之處，但其適用性仍值得商榷。由于城市建筑群碳排放的高集聚、復雜性、邊界模糊等特征，必須對以上相關方法學進行適用性修正。

2.1 基于消費模式的碳排放源核查

《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》、《IPCC國家溫室氣體清單優良作法指南和不確定性管理》的碳源劃分、計算方法和排放因子缺省值是目前各國對溫室氣體清單編制的重要方法學。基于以上方法學，國家發改委于2011年發布了《省級溫室氣體清單編制指南》，浙江省發改委于2014年發布《浙江省市（縣）級溫室氣體排放清單編制指南》，大區域的溫室氣核算方法逐漸被確定。相對建筑群碳排放核算而言，以上方法學顯然有所局限：一是范圍過大，涵蓋能源活動、工業生產過程、農業活動、林業及土地利用變化、廢棄物處理等五大領域，對建筑群碳排放的核算缺乏針對性；二是基于生產模式，重點關注工業生產部門的能源活動直接碳排放，而非建筑群電力使用的間接碳排放。因此，本研究將構建基于消費模式的核算模型：一是修正細化碳源劃分、核算方法學以適應城市建筑群的小區域特征；二是重點關注城市建筑群終端能源消耗的直接與間接排放。

2.2 小區域精細化活動水平數據獲取

WRI、WBCSD和 ICLEI等國際組織針對城市特征構建了核算模型，如城市清單法（ICLEI 2009a/b）、《城市溫室氣體核算國際標準（測試版 1.0）》（GPC）、《中國城市溫室氣體核算工具（1.0、2.0）》。以上方法學將宏觀的國家、省、市（縣）域碳排測算方法修正了適用范圍，使之更切合城市建成區的碳排放核算，并將碳排放核算方法由生產模式轉向消費模式，但仍然面臨兩大挑戰：一是邊界模糊，城市碳排放測算方法的重點在于是否包括范疇三的活動以及活動類別，而這種清單法針對不同城市GHG的計算會因區域物質流和能量流影響的范圍、邊界差異而易被混淆［6］；二是水平數據要求精度不夠，相對粗泛，一般來源于城市級的統計數據，無法精確到某一城市建筑群（如社區）分類分項的碳源上。城市建筑群的碳排放核算恰恰需要更為細致的數據，且幾乎每一個排放源的碳排放核算方法、水平數據獲取方法都不盡相同。本研究將強調水平數據的精細化，構建適用于建筑群碳排放核算的分項分類核算方法與活動水平數據獲取方法。

2.3 著眼于使用階段的截面碳排放核算

20世紀90年代，全生命周期理論（LCA）被引入至建筑碳排放核算領域，相關研究成果將建筑物視為獨特的產品，對建筑從物化（施工過程）、使用到拆除處置等全生命周期的各個階段進行碳源界定，并基于此進行碳排放核算［7－11］。但此類方法學的核算結果并不符合城市政府的決策習慣與數據要求，城市政府對低碳發展決策更加需要建筑群某一時期內（如年度）的截面數據，而非建筑全生命周期的縱向加和數據。而《公共建筑能耗監測系統技術規程》、《公共建筑運營單位（企業）溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》等建筑碳排放核算方法僅僅關注單體建筑的碳排放核算，忽視了建筑之間的互動以及由此產生的碳排放。因此，本文研究的核算模型更加關注以下兩點：一是強調建筑群碳排放數據的決策價值，關注占全生命周期碳排放量60%—80%［12］的建筑群使用階段的碳排放；二是強調建筑群的整體性，關注建筑間互動活動產生的碳排放。

3 模型構建

3.1 模型概述

城市建筑群碳排放源可劃分為化石燃料燃燒、電力消耗、城市綠地碳匯、廢棄物處理四個部分，核算模型（圖1）計算公式為：

圖1 城市建筑群碳排放核算模型

3.2 核算方法學

化石能源燃燒：化石燃料燃燒碳排放量核算公式為：

式中，EFF為化石能源燃燒碳排放量（t）；AD為化石能源 i的消費量（TJ）；EF為能源 i的碳排放系數（t/TJ）；i為能源種類。

交通部門化石燃料核算公式為：

式中，CTF為交通部門化石燃料消費總量（t）；N為機動車保有量（輛）；S為機動車年均行駛里程數（km/輛）；TFC1為機動車百公里燃料消耗量（t）；i為燃料類型；j為車輛類型。

電力消耗：電力消耗間接碳排放量核算公式為：

式中，Eelectricity為電力消耗所產生的間接碳排放量（t）；W為用電設備耗電量（kWh）；P為用電設備電功率（kW）；t為用電設備使用時間（h）；EF為區域電網基準線碳排放因子（t/kW·h）；i為用電設備。

建筑群綠地碳匯：城市建筑群綠地碳匯指的是固碳過程，碳匯核算公式為：

式中，EFCS為某一城市綠地可吸收碳量（t）；V為綠地蓄積量（m3）；D 為樹干密度（kg/m3）；R 為樹干生物量占全層生物量的比例；CCP為植物中的碳含量比例（t－C/t－植物）；ρ為二氧化碳/碳元素分子量的比例（44/12）；i為樹種。

廢棄物處理：城市建筑群廢棄物處理的碳排放主要是固體廢棄物填埋處理產生的甲烷排放、固體廢棄物焚燒產生的二氧化碳排放和廢水處理的直接排放與間接排放。其中，固體廢棄物填埋處理碳排放核算采用質量平衡法與下式計算：

式中，ECH4為甲烷排放量（t）；MSW為填埋處理的固體廢棄物總量（t），可由總固體廢棄物×填埋處理率得到；MCF為各管理類型垃圾填埋場的甲烷修正因子，不同管理狀況的MCF值不同；i為不同區域垃圾處理方式和管理程度，分為管理、非管理深處理（＞5m）、非管理淺處理（＜5m）以及未分類的這四種類型，《省級溫室氣體清單編制指南》推薦值分別為 1.0、0.8、0.6和0.4；DOC為廢棄物中可降解有機碳（t－C/t－廢棄物）；DOCF為可降解 DOC比例，一般取值為 0.5；ρ為甲烷/碳分子量比率（16/12）；F為甲烷在垃圾填埋氣中的比例，IPCC 推薦值為 0.5；R 為甲烷回收量（t），IPCC推薦值為0；OX為氧化因子，IPCC推薦值為0.1。

固體廢棄物燃燒碳排放量核算公式為：

式中，ECO2為廢棄物焚燒處理的碳排放量（t）；i為固體廢棄物類別；IW為廢棄物的焚燒量（t）；CCW為不同廢棄物中的碳含量比例（t－C/t－廢棄物），一般干性固體廢棄物推薦值為0.3，濕性固體廢棄物為0.2；FCF為廢棄物中礦物碳在碳總量中的比例，IPCC推薦值為0.3—0.5；EF為不同類型廢棄物焚燒爐的燃燒效率，一般取值95%；ρ為二氧化碳/碳分子量比率（44/12）。

廢水處理：廢水處理碳排放包括相關的生化反應過程直接碳排放和能耗間接碳排放。前者采用生化反應過程法核算，主要產生甲烷和氧化亞氮；后者采用耗電量折算法核算，計算公式為：

式中，ECH4為甲烷排放量（t）；TOW為工業廢水中可降解有機物的總量（t），以化學需氧量（COD）或生物需氧量（BOD）為指標；S為以污泥方式清除掉的有機物總量（t－COD/BOD）；BO為甲烷最大產生能力，IPCC推薦值為 0.6t－ CH4/1t－ BOD、0.25t－ CH4/1t－ COD；MCF為不同處理系統中的甲烷修正因子，一般推薦值為 0.165；R 為甲烷回收量（t）；i為不同的處理系統。

廢水處理中產生的氧化亞氮計算公式為：

式中，EN2O為清單年份氧化亞氮的年排放量（t）；P為人口數（人）；Pr為每年人均蛋白質消耗量（t/人）；FNPR為蛋白質中的氮含量（t－ N/t－ Protein），IPCC 推薦值為 0.16；FNON－CON為廢水中的非消耗蛋白質因子，一般取值1.5；FIND－COM為工業和商業的蛋白質排放因子，一般默認值為 1.25；NS為隨污泥清除的氮（t），因統計困難，一般取值為0；EF為廢水的氧化亞氮排放因子（t－ N2O/t－ N）；ρ為氧化亞氮/氮分子量比率（44/28）。

廢水處理間接碳排量主要是污水中較容易降解部分采用電解處理法產生的碳排放。根據國家污染減排規定，廢水處理廠用電量應達到0.20—0.35kW·h/m3以上方可認定處理量。

計算公式為：

式中，EST為電解污水處理碳排量（t）；SHH為污水電解處理的總耗電量（kW／h）；S為污水的耗電系數（kW·h/m3）；ST為污水電解處理總量；EF為區域電網基準線碳排放因子（t/kW·h）。

3.3 排放因子說明

本模型的排放因子均來源于《IPCC國家溫室氣體清單指南》（政府間氣候變化專門委員會，2006年）《IPCC國家溫室氣體清單優良作法指南和不確定性管理》（政府間氣候變化專門委員會，2007年）、《省級溫室氣體清單編制指南》（國家發展和改革委員會應對氣候變化司，2011年）、《中國溫室氣體清單研究》（國家氣候變化對策協調小組辦公室、國家發展和改革委員會能源研究所，2007年）和《能源統計工作手冊》（國家統計局能源司，2010年）等。

4 模型核算實證

4.1 高教園區建筑群碳排放測算

高教園區建筑群是一個人口密集、能耗集中、功能健全的小社會，是城市建筑群的典型代表，對核算模型的碳源劃分、核算方法學、相關缺省因子的科學性、合理性有著重要的檢驗價值。從建筑功能劃分看，既有住宅區——學生宿舍，又有商業區——辦公樓、教學樓、機房、餐飲（食堂）、超市；從用能設備上看，既有電梯、空調、打印機、復印機、電腦、熱水器、飲水器、食堂耗能炊具，又有傳統內燃汽車、電動汽車、電動自行車等。因此，本研究選取某一高教園區作為模型實證研究對象，測算碳排放結果見表1。

表1 某高教園區建筑群全年碳排放量

4.2 測算結果分析

該高教園區碳排放呈現以下特征：①能耗大，以間接排放為主。該高教園區全年碳排放量高達3.7萬t，人均年碳排量約2.17t，其中電力消耗的間接排放量約為2.69萬t，占碳排放總量的72.18%，間接碳排放約為直接碳排放的2.6倍。生活用水量約為全國人均用水量的1.95倍，全年僅污水處理的碳排放量高達8800t。②碳源集中，碳排以消費模式為主。碳源主要集中在用電系統上，其中以空調系統使用為首，碳排放量約為11490t，占電耗直接排放的64.93%；而廢棄物處理占碳排放總量的25.74%，炊事等使用化石能源燃燒的直接碳排僅占2.05%。③碳匯少，減碳作用不顯著。園區綠化植被覆蓋率為18.29%，碳匯可吸收碳僅36.87t，僅占碳排放總量的 0.026%。④管理不善，節能減碳成效低下。由于碳排放核算、節能改造等工作的非常態化，該高效園區內能源資源浪費現象嚴重，公地悲劇頻發，可再生能源替代率低，經測算被浪費的能源資源折合碳排放量約為7317.16t，占全年碳排放量的19.60%。

5 對城市建筑群節能減碳的建議

5.1 促進低碳技術研發及低碳設備的推廣應用

政府應加強政策引導，加大財政扶持力度，以降低低碳技術應用與低碳終端設置成本。一是支持建筑低碳技術創新和產品設備研發，保護知識產權，推動重大技術研究攻關；二是出臺強制性法律法規或行業標準，對傳統建筑群高耗能設備進行低碳置換，規定低碳技術與設備在建筑群終端設備上的應用率；三是對低碳建筑開發商或消費者實施財政補貼，促進低碳技術與設備的推廣應用。

5.2 加強綠色低碳可再生能源的開發利用

優化建筑群能源資源結構，因地制宜地將沼氣、風能、太陽能、地熱能等清潔能源代替傳統能源的同時提升能源的利用效率。一是轉建筑群為新能源開發利用的重要單元，成為能源互聯網的在物質載體，發揮高建筑群的煙筒效應，充分利用自然風能；鼓勵采用光電瓦屋頂、光電幕墻、光電采光等太陽能發電技術提供電力。二是實現多余電能轉化儲存（如氫能、冰蓄冷），通過城市建筑群間電力智能網絡實現共享，以降低整個城市的碳排放量。

5.3 優化城市建筑群能源管理模式

首先，應在建筑群控制性詳細規劃中融入系統觀念和綠色低碳理念。將建筑群建造融入城市整體規劃中，依據城市未來發展定位建筑群功能及規模，以實現資源優化配置；基于區域氣候與地勢條件，分析能量與環境性能，對建筑群空間定位、幕墻系統、采暖和制冷方式、窗墻比、綠化面積等進行系統考量，將低碳技術與設備、新能源開發、能源互聯網等融入規劃，著力打造“被動式”超低能耗建筑群。其次，出臺城市建筑群區域減碳目標，制定“碳排紅線、合同能源、定額用能”等能耗標準，建立健全建筑群與建筑群、區域與區域之間節能減碳工作的相互激勵機制，強化減碳目標責任考核。第三，推動能源管理智慧化，建立能源資源管理系統，對碳排放、能耗狀況進行智能動態監管，健全評價機制、監控機制和決策反饋機制，實現工業化與信息化、新能源技術與信息技術的深度融合［13］。

5.4 提高低碳環保意識，推動低碳行動

節能減碳關鍵在人的低碳意識的提高，應努力培養社會公眾的低碳環保意識，建立和完善公眾參與機制。一要發揮公共機構示范作用，各級機關、事業單位、團體組織等公共機構要率先垂范，加快政府大院、辦公樓群低碳化改造［14］，營造良好的輿論氛圍和社會環境。二要發揮法律法規及政策文件在促進民眾低碳意識形成中的“規范”作用，規范并引導公民在能源資源使用和工作生活中的低碳行為；三要發揮大眾媒體和學校的教育引導作用，倡導每一個公民樹立綠色低碳的價值觀、生活觀和消費觀，形成低碳節能內在動力成為全社會的共識和自覺行動［14，15］。

6 結語

如何界定城市建筑群的碳排放核算邊界、統一測算方法，并對其進行規范化的量化評估，提出建筑群節能減碳的政策工具選擇及其組合，是城區、社區、園區、城鎮等城市建筑群設定和實現低碳發展目標的關鍵技術指標和決策參考依據。本模型不同于一般意義上的建筑物碳排放核算方法和城市碳排放核算方法，既涵蓋了建筑物碳排放，又納入了城市綠地、內部交通、道路照明以及市政設施等產生的碳排放和碳匯的統計核算。實證測算表明，該模型具有一定的適用性和可行性，可作為城市建筑群管理部門（政府部門、社區組織、園區管理方）核算相應區域碳排放量的有效工具，進而實現我國的低碳社區、低碳城區、低碳園區評價從定性到定量的轉型：①政府及相關管理部門應加強制度創新，構建城市建筑群碳排放核算的常態化工作機制，推動城市建筑群碳排放核算工作的常態化，可設立獨立部門或增設部門職權，建立專業化專職團隊與基層測算團隊；②基于本模型，編制更具針對性和操作性的《城市建筑群碳排放清單編制指南》，納入區域碳排核算方法學體系之中；③編制《城市建筑群碳排放測算操作規程》，規范測算過程權限、牽頭和配合部門、活動水平數據標準和采集方法、測算過程的質量管理、質量控制、編制日程等，并進一步將測算、核查工作納入基層考核，確保將節能減碳工作落到實處。

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Urban Building Group Carbon Emission Accounting Model Construct and Empirical Research

YE Rui－ ke，LI Yi－ wei，GAO Zhuang－ fei，WANG Li
（School of Politics and Public Administration，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China）

The premise of energy saving carbon reduction targets，policy initiatives and the evaluation of pilot effectiveness was the quantitative assessment of carbon emissions.The urban building group carbon emission accounting model drew upon synthetically from experience of many methodologies such as 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories，greenhouse gas accounting tool for Chinese cities （Pilot version 1.0/2.0），specification with guideline for quantification and reporting of building greenhouse gas emission，etc，and revised them based on characteristics of urban buildings carbon emission.The results showed that the urban building group carbon emission accounting model was an effective tool of regional carbon emission accounting，low carbon development plan，goal setting，policy agenda and effectiveness evaluation for the government and governing bodies.

urban building group；carbon emission accounting model；energy saving and carbon reduction；low carbon pilot community

X830；X824.2

A

1005－8141（2017）11－1295－05

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.11.003

2017－09－05；

2017－10－24

國家社科基金青年項目“新型城鎮化背景下我國清潔能源發展戰略、激勵機制與政策工具研究”（編號：15CZZ025）；浙江省哲學社會科學規劃優勢學科重大委托項目“我國低碳城市建設評價指標體系研究”（編號：16YSXK13ZD）。

及通訊作者簡介：葉瑞克（1980－），男，浙江省溫州人，副教授，浙江工業大學綠色低碳發展（資源環境政策）研究中心副主任，主要從事資源環境管理與政策研究。