低碳園區(qū)能流-碳流分析方法及案例分析

張改景

上海市建筑科學(xué)研究院

0 引言

隨著我國新型城鎮(zhèn)化的建設(shè)發(fā)展，城市建設(shè)低碳化、智慧化、綠色化、健康化是我國和全球城市建設(shè)總體發(fā)展的趨勢。園區(qū)作為城市建設(shè)的重要組成部分，低碳化發(fā)展也是當(dāng)務(wù)之急。目前，低碳園區(qū)在制定提高能效和控制碳排放量的決策工作中，由于科學(xué)手段的缺乏，只能依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從能源消費(fèi)的角度得到各產(chǎn)業(yè)部門或各工業(yè)行業(yè)的能源消費(fèi)排名，作為規(guī)劃和決策的依據(jù)[1]。低碳園區(qū)的建設(shè)亟需能夠反映能源在生產(chǎn)、加工轉(zhuǎn)換和消費(fèi)的流動過程中，輸入對輸出的關(guān)聯(lián)關(guān)系與驅(qū)動影響規(guī)律的能流-碳流系統(tǒng)分析調(diào)控模型。因此，本文以低碳園區(qū)的能流-碳流分析模型構(gòu)建方法及案例分析為研究對象，以期構(gòu)建具有科學(xué)性和使用性的低碳園區(qū)能流-碳流分析工具，提高園區(qū)能源規(guī)劃決策水平和效率。

1 國內(nèi)外能流-碳流研究現(xiàn)狀

1.1 能流-碳流分析方法在國家層面的應(yīng)用現(xiàn)狀

能流圖，也稱能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖或系統(tǒng)能流及能源效率圖，是可視化分析既定能源系統(tǒng)能源供需平衡和有效利用程度的工具。1898年，愛爾蘭工程師Sankey首次使用能流圖表示蒸汽引擎的能源效率[2]。此后，能流圖廣泛用于表達(dá)能源或其它物質(zhì)的流通情況。1972年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室首次公布了美國的國家能流圖，之后每年都會定期更新公布國家能流圖[3]。隨著對能流圖認(rèn)識和應(yīng)用的不斷深入，各個國家都相繼在能流數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行能流圖的繪制[4-5]。能流圖直觀、形象地展示了一個地區(qū)或國家的能源統(tǒng)計概況，在國際上得到廣泛應(yīng)用，有利于國際間的平行對比（見圖1）。

圖1 各個國家能流圖應(yīng)用分析[6]

能流-碳流圖是在能流圖的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，在能流圖中增加了能源的碳數(shù)據(jù)，描繪能量流動過程中伴隨碳流，在分析能源效率的同時研究碳排放的特點(diǎn)，對能源利用的環(huán)境效益進(jìn)行更深入的分析。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室通過繪制和推測國家不同年份的能流-碳流圖，分析了美國實(shí)現(xiàn)2050年減排目標(biāo)所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，提出了合理的建議和對策[7]（見圖2）。常文韜通過構(gòu)建城市能流-碳流系統(tǒng)，提出SO2、NOx、CO2三種污染物協(xié)同減排的具體方案[8]。

圖2 美國2050年能流-碳流圖應(yīng)用分析

1.2 低碳園區(qū)與國家層面的能流-碳流分析差異性

園區(qū)能流-碳流圖的方法和思路與構(gòu)建國家能流圖具有一定的差別，在能流-碳流圖的層級結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)分類收集、一次能源關(guān)注點(diǎn)、終端消耗分類等方面都有不同。

（1）數(shù)據(jù)來源和統(tǒng)計方法。包括兩個方面：一是應(yīng)用于規(guī)劃設(shè)計階段的能流-碳流圖數(shù)據(jù)來源于基于園區(qū)規(guī)劃資料的模擬和預(yù)估數(shù)據(jù)；二是應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)營階段的能流-碳流圖數(shù)據(jù)來源于園區(qū)實(shí)際運(yùn)行的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并合理建立園區(qū)的能源平衡表和碳流數(shù)據(jù)庫。

（2）能流-碳流圖層級結(jié)構(gòu)。能流-碳流圖的層級結(jié)構(gòu)參考國內(nèi)外的普遍形式，基本流程為一次能源輸入-加工轉(zhuǎn)換-消費(fèi)終端。

（3）一次能源結(jié)構(gòu)。園區(qū)相對于國家能流圖結(jié)構(gòu)，從某種程度上屬于能源消費(fèi)終端，在二次能源輸入上包括市政能源輸入以及園區(qū)自產(chǎn)能源。其中，市政能源部分包括外部輸入園區(qū)的二次能源所利用的一次能源，包括園區(qū)外電力生產(chǎn)所需的各類一次能源、天然氣、原油等。園區(qū)內(nèi)部自產(chǎn)二次能源所使用的一次能源包括可再生能源發(fā)電、產(chǎn)熱所需的太陽能、冷熱電三聯(lián)供所需的天然氣等。從而看出，園區(qū)的一次能源結(jié)構(gòu)中，無法改變市政輸入的二次能源所消耗的一次能源結(jié)構(gòu)，但是可以通過增加自產(chǎn)能源改變園區(qū)整體一次能源的結(jié)構(gòu)。

（4）終端消費(fèi)分類。國家的能流-碳流圖是以全社會的能源供應(yīng)消費(fèi)為研究對象，其分類以體現(xiàn)全社會能源消耗結(jié)構(gòu)的大類為基礎(chǔ)，例如分為工業(yè)、民用、交通、市政等。對于園區(qū)而言，其社會性質(zhì)較為單一，能源消費(fèi)對象相對較為具體，因此終端消費(fèi)分類應(yīng)更加細(xì)化，可分為基礎(chǔ)設(shè)施和建筑兩大類。根據(jù)各類能源消耗特點(diǎn)進(jìn)一步的分類，例如基礎(chǔ)設(shè)施可分為交通、公共照明、公共供熱供電設(shè)施等，建筑能耗可分為辦公、住宅、商業(yè)等。

2 低碳園區(qū)能流-碳流圖分析方法

2.1 相關(guān)定義

園區(qū)能流圖是以圖形的形式由左向右描述園區(qū)一定時期內(nèi)的能源流動過程，由圖形、數(shù)據(jù)和文字構(gòu)成，能形象、直觀地描述能源利用的各個環(huán)節(jié)。能流圖和基于能流圖開展的能源系統(tǒng)效率研究已成為支持和影響政策制定的工具、支持科學(xué)研究的平臺、開展國際間交流和比較的基礎(chǔ)。應(yīng)用能流圖可分析既定能源系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的能源活動水平、消費(fèi)結(jié)構(gòu)、技術(shù)種類和水平以及能耗密度的現(xiàn)狀、歷史（演變）、未來趨勢，并可用于校驗(yàn)情景分析的過程和結(jié)果。

碳流系統(tǒng)是利用全生命周期評估理論對碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，能流-碳流系統(tǒng)中的碳流主要指與能源消耗、轉(zhuǎn)換相關(guān)的碳排放數(shù)據(jù)。碳流系統(tǒng)不是獨(dú)立的系統(tǒng)，是能流系統(tǒng)的嵌套、衍生系統(tǒng)，建立兩者結(jié)合的分析系統(tǒng)模型，對于分析能源效率、減排措施具有重要的指導(dǎo)作用，主要體現(xiàn)在四個方面：一是可將協(xié)同理論應(yīng)用于溫室氣體減排，為協(xié)同減排提供理論支持；二是能夠體現(xiàn)可控驅(qū)動的的關(guān)鍵因素及其機(jī)理，體現(xiàn)能流、碳流的來源與去向，擴(kuò)展了能流圖的功能范圍；三是可直觀、形象地展示園區(qū)的能源結(jié)構(gòu)、能源流向、碳流向等統(tǒng)計情況，并通過關(guān)鍵因素的識別，提升環(huán)境管理與能源規(guī)劃決策水平和效率；四是為節(jié)能減排提供科學(xué)實(shí)用的分析方法和工具，并判斷關(guān)鍵性減排因素，獲得最優(yōu)減排方案。

2.2 運(yùn)行機(jī)理

建立低碳園區(qū)能流-碳流系統(tǒng)分析模型是分析園區(qū)能源結(jié)構(gòu)、效率及碳排放關(guān)鍵因素的有效工具。模型的基礎(chǔ)是通過梳理園區(qū)能源輸入、流動以及輸出的關(guān)系，并加入相關(guān)子系統(tǒng)、子過程的碳排放數(shù)據(jù)，把握城區(qū)能源消耗及效率、碳排放特點(diǎn)，從而識別影響園區(qū)智慧運(yùn)行過程中的關(guān)鍵影響因素，為園區(qū)高效運(yùn)行以及可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策工具。

低碳園區(qū)的能流-碳流系統(tǒng)分析模型的前端輸入是園區(qū)內(nèi)各類、各區(qū)域能源消耗的數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌過程是各種能源的碳排放分析模型，模型動態(tài)流動的數(shù)據(jù)包括各種形式的能源以及相關(guān)碳量，輸出的是園區(qū)的能源消耗數(shù)據(jù)和碳排放數(shù)據(jù)，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的分析結(jié)論、影響的關(guān)鍵因素、提煉的改善措施等，具體運(yùn)行機(jī)理總結(jié)見圖3。

圖3 低碳園區(qū)能流-碳流分析模型運(yùn)行機(jī)理

2.3 低碳園區(qū)能流-碳流框架圖

1）園區(qū)能流-碳流分析模型結(jié)構(gòu)。園區(qū)能流-碳流圖主體的層次結(jié)構(gòu)遵循國內(nèi)外研究的普遍形式是一次能源-加工轉(zhuǎn)換-能源消費(fèi)終端。每個階段主要包括的分析對象及分類如表1所示。園區(qū)能流-碳流圖的主體數(shù)據(jù)類別主要包括能源數(shù)據(jù)和碳排放數(shù)據(jù)兩大部分，兩類數(shù)據(jù)的主要來源主要包括：一是文獻(xiàn)資料，如類似研究、案例或相關(guān)研究成果等；二是生產(chǎn)廠家，如建筑材料、產(chǎn)品等生產(chǎn)廠家；三是其它途徑等。

2）建立園區(qū)能流-碳流主體模型后，還需兩大內(nèi)嵌子模塊將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能流-碳流圖所需呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)，兩大模塊分別為碳排放計算模塊和能源轉(zhuǎn)換模塊。

3）通過識別園區(qū)全生命周期中各階段對能流-碳流造成影響的因子，對比不同規(guī)劃方案、技術(shù)應(yīng)用對園區(qū)能流-碳流的影響，達(dá)到優(yōu)化的最終目的。初步識別的影響因子如表2所示。

表1 園區(qū)能流-碳流層次結(jié)構(gòu)分析對象

4）通過識別園區(qū)能流-碳流圖各部分的分析對象后，在梳理各部分之間邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，可建立園區(qū)能流-碳流圖的整體框架，如圖4所示。

2.4 低碳園區(qū)能流-碳流圖繪制方法

根據(jù)前面的研究成果，低碳園區(qū)的能流-碳流圖的繪制步驟具體為如下三步。

圖4 低碳園區(qū)能流-碳流圖框架

（1）數(shù)據(jù)收集。主要包括分析或收集實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)、各類能源生產(chǎn)設(shè)備的效率數(shù)據(jù)、各類能源消耗終端的能源利用效率數(shù)據(jù)、各類能源與碳排放之間轉(zhuǎn)換關(guān)系數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)分析。對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、統(tǒng)計和分析。根據(jù)能流-碳流圖應(yīng)用目的，對一次能源、轉(zhuǎn)換過程及消耗終端進(jìn)行合理分類，將相對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算，最終獲得總能源和碳排放數(shù)據(jù)以及各分類的相關(guān)數(shù)據(jù)，為繪制能流-碳流圖奠定良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）圖形繪制。根據(jù)以上研究內(nèi)容，采用直接繪制或編程自動繪制低碳園區(qū)普適性的能流-碳流圖（如圖5）。該圖為手動直接繪制的普適性、無具體數(shù)據(jù)的能流-碳流圖，繪制過程中僅考慮各層級對象分類以及能源、碳的流向，其中包括一次能源、能源轉(zhuǎn)換方式及能耗終端三個級別對象，各個對象之間的連線表示能流或碳流數(shù)據(jù)的流向及大小，連線的寬度根據(jù)各條連線能流或碳流數(shù)據(jù)與總量之間的比例進(jìn)行繪制，通過寬度的不同體現(xiàn)數(shù)據(jù)的大小，能源流向?yàn)閺淖笾劣遥妙伾硎静煌茉戳飨颉＠L制的主要目的是為能流-碳流圖在低碳園區(qū)的實(shí)際案例應(yīng)用提供詳細(xì)的思路。

圖5 低碳園區(qū)能流-碳流圖（普適性示意圖）

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目包括已建區(qū)、改建區(qū)和新建區(qū)，總建筑面積31 065m2。建筑功能包括辦公建筑、工業(yè)建筑、實(shí)驗(yàn)樓、食堂等。研究主要目標(biāo)是基于既有園區(qū)運(yùn)營數(shù)據(jù)，繪制能流-碳流圖，評估低碳園區(qū)用能現(xiàn)狀和碳排放情況，針對性地提出優(yōu)化改善措施。基于園區(qū)低碳減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的情況下，預(yù)測分析低碳園區(qū)總體碳排放量，并對未來新建建筑提出設(shè)計要求。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 園區(qū)整體能流-碳流分析結(jié)果

園區(qū)主要能源結(jié)構(gòu)包括天然氣、太陽能和市政電，其中市政電占比89.39%，園區(qū)的天然氣使用大戶為1號樓（實(shí)驗(yàn)用）和11號樓（職工食堂），園區(qū)的用電大戶為5號樓（辦公+實(shí)驗(yàn)）和15號樓（辦公+實(shí)驗(yàn)），園區(qū)年單位建筑面積能耗29.6kgce/m2，比上海市商業(yè)辦公建筑先進(jìn)值33kgce/m2降低10.3%，若扣除實(shí)驗(yàn)用能及餐廚用能，其降低比例更多（見圖6）。

園區(qū)單位建筑面積碳排放量約為76.3kgce/(m2·a)，是有些文獻(xiàn)研究結(jié)果141.64kgce/(m2·a)[9]的54%。園區(qū)的碳排放大戶為5號樓（辦公+實(shí)驗(yàn)）和15號樓（辦公+實(shí)驗(yàn)），主要用能為市政電。天然氣的碳排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于市政電。

通過園區(qū)能流圖分析結(jié)果可知，有些用能單元的耗能計量方式只分空調(diào)+動力，有些按樓層計量，有些按照空調(diào)、照明、動力、插座、電梯及大廳分類計量。各個用能單元的計量方式不統(tǒng)一，不利于園區(qū)各用能單元的平行比，也不利于制定各個用能單元的節(jié)能改造措施。

3.2.2 某棟建筑的能流-碳流分析結(jié)果

利用對單棟樓的碳排放結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而有針對性的制定減碳措施。如該園區(qū)的1號樓，其碳排放來源主要為市政電和天然氣，其占園區(qū)總碳排放量比例分別為0.9%和4.3%，有效降低本樓的市政用電和增加可再生能源的利用可以有效降低本樓的碳排放量（見圖7）。

圖6 某低碳園區(qū)能源-碳流圖

圖7 某棟建筑的能流-碳流分析結(jié)果

4 小結(jié)

本文通過對國內(nèi)能流-碳流方法研究現(xiàn)狀調(diào)研分析，總結(jié)梳理了低碳園區(qū)與國家層面的能流-碳流方法的差異性，剖析了低碳園區(qū)能流-碳流的運(yùn)行機(jī)理，形成了低碳園區(qū)能流-碳流分析普適性分析框架，建立了低碳園區(qū)能流-碳流圖繪制方法，并在某園區(qū)中進(jìn)行示范應(yīng)用分析，具有良好的應(yīng)用價值。

研究發(fā)現(xiàn)能流-碳流圖對園區(qū)的建設(shè)運(yùn)營具有良好的實(shí)際應(yīng)用價值，可通過能流分析為園區(qū)的部分規(guī)劃指標(biāo)體系決策提供依據(jù)，為能源利用效率、能源結(jié)構(gòu)、能源設(shè)備選型等方面提供一定的指導(dǎo)，可通過碳流分析為園區(qū)建設(shè)的低碳指標(biāo)進(jìn)行合理化定位，為識別園區(qū)碳排放關(guān)鍵因素提供有效工具。能流、碳流兩者的結(jié)合分析具有一定的必然性，是實(shí)現(xiàn)低碳園區(qū)建設(shè)，提高能源高效利用的必要手段。