雙碳背景下建筑碳排放動態基準線研究

鄭立紅 周志華 郭而郛 王辰冬 羅丹吳

（1.天津大學環境科學與工程學院 天津 300354；2.天津生態城綠色建筑研究院有限公司 天津 300467）

0 引言

眾所周知，當前能源消耗持續增長，能源危機問題明顯，節能減排形式嚴峻，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重要。2018年，僅中國就占全球能源消耗的22%，燃料燃燒產生的CO2排放總量的29%[1]。據國際能源署統計，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，故建筑節能減排是實現碳達峰和碳中和目標的關鍵。中國特色社會主義進入新時代，我國社會主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾。隨著我國國際地位的不斷提高，經濟增長速度保持穩定向前，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，故應設立合理并行之有效的能耗基準線，控制建筑能耗總體碳排放，進而實現“30·60”目標。

國內外關于基準線的研究較多，在碳排放研究方面，張孝存[4]采用混合法構建了單體建筑全生命周期碳排放的量化體系，并采用基于數據質量評價的半參數化概率分析，對碳排放量化的不確定性進行了研究。楊斯慧[5]我國公共建筑碳交易現狀進行了梳理，分析了我國公共建筑碳交易過程中碳排放責任劃分、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整思路。孫穎[6]在分析碳配額分配影響因素的基礎上，對比分析不同的配額分配方法，選擇熵權法和基準法構建了一套系統的公共建筑碳排放配額初始分配體系。在能耗基準線研究方面，朱能[7]等對統計學方法、線性回歸法、四分位法、概率分布法進行了對比，確定能耗基準線并進行了校園案例研究。李月寒[8]等人則結合上海市公共建筑實際運行數據對基準線進行了動態調整，使其更加適應碳交易體系，張慈枝[9]基于監測平臺的實測數據樣本，運用統計分析方法，制定教學樓、學院、學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能改造提供參考依據。

從以上分析可以看出，現有文獻大多偏向于對能耗基準線的研究，而針對能耗設定值與碳排放指標相結合的研究內容較少，由此，本文根據寒冷地區某區域實際能源消耗數據確定了不同情景動態碳排放基準線，以此作為城市能源規劃和運行管理的依據。

1 技術路線

采用建筑行業碳排放總量和碳排放強度雙控措施，首先根據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線，采用不同情景分析基準線是否滿足達峰要求，最后結合國家和地方政策制定達峰情景下的基準線和實施方案，如圖1所示。

圖1 技術路線圖Fig.1 technical roadmap

2 研究方法

2.1 指標選擇

我國建筑能耗基準線的研究和應用包括兩類，第一，基于基準模型的能耗基準線，第二就是基于統計數據的能耗基準線[10]，后者更側重于建筑的實際能耗水平。本文借鑒能耗基準線的制定方法，統計各類型民用建筑實際碳排放數據，根據算術平均法、四分位法、線性回歸法、概率分布法等統計學方法確定該行業的動態基準線。常用的基準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值碳排放強度[11]，對于建筑行業，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、周期性與復雜性的特點，因此影響因素考慮越全面，分類越詳細，基準線設定將越精準。將影響建筑碳排放的主要影響因素進行劃分如下：

（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，各項節能標準的制定、能耗監測要求和審計工作的開展也經常按照建筑類型進行分類。故此，按建筑類型將研究對象分為居住建筑、公共建筑和工業建筑；其中，公共建筑按照功能分為政府辦公、中小學、幼兒園、辦公建筑、商業建筑、酒店、文娛設施以及場站類建筑。

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

（3）節能標準[6]。建筑圍護結構、建筑規模、照明功率密度、新風量指標、設備功率密度等設計值都會影響建筑能耗，而不同的節能標準對應不同的性能要求，本文按照居住建筑從四步節能到五步節能，公共建筑從二步節能到三步節能進行區分和設置。

2.3 基準線研究方法

為了提高數據準確度，本文以建筑3年平均能耗作為基礎數據。能耗基準線的計算方法有很多種，包括單項目基準線、多項目基準線、技術標志基準線和混合基準線等方式。單項目基線一般針對單體項目設立，適用性強、數據可獲取性高，但長期收集數據，會存在成本高和工作重復的問題。多項目基準線是針對一類具有相似特征項目群設置的基準線，數據透明度高，后期工作量少，但在初期測算時數據采集成本很高。技術標志基準線是將采用相對先進水平技術所產生的碳排放量作為統一排放標準的基準線，科學性高、適用范圍廣，但可操作性較差，難以實際落實。混合基準線則是以上幾種方法的組合，從技術角度來說比較復雜，但均衡性較好。本文采用多項目基準線，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象或某種趨勢將持續到未來的前提下，對預測對象可能出現的情況或引起的后果做出預測的方法，通常用來對預測對象的未來發展趨勢做出種種設想或預計，是一種直觀的定性預測方法。LEAP 是一個集成的、基于場景的建模工具，是斯德哥爾摩環境研究所開發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 多個國家的數千個組織采用，正在迅速成為各國進行綜合資源規劃、溫室氣體（GHG）緩解評估和低排放發展戰略制定（LED）的研究工具。

LEAP 模型采用的是自下而上的計算方法，根據碳排放影響因素和能源種類建立合理的數據結構，輸入碳排放系數和能源強度等數據，由LEAP軟件計算結果，并可直觀判定是否達峰。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為節能標準；qs,l為單位建筑面積排放強度。

3 能源和碳排放現狀

3.1 能源現狀

本文中的電、氣、熱能源數據源于區域數據平臺，通過監測用戶電表燃氣表和熱表，將數據采集并上傳，基準線的初步確認常用方法為均值法、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，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位置的數值分別記為下四分位數、中位數和上四分位數作為排放基準，一般選用上四分位數作為基準值，即有25%的建筑超出規定限額，通過審計后需要進行節能減排。

聚類分析法是利用SPSS 軟件的聚類分析，將數據導入軟件，輸入聚類數為4，最大迭代次數為20，收斂因子為0.02。再根據各聚類中心的中點邊界來確定能耗基準線，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果Table 1 Calculation results of energy consumption intensity by mean method

通過分析發現，聚類分析法數據偏高，如電耗為47.23kWh/m 的基準線，95%的項目均能滿足，不利于節能減排的工作，綜合考慮上海等其他區域基準線制定方法，本文選定四分位法作為基準線研究方法，代入碳排放模型進行達峰測算。

3.2 碳排放現狀

通過區域能源平臺，獲取各項目的實際能源情況，根據《建筑碳排放計算標準》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、文體設施碳排放較高；而從兩種采暖方式對比可以發現，地源熱泵的節能潛力較大，故需要將降低電力碳排放和重點領域碳排放作為實現碳達峰目標的突破口，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 情景設置

根據十三五建設情況和十四五綠色建筑專項規劃要求，現制定情景如下：

（1）基準情景。新建建筑按照現在標準建設和運行，即住宅建筑滿足四步節能要求，公共建筑滿足三步節能要求，包含可再生能源，既有建筑不進行改造。

（2）節能情景。新建住宅全部執行五步節能標準，新建公建2020-2025 全部執行三步節能，2026年以后執行四步節能，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。在節能情景基礎上提高可再生能源利用率，同時對既有建筑進行能源管控，大面積推廣零能耗建筑。

（4）達峰情景。在低碳情景基礎上，優化能源結構，降低建筑碳排放水平，使其實現2030年碳排放達峰。

4.2 情景分析

在模型中輸入2021年至2040年規劃各類型建筑面積、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，預測范圍為2021年至2040年，最終得出碳排放情況如圖3所示。達峰情景下，建筑碳排放在2030年達峰，碳排放量控制在2402.3 千噸CO2以內，比基準情景碳排放降低35.82%。至2040年，達峰情景碳排放量為2148.6 千噸CO2以內，比基準情景碳排放降低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 達峰基準線

碳排放因子會隨著國家政策的完善逐漸降低，基準線也逐年調整。經測算，若建筑碳排放于2030年達峰，此年基準線的模擬結果為：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，商業機構為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，醫療為75.79kgce/m 。

圖4 建筑2030年碳排放基準線（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 碳達峰實施路徑

（1）大力調整能源結構，發展新能源替代行動

隨著建筑面積的增加，建筑能源需求呈現逐年增長狀態，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碳達峰目標，如圖6所示，故必須提高可再生能源應用比例。

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

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

（2）全面執行節能標準，提升建筑能效水平

在增加可再生能源比例基礎上，同步推進建筑節能，形成建設領域能耗總量和能耗強度“雙控”目標，2021年全面執行居住建筑五步節能標準，2026年全面執行公共建筑四步節能標準，推動新建建筑嚴格實施節能措施，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。推進綠色建材評價認證和推廣應用，建立綠色建材采信機制，并進行設計、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，對既有建筑能耗進行管控和約束，進行節能服務體系建設，促進各類節能技術服務機構的創新模式和領域拓寬，增強服務能力，提高服務水平。推動綠色債券、綠色信貸等綠色金融工具應用，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，較基準情景比可降低碳排放量約13.43%。

（3）加大科技攻關力度，推動綠色低碳技術實現重大突破

依托城區和項目級能耗監測平臺，推進能耗統計和公示，加強智慧節能的應用，做到科技節能，研究探索能耗監測、運行大數據挖掘與建筑節能改造工作的有機反饋和聯動機制，充分挖掘節能降耗潛能，建立長效節能機制。應用碳捕捉和存儲技術（“CCS 技術”），從生產活動中將二氧化碳從空氣中分離出來，運輸到已開采油田、海洋等其他安全地下場所進行封存，可使得建筑行業更早實現碳達峰。

6 結論

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

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

（3）根據建筑能耗排放現狀，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化的動態碳排放基準線，經測算，2030年碳排放指標為：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，商業機構為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，醫療為75.79kgce/m 。

（4）當前建筑有較大的節能潛力，應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。