長春地區城鎮冬季供暖技術路徑及碳排放研究

摘要：我國已提出“3060”目標，即二氧化碳的碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。建筑能源系統作為建筑的組成部分，其能耗與碳排放是建筑節能減排的重要領域。供熱低碳發展是實現碳達峰、碳中和的重要手段之一，通過清潔能源替代化石燃料實現供暖低碳發展具有重要意義。分析了長春地區冬季供暖現狀，包括長春用能發展現狀和冬季主要供暖技術路徑等。評估其碳排放必須首先明確建筑能源系統碳排放的計算方法，并通過建筑模擬手段對不同清潔供暖技術路徑進行對比分析。研究得出，長春地區城鎮減碳量最高的為集中生物質供暖，其次是燃煤鍋爐供暖的技術路徑，此結果主要受供暖面積影響。單位面積減碳量結果顯示，減碳量較多的是生物質鍋爐和熱泵供暖技術路徑，燃氣鍋爐和燃煤鍋爐單位減碳量較少。在綜合評價中，最優的是水源熱泵，但在供暖技術路徑的選擇需因地制宜進行考量。

關鍵詞：嚴寒地區；清潔供暖；碳排放計算

中圖分類號：TU832.1" "文獻標識碼：A" "文章編號：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世紀末起，全球氣候變化引起了廣泛的國際關注。在這一環境議題中，全球變暖位居核心位置，其中最為關鍵的因素是溫室氣體的大量排放。研究指出，人類活動所導致的碳排放量急劇增加，是致使全球氣溫升高的主要因素。我國由于能源消費和生產規模龐大，且以化石能源為主導，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，呈急劇上揚趨勢。建筑能耗約占全社會總能耗的30%，其中供暖和空調能耗約占總能耗20%[2]。長春市作為中國東北地區的重要城市之一，2021年采暖面積達40 867.3萬m2，占總建筑面積的91.1%。在其采暖能耗中，燃煤供暖所產生的碳排放量高達89.3%，清潔能源供暖如電和天然氣的比例為10.9%。由于長春市冬季大氣污染物濃度偏高，尤其是PM2.5和PM10等細顆粒物的排放，致使其在實現污染物減排目標上面臨重大挑戰。

1 建筑能源系統碳排放評價方法研究

碳排放是指在能源生產、工業生產以及其他人類活動中釋放到大氣中的CO2等溫室氣體的過程。這些溫室氣體對地球的氣候產生影響，導致全球氣溫升高，氣候問題日益嚴重。因此，對碳排放的關注成為當今社會環境保護和可持續發展的焦點之一。

建筑碳排放是指建筑產品在其整個生命周期中產生的溫室氣體排放量，主要以CO2當量值進行量化。CO2的排放導致地表反射到太空中的長波熱輻射增加，進而導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，冬季供暖成為一個重要的碳排放源。傳統的供暖方式主要依賴于燃煤，而燃煤釋放的CO2和其他污染物對環境和空氣質量造成不良影響。

碳排放因子的計算過程應遵從《IPCC國家溫室氣體清單》的指引，該指引詳細列出了應當計算的所有溫室氣體類別，并推薦使用CO2當量值作為衡量單位。通過將實際氣體排放轉換成CO2當量，能更全面地評估不同活動對環境的影響[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。這些不同類別的排放因子為能源轉換、電力產生和消耗導致的CO2排放量提供了量化依據。

化石能源碳排放因子包括化石能源在生產和消耗過程當中所引起的碳排放總和，包含了化石能源開采、加工以及運輸過程。其計算公式如下：

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與碳的相對分子量之比。

本文所選用的碳排放因子數值經由嚴謹計算獲得，以確保分析結果的準確性和科學可靠性（見表1）。在實際應用中，這些因子將被用于評估建筑能源系統所產生的碳排放量，從而為減少溫室氣體排放提供重要依據。需注意的是，在不同地區和條件下，碳排放因子的數值可能存在一定的差異性，因此在實施碳排放計算時，應當根據具體情況合理調整因子值，以準確反映當地獨特的能源消耗特征和碳排放情況。

為了提供準確的數據支持，生態環境部于2023年2月7日發布了《關于做好2023—2025年發電行業企業溫室氣體排放報告管理有關工作的通知》，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生1 kW·h的電能所伴隨的CO2排放。這個數值是基于全國范圍內各種發電方式的綜合考量得出的，可以作為評估建筑能源系統電力消耗導致的碳排放量的參考標準。

2 長春市城鎮建筑運行階段碳排放計算

目前，對于長春市而言，城市集中供熱系統不僅在提高供暖效率上有著顯著的優勢，同時其在節能降耗方面也顯示出其關鍵作用。長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m2，其中清潔供暖面積18 859.2萬m2。城區供暖面積29 795.9萬m2，其中清潔供暖面積16 444.0萬m2；縣城4 824.7萬m2，其中清潔供暖面積2 318.2萬m2。城區及縣城基本形成了以熱電聯產和區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。長春市供暖情況見表2。

2.1 軟件的選擇與應用

本文對EnergyPlus能耗模擬軟件進行了全面了解，并選擇了SketchUp和OpenStudio兩款輔助建模軟件。SketchUp軟件簡單易用，本文選擇了OpenStudio，該插件的簡圖見圖1[6-9]。

考慮到長春特有的冬季氣候條件和供暖期限制，運用了SketchUp建模軟件和OpenStadio負載模擬軟件，定制化地模擬分析了幾種供暖方式在建筑模型內的性能，并結合《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》的數據，以期達到準確的模擬結果。供暖設備的模擬包括燃煤鍋爐、電鍋爐、燃氣鍋爐、生物質鍋爐、空氣源熱泵、地源熱泵和太陽能板。

3 長春地區城鎮供暖碳排結果分析

基于前文設定的建筑作為運行階段能耗的計算依據。采用此計算依據，可以更加準確地評估供暖方案運行階段的碳排放情況。研究發現，將供暖技術路徑按照減碳量從大到小排序，依次是：集中生物質鍋爐供暖、燃煤鍋爐熱電聯產、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氣鍋爐供暖（見圖2）。

在單位面積年均供暖碳排放方面，集中生物質鍋爐在長春冬季表現出最高的碳排放水平（見圖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。

在對長春市供暖系統能耗和碳排放數據進行詳細分析之后，可以明顯觀察到各供暖技術之間存在顯著的性能差異。

4 長春供暖結果綜合評價方法

4.1 綜合評價方法

在長春冬季供暖中，由于碳排放量的量化和比較結果不充分，計算出不同供暖技術的碳排放和能耗存在顯著差異，僅僅依靠數值比對進行研究分析是不夠全面的。因此，為綜合評估碳排放量和經濟性獨立變量之間的關系，本文引入了一種綜合評價方法，旨在對各項供暖技術路徑的參數進行對比分析并找到最優解。

通過建立碳排放量評價目標函數，并考慮碳排放量、供暖能耗和經濟性三個指標，從而合理地權衡它們之間的重要性。目標函數的公式如下：

Q=p■W■■+p■W■■（2）

式（2）中：p和W分別為指標i的懲罰因子和權重函數，*為調保參數控制值。在供暖期間，期待達到碳排放量和產生費用越低越優。因此，將碳排放量所對應的權重系數設為0.6，而將產生費用所對應的權重系數都設定為0.4。通過這一綜合評價方法，不僅能夠使各個參數滿足設定的標準，而且能夠找到最優的供暖技術方案。

4.2 長春供暖技術路徑分析及比對

在進行調研后，針對長春地區不同的供暖技術路徑，這些費用對比結果提供出清晰的選擇標準，以便在滿足供暖需求的同時，更好地平衡經濟、環保和可持續性考慮。根據調研，不同的供暖技術路徑的費用見表3。

通過圖2及表3的數據，代入式（2），得到長春城鎮供暖最優化路徑，使長春市的供暖系統能夠在實現低碳目標的同時降低生產費用。通過比較不同技術的經濟性、能源利用等因素，能夠更全面地評估每種技術的優劣（見圖4）。結果顯示：從中可以看出，評估值最高為水源熱泵1.88，其次是地源熱泵1.65，生物質鍋爐評估值也相對較高1.61。

5 結論

在長春實際供暖中，不同供暖技術的減碳量存在差異。生物質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鍋爐供暖，燃煤鍋爐供暖單位減碳量較少，燃氣鍋爐單位減碳量最少。因此應該廣泛推廣可再生能源與清潔能源進行供暖，減少使用燃煤鍋爐供暖。

通過對不同供暖技術路徑的費用和減碳量進行考量，綜合評價最優的是水源熱泵供暖技術路徑，為1.88，生物質鍋爐綜合評價較好，為1.61。但在供暖方式選擇上還要因地制宜，比如在長春地區進行生物質鍋爐供暖，生物質燃料的收集、儲存、運輸可能未必適用，雖然它的燃料被認為是碳中和的，但是燃燒過程中會產生灰塵和其他污染物，所以對于長春地區，該形式可作為碳中和、碳達峰中間過渡的供暖形式。

參 考 文 獻

[1]湯璇.建筑節能需政府與市場合力推動[N].廣東建設報，2008-03-14（A01）.

[2]楊方德，倪丹，彭淑英，等.西藏地區民居建筑太陽能+空氣源熱泵供暖系統性能及碳排放淺析[J].暖通空調，2023，53（S1）：：1-3.

[3]陳超，薄艾，劉亞運，等.建筑碳排放量計算方法發展歷程[J].工程質量，2023，41（5）：60-65.

[4]GENG Y，WANG Z，SHEN L，et al.Calculating of CO2 emission factors for Chinese cement production based on inorganic carbon and organic carbon[J]. Journal of Cleaner Production，2019，217：503-509.

[5]顧亮.淺析城市軌道交通客流因素對碳排放強度的影響[J].城市軌道交通，2023（6）：31-34.

[6]CRAWLEY D B，LAWRIE L K，WINKELMANN F C，et al.EnergyPlus：creating a new-generation building energy simulation program[J].Energy and Buildings，2001，33：319-331.

[7]RAMOS G，GHISI E.Analysis of daylight calculated using the EnergyPlus programme[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14（7）：1948-1958.

[8]CRAWLEY D B，LAWRIE L K，WINKELMANN F C，et al.EnergyPlus：creating a new-generation building energy simulation program[J].Energy and Buildings，2001，33（4）：319-331.

[9]GUNAY H B，O′BRIEN W，BEAUSOLEIL-MORRISON I.Implementation and comparison of existing occupant behaviour models in EnergyPlus[J].Journal of Building Performance Simulation，2016，9（6）：567-588.

編輯：楊 洋