文献阅读 | 开发自下而上的模型来估算城市规模建筑的动态碳排放

题目

Development of bottom-up model to estimate dynamic carbon emission for city-scale buildings

作者

Jingjing Yang, Zhang Deng, Siyue Guo, Yixing Chen

期刊

Applied Energy

时间

2023年02月

一作

单位

College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China

Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency (Hunan University), Ministry of Education, China

链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261922016671#t0030

研究背景

从2000到2017年，中国的建筑运行排放量从6.68亿吨增长到了20.4亿吨，增长了近三倍。与此同时，建筑需求的增长导致的建筑新建和建筑拆除，使得建筑隐含碳排放也产生巨大增长。在2020年，建筑相关碳排放占中国碳排放的38%，其中隐含碳排放占10%，运营阶段碳排放占28%，要在建筑领域实现碳达峰和碳中和，不仅要控制建筑存量，还要提高建筑能效，降低相关碳排放系数，这将给国家碳减排工作带来巨大挑战。此外，城市是实施碳减排政策的主要组成部分。了解城市规模的碳排放被认为是提出碳减排行动的基本步骤。基于不同城市的发展，地方政府提出的减排政策比国家层面更加多样化和针对性。因此，预测建筑存量的碳排放量并分析城市规模上各种政策的潜在减少至关重要。

目前，许多研究者已经关注建筑行业的碳排放。现有的模型大致可分为自上而下的模型和自下而上的模型。自上而下的模型依赖于使用碳排放量、宏观经济或其他统计数据在汇总水平上描述整个建筑存量的碳排放。相反，自下而上的模型旨在分析一组单个库存成分的碳排放量，然后将结果外推到库存水平。总体而言，自下而上的模型可以比自上而下的模型更详细地评估技术升级对建筑碳排放的影响，从而为建筑行业制定未来的减排政策提供更具体的指导。此外，为了预测建筑存量的实际碳排放量，有必要考虑建筑物的动态发展，包括建筑施工，翻新和拆除。动态建筑库存模型可用于估计建筑需求和动态的评估，已广泛应用于建筑领域。

基于上述背景，许多现有研究都使用自下而上的模型预测了中国建筑存量的碳排放趋势。这些研究结合了情景分析和自下而上的模型，以分析未来几十年建筑行业的发展和碳排放。然而，目前我国建筑存量研究还存在一些空白：

（1）有限的研究在城市规模的研究中使用自下而上的建模方法。这是由于缺乏详细的建筑数据集和原型建筑能源模型。因此，大多数现有的碳排放预测研究使用从官方统计数据中获得的能源使用强度，而不是物理能源模型。

（2）大多数现有的研究都在非常有限的水平上分解了建筑存量。建筑年龄的划分已被广泛使用，因为很难为每年创建原型模型。因此，建筑年龄可以根据不同版本的建筑能效设计标准进行划分。但是这种方法在中国的应用非常有限，因为缺乏每个时代每种建筑类型的代表面积。

因此，本研究基于已开发的动态物质流分析原理和城市建筑能源模型，提出了一个自下而上的模型。该模型可以模拟城市层面到2060年建筑存量规模、组成、能源消耗和碳排放的动态发展。本研究以长沙为例。有关研究区域内建筑物的信息源根据 GIS 数据集（建筑物覆盖区、兴趣点、社区边界）和卫星图像、收集建筑物类型和建筑年份信息。现有建筑存量的划分包括22个建筑年龄的3种建筑类型，从而产生66个原型建筑能量模型。参考不同的建筑节能标准，建立城市建筑能源模型，以EnergyPlus为仿真引擎，获取建筑能源使用强度。结合情景分析，建立了五个情景来分析不同发展路径下建筑行业的隐含和运营碳排放。本研究的主要研究问题是：

（1）由于未来的建设、拆除和改造，长沙的建筑存量规模以及不同建筑类别和年龄的构成将如何演变？

（2）未来几十年，长沙建筑业不同发展路径下的不同减碳潜力如何？

研究方法

本研究的框架如图1所示。自下而上的模型旨在描述城市一级建筑存量的长期发展和年度碳排放量。首先，根据气候区确定城市建筑能源模型的初始建筑存量和能源使用强度；模型的能源使用强度是通过EnergyPlus的建筑模拟获得的。其次，动态建筑存量模块基于初始建筑存量和投入参数，包括宏观经济因素、改造和拆除率，模拟建筑存量需求和动态的发展。然后，碳排放模块评估年度建筑碳排放量，包括隐含和运营碳排放。最后，结合情景分析，综合考虑建筑建筑体量规模、建筑能效标准和电力碳排放系数，评估建筑存量碳减排潜力。

图1.  研究框架

情景分析用于评估到2060年长沙建筑行业碳减排的不同措施的效果。本研究设置了五种情景，情景分析的总体概念如下表所示：

表1. 情景设置

研究结果

建筑存量

图2显示了2019-2060年长沙不同类别建筑存量构成在不同情景下的发展情况。整个过程的特点是先增长后下降。无论发展趋势如何，由于城镇化率的提高，农村住宅建筑占比呈下降趋势，从2019年的7.27%下降到2060年的4.00%，而城市住宅和商业建筑占比呈上升趋势。

图2. 不同情景下分建筑类别的建筑存量构成

此外，基于动态物料流分析原理，研究还分析了已建成和拆除的建筑存量，如图3所示。可以发现，建筑面积和拆除区的变化率差异明显。随着建筑需求的稳定，建筑存量将在2030年左右达到峰值，然后逐渐下降，直到2060年。

图3. 不同情景下的拆除和建造建筑存量

图4显示了2019-2060年期间住宅和商业建筑建筑年龄构成的发展情况。原始状态的建筑存量表示建筑能耗水平预计未来不会改变。相比之下，翻新建筑存量表示建筑物的能耗水平将在原始状态的基础上得到改善。就目前的建筑存量而言，超过三分之一的住宅建筑是在2001年之前建造的，一半的商业建筑是在2005年之前建造的。目前的大部分建筑存量将在不同情景有不同程度保留，但只占总建筑存量的一小部分。新建建筑的能效水平将直接影响整个建筑行业的能源消耗和碳排放。

图4. 不同情景下的建筑年龄构成

能源消耗

图5显示了不同建筑年龄的能源使用强度，包括电力和天然气。随着建筑节能标准的提高，建筑能耗呈明显下降趋势。对于农村住宅建筑，电力能源使用强度（EUI）从52.79 kWh/m²逐渐下降到22.65 kWh/m²。对于城市住宅建筑，电力EUI从57.00 kWh/m²减少至 24.98 kWh/m²。商业建筑的能耗在三座建筑中最大，约为住宅建筑能耗的2.2-3倍。其电力EUI从156.74 kWh/m²降低至59.45 kWh/m²。此外，农村住宅建筑的天然气EUI范围为12.23至13.66 kWh/m²，对城市住宅建筑为 14.97 至 15.94 kWh/m²，对商业建筑为 29.78 至 62.62  kWh/m²。

图5. 不同建筑年限的能耗强度

图6显示了2020年、2030年、2040年、2050年和2060年不同场景下不同建筑类型的运行能耗。由于建筑存量规模的预期增长，从2019到2060年，基线情景下的电力和天然气总能耗增加11169 GWh和1.671*10⁷GJ。在LPEF情景中，仅考虑电力碳排放因子对建筑行业的影响。因此，此方案中的建筑能耗与基本方案中相同。与基线情景相比，由于控制了建筑存量、提高了建筑能效标准以及同时实施多项能效措施，LBS、ABS和SER情景下2060年的节电量分别为2752 GWh、7009 GWh和8692 GWh，天然气节能分别为3.86*10⁶ GJ、2.88*10⁶ GJ 和 6.26*10⁶ GJ。到2060年，农村住宅建筑的能耗份额约为4%，而城市住宅和商业建筑分别占比约为53%和43%。因此，在未来的建筑存量中，城市住宅和商业建筑将具有最大的节能潜力。

图6. 不同情景下2020年、2030年、2040年、2050年和2060年能源消费的类型构成

图7显示了2020年、2030年、2040年、2050年和2060年不同场景下不同建筑年龄的能耗。在SER情景中，由于新建筑数量的减少和能源效率水平的提高，当前建筑能耗的份额达到总能耗的47%。在提高新建建筑能效时，2060年用电量和天然气节能量为7375 GWh和9.38*10⁶ GJ。在控制建筑存量时，电力和天然气的节能量为2832 GWh和3.98*10⁶ GJ。因此，在已建和翻新建筑存量中大规模实施先进的建筑能效标准至关重要。

图7. 不同情景下2020年、2030年、2040年、2050年和2060年能源消费年龄构成

碳排放

不同情景下建筑行业的碳排放量如图8所示。可以发现，不同建筑类别的碳排放轨迹各不相同。图8d说明了总建筑存量的碳排放量。在基线情景中，碳排放总量将大幅上升。与基线情景相比，在 LPEF、ABS、LBS 和 SER 情景下，2060年的碳减排潜力分别为28.29%、17.49%、13.38%和47.90%。图8a-c显示了三种不同建筑类别的碳排放量。图8a显示，在基线、LBS、ABS、LPEF和SER情景下，城市住宅建筑碳排放将在2038年、2034年、2033年、2036年和2028年达到峰值。排放峰值分别为 17.92、15.47、16.83、16.57 和 14.13 Mt CO₂。图8b显示了不同情景下农村住宅建筑部门的碳排放量。研究发现除了基线和LBS情景外，其他三种情景将在2030年之前达到峰值。如图8c所示，在基线情景下，商业建筑的碳排放量将从2019年的6.59 Mt CO₂增长至2060年的11.81 Mt并在2052年达到峰值的12.20 Mt。此外，还可以发现商业建筑碳排放量在不同情景中将分别在2046年，2047年，2050年和2038年达到峰值，分别为9.38，10.08，11.06和7.57 Mt CO₂。

图8. 2019年至2060年不同建筑行业的碳排放趋势

此外，图9还评估并展示了隐含和操作碳排放。本研究采用的碳减排策略可归纳为：1）控制建筑存量（LBS）；2）提高建筑能效标准（ABS）；3）降低功率排放系数（LPEF）；4）上述三种措施的结合（SER）。在基线情况下，随着建筑面积的增加，2060年的建筑碳排放量将比2020年的基值增加20%。随着建筑和拆除建筑面积的减少，建筑业的隐含碳排放份额也从2020年的47%下降到2060年的25%。上述三项措施同时实施，2060年碳排放总量将减少47.9%，与此同时，控制建筑存量规模、提高建筑节能标准和降低电力碳排放系数可分别减少总碳排放量的13.38%、17.49%和28.29%。因此，可以发现，多项措施对碳减排的影响并不等于单个措施的总和。此外，控制建筑存量主要影响建筑隐含碳，减少30%的隐含碳排放，减少11%的运营碳排放。降低功率排放系数和提高建筑能效标准主要减少运营碳排放。

图9. 不同策略的碳减排潜力

编辑&排版：肖逸龙

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