賀艷麗 葉郁 孟凡奇 陳鵬 / HE Yanli, YE Yu, MENG Fanqi, CHEN Peng

基于能耗采集的園區(qū)碳排放計算方法研究及示范

賀艷麗 葉郁 孟凡奇 陳鵬 / HE Yanli, YE Yu, MENG Fanqi, CHEN Peng

隨著全球氣候變暖，對碳排放的關(guān)注及對節(jié)能減排的需求日益強烈。本文針對園區(qū)尺度提出了以能耗采集為基礎(chǔ)的園區(qū)碳排放計算方法。該方法采用傳感器實時記錄園區(qū)內(nèi)用能系統(tǒng)及用能設(shè)備的實際能耗，并將之回傳至監(jiān)測平臺中，能耗數(shù)據(jù)在計算模型中被轉(zhuǎn)換成不同單位的碳排放并顯示在屏幕終端中。該方法可以實時監(jiān)控園區(qū)碳排放，并根據(jù)不同的用能系統(tǒng)進行分析研究。同時，監(jiān)測平臺支持不同園區(qū)之間的碳排放對比。

碳排放 能耗采集 監(jiān)測平臺

1 引言

氣候變化已經(jīng)成為當(dāng)前世界共同關(guān)注的話題。1992年6月4日，聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展會議 （United Nations Conference on Environment and Development，UNCED）通過了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC），我國為締約國之一。1997年12月11日，我國簽訂了《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》（Kyoto Protocol）。2007年6月，我國國家發(fā)改委出臺了《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》，同年12月，國家發(fā)改委會同其他有關(guān)部門制定了《節(jié)能減排綜合性工作方案》。2009年12月7日召開的哥本哈根大會簽訂《哥本哈根協(xié)議》（Copenhagen Accord），我國批準(zhǔn)并承諾，到2020年單位GDP碳排放比2005年削減40%～45%。2016年1月1日，《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》正式啟動，新議程呼吁為今后15年實現(xiàn)17項可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)而努力。2016年9月3日，我國全國人大常委會批準(zhǔn)加入《巴黎氣候變化協(xié)定》（Paris Agreement），我國成為第23個完成批準(zhǔn)協(xié)定的締約方。面臨如此巨大的減排壓力，我國必須繼續(xù)走“低碳”的環(huán)境保護新道路。

當(dāng)前常用的碳排放核算方法主要有4類，即IPCC清單法、實測法、物料衡算法以及模型因素分解法等。本文提供了一種基于能耗采集的園區(qū)范圍碳排放的計算方法。

2 當(dāng)前碳排放核算方法

在認(rèn)識到潛在的全球氣候變化問題后，世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（United Nations Environment Programme，UNEP）于1988年建立了政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC），其評估報告（IPCC，2006）通過其在國家層面溫室氣體清單方法方面的工作，為《聯(lián)合國氣候變化框架公約》提供了支持?！?006年IPCC國家溫室氣體清單指南》是對其此前版本《國家溫室氣體排放清單指南》的更新，根據(jù)概述介紹，指南提供了若干估算國家溫室氣體人為源排放和匯清除清單的方法，其類別包括能源，工業(yè)過程和產(chǎn)品使用，農(nóng)業(yè)、林業(yè)和其他土地利用，廢棄物等。能源部門通常是溫室氣體排放清單中最重要的部門，在發(fā)達國家，一般占CO2排放量的90%以上和溫室氣體總排放量的75%。CO2排放量一般占能源部門排放量的95%，其余的為甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）。固定源燃燒通常占能源部門溫室氣體排放量的70%左右，這些排放大約一半與能源工業(yè)中的燃燒相關(guān)，主要是發(fā)電廠和煉油廠；移動源（道路和其他交通）燃燒占能源部門的25%左右。

除IPCC清單法外，當(dāng)前的碳排放核算方法還有實測法（張德英等，2005）、物料衡算法（又稱質(zhì)量平衡法，IPCC，1996）及因素分解法（齊中英，1998）。

3 能耗采集碳排放計算研究

3.1 計算理論

能耗采集碳排放計算方法以園區(qū)能耗的采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)能耗與碳排放的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將園區(qū)內(nèi)的用能情況轉(zhuǎn)換成碳排放進行計算，從而得出園區(qū)的碳排放。能耗采集碳排放計算方法需采集的園區(qū)能耗包括建筑能耗、市政能耗、交通能耗。同時考慮到園區(qū)綠地、樹木等植被的固碳作用，將綠地碳匯作為單獨的減碳項，計入園區(qū)碳排放的計算中。

3.1.1 建筑能耗采集

根據(jù)能源種類可將建筑能耗采集數(shù)據(jù)劃分為建筑用電、建筑用燃料（氣、油等）、建筑用市政供熱（供冷）、建筑直接使用的可再生能源。其中建筑用電可根據(jù)用電系統(tǒng)劃分為空調(diào)用電、照明用電、插座用電及動力用電等。

3.1.2 交通能耗采集

交通能耗采集數(shù)據(jù)為各種能源全年的總能耗量或單臺設(shè)備的能耗量，按能源種類可劃分為柴油、汽油、電力及液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）4類數(shù)據(jù)。為了在后期對碳排放的數(shù)據(jù)進行二次處理及分析研究，將柴油加油泵、汽油加油泵、充電樁及加氣泵數(shù)量等信息作為交通基本信息采集指標(biāo)，納入采集范疇之內(nèi)。

3.1.3 市政能耗采集

市政能耗采集數(shù)據(jù)即為市政用電數(shù)據(jù)，可分為市政景觀照明、市政供水、市政水處理3類。為了在后期對碳排放數(shù)據(jù)進行二次處理及分析研究，將市政照明總面積、供水總?cè)丝凇⑷展┧?、污水處理量等信息作為市政基本信息采集指?biāo)，納入采集范疇之內(nèi)。

3.1.4 碳匯采集

碳匯采集數(shù)據(jù)為綠地面積，根據(jù)IPCC的相關(guān)計算方法，將綠地碳匯分為生物碳匯量、死有機質(zhì)碳匯量及土壤碳匯3類，分別進行碳匯計算。

3.2 計算方法

3.2.1 計算因子

各種能源折標(biāo)準(zhǔn)煤（Standard Coal）參考系數(shù)見表1；2015年中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子見表2；各種能源折碳排放因子參考系數(shù)根據(jù)表3進行計算；綠地碳匯因子參考系數(shù)根據(jù)表4進行計算。

3.2.2 建筑能耗與碳排放計算方法

（1）電力能耗與碳排放換算方法

電力部分包括建筑用電量及光伏發(fā)電量。建筑用電產(chǎn)生碳排放；光伏發(fā)電利用可再生能源，減少對傳統(tǒng)電力的消耗，從而減少碳排放（式1、2）。

其中，W電：電力轉(zhuǎn)換能耗，tce；D：電量，kWh；T電：電力轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

表1 各種能源折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 等，2008）

表2 2015中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子（國家發(fā)展和改革委員會應(yīng)對氣候變化司，2015）

表3 各種能源折碳排放因子（省級溫室氣體清單編制指南編寫組，2011）

表4 綠地碳匯因子

（2）天然氣能耗與碳排放計算（式3、4）

其中，W氣：天然氣轉(zhuǎn)換能耗，tce；Q：天然氣消耗量，m3；T氣：天然氣轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

（3）汽油能耗與碳排放計算（式5、6）

其中，W汽：汽油轉(zhuǎn)換能耗，tce；Y汽：汽油消耗量，kg；T汽：汽油轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

（4）柴油能耗與碳排放計算（式7、8）

其中，W柴：柴油轉(zhuǎn)換能耗，tce；Y柴：柴油消耗量，kg；T柴：柴油轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

（5）產(chǎn)業(yè)建筑中的蒸汽能耗與碳排放計算（式9、10）

其中，W蒸：蒸汽轉(zhuǎn)換能耗，tce；Z：蒸汽消耗量，MJ；T蒸：蒸汽轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

（6）供熱供冷能耗與碳排放計算

供熱供冷包含市政供熱管網(wǎng)提供的熱水、區(qū)域供冷管網(wǎng)提供的空調(diào)冷凍水以及太陽能生活熱水系統(tǒng)產(chǎn)生的熱水。對市政熱水及區(qū)域供冷冷水的消耗產(chǎn)生碳排放；作為可再生能源，太陽能生活熱水能夠降低對傳統(tǒng)熱水的消耗，減少碳排放（式11、12）。

其中，W熱：熱量（冷量）轉(zhuǎn)換能耗，tce；R：熱量（冷量），MJ；T熱：熱量（冷量）轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

3.2.3 交通能耗與碳排放計算方法

（1）電力能耗與碳排放換算方法（式1、2）

其中，W電：電力轉(zhuǎn)換能耗，tce；D：電量，kWh；T電：電力轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

（2）天然氣能耗與碳排放計算（式3、4）

其中，W氣：天然氣轉(zhuǎn)換能耗，tce；Q：天然氣消耗量，m3；T氣：天然氣轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

（3）汽油能耗與碳排放計算（式5、6）

其中，W汽：汽油轉(zhuǎn)換能耗，tce；Y汽：汽油消耗量，kg；T汽：汽油轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

（4）柴油能耗與碳排放計算（式7、8）

其中，W柴：柴油轉(zhuǎn)換能耗，tce；Y柴：柴油消耗量，kg；T柴：柴油轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

3.2.4 市政能耗與碳排放計算方法（式1、2）

其中，W電：電力轉(zhuǎn)換能耗，tce；D：電量，kWh；T電：電力轉(zhuǎn)換碳排放，tCO2。

3.2.5 碳匯固碳量計算方法

碳匯固碳量為年綠地可為吸收碳排放量（式13）。

其中，T固：固碳量，tCO2/年；B：綠地面積，hm2。

表5 園區(qū)能耗采集內(nèi)容及采集方式

3.3 園區(qū)能耗采集內(nèi)容及方式（表5）

4. 能耗采集碳排放計算方法特點

4.1 立足實際消耗，統(tǒng)計數(shù)據(jù)準(zhǔn)確

相比其他統(tǒng)計方法，采集能耗計算碳排放的方式更加精確。當(dāng)前常用的碳排放統(tǒng)計方法大多為估算法，即以典型排放源或典型排放元素為基準(zhǔn)排放計量單位，估算區(qū)域的全部碳排放量。這種方法比較便捷，且能夠滿足國家或省市尺度碳排放計算的精度需求，但是應(yīng)用于園區(qū)級碳排放計算，則會產(chǎn)生比較大的偏差。能耗采集的方法可以非常準(zhǔn)確詳實地記錄園區(qū)內(nèi)能源消耗狀況及其轉(zhuǎn)換成碳排放的情況，提供真實可信的碳排放計算數(shù)據(jù)。

圖1 前臺界面

圖2 前臺界面

圖3 碳排放統(tǒng)計

圖4 能耗統(tǒng)計

4.2 實時采集數(shù)據(jù)，便于監(jiān)控

采用能耗采集的方式計算園區(qū)級碳排放，實時采集、統(tǒng)計并跟蹤碳排放數(shù)值，監(jiān)管方便。監(jiān)管部門可以根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)了解園區(qū)碳排放狀況，在第一時間對碳排放明顯異常的時段進行干預(yù)，以最快速度發(fā)現(xiàn)并消除園區(qū)能源消耗及碳排放的異常狀況。像用電數(shù)據(jù)及用水?dāng)?shù)據(jù)一樣，實時掌握碳排放的數(shù)據(jù)，能夠減少監(jiān)管部門及決策部門的反應(yīng)時間并縮短反應(yīng)周期，有利于能源及碳排放的總體控制。

圖5 碳排放預(yù)測分析

4.3 系統(tǒng)劃分?jǐn)?shù)據(jù)，方便二次分析

除實時監(jiān)測外，能耗采集計算碳排放的方式還可以實現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的分系統(tǒng)統(tǒng)計。由于該方法立足于空調(diào)、照明、插座及動力等系統(tǒng)，因此可以利用傳感器回傳各系統(tǒng)的能耗狀況，在此過程中進行分系統(tǒng)統(tǒng)計，即得到各系統(tǒng)的能耗及碳排放數(shù)值。

能耗及碳排放數(shù)值不僅有利于碳排放的精確統(tǒng)計，還可以用于不同時段、不同系統(tǒng)、不同管路間的數(shù)值比對分析與研究。因此能耗采集計算碳排放既是對碳排放的精確統(tǒng)計，也是對用能系統(tǒng)運行參數(shù)的備案，這些參數(shù)可以在系統(tǒng)的診斷及優(yōu)化過程中發(fā)揮不可替代的作用。

5 能耗與碳排放平臺

將能耗采集碳排放硬件布置到各點位后，可以通過能耗與碳排放平臺將數(shù)據(jù)納入計算機系統(tǒng)，并通過UI（User Interface，用戶界面）顯示在屏幕上。前文所述的計算模型可在計算機后臺中被編程為計算模塊，通過互聯(lián)網(wǎng)自動或手動地錄入能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)，即可實時轉(zhuǎn)換成碳排放數(shù)據(jù)，顯示在各種屏幕終端中，方便查看（圖1、2）。碳排放數(shù)據(jù)可以分別統(tǒng)計各用能系統(tǒng)的能耗及碳排放值（圖3、4）。平臺可以根據(jù)碳排放、能耗輸入數(shù)據(jù)，對GDP和財政收入進行預(yù)測，生成預(yù)測圖表（圖5）。

6 總結(jié)

以能耗采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)的園區(qū)碳排放計算方法，根據(jù)能耗與碳排放的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將園區(qū)內(nèi)的用能情況轉(zhuǎn)換成碳排放，從而計算園區(qū)的碳排放情況。該方法立足于園區(qū)內(nèi)所有用能設(shè)備和系統(tǒng)的能耗統(tǒng)計，較其他方法更為精確，并可以對能耗及碳排放狀況進行實時跟蹤。同時，由于能耗采集按用能系統(tǒng)進行統(tǒng)計，因此可以對碳排放的狀況進行二次分析、研究。綜上，碳排放計算方法是園區(qū)范圍內(nèi)較為適用的碳排放計算方法。

[1]IPCC. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories[M]. 2006.

[2]張德英, 張麗霞. 碳源排碳量估算方法研究進展[J]. 內(nèi)蒙古林業(yè)科技,2005(1).

[3]IPCC, OECD, IEA. Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories[M]. 1996(21).

[4]齊中英. 描述CO2排放量的數(shù)學(xué)模型與影響因素的分解分析[J]. 技術(shù)經(jīng)濟,1998(3).

[5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.綜合能耗計算通則: GB/T 2589－2008[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[6]國家發(fā)展和改革委員會應(yīng)對氣候變化司. 2015中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子[EB/OL]. http://www.tanpaifang.com/download/China%20's%20regional%20power%20grid%20baseline%20emissions%20 factor%202015.pdf.

[7]省級溫室氣體清單編制指南編寫組. 省級溫室氣體清單編制指南（試行）[R]. 國家發(fā)展和改革委員會, 2011.

RESEARCH AND DEMONSTRATION OF THE INDUSTRIAL PARK CARBON EMISSIONS CALCULATION BASED ON ENERGY ACQUISITION

With global warming, the focus on carbon emissions and the demand for energy conservation are growing. The paper puts forward a method to calculate the carbon emissions on the scale of the park. In this method, the actual energy consumption of the energy system and the energy consuming equipment can be recorded and transmitted back to the monitoring platform. The energy consumption data is converted into carbon emission of various units in the calculation model and displayed in the screen terminals. Using this method, the carbon emissions of the park can be monitored at any time and can be analyzed according to different energy systems. At the same time, the monitoring platform supports the comparison of carbon emissions between different parks.

Carbon Emissions, Energy Consumption Collection, Monitoring Platform

本文受“中新天津生態(tài)城中新科技合作計劃課題”資金項目資助。

賀艷麗，中新天津生態(tài)城經(jīng)濟局

葉郁，御道科技（天津）有限公司

孟凡奇，御道工程咨詢（北京）有限公司

陳鵬，御道科技（天津）有限公司

2017-10-23