王京京, 衛(wèi)佳佳
(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部, 北京 100124;2.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100124)
根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)發(fā)布的《第五次評估報(bào)告》,全球的地表溫度在近百年來上升了0.89 ℃[1]. 在全球變暖的趨勢下,世界各國針對氣候問題制訂了一系列減排措施. 隨著“2020年碳排放強(qiáng)度比2005年降低40%~45%[2]”的第一階段溫室氣體減排目標(biāo)的落實(shí),我國正式進(jìn)入實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”的戰(zhàn)略軌道. 我國積極推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展,習(xí)近平總書記多次提出,我國碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”[3].
在我國,建筑是繼工業(yè)和交通之后高能耗、高污染的代表. 2017年我國建筑業(yè)建造相關(guān)的碳排放總量有43.8億t,接近我國碳排放總量的1/2[4]. 2018年我國建筑全過程碳排放總量有49.3億t,占全國碳排放的51.3%[5]. 建筑的全生命周期大致可以分為建材生產(chǎn)、建筑施工、建筑運(yùn)行以及拆除處置4個(gè)階段,其中建筑運(yùn)行階段是節(jié)能減排的重點(diǎn). 據(jù)估算,2016—2018年我國建筑運(yùn)行階段碳排放有20億t左右,比2000年高出約3倍,占全國能源碳排放約20%[5-7]. 北京作為全國的首都,眾多資源向北京傾斜,其碳排放的變化趨勢對其他地區(qū)具有參考價(jià)值.
建筑運(yùn)行碳排放是指建筑運(yùn)行階段的碳排放,包括住宅、辦公樓、學(xué)校、商場、酒店、工廠、交通樞紐、娛樂設(shè)施等民用和工業(yè)建筑. 碳排放的測算方法有實(shí)測法、投入產(chǎn)出法、排放系數(shù)法等[8],實(shí)測法是通過現(xiàn)場監(jiān)測得到測量數(shù)據(jù)并以此為樣本計(jì)算碳排放量,但監(jiān)測條件苛刻,人力、物力及財(cái)力耗費(fèi)巨大;投入產(chǎn)出法是通過投入產(chǎn)出模型計(jì)算整個(gè)生產(chǎn)鏈的碳排放量,但投入產(chǎn)出表的更新時(shí)間不具備連續(xù)性;排放系數(shù)法是將不同行業(yè)不同能源的建筑運(yùn)行能耗乘以相應(yīng)的碳排放因子,之后累計(jì)求和得到運(yùn)行碳排放,計(jì)算公式為
(1)
式中:C為建筑的運(yùn)行碳排放;i為不同行業(yè);j為不同能源;Eij為第i行業(yè)第j能源的建筑運(yùn)行能耗;fj為第j能源碳排放因子.該計(jì)算方法數(shù)據(jù)易獲取,計(jì)算過程簡單,因此本文采用排放系數(shù)法.
由式(1)可知,建筑運(yùn)行能耗計(jì)算是建筑運(yùn)行碳排放計(jì)算的前提. 建筑運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)來源于《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》[9]中“分行業(yè)能源消費(fèi)總量和主要能源品種消費(fèi)量”,此表中行業(yè)分類沿用“工廠法”[10],即將能耗分為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和生活消費(fèi)[11]. 第一產(chǎn)業(yè)指農(nóng)林牧漁業(yè),第二產(chǎn)業(yè)指工業(yè)和建筑業(yè),第三產(chǎn)業(yè)指批發(fā)和零售業(yè)、住宿和餐飲業(yè)、交通運(yùn)輸、倉儲和郵政業(yè)和其他,其中其他有11個(gè)行業(yè),具體包括信息傳輸、軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè),金融業(yè),房地產(chǎn)業(yè),租賃和商務(wù)服務(wù)業(yè),科學(xué)研究和技術(shù)服務(wù)業(yè),水利、環(huán)境和公共設(shè)施管理業(yè),居民服務(wù)、修理和其他服務(wù)業(yè),教育,衛(wèi)生和社會工作,文化、體育和娛樂業(yè),公共管理、社會保障和社會組織. 生活消費(fèi)分為城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村.
本文用分行業(yè)能源法計(jì)算建筑運(yùn)行能耗,該方法是在能源平衡表拆分法[6,12]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn). 建筑運(yùn)行能耗的計(jì)算范圍如圖1所示. 建筑運(yùn)行能耗主要包括批發(fā)和零售業(yè)、住宿和餐飲業(yè)、生活消費(fèi)和其他,即建筑能耗基礎(chǔ)量,同時(shí)應(yīng)扣除交通運(yùn)輸能耗再加上其他部門建筑能耗[6,10,13],其他部門即工業(yè)、建筑業(yè)和交通. 假定其他部門建筑能耗除采暖外,工業(yè)和建筑業(yè)中的辦公樓及宿舍能耗與交通業(yè)中的交通樞紐能耗相當(dāng)[14],由此得出建筑運(yùn)行能耗的計(jì)算方法為
E=Eb+Ec-Et
(2)
Eb=Ew+Ea+El+Eo
(3)
Ec=2×(Etc+Etp)+Eh
(4)
Et=0.95×(Ewg+Eag+Eog)+0.35×
(Ewd+Ead+Eod)+Elg+0.95×Eld
(5)
式中:E為建筑運(yùn)行能耗;Eb為建筑能耗基礎(chǔ)量;Ec為工業(yè)、建筑業(yè)和交通業(yè)中的建筑能耗;Et為私家車及第三產(chǎn)業(yè)企業(yè)交通運(yùn)輸能耗;Ew為批發(fā)和零售業(yè)能耗;Ea為住宿和餐飲業(yè)能耗;El為生活消費(fèi)能耗;Eo為其他能耗;Etc為交通業(yè)煤耗;Etp為交通業(yè)用電量;Eh為采暖能耗;Ewg為批發(fā)和零售業(yè)消費(fèi)的汽油;Eag為住宿和餐飲業(yè)消費(fèi)的汽油;Eog為其他消費(fèi)的汽油;Ewd為批發(fā)和零售業(yè)消費(fèi)的柴油;Ead為住宿和餐飲業(yè)消費(fèi)的柴油;Eod為其他消費(fèi)的柴油;Elg為生活消費(fèi)的汽油;Eld為生活消費(fèi)的柴油.
圖1 建筑運(yùn)行能耗的計(jì)算范圍Fig.1 Calculation scope of building operation energy consumption
碳排放分為直接碳排放和間接碳排放,前者指建筑業(yè)發(fā)生化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放,主要包括建筑內(nèi)的直接供暖、炊事、生活熱水、醫(yī)院或酒店蒸汽等導(dǎo)致的燃料排放;后者指外界輸入建筑的電力、熱力包含的碳排放,包括照明、空調(diào)等. 同樣,碳排放因子也分為直接碳排放因子與間接碳排放因子.
1.2.1 直接碳排放因子
目前,關(guān)于直接碳排放因子的研究較多[6,8,12],但數(shù)值雜亂,單位也不盡相同,還存在某些能源碳排放因子數(shù)值缺失的情況,為碳排放的計(jì)算造成很大不便,因此本文參考IPCC提供的計(jì)算方法對碳排放因子重新統(tǒng)一進(jìn)行計(jì)算. 直接碳排放因子的計(jì)算公式為
(6)
式中:fj為不同能源的直接碳排放因子,kg/kg或kg/m3,即每kg或m3的某j種能源產(chǎn)生多少kg的CO2;Jj為第j能源的平均低發(fā)熱量,kJ/kg或kJ/m3;Cj為第j能源的單位熱值含碳量,kg/kJ;Oj為第j能源碳氧化率,%.其數(shù)據(jù)來源于《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51366—2019)[15]中主要能源碳排放因子和中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2019中各種能源折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)[16],得到的各類直接碳排放因子如表1所示.
表1中“碳排放因子”與“參考數(shù)據(jù)”兩列數(shù)值對比,兩者之間變化不大,但仍存在誤差,主要是由于計(jì)算公式相同,但數(shù)據(jù)來源不同.前者數(shù)據(jù)均來源于2019年最新數(shù)據(jù),數(shù)值更加精確.因此,原則上直接排放因子數(shù)值按前者考慮,若因前者中某些能源數(shù)據(jù)缺失造成沒有計(jì)算結(jié)果的則考慮后者數(shù)值.
表1 能源碳排放因子
1.2.2 間接碳排放因子
目前北京的間接碳排放因子并沒有明確數(shù)據(jù),本文采用能源平衡表法[6]計(jì)算間接碳排放因子.《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》[9]中“能源平衡表”加工轉(zhuǎn)化過程的火力發(fā)電和供熱是由燃料燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能,并且細(xì)致地描述了此加工轉(zhuǎn)換的流向以及各類化石燃料的投入與電力和熱力的產(chǎn)出[10,17]. 間接碳排放因子的計(jì)算公式為
(7)
(8)
式中:fe為電力碳排放因子,kg/(kW·h),即每kW·h電力產(chǎn)生多少kg的CO2;fh為熱力碳排放因子,kg/kg,即每kg標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生多少kg的CO2;Ej為各類化石燃料的投入量,如原煤、柴油、燃料油等,kg或m3;Ee為電力的產(chǎn)出量,kW·h;Eh為熱力的產(chǎn)出量,kg,把原本的單位kJ折算為kg標(biāo)準(zhǔn)煤.根據(jù)式(7)(8)可求出歷年北京的電力和熱力碳排放因子.與直接碳排放因子相比,間接碳排放因子根據(jù)歷年年鑒表求出,數(shù)值隨時(shí)序變化,而直接碳排放因子根據(jù)規(guī)范和公式求出,數(shù)值固定不變.
以北京為例,電力和熱力碳排放因子數(shù)值如表2所示,其變化趨勢見圖2、3. 由圖2、3可知,由于技術(shù)工藝的改進(jìn)與能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,電力和熱力碳排放因子有明顯降低. 根據(jù)中國建筑能耗研究報(bào)告,2017年北京市熱力碳排放因子為1.9 kg/kg[7],華北區(qū)域電網(wǎng)平均碳排放因子在2012年為0.884 3 kg/(kW·h),2011年為0.896 7 kg/(kW·h),2005年為1.246 kg/(kW·h)[6]. 與計(jì)算結(jié)果相比,電力和熱力碳排放因子都相差不大,其中電力碳排放因子計(jì)算值偏小,這是由于華北區(qū)域范圍較廣,包括北京、河北、天津、山西等地區(qū),其數(shù)據(jù)是電網(wǎng)碳排放因子平均值. 根據(jù)北京市《二氧化碳排放核算和報(bào)告要求 服務(wù)業(yè)》(DB11/T1785—2020)[18],由于北京市基本采用外購電力和熱力,電力和熱力碳排放因子推薦值分別為0.604 t/(MW·h)、0.11 t/GJ,單位換算之后分別為0.604 kg/(kW·h)、3.223 9 kg/kg.
表2 間接碳排放因子
電力碳排放因子推薦值0.604 kg/(kW·h),其值在計(jì)算結(jié)果0.407 3~0.906 9 kg/(kW·h)的時(shí)序變化范圍內(nèi);熱力碳排放因子推薦值3.223 9 kg/kg,其值與計(jì)算結(jié)果最大值3.169 6 kg/kg相差不大.
圖2 北京熱力碳排放因子Fig.2 Heat carbon emission factors in Beijing
圖3 北京電力碳排放因子Fig.3 Electricity carbon emission factors in Beijing
通過1.1、1.2節(jié)的分析可以計(jì)算得到2005—2019年北京的建筑運(yùn)行碳排放數(shù)據(jù),如表3所示.
表3 2005—2019年北京的建筑運(yùn)行碳排放數(shù)據(jù)
碳排放按行業(yè)類型劃分為批發(fā)和零售業(yè)、住宿和餐飲業(yè)、其他、其他部門(工業(yè)、建筑業(yè)和交通業(yè))以及生活消費(fèi),按能源類型劃分為煤、石油、天然氣、熱力和電力,表3根據(jù)不同劃分方式分別計(jì)算了相應(yīng)的碳排放量.
按行業(yè)類型劃分時(shí),碳排放的行業(yè)結(jié)構(gòu)如圖4所示. 碳排放量占比最多的行業(yè)是其他和其他部門,其次是生活消費(fèi),批發(fā)和零售業(yè)以及住宿和餐飲業(yè)的碳排放量占比最少. 不過其他、生活消費(fèi)和其他部門的碳排放量占比隨時(shí)間序列變化較大,其余行業(yè)的碳排放量占比隨時(shí)間序列變化不大. 其他和生活消費(fèi)的碳排放量占比在2008—2016年有所減少,相反其他部門的碳排放量占比在2008—2016年反而明顯增加,這與此時(shí)間段內(nèi)供熱能耗增加有關(guān). 隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對于供熱的需求越來越高,但隨著碳排放的增加和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,人們開始有意識地減少熱力碳排放.
圖4 北京的建筑運(yùn)行碳排放行業(yè)結(jié)構(gòu)Fig.4 Industry composition of building operating carbon emissions in Beijing
按能源類型劃分時(shí),碳排放的能源結(jié)構(gòu)如圖5所示. 碳排放的主要來源一直是電力和熱力,其次是煤和天然氣,石油的碳排放量占比最少. 不過,能源結(jié)構(gòu)隨時(shí)間序列的變化較大. 煤的碳排放量占比大幅度降低,到現(xiàn)在已經(jīng)將近淘汰;天然氣的碳排放量占比穩(wěn)定增加,電力的碳排放量占比在近幾年也有明顯增加,這與政府大力支持“煤改氣”“氣改電”有關(guān);熱力的碳排放量占比在2008—2016年有顯著增加;石油的碳排放量占比一直維持在5%以內(nèi). 因此,可以看出北京大力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)清潔化,實(shí)現(xiàn)高碳能源清潔化替代.
2005—2019年北京的建筑運(yùn)行碳排放總量及單位面積碳排放量如圖6所示. 由圖6可知碳排放總量大致為先上升后回落. 2012年達(dá)到歷史最高值9 586.80萬t,與2005年相比,2012年碳排放總量增加了53.33%. 此時(shí)已顯現(xiàn)出達(dá)峰的基本特征,即驅(qū)動(dòng)其碳排放增長的因素與促進(jìn)其碳排放減少的因素已經(jīng)基本平衡,這與李惠民等[20]、王繼龍[21]所述的2012年達(dá)峰吻合. 2012年后碳排放總量減少,2019年比2012年減少了34.32%. 國家在不斷調(diào)控,倡導(dǎo)低碳發(fā)展,同時(shí)降溫一直以來過熱的房地產(chǎn)業(yè). 單位面積碳排放量總體為下降趨勢,主要是由于建筑面積不斷擴(kuò)大,為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展人們開始筑橋修路造房.
圖6 北京的建筑運(yùn)行碳排放總量及單位面積碳排放量Fig.6 Total operation carbon emissions versus per unit area carbon emissions of buildings in Beijing
中國碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”. 北京力爭在“十四五”期間實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2050 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”,分別比國家目標(biāo)提前至少5 a和10 a的時(shí)間,為其他地區(qū)控制碳排放工作積累經(jīng)驗(yàn). 本小節(jié)首先將建筑運(yùn)行碳排放進(jìn)行驅(qū)動(dòng)因素分解和貢獻(xiàn)度分析,然后在此基礎(chǔ)上對不同情景下北京市建筑運(yùn)行碳排放進(jìn)行預(yù)測.
首先用Kaya恒等式[22]分解驅(qū)動(dòng)因素,再用LMDI模型[23]對各因素進(jìn)行貢獻(xiàn)度探析[24]. Kaya恒等式分解得出
(9)
LMDI模型分析貢獻(xiàn)度計(jì)算公式為
ΔC=CT-C0=Δαj+Δβj+Δγ+Δδ+Δε
(10)
各因素的效應(yīng)的表達(dá)式為
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
式(10)~(15)中:C0和CT分別為基準(zhǔn)期與時(shí)間T期的碳排放量;ΔC為自基準(zhǔn)期到T期的碳排放增加量;Δαj、Δβj、Δγ、Δδ和Δε分別為碳排放因子、能源結(jié)構(gòu)、能耗強(qiáng)度、人均建筑面積以及人口規(guī)模的碳排放貢獻(xiàn)度.
根據(jù)式(11)~(15)分別求出各個(gè)因素的逐年貢獻(xiàn)值,其次求和得到各個(gè)因素的累計(jì)貢獻(xiàn)值,如圖7所示. 可以看出,2005—2019年碳排放增加了55.09萬t,其中:碳排放因子下降帶來3 666.19萬t碳減排量;能源結(jié)構(gòu)變化帶來951.52萬t碳增加量;能耗強(qiáng)度下降帶來2 805.80萬t碳減排量;人均建筑面積增加帶來2 771.25萬t碳增加量;人口規(guī)模增長帶來2 804.30萬t碳增加量.
圖7 2005—2019年北京的碳排放變化驅(qū)動(dòng)因素分解Fig.7 Decomposition of driving factors of carbon emissions in Beijing from 2005 to 2019
人均建筑面積和人口規(guī)模的擴(kuò)大對碳排放量的增加具有顯著的促進(jìn)作用. 大量的人口遷徙涌入北京,使得北京人口規(guī)模急劇擴(kuò)大. 人們對于居住需求日益提升,生活質(zhì)量的要求也越來越高,使得建筑面積不斷擴(kuò)大,推動(dòng)碳排放量的增加. 碳排放因子和能耗強(qiáng)度的降低促進(jìn)碳排放量的增加. 近年來碳排放因子的下降體現(xiàn)了行業(yè)內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步,1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的碳排放量越來越少. 由于國家的宏觀調(diào)控和環(huán)境治理,能耗強(qiáng)度降低. 能源結(jié)構(gòu)對碳排放的促進(jìn)作用并不明顯,北京正在由傳統(tǒng)能源向清潔能源過渡,但仍需努力,說明應(yīng)加大建筑業(yè)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整力度,節(jié)能減排工作并未完成.
由于能源結(jié)構(gòu)意為煤、石油、天然氣、電力和熱力各自所占的能耗比重,不能統(tǒng)一量化為一個(gè)數(shù)進(jìn)行預(yù)測分析,本文只需考慮碳排放因子、能耗強(qiáng)度、人均建筑面積和人口規(guī)模這4個(gè)驅(qū)動(dòng)因素(參數(shù))的發(fā)展趨勢,通過設(shè)定不同的參數(shù),設(shè)置不同的發(fā)展情景. 將各參數(shù)值代入式(9)碳排放預(yù)測模型[25]中,可以對碳排放進(jìn)行情景分析. 為了情景分析的簡便性和減少誤差,設(shè)定每個(gè)變量有高碳、中碳和低碳3種情景[26]. 北京的建筑運(yùn)行碳排放在不同情景下的參數(shù)設(shè)置如表4所示. 其中,人口規(guī)模變化速率的設(shè)定依據(jù)為2017年發(fā)布的《北京城市總體規(guī)劃(2016—2035年)》:北京城市人口規(guī)模2020年控制在2 300萬人以內(nèi),以后長期穩(wěn)定控制在2 300萬人左右. 因此人口規(guī)模的情景參數(shù)根據(jù)設(shè)定依據(jù),做出如下假定:2030年中碳情景下人口為2 100萬人,低碳情景下人口為2 000萬人,高碳情景下人口為2 200萬人;2050年中碳情景下人口為2 300萬人,低碳情景下人口為2 200萬人,高碳情景下人口為2 400萬人.
表4 北京的建筑運(yùn)行碳排放情景參數(shù)設(shè)置
3種情景下北京的建筑運(yùn)行碳排放預(yù)測結(jié)果如圖8所示. 從歷史數(shù)據(jù)來看,碳排放隨時(shí)序先增長后回落,2012年達(dá)到歷史最高值. 從未來趨勢來看,隨著《中共北京市委關(guān)于制定北京市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》[27]、《北京城市總體規(guī)劃(2016—2035年)》[28]的出臺,碳排放快速增長的動(dòng)力已經(jīng)大大減弱[29]. 《北京市“十三五”時(shí)期能源發(fā)展規(guī)劃》[30]提出要大力發(fā)展清潔能源. 到2030年,碳排放量有2 840.62萬~3 961.25 萬t. 到2050年,在低碳情景下碳排放量有840.75 萬t,如果按照目前政策力度推進(jìn),碳排放量有1 228.86 萬t,在高碳情景下碳排放量有1 789.78 萬t,這意味著如果政策執(zhí)行得力,北京的建筑運(yùn)行碳排放量將有949.03萬t的減排潛力. 因此從歷史上來看,北京的碳排放已經(jīng)達(dá)峰[31].
圖8 3種情景下北京的建筑運(yùn)行碳排放預(yù)測值Fig.8 Prediction values of building operating carbon emissions in Beijing under three scenarios
本文首先建立運(yùn)行碳排放計(jì)算模型,根據(jù)分行業(yè)能源法計(jì)算建筑運(yùn)行能耗,并計(jì)算了直接排放因子和歷年來北京的電力和熱力碳排放因子. 從碳排放總量、單位面積碳排放量和碳排放結(jié)構(gòu)3個(gè)方面分析2005年以來北京的建筑運(yùn)行碳排放. 其次運(yùn)用LMDI模型計(jì)算碳排放驅(qū)動(dòng)因素的貢獻(xiàn)度,并利用這些因素進(jìn)行情景分析,預(yù)測了未來北京建筑業(yè)的運(yùn)行碳排放. 得到如下結(jié)論:
1)北京的建筑運(yùn)行碳排放在研究時(shí)序2005—2019年間增長約45萬t,增長至2012年達(dá)到峰值,之后緩慢下降.
2)碳排放最主要的來源一直是電力和熱力,煤的碳排放量逐年降低,而天然氣和電力的碳排放量有所增加,能源結(jié)構(gòu)逐漸清潔化.
3)其他和其他部門的碳排放量最多,生活消費(fèi)次之,住宿和餐飲業(yè)以及批發(fā)和零售業(yè)的碳排放量最少.
4)人均建筑面積和人口規(guī)模的增加對碳排放量的增加具有促進(jìn)作用,而碳排放因子和能耗強(qiáng)度的增加對碳排放量的增加具有抑制作用.
5)2012年碳排放達(dá)到歷史峰值. 預(yù)測到2050年,碳排放量有840.75萬~1 789.78萬t.
本研究也存在一些不足之處,基于分行業(yè)能源法計(jì)算建筑運(yùn)行能耗時(shí),工業(yè)和建筑業(yè)中建筑能耗與交通業(yè)中建筑能耗相當(dāng),準(zhǔn)確性需要進(jìn)一步提高;計(jì)算碳排放因子時(shí),考慮了電力和熱力的逐年變化值,但直接碳排放因子按固定值考慮,沒有隨時(shí)序變化;碳排放的驅(qū)動(dòng)因素可進(jìn)一步擴(kuò)展.