張偉， 劉斌，翟杰，沈澄泓，高亮，田浩蘊(yùn)

(1.北京中電普華信息技術(shù)有限公司，北京100192;(2.浙江泛海智行電力科技有限公司，浙江 杭州 310052)

建筑領(lǐng)域碳排放作為我國頭部碳排放源之一，有效衡量建筑碳排放是推動碳達(dá)峰、碳中和進(jìn)程的重點(diǎn)工作，本文選取特定區(qū)域作為分析對象，開展重點(diǎn)項(xiàng)目及建筑領(lǐng)域碳排放研究，基于電力數(shù)據(jù)與碳排放的關(guān)聯(lián)特性設(shè)計(jì)基于電力數(shù)據(jù)的埃斯曲線[1](S曲線)測算模型，形成典型碳排放測算方案。本文以掌握重點(diǎn)建筑項(xiàng)目碳排放規(guī)模、探索電碳規(guī)律、服務(wù)區(qū)域重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)為目標(biāo)，選取了區(qū)域2019年來的79個(gè)項(xiàng)目，把收集到的項(xiàng)目建筑面積和道路長度等數(shù)據(jù)，折算成項(xiàng)目的隱含碳排放量(重點(diǎn)考察施工過程碳排放)，然后充分利用部分項(xiàng)目月度電力能耗數(shù)據(jù)，擬合不同類型項(xiàng)目的用電量累計(jì)分布埃斯曲線(S曲線)，并用這個(gè)S曲線來模擬碳排放的累計(jì)分布曲線，這樣就可以計(jì)算各類重點(diǎn)建筑項(xiàng)目在項(xiàng)目周期內(nèi)每個(gè)月的碳排放，從而可以通過碳排放曲線來研究某個(gè)項(xiàng)目甚至整個(gè)區(qū)域的歷史碳排放動態(tài)規(guī)律。

隨著區(qū)域建筑設(shè)施的投運(yùn)使用，建筑運(yùn)行將成為區(qū)域內(nèi)碳排放最大的領(lǐng)域之一。建筑運(yùn)行一般是指建筑內(nèi)供暖、炊事、照明、熱水等引發(fā)的碳排放，本文以計(jì)量建筑運(yùn)行碳排放為目標(biāo)，掌握不同建筑類型的碳排放規(guī)律及規(guī)模，特別是在供暖用氣的數(shù)據(jù)不能獲取的情況下，運(yùn)用回歸模型，用非供暖季節(jié)的月度用電量、建筑類型、地域等數(shù)據(jù)來預(yù)測供暖用的天然氣的碳排放。

本次研究的重點(diǎn)是融合建筑、項(xiàng)目、電力能耗等內(nèi)外部多元化數(shù)據(jù)來研究區(qū)域的建筑碳排放量和變化趨勢，研究碳排放的規(guī)律，推動碳達(dá)峰、碳中和進(jìn)程。

1 重點(diǎn)建筑項(xiàng)目碳排放

本文把項(xiàng)目分成三類，住房建筑項(xiàng)目是指一般的低層或高層的居民樓項(xiàng)目，市政配套指商業(yè)設(shè)施、學(xué)校、醫(yī)院之類的建筑項(xiàng)目，交通道路是指道路建設(shè)類項(xiàng)目。本文詳細(xì)調(diào)查了2019年至2022年的79個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè)周期、建筑面積或道路長度、投資額、承建單位等，試圖在準(zhǔn)確計(jì)量重點(diǎn)項(xiàng)目碳排放的基礎(chǔ)上，進(jìn)行碳排放趨勢、按項(xiàng)目類別匯總、按區(qū)域匯總進(jìn)行碳排放預(yù)測分析。

1.1 建筑和路建隱含碳排放

項(xiàng)目引發(fā)的碳排放主要是建筑隱含碳排放，它是指建筑施工和建材的生產(chǎn)和運(yùn)輸帶來的碳排放，也被稱為建筑物化碳排放。一般來講，建材的生產(chǎn)和運(yùn)輸碳排放需要根據(jù)實(shí)際消耗的建材來計(jì)算，施工建造碳排放也要基于用電量和化石燃料消耗來估算[2-5]。因?yàn)楹芏鄶?shù)據(jù)是很難獲得的，住房建筑和市政配套項(xiàng)目的碳排放基于建筑面積來計(jì)算，單位建筑面積的建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸和施工過程碳排放如下表1所示。本文計(jì)量的主要是施工過程碳排放，因?yàn)閲?yán)格意義上講只有施工過程碳排放是全部在區(qū)域內(nèi)發(fā)生的。

表1 建筑隱含碳排放Tab.1 Hidden carbon emissions from buildings

交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的碳排放可以按交通基礎(chǔ)設(shè)施的長度來計(jì)算[6-10]，單位長度的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的碳排放量如下表2所示，其中交通工程設(shè)施的施工現(xiàn)場的化石能源直接燃燒產(chǎn)生的碳排放約占總碳排放的75%，不計(jì)入工程消耗的水泥、鋼鐵等建材在外生產(chǎn)系統(tǒng)中已經(jīng)產(chǎn)生的碳排放值。

表2 交通基礎(chǔ)設(shè)施每公里建設(shè)長度碳排放Tab.2 Carbon emission per kilometer of transportation infrastructure construction

采集的項(xiàng)目的檔案信息如表3所示，數(shù)據(jù)來自互聯(lián)網(wǎng)公開資料整理。這些項(xiàng)目的碳排放量可以按建筑面積或道路長度來折算。

表3 區(qū)域部分重點(diǎn)項(xiàng)目檔案Tab.3 Regional key project archives

本研究收集了該區(qū)域從2018年至2022年的79個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)來研究這個(gè)區(qū)域的碳排放規(guī)律，這些項(xiàng)目主要包括住房建筑項(xiàng)目19個(gè)、市政配套項(xiàng)目31個(gè)和道路建設(shè)項(xiàng)目29個(gè)。

1.2 重點(diǎn)項(xiàng)目月度碳排放

用上一節(jié)的方法雖然可以估計(jì)每個(gè)項(xiàng)目的總碳排放量，但是研究中也希望分析這些重點(diǎn)項(xiàng)目每月的碳排放，以及整個(gè)地區(qū)月度的碳排放量。由于建筑施工用能中電力占很大的比例，重點(diǎn)項(xiàng)目每月的用電量大小從很大程度上反映了項(xiàng)目的施工進(jìn)度和碳排放的多少，所以引入埃斯曲線(S曲線)來估計(jì)用電量的累積分布并且假設(shè)項(xiàng)目施工過程碳排放的累積分布等同于用電量的累積分布。

埃斯曲線(S曲線)是以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)繪制的累積用電量或累積碳排放百分比的曲線圖。根據(jù)工程建設(shè)過程的一般規(guī)律，重點(diǎn)項(xiàng)目開始時(shí)用電及碳排放進(jìn)度一般比較緩慢，隨著大量資源的投入建設(shè)速度加快，用電量和碳排放明顯增加，項(xiàng)目收尾時(shí)又逐漸收斂，趨于平緩的結(jié)束。由于無法取得所有項(xiàng)目的電量數(shù)據(jù)，所以本研究依靠能獲取到電量的項(xiàng)目，來擬合3類重點(diǎn)項(xiàng)目的埃斯曲線(S曲線)，擬合好的通用曲線能夠大致描述同類項(xiàng)目的碳排放累積分布，可以適用于用電戶號不明而無法獲得電量數(shù)據(jù)的項(xiàng)目來估算項(xiàng)目月度碳排放。S曲線的形狀大致如下圖1所示。

圖1 模擬電量或碳排放累積分布S曲線Fig.1 Cumulative distribution S curve of simulated electricity or carbon emission

Kenley提出的Logit模型能夠模擬各種S曲線形態(tài)，并且可以方便地轉(zhuǎn)換為線性方程。Logit模型的方程式如下：

(1)

式中：a和b為方程系數(shù)，v和t分別為百分比形式的累積電量(累積碳排放)和時(shí)間，取值均為0到1之間，其計(jì)算式為：

(2)

(3)

收集3類重點(diǎn)項(xiàng)目的用電量、項(xiàng)目工期數(shù)據(jù)，采用最小二乘法即可求解系數(shù)a和b，從而得到3類重點(diǎn)項(xiàng)目的S曲線回歸方程。三類項(xiàng)目的模型系數(shù)如下表4所示。

表4 三類重點(diǎn)項(xiàng)目模型的參數(shù)Tab.1 Parameters of three types of key project models

如果把三類重點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè)周期平均分為12等分，可以繪制出三類重點(diǎn)項(xiàng)目的碳排放累積分布曲線如圖2所示。

圖2 三類重點(diǎn)項(xiàng)目的碳排放累積分布曲線Fig.2 Cumulative carbon emission distribution curve of three types of key projects

住房建筑類項(xiàng)目在施工周期內(nèi)，前半程的用電及碳排累積分布曲線較道路類項(xiàng)目明顯平緩，用電和碳排放占總量的比例較低，但項(xiàng)目后半程用電和排碳放量明顯增加，累積分布曲線較陡直上升。市政配套類項(xiàng)目的累積分布曲線基本位于前兩者之間。

由于引入了S曲線，可以方便地計(jì)算各類項(xiàng)目的施工過程月度碳排放，這里假設(shè)只有建筑過程碳排放是在該區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)際發(fā)生的，建筑材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放主要不是在這個(gè)區(qū)域發(fā)生的。下圖3為2020年該區(qū)域三類項(xiàng)目的碳排放趨勢圖，期間，該區(qū)域安置房和住宅區(qū)的多個(gè)地塊的建筑工程啟動，導(dǎo)致區(qū)域住房建筑碳排放量很快上升。交通道路和市政配套的碳排放的變化則較為平緩。

圖3 2020年區(qū)域重點(diǎn)項(xiàng)目建筑過程碳排放趨勢Fig.3 Carbon emission trend in construction process of regional key projects in 2020

1.3 重點(diǎn)項(xiàng)目碳排放分布

通過計(jì)算得到該區(qū)域A縣、B縣、C縣 2020年各類項(xiàng)目的建筑過程碳排放量如圖4所示。2020年三類重點(diǎn)項(xiàng)目產(chǎn)生的建筑碳排放達(dá)到約44.6萬噸CO2,其中B縣的住房建筑碳排量大于19萬噸CO2，這主要來源于B縣拆遷改造等項(xiàng)目。

圖4 2020年某區(qū)域各類項(xiàng)目建筑過程碳排Fig. 4 Carbon emission in the construction process of various projects in a region in 2020

1.4 在建重點(diǎn)項(xiàng)目碳排放監(jiān)測

利用在建項(xiàng)目月用電量數(shù)據(jù)和S曲線就可以監(jiān)測項(xiàng)目每月的碳排放。這里用到了兩個(gè)近似，首先重點(diǎn)項(xiàng)目的總體碳排放是按照建筑面積估算的，存在一定的誤差，其次利用同類項(xiàng)目月電量數(shù)據(jù)擬合的同類項(xiàng)目的S曲線來反映這類項(xiàng)目的電量和碳排放累積分布，這也是一個(gè)近似的計(jì)算方法。在項(xiàng)目開始前，先按規(guī)劃的建筑面積估算項(xiàng)目總體的建筑過程碳排放，然后利用S曲線把項(xiàng)目總的碳排放分?jǐn)偟揭?guī)劃施工周期內(nèi)的每個(gè)月中，項(xiàng)目施工開始后，在獲得前面n個(gè)月的(1≤n≤項(xiàng)目工期總月份數(shù))的用電量后，要對前n個(gè)月的碳排放按照已發(fā)生的月度用電量的比例進(jìn)行重新計(jì)算。

例如安置房配套項(xiàng)目(屬于住房建筑類項(xiàng)目)按公示信息，建筑面積大約為918,000m2，估計(jì)項(xiàng)目施工過程碳排放為45900噸CO2，計(jì)劃工期大概是2020/6-2021/5。項(xiàng)目碳排放的測算和監(jiān)測過程如表5所示。

表5 項(xiàng)目碳排放測算和監(jiān)測Tab.5 Carbon emission measurement and monitoring of a project

S曲線估計(jì)列是按照建筑面積、預(yù)計(jì)工期和S曲線估計(jì)的月度碳排放，它是在項(xiàng)目開始前就能估計(jì)得到的，其余各列是在列名對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)上估計(jì)的月度碳排放。假設(shè)退回到2020年從項(xiàng)目開工的第一個(gè)月起監(jiān)測項(xiàng)目的施工碳排放，項(xiàng)目開始的第一個(gè)月(2020年6月)雖取到用電量數(shù)據(jù)，但仍記錄首月的碳排放為原估計(jì)值369t，第二月(2020年7月)取到項(xiàng)目用電量后，把原來估計(jì)的前2個(gè)月的累積碳排放按6月和7月實(shí)際月用電量的比例重新分配，所以前兩個(gè)月的碳排放分別記錄為4t和1202t，在取到第三個(gè)月(2020年8月)的用電量后，把原先估計(jì)的3個(gè)月的累積碳排放按6月、7月和8月的實(shí)際用電量的比例重新分配，所以前三個(gè)月的碳排放分別為 2t、517t和2031t，以此類推。

2 建筑運(yùn)行碳排放

建筑碳排放除了建筑的建造過程中涉及的碳排放外，還有建筑運(yùn)行過程中發(fā)生的碳排放。建筑運(yùn)行碳排放包括采暖、用電、炊事和生活熱水的碳排放等，隨著區(qū)域大規(guī)模建筑設(shè)施的投運(yùn)和使用，建筑運(yùn)行將成為區(qū)域內(nèi)碳排放量最大的領(lǐng)域。

建筑主要是指住宅和公共建筑，住宅又分為城鎮(zhèn)住宅和農(nóng)村住宅。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該區(qū)域有人口大約120萬人，城鎮(zhèn)住宅近十萬戶，農(nóng)村住宅三十多萬戶，主要公共建筑近百幢，包括該區(qū)域的服務(wù)中心、醫(yī)院等。因?yàn)橥ㄟ^電力能耗數(shù)據(jù)，和二氧化碳排放因子(kgCO2/kW·h)，能夠把電量折合成碳排放。

2.1 供暖碳排放的計(jì)量

北方的冬季較長，供暖季為每年的11月15日到來年的3月15日。目前該區(qū)域的絕大部分用戶已經(jīng)完成了煤改電、煤改氣的改造，供暖碳排放主要來源于用電和用氣的碳排放。由于無法取得建筑的用氣數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目使用了建筑的用電量來估計(jì)建筑的冬季用氣量，即設(shè)法建立數(shù)學(xué)模型用煤改電用戶春秋季和夏季的用電量來估算用戶在供暖季節(jié)的用電量，即算出煤改電用戶的取暖用電量，然后把取暖用電量按照一定的比例折合成用氣量，假定同一建筑冬季取暖時(shí)全部用電或全部用氣時(shí)所消耗的電量或天然氣量是成一定比例關(guān)系的。把這個(gè)模型用于煤改氣的用戶來估計(jì)建筑的供暖用氣量，繼而計(jì)算供暖碳排放。

抽取分析區(qū)域內(nèi)三個(gè)縣的幾百個(gè)煤改電用戶2020年3月至2021年3月的月用電量數(shù)據(jù)建立回歸模型，通過特征提取得到下面所列的各個(gè)自變量X1-X15和因變量Y。

X1-4月電量

X2-5月電量

X3-6月電量

X4-7月電量

X5-8月電量

X6-9月電量

X7-10月電量

X8-6/7/8月平均電量-4/5月平均電量

X9-X1-X7的方差

X10-用戶類別_公共建筑

X11-用戶類別_農(nóng)村住宅

X12-用戶類別_城市住宅

X13-供電單位_A縣

X14-供電單位_B縣

X15-供電單位_C縣

Y-冬季供暖電量(11月15日-次年3月15日)

其中，X8是夏季平均用電量減去春季用電量，它和X9一起反映住戶用電量的波動，波動大的住戶所在的建筑一般冬季取暖電量較大，例如夏季用空調(diào)的用戶冬季一般會消費(fèi)更多的電量來取暖。

用普通線性回歸、拉索回歸、嶺回歸等方法來擬合模型[10-16]，拉索回歸和嶺回歸是線性模型的L1和L2正則化，用于解決過擬合和多重共線性問題的有偏估計(jì)的回歸方法。這三種模型的損失函數(shù)分別如下。

普通線性回歸：

(4)

拉索回歸：

(5)

嶺回歸：

(6)

其中λ為超參數(shù)，把建模樣本分割成80%的訓(xùn)練集和20%的驗(yàn)證集構(gòu)建回歸模型，嶺回歸模型的性能較佳，在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集上的R-square值分別為0.94/0.67，最終的模型如下，事實(shí)證明模型的效果良好。

Y=0.068+0.575×X1-0.100×X2-0.039×X3+0.352×X4-0.123×X5-0.518×X6+0.210×X7-0.270×X8+0.815×X9+0.229×X10-0.120×X11-0.109×X12-0.038×X13+0.052×X14-1.462×X15

(7)

判斷住戶是用電取暖還是用天然氣取暖一是按照煤改電用戶清單，如果用戶不在清單里可以認(rèn)為是用氣取暖，二是把用戶冬季月度用電量與平時(shí)的用電量作比較，如果用電量波動在30%以內(nèi)的，就認(rèn)為是天然氣供暖用戶，否則為用電取暖用戶。對于用氣取暖的用戶，根據(jù)模型估算得到的采暖應(yīng)耗電量，折算采暖耗氣量，進(jìn)而計(jì)算采暖碳排放量。

2.2 建筑運(yùn)行碳排放統(tǒng)計(jì)

由于無法取得區(qū)域內(nèi)全量用戶的電量數(shù)據(jù)，本文直接利用國家人口普查、中國建筑能耗研究報(bào)告中的數(shù)據(jù)結(jié)合從供電公司獲得的部分用戶電量數(shù)據(jù)來測算該區(qū)域的建筑運(yùn)行碳排放[17-24]。通過分析該區(qū)域A縣和C縣的部分用戶電量數(shù)據(jù)得知，建筑運(yùn)行用能中供暖用能的占比大約是43%，城鎮(zhèn)用戶的用電量要明顯大于農(nóng)村用戶的用電量，2020年城鎮(zhèn)用戶和農(nóng)村用戶的用電量之比大約是2.4∶1，可以進(jìn)而推測城鎮(zhèn)用戶的碳排放大約是農(nóng)村用戶碳排放的大約2.4倍。

根據(jù)《2018中國各省(市)民用建筑碳排放排行榜》，2018年被研究區(qū)域所屬的省份的建筑碳排放為9077萬噸CO2，假定2018年-2020年之間每年碳排放增加15%，則2020年的建筑運(yùn)行碳排放大概是12000萬噸CO2。2020年該省有人口7460萬人，根據(jù)第七次人口普查，全省城鎮(zhèn)人口約占60%，鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口約占40%，全省共有家庭2543萬戶，所以可以大致推算出城鎮(zhèn)戶數(shù)大約1526萬戶，農(nóng)村戶數(shù)約1017萬戶，又根據(jù)上述城鎮(zhèn)和農(nóng)村用戶碳排放的比例關(guān)系，得到該省城鎮(zhèn)戶均碳排放為6.14噸CO2，農(nóng)村戶均碳排放為2.56噸CO2。

據(jù)統(tǒng)計(jì)該區(qū)域共有家庭戶38.4萬戶，常住人口中城鎮(zhèn)人口約占47%，農(nóng)村人口約占53%，把該區(qū)域的總家庭戶數(shù)按三個(gè)縣的人口(A縣45.4萬人，B縣27.3萬人，C縣47.9萬人)的比例分配到每個(gè)縣中，再乘以戶均碳排放量便可以計(jì)算出該區(qū)域各縣在2020年的建筑運(yùn)行碳排放。下表6中計(jì)算了該區(qū)域三個(gè)縣的碳排放量。

表6 2020年區(qū)域各縣建筑運(yùn)行碳Tab.6 Carbon emissions from building operation in all counties in the region in 2020

抽取這個(gè)區(qū)域內(nèi)近百幢主要公共建筑的電量數(shù)據(jù)，折算它們在2020年的碳排放量，A縣、C縣和B縣的公共建筑的碳排放量分別為1.3萬噸CO2、2.4萬噸CO2和2.0萬噸CO2。因此2020年該區(qū)域的建筑運(yùn)行碳排放總量大約是169萬噸CO2。圖6為該區(qū)域2020年按地域和建筑類別統(tǒng)計(jì)的碳排放量分布圖。

圖6 2020區(qū)域建筑運(yùn)行碳排放統(tǒng)計(jì)Fig.6 Carbon emission statistics of regional building operation in 2020

3 碳排放估算結(jié)果

據(jù)上面的分析結(jié)果，2020年該區(qū)域三類重點(diǎn)建筑項(xiàng)目的施工過程和三類建筑的建筑運(yùn)行的碳排放總量分別為38.9萬噸CO2和169萬噸CO2。估計(jì)建筑碳排放占該區(qū)域總碳排放量的65%左右， 是重點(diǎn)監(jiān)控的對象[25-28]。預(yù)計(jì)該區(qū)域2029年左右可以實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰其中建筑碳排放大約為500萬噸CO2。

4 結(jié)論

本文基于電量數(shù)據(jù)和公共數(shù)據(jù)，對選定分析區(qū)域重點(diǎn)建筑項(xiàng)目和建筑運(yùn)行的碳排放提出了計(jì)量和監(jiān)測的新方法。運(yùn)用電量數(shù)據(jù)擬合S曲線來估計(jì)不同類型重點(diǎn)項(xiàng)目碳排放的累積分布，進(jìn)而估算所有項(xiàng)目碳排放的時(shí)間曲線，并能對在建項(xiàng)目的碳排放進(jìn)行計(jì)量和監(jiān)測。在估計(jì)天然氣用戶的供暖碳排放時(shí)，從冬季用電量的增加幅度可以判斷是否為天然氣供暖用戶，并運(yùn)用嶺回歸模型，用建筑非供暖季節(jié)的用電量來預(yù)測供暖季節(jié)的用氣量和碳排放量。應(yīng)該指出，僅僅用電力及公共數(shù)據(jù)，估計(jì)得到的碳排放數(shù)字較為粗略，后期需要采集更多的數(shù)據(jù)(例如用氣量數(shù)據(jù))，做進(jìn)一步的深化研究，以滿足區(qū)域建筑碳排放綜合評估的需要[29-30]。