低碳園區能流-碳流分析方法及案例分析

張改景

上海市建筑科學研究院

0 引言

隨著我國新型城鎮化的建設發展，城市建設低碳化、智慧化、綠色化、健康化是我國和全球城市建設總體發展的趨勢。園區作為城市建設的重要組成部分，低碳化發展也是當務之急。目前，低碳園區在制定提高能效和控制碳排放量的決策工作中，由于科學手段的缺乏，只能依據統計數據，從能源消費的角度得到各產業部門或各工業行業的能源消費排名，作為規劃和決策的依據[1]。低碳園區的建設亟需能夠反映能源在生產、加工轉換和消費的流動過程中，輸入對輸出的關聯關系與驅動影響規律的能流-碳流系統分析調控模型。因此，本文以低碳園區的能流-碳流分析模型構建方法及案例分析為研究對象，以期構建具有科學性和使用性的低碳園區能流-碳流分析工具，提高園區能源規劃決策水平和效率。

1 國內外能流-碳流研究現狀

1.1 能流-碳流分析方法在國家層面的應用現狀

能流圖，也稱能源系統網絡圖或系統能流及能源效率圖，是可視化分析既定能源系統能源供需平衡和有效利用程度的工具。1898年，愛爾蘭工程師Sankey首次使用能流圖表示蒸汽引擎的能源效率[2]。此后，能流圖廣泛用于表達能源或其它物質的流通情況。1972年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首次公布了美國的國家能流圖，之后每年都會定期更新公布國家能流圖[3]。隨著對能流圖認識和應用的不斷深入，各個國家都相繼在能流數據統計的基礎上進行能流圖的繪制[4-5]。能流圖直觀、形象地展示了一個地區或國家的能源統計概況，在國際上得到廣泛應用，有利于國際間的平行對比（見圖1）。

圖1 各個國家能流圖應用分析[6]

能流-碳流圖是在能流圖的基礎上發展而來，在能流圖中增加了能源的碳數據，描繪能量流動過程中伴隨碳流，在分析能源效率的同時研究碳排放的特點，對能源利用的環境效益進行更深入的分析。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室通過繪制和推測國家不同年份的能流-碳流圖，分析了美國實現2050年減排目標所面臨的挑戰和機遇，提出了合理的建議和對策[7]（見圖2）。常文韜通過構建城市能流-碳流系統，提出SO2、NOx、CO2三種污染物協同減排的具體方案[8]。

圖2 美國2050年能流-碳流圖應用分析

1.2 低碳園區與國家層面的能流-碳流分析差異性

園區能流-碳流圖的方法和思路與構建國家能流圖具有一定的差別，在能流-碳流圖的層級結構、數據分類收集、一次能源關注點、終端消耗分類等方面都有不同。

（1）數據來源和統計方法。包括兩個方面：一是應用于規劃設計階段的能流-碳流圖數據來源于基于園區規劃資料的模擬和預估數據；二是應用于實際運營階段的能流-碳流圖數據來源于園區實際運行的監測數據，并合理建立園區的能源平衡表和碳流數據庫。

（2）能流-碳流圖層級結構。能流-碳流圖的層級結構參考國內外的普遍形式，基本流程為一次能源輸入-加工轉換-消費終端。

（3）一次能源結構。園區相對于國家能流圖結構，從某種程度上屬于能源消費終端，在二次能源輸入上包括市政能源輸入以及園區自產能源。其中，市政能源部分包括外部輸入園區的二次能源所利用的一次能源，包括園區外電力生產所需的各類一次能源、天然氣、原油等。園區內部自產二次能源所使用的一次能源包括可再生能源發電、產熱所需的太陽能、冷熱電三聯供所需的天然氣等。從而看出，園區的一次能源結構中，無法改變市政輸入的二次能源所消耗的一次能源結構，但是可以通過增加自產能源改變園區整體一次能源的結構。

（4）終端消費分類。國家的能流-碳流圖是以全社會的能源供應消費為研究對象，其分類以體現全社會能源消耗結構的大類為基礎，例如分為工業、民用、交通、市政等。對于園區而言，其社會性質較為單一，能源消費對象相對較為具體，因此終端消費分類應更加細化，可分為基礎設施和建筑兩大類。根據各類能源消耗特點進一步的分類，例如基礎設施可分為交通、公共照明、公共供熱供電設施等，建筑能耗可分為辦公、住宅、商業等。

2 低碳園區能流-碳流圖分析方法

2.1 相關定義

園區能流圖是以圖形的形式由左向右描述園區一定時期內的能源流動過程，由圖形、數據和文字構成，能形象、直觀地描述能源利用的各個環節。能流圖和基于能流圖開展的能源系統效率研究已成為支持和影響政策制定的工具、支持科學研究的平臺、開展國際間交流和比較的基礎。應用能流圖可分析既定能源系統各環節的能源活動水平、消費結構、技術種類和水平以及能耗密度的現狀、歷史（演變）、未來趨勢，并可用于校驗情景分析的過程和結果。

碳流系統是利用全生命周期評估理論對碳排放數據進行統計，能流-碳流系統中的碳流主要指與能源消耗、轉換相關的碳排放數據。碳流系統不是獨立的系統，是能流系統的嵌套、衍生系統，建立兩者結合的分析系統模型，對于分析能源效率、減排措施具有重要的指導作用，主要體現在四個方面：一是可將協同理論應用于溫室氣體減排，為協同減排提供理論支持；二是能夠體現可控驅動的的關鍵因素及其機理，體現能流、碳流的來源與去向，擴展了能流圖的功能范圍；三是可直觀、形象地展示園區的能源結構、能源流向、碳流向等統計情況，并通過關鍵因素的識別，提升環境管理與能源規劃決策水平和效率；四是為節能減排提供科學實用的分析方法和工具，并判斷關鍵性減排因素，獲得最優減排方案。

2.2 運行機理

建立低碳園區能流-碳流系統分析模型是分析園區能源結構、效率及碳排放關鍵因素的有效工具。模型的基礎是通過梳理園區能源輸入、流動以及輸出的關系，并加入相關子系統、子過程的碳排放數據，把握城區能源消耗及效率、碳排放特點，從而識別影響園區智慧運行過程中的關鍵影響因素，為園區高效運行以及可持續發展提供強有力的數據基礎和決策工具。

低碳園區的能流-碳流系統分析模型的前端輸入是園區內各類、各區域能源消耗的數據，內嵌過程是各種能源的碳排放分析模型，模型動態流動的數據包括各種形式的能源以及相關碳量，輸出的是園區的能源消耗數據和碳排放數據，以及在此基礎上進行的分析結論、影響的關鍵因素、提煉的改善措施等，具體運行機理總結見圖3。

圖3 低碳園區能流-碳流分析模型運行機理

2.3 低碳園區能流-碳流框架圖

1）園區能流-碳流分析模型結構。園區能流-碳流圖主體的層次結構遵循國內外研究的普遍形式是一次能源-加工轉換-能源消費終端。每個階段主要包括的分析對象及分類如表1所示。園區能流-碳流圖的主體數據類別主要包括能源數據和碳排放數據兩大部分，兩類數據的主要來源主要包括：一是文獻資料，如類似研究、案例或相關研究成果等；二是生產廠家，如建筑材料、產品等生產廠家；三是其它途徑等。

2）建立園區能流-碳流主體模型后，還需兩大內嵌子模塊將原始數據轉化為能流-碳流圖所需呈現的數據，兩大模塊分別為碳排放計算模塊和能源轉換模塊。

3）通過識別園區全生命周期中各階段對能流-碳流造成影響的因子，對比不同規劃方案、技術應用對園區能流-碳流的影響，達到優化的最終目的。初步識別的影響因子如表2所示。

表1 園區能流-碳流層次結構分析對象

4）通過識別園區能流-碳流圖各部分的分析對象后，在梳理各部分之間邏輯關系的基礎上，可建立園區能流-碳流圖的整體框架，如圖4所示。

2.4 低碳園區能流-碳流圖繪制方法

根據前面的研究成果，低碳園區的能流-碳流圖的繪制步驟具體為如下三步。

圖4 低碳園區能流-碳流圖框架

（1）數據收集。主要包括分析或收集實際運行數據、各類能源生產設備的效率數據、各類能源消耗終端的能源利用效率數據、各類能源與碳排放之間轉換關系數據。

（2）數據分析。對收集到的數據進行分類、統計和分析。根據能流-碳流圖應用目的，對一次能源、轉換過程及消耗終端進行合理分類，將相對應的數據進行統計計算，最終獲得總能源和碳排放數據以及各分類的相關數據，為繪制能流-碳流圖奠定良好的數據基礎。

（3）圖形繪制。根據以上研究內容，采用直接繪制或編程自動繪制低碳園區普適性的能流-碳流圖（如圖5）。該圖為手動直接繪制的普適性、無具體數據的能流-碳流圖，繪制過程中僅考慮各層級對象分類以及能源、碳的流向，其中包括一次能源、能源轉換方式及能耗終端三個級別對象，各個對象之間的連線表示能流或碳流數據的流向及大小，連線的寬度根據各條連線能流或碳流數據與總量之間的比例進行繪制，通過寬度的不同體現數據的大小，能源流向為從左至右，用顏色表示不同能源流向。繪制的主要目的是為能流-碳流圖在低碳園區的實際案例應用提供詳細的思路。

圖5 低碳園區能流-碳流圖（普適性示意圖）

3 案例分析

3.1 項目概況

該項目包括已建區、改建區和新建區，總建筑面積31 065m2。建筑功能包括辦公建筑、工業建筑、實驗樓、食堂等。研究主要目標是基于既有園區運營數據，繪制能流-碳流圖，評估低碳園區用能現狀和碳排放情況，針對性地提出優化改善措施。基于園區低碳減排目標實現的情況下，預測分析低碳園區總體碳排放量，并對未來新建建筑提出設計要求。

3.2 結果分析

3.2.1 園區整體能流-碳流分析結果

園區主要能源結構包括天然氣、太陽能和市政電，其中市政電占比89.39%，園區的天然氣使用大戶為1號樓（實驗用）和11號樓（職工食堂），園區的用電大戶為5號樓（辦公+實驗）和15號樓（辦公+實驗），園區年單位建筑面積能耗29.6kgce/m2，比上海市商業辦公建筑先進值33kgce/m2降低10.3%，若扣除實驗用能及餐廚用能，其降低比例更多（見圖6）。

園區單位建筑面積碳排放量約為76.3kgce/(m2·a)，是有些文獻研究結果141.64kgce/(m2·a)[9]的54%。園區的碳排放大戶為5號樓（辦公+實驗）和15號樓（辦公+實驗），主要用能為市政電。天然氣的碳排放量遠遠小于市政電。

通過園區能流圖分析結果可知，有些用能單元的耗能計量方式只分空調+動力，有些按樓層計量，有些按照空調、照明、動力、插座、電梯及大廳分類計量。各個用能單元的計量方式不統一，不利于園區各用能單元的平行比，也不利于制定各個用能單元的節能改造措施。

3.2.2 某棟建筑的能流-碳流分析結果

利用對單棟樓的碳排放結構進行分析，從而有針對性的制定減碳措施。如該園區的1號樓，其碳排放來源主要為市政電和天然氣，其占園區總碳排放量比例分別為0.9%和4.3%，有效降低本樓的市政用電和增加可再生能源的利用可以有效降低本樓的碳排放量（見圖7）。

圖6 某低碳園區能源-碳流圖

圖7 某棟建筑的能流-碳流分析結果

4 小結

本文通過對國內能流-碳流方法研究現狀調研分析，總結梳理了低碳園區與國家層面的能流-碳流方法的差異性，剖析了低碳園區能流-碳流的運行機理，形成了低碳園區能流-碳流分析普適性分析框架，建立了低碳園區能流-碳流圖繪制方法，并在某園區中進行示范應用分析，具有良好的應用價值。

研究發現能流-碳流圖對園區的建設運營具有良好的實際應用價值，可通過能流分析為園區的部分規劃指標體系決策提供依據，為能源利用效率、能源結構、能源設備選型等方面提供一定的指導，可通過碳流分析為園區建設的低碳指標進行合理化定位，為識別園區碳排放關鍵因素提供有效工具。能流、碳流兩者的結合分析具有一定的必然性，是實現低碳園區建設，提高能源高效利用的必要手段。