綠色居住建筑碳排放精細化估算方法

徐崇鈞，耿光超，俞侃，江全元

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027;2.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310027)

0 引 言

在“碳達峰、碳中和”背景下，中國能源體系正處于轉(zhuǎn)型關(guān)鍵時期[1]，實現(xiàn)“雙碳”目標，能源領(lǐng)域是主戰(zhàn)場，電力行業(yè)是排頭兵[2]。中國2020年能流圖顯示，建筑能源消費近20%，其中電力熱力消費占比過半[3], 《中國能源發(fā)展報告2020》指出，建筑節(jié)能降碳潛力巨大，其中電氣減排空間不容忽視[4]。因此，建筑中電器的碳排放量估算至關(guān)重要，它可以為建筑節(jié)能降碳調(diào)控策略提供數(shù)據(jù)支撐。

以能耗分析為代表的建筑評價指標已經(jīng)無法滿足建筑建設(shè)的迫切需求，建筑碳排放水平已被認為是與能耗同樣重要的計量指標。圍繞“雙碳”目標，構(gòu)建面向建筑的“能-碳”雙重指標勢在必行。建筑中電力負荷運行過程產(chǎn)生的碳排放主要由電能消耗帶來的間接碳排放與消費者行為導(dǎo)致的直接碳排放組成，這兩部分碳排放的估算都至關(guān)重要[5]。綠色居住建筑指一些配有光伏儲能等節(jié)能裝置的居住用建筑。這些建筑往往需要通過用能碳排放指標為節(jié)能降碳調(diào)控策略提供支撐。現(xiàn)有的碳排放估算方式主要是基于企業(yè)年報或其他公開信息并采用排放系數(shù)法實現(xiàn)[6]，對于建筑外購電碳排放使用固定系數(shù)或采用階梯式估算得到[7]。文獻[8]研究表明，單位電能碳排放量具有時變性，取決于電力負荷結(jié)構(gòu)、各類機組處理等因素。文獻[9–11]對電網(wǎng)單位電能碳排放量，即電網(wǎng)動態(tài)購電碳排放因子，提出了切實可靠的計算方法。文獻[12]基于室內(nèi)電器運行情況，提出考慮家用電器電熱特性的分散式電采暖集群經(jīng)濟低碳調(diào)控策略。以上方法均從外購電能消耗角度估算建筑碳排放，而忽視了消費者行為導(dǎo)致的碳排放。文獻[13]提出了一種新的碳估算方法，首次對工廠的直接和間接碳排放進行實時估算，但在綠色居住建筑電器直接與間接碳排放估算方面仍有一定空白。

計量居住建筑中電器的碳排放，需要獲取居民用電行為，非侵入式負荷監(jiān)測（Non-intrusive Load Monitoring，NILM）作為智能用電技術(shù)體系的重要組成部分之一,能深入分析用戶內(nèi)部的負荷成分,獲取不同精細程度的用戶用電信息[14-15]、進行負荷識別和用電行為分解得到用戶內(nèi)部各類電器準確的用電信息[16]。

本文提出了一種綠色居住建筑用能碳排放指標分項估算方法，用于完整地估算綠色居住建筑中電器運行所導(dǎo)致的碳排放，該方法先通過非侵入式負荷辨識，判斷用戶用電行為，分時分項計量不同電器能耗，根據(jù)建筑光儲系統(tǒng)出力與電網(wǎng)單位電能碳排放量時變性計算實際間接排放因子，結(jié)合電器直接碳排放因子計算各電器碳排放量，實現(xiàn)建筑電器用能碳排放指標精細化估算。

本研究的主要貢獻在于：

1)根據(jù)居民用電行為特性估算電器直接碳排放，提升碳排放估算范圍完整性。

2)根據(jù)綠色居住建筑“源-荷”數(shù)據(jù)與電網(wǎng)單位電能碳排放時變性計算電器間接碳排放，提高碳排放估算結(jié)果準確性。

3)分時分項估算建筑運行過程用能碳排放指標，將能耗與碳排放來源具體化、明確化。

1 建筑運行過程用電能耗計量

1.1 電器事件特征提取

當有居民負荷啟停事件發(fā)生時，居民電器的總有功功率曲線將會發(fā)生突變，基于事件的NILM方法通過感知功率突變來判斷事件是否發(fā)生。第t秒有功功率突變量可以用前后功率差計算，并可以根據(jù)功率變化正負性判斷電器狀態(tài)：

其中VPt表示第t+1秒與第t秒有功功率變化量，edge表示事件代表的電器啟停狀態(tài)，1表示開啟，?1表示關(guān)閉。

在電器正常運行過程中，即使無電器啟停，電表總功率也不是固定的，因此，只有當一秒內(nèi)功率突變量大于某設(shè)定值才會被認為有事件發(fā)生。此外，電器自身運行狀態(tài)變化造成的功率波動也不盡相同，在這里引入基于總功率的功率波動判別依據(jù)如下：

其中P0為未開啟電器時的功率噪聲；k0為背景功率系數(shù)；Pt為現(xiàn)有總功率值。

當一個負荷完全開啟之后功率趨于穩(wěn)定，每秒有功變化量也隨之減小。當有功功率變化量小于波動功率時，則該事件已經(jīng)結(jié)束并將當前時間標定為事件結(jié)束時間t2。當事件結(jié)束后，根據(jù)事件過程中及結(jié)束后的各項特征數(shù)據(jù)提取電器事件特征。

本文選取有功、無功、電流諧波、穩(wěn)態(tài)功率方差、每秒功率最大值等來辨識綠色居住建筑中的電器，這些電器都是辨識常用特征[17-20]。算法定義了平均有功功率的差值與平均無功功率的差值的變化量：

其中ΔP表示事件全過程有功功率變化量；ΔQ表示無功功率變化量。

此外，由于電流相角與電壓相角的不是固定的，因此，在計算電流諧波的變化量時，需要考慮電流諧波相角的變化。對于k次電流諧波幅值變化量如下公式所示：

1.2 用電行為辨識

算法采用離線生成特征庫，在線辨識的方法，首先使用一定量用戶電器啟停數(shù)據(jù)，基于多元高斯模型，生成對應(yīng)電器特征庫，在在線辨識階段，將實時數(shù)據(jù)輸入到特征庫中，通過高斯分布計算其截止概率，判斷用電行為種類，流程如圖1所示。

圖1 負荷辨識流程圖

在已知樣本各數(shù)據(jù)特征情況下，可以通過極大似然估計法求得其均值和協(xié)方差矩陣。對于N個樣本點：{x1,x2,...,xn}，其極大似然估計公式為：

對于一個服從多元高斯分布的樣本，其概率密度函數(shù)為：

關(guān)于電器事件特征的新樣本個體y，不同截止概率對應(yīng)不同的事件可能性[21]，且由于概率密度函數(shù)在正半軸與負半軸分別單調(diào)。因此，針對某類電器設(shè)定截止概率pn，當某一事件特征樣本對于其中一類電器的概率為p，且p＞pn時，則說明該樣本所代表的電氣特征變換為此電器啟停導(dǎo)致。

1.3 居民能耗分項計量

在準確辨識用電行為的基礎(chǔ)上，判斷電器運行狀態(tài)，再根據(jù)電器運行功率，可以計算出其運行總能耗如下。

其中state表示該種類電器運行個數(shù)，edge表示事件邊沿，取1時表示上升沿，即電器開啟；取2時表示下降沿，即電器關(guān)閉。EP表示該種類電器當前運行功率和，Du表示電器運行時長，W表示其能耗。

非侵入式負荷辨識從能耗角度可以給予綠色居住建筑用能調(diào)控策略一定參考，但在同時考慮用能碳排放的情況下，還需要進一步獲取碳排放數(shù)據(jù)。

2 綠色居住建筑用能碳排放指標估算

2.1 綠色居住建筑用能碳排放估算方法

建筑中的電器設(shè)備常應(yīng)用全生命周期法估算碳排放，核算邊界至關(guān)重要。全生命周期法主要從需求分析、設(shè)計、制造、銷售、使用、維修、報廢到回收再生等角度考慮排放邊界，根據(jù)核算邊界范圍，分為“從搖籃到大門”、“從搖籃到墳?zāi)埂薄ⅰ皬膿u籃到搖籃”等估算方法。受電器實際運行環(huán)境與碳排放因子不確定性影響，在建造前估算其運行過程產(chǎn)生中的碳排放往往會導(dǎo)致結(jié)果準確性低[22]，因此，建筑使用過程碳排放尤其難以計算。在建筑投入運行后，根據(jù)實際活動數(shù)據(jù)估算電器運行過程碳排放可以很好地提高結(jié)果準確性，這部分碳排放主要由電器使用過程中產(chǎn)生的直接碳排放與電力消耗導(dǎo)致的間接碳排放組成[13]。綠色居住建筑中居民用能所產(chǎn)生的碳排放核算邊界與其主要來源如圖2所示。

圖2 居民電器碳排放邊界與來源

綠色居住建筑運行過程用能碳排放指標估算主要聚焦于綠色居住建筑使用過程中家庭用電行為所產(chǎn)生的碳排放，即圖中“產(chǎn)品使用”部分。家庭電器產(chǎn)生的能耗與碳排放估算，可以通過不同的用電行為導(dǎo)致的能耗，估算對應(yīng)行為消耗其他資源所產(chǎn)生的直接碳排放，再結(jié)合間接碳排放因子得到居民分時分項用能碳排放量。

此外，基于對居民電器的辨識，可以通過電器直接碳排放因子計算對應(yīng)的人類活動所產(chǎn)生的碳排放，這部分碳排放主要由電器運行時消耗的其他資源導(dǎo)致。根據(jù)不同電器的直接碳排放來源，將常見的電器分為僅耗電、耗水、耗熱水、耗食材等四個種類，并在圖中列舉了一些常見的電器。

綠色居住建筑用能碳排放指標估算方法使用了建筑中用電數(shù)據(jù)與其他能源出力，主要是光伏儲能系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)。首先通過非侵入式負荷辨識，獲取建筑中各電器使用時長與運行功率，分別計算能耗，再通過用電行為估算用電直接碳排放，并結(jié)合當前時刻外購電碳排放因子、總能耗、光儲系統(tǒng)出力計算動態(tài)耗電排放因子，最后估算綠色居住建筑中各電器在各時段用能碳排放指標。綠色居住建筑用能碳排放指標估算流程如圖3所示。

圖3 用能碳排放指標估算流程圖

2.2 居民電器直接碳排放因子

基于上述負荷辨識算法與不同的直接碳排放來源，對各類電器直接碳排放因子進行以下估計。

空調(diào)、電視機、電燈等電器屬于僅耗電類電器，此類電器生產(chǎn)過程消耗的碳排放可在出廠時計算，在使用過程中僅消耗電能而沒有其他資源投入，因此只有間接碳排放，不產(chǎn)生直接碳排放。

耗水類電器主要由洗衣機、洗碗機等清潔類電器構(gòu)成，該類電器運行過程中除電能外只有水的額外投入，并且不會對水進行加熱，可以從運行時長、運行狀態(tài)等方面估計其直接碳排放因子：

其中，σw表示水的排放系數(shù)；Mw表示水的質(zhì)量；Pi表示電器功率；Ti表示電器工作時間。

耗熱水類電器主要由熱水壺、熱水器等僅額外使用水且進行加熱的電器構(gòu)成，其主要特點是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗臒崮埽鶕?jù)其消耗電量與加熱效率估算耗水量與米飯量從而得到直接排放因子，以質(zhì)量單位計量的熱水可按以下公式轉(zhuǎn)換為熱量單位，并計算得電器碳排放：

其中AD表示熱水熱量；W表示電能消耗；η表示電器加熱效率；Maw表示水的質(zhì)量；Tw表示水溫；CE表示碳排放量；σaw與σr分別表示水與米的碳排放系數(shù)；μ表示電器運行時米與水的質(zhì)量比。直接碳排放因子為碳排放量與電能的比值：

結(jié)合式(13)-(16)可以得到直接碳排放因子為：

耗食材類電器主要由電磁爐、微波爐等烹飪用電器構(gòu)成，根據(jù)烹飪方式不同，每次使用造成的碳排放也不同，食材烹飪所產(chǎn)生的碳排放是考慮蛋白質(zhì)和卡路里含量歸一化的結(jié)果，文獻[23]指出：一些常見的食物經(jīng)過不同的烹飪方式會產(chǎn)生的碳排放，國家衛(wèi)健委提供的推薦膳食比例作為食物烹飪比重計算各種烹飪方式的平均碳排放因子，作為電器每次使用造成的碳排放因子，用于計算直接碳排放計算公式如下：

其中σi表示食材排放系數(shù)；ωi表示攝入比例。

2.3 電器實際間接碳排放因子

建筑的實際間接碳排放因子不斷變化，其數(shù)值受到動態(tài)購電碳排放因子、外購電量與光儲出力影響。

根據(jù)IPCC指南，電力行業(yè)產(chǎn)生的碳排放量可以根據(jù)自下而上的清單構(gòu)建和部門活動模型通過化石燃料活動數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的排放因子獲得[24-25]，并通過日發(fā)電量組合、不同發(fā)電類型平均排放系數(shù)和凈進口電力及其排放系數(shù)估算出相應(yīng)省份的日電力排放系數(shù)[13]。

在分項估算電器碳排放時，每種電器根據(jù)自身能耗量分攤該時段總碳排放，但在綠色建筑實際運行過程中，受其光儲系統(tǒng)出力影響，間接碳排放因子計算公式如下所示：

其中Y示消耗的儲能電力中屬于外購電部分充電產(chǎn)生的碳排放；Ebt表示當前時間段外購電碳排放因子；WLt、Wvt、Wct分別表示建筑總能耗、光伏出力、儲能出力；η為儲能電池充放電效率；μ為儲能儲存過程每小時損耗。

2.4 綠色居住建筑碳排放指標精細化估算

本文考慮不同時段能源不同發(fā)電機組組成成分、綠色建筑光儲出力、居民用電行為差異，得到居民間接碳排放因子σ=[σ1,σ2,...,σ24]T、居民直接碳排放因子τ=[τ1,τ2,...,τn]，考慮實時碳排放因子的綠色居住建筑分項碳排放模型為：

其中σ表示建筑間接碳排放因子；τ表示電器直接碳排放因子；為電器i在第j小時總能耗；為電器i在第j小時用電碳排放量。

3 算例分析

本文所用數(shù)據(jù)集包含某居住建筑中家庭數(shù)日總電表用電數(shù)據(jù)與光儲系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)，其中負荷數(shù)據(jù)使用NIDAQ采集設(shè)備雙通道采集聚合功率特征和諧波特征，CPL8100A交直流電流鉗采集相電流，PinTech N1008A差動探頭采集電壓，居民實際用電數(shù)據(jù)采樣頻率為1.6kHz。光儲系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)由系統(tǒng)直接提供。采集裝置如圖4所示。

圖4 采集裝置實物圖

3.1 基于負荷辨識的居民能耗計量

對數(shù)據(jù)集中某戶居民家用電能耗進行計量，辨識結(jié)果與總能耗如表1所示，各電器分時運行情況如圖5所示，其中電器1-6表示啟停次數(shù)大于10的六種常用電器，電器7表示未知電器。未知電器是指家用電器中運行次數(shù)多，不足以形成完整可靠的特征庫，所以未加入辨識的電器，而不是單指某一種無法辨識的電器。

表1 辨識與計量結(jié)果

圖5 常用電器運行情況

從表中可以看出，非侵入式辨識準確率較高，計量誤差較小，可以滿足能耗計量的需求。此外，根據(jù)用戶行為可知，該戶居民早出晚歸，居家活動基本集中在下午四點以后。其中，冰箱全天運行，在長時間運行過程中能耗變化不大。烹飪類電器主要集中在傍晚運行，運行時間不長，能耗有限。空調(diào)在晚上長時間運行，產(chǎn)生大量能耗。因此，可以使用非侵入式負荷辨識來獲取家庭用電信息，進而估算居住建筑碳排放。

3.2 綠色建筑用能碳排放指標精細化估算實例

實例選用某建筑中六戶居民用電數(shù)據(jù)，結(jié)合光儲系統(tǒng)進行能碳排放指標精細化估算。首先，根據(jù)居民實際用電方式估算直接碳排放，其中μ取0.7，電飯煲加熱效率取0.8，熱水壺加熱效率取0.9。計算得到各家用電器直接碳排放因子如表2所示。

表2 常見家用電器直接碳排放因子

再根據(jù)結(jié)合綠色建筑光儲系統(tǒng)處理與動態(tài)購電碳排放因子計算電器實際間接碳排放，其中動態(tài)購電碳排放因子選用江蘇某地一日電力碳排放因子，圖6中分別列出了電網(wǎng)購電排放因子、僅有光伏出力與配有光儲系統(tǒng)后的實際間接碳排放因子日變化曲線。

圖6 間接碳排放因子變化曲線

最后，在負荷辨識的基礎(chǔ)上，基于上述直接、間接碳排放因子與居民電器分時能耗，可以分別計算在有無光儲系統(tǒng)情況下居民用戶某日碳排放分時分項，估算結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7 普通建筑居民分時分項碳估算結(jié)果

圖8 綠色居住建筑分時分項碳估算結(jié)果

從以上圖中可以看出，在白天光伏出力較高、負荷量較少的情況下，僅憑自發(fā)電即可滿足用電需求，白天使用的負荷無間接碳排放。在引入儲能后可以將光伏發(fā)電過剩的電量存儲起來用于夜晚使用，從而減少夜間間接碳排放。總體而言，光儲系統(tǒng)的加入大大減少了建筑碳排放總量，電器的使用時段也在很大程度上影響了其產(chǎn)生的碳排放量。

最后，得到數(shù)據(jù)集中的綠色居住建筑某日能碳排放指標如表3所示。

表3 綠色建筑能碳排放指標

從表3中可以看出，由于運行時長的差異，冰箱與空調(diào)的間接碳排放占比極高。但是由于其他資源的消耗，烹飪類電器的直接碳排放也不容小覷，其碳排放總量占比超三分之一。

4 結(jié)論

本文提出了一種綠色居住建筑電器能碳排放指標分項計量方法，用于完整地估算綠色建筑電器運行所導(dǎo)致的碳排放。通過非侵入式負荷辨識，判斷用戶用電行為，從直接、間接碳排放角度，揭示了綠色居住建筑中各電器在一日內(nèi)不同時間段的能耗與碳排放總量，實現(xiàn)綠色居住建筑電器能碳排放精細化計量，為綠色建筑節(jié)能降碳調(diào)控策略提供數(shù)據(jù)支撐。結(jié)果顯示，運行時間長的電器與烹飪類電器消耗碳排放最多，電器的使用時段也在很大程度上影響了其產(chǎn)生的碳排放量。

今后可以考慮綠色建筑中電器種類與用戶用電行為特點，針對固定建筑修正電器直接碳排放，提高估算準確性與完整性。