低碳园区能流-碳流分析方法及案例分析

张改景

上海市建筑科学研究院

0 引言

随着我国新型城镇化的建设发展，城市建设低碳化、智慧化、绿色化、健康化是我国和全球城市建设总体发展的趋势。园区作为城市建设的重要组成部分，低碳化发展也是当务之急。目前，低碳园区在制定提高能效和控制碳排放量的决策工作中，由于科学手段的缺乏，只能依据统计数据，从能源消费的角度得到各产业部门或各工业行业的能源消费排名，作为规划和决策的依据[1]。低碳园区的建设亟需能够反映能源在生产、加工转换和消费的流动过程中，输入对输出的关联关系与驱动影响规律的能流-碳流系统分析调控模型。因此，本文以低碳园区的能流-碳流分析模型构建方法及案例分析为研究对象，以期构建具有科学性和使用性的低碳园区能流-碳流分析工具，提高园区能源规划决策水平和效率。

1 国内外能流-碳流研究现状

1.1 能流-碳流分析方法在国家层面的应用现状

能流图，也称能源系统网络图或系统能流及能源效率图，是可视化分析既定能源系统能源供需平衡和有效利用程度的工具。1898年，爱尔兰工程师Sankey首次使用能流图表示蒸汽引擎的能源效率[2]。此后，能流图广泛用于表达能源或其它物质的流通情况。1972年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室首次公布了美国的国家能流图，之后每年都会定期更新公布国家能流图[3]。随着对能流图认识和应用的不断深入，各个国家都相继在能流数据统计的基础上进行能流图的绘制[4-5]。能流图直观、形象地展示了一个地区或国家的能源统计概况，在国际上得到广泛应用，有利于国际间的平行对比（见图1）。

图1 各个国家能流图应用分析[6]

能流-碳流图是在能流图的基础上发展而来，在能流图中增加了能源的碳数据，描绘能量流动过程中伴随碳流，在分析能源效率的同时研究碳排放的特点，对能源利用的环境效益进行更深入的分析。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室通过绘制和推测国家不同年份的能流-碳流图，分析了美国实现2050年减排目标所面临的挑战和机遇，提出了合理的建议和对策[7]（见图2）。常文韬通过构建城市能流-碳流系统，提出SO2、NOx、CO2三种污染物协同减排的具体方案[8]。

图2 美国2050年能流-碳流图应用分析

1.2 低碳园区与国家层面的能流-碳流分析差异性

园区能流-碳流图的方法和思路与构建国家能流图具有一定的差别，在能流-碳流图的层级结构、数据分类收集、一次能源关注点、终端消耗分类等方面都有不同。

（1）数据来源和统计方法。包括两个方面：一是应用于规划设计阶段的能流-碳流图数据来源于基于园区规划资料的模拟和预估数据；二是应用于实际运营阶段的能流-碳流图数据来源于园区实际运行的监测数据，并合理建立园区的能源平衡表和碳流数据库。

（2）能流-碳流图层级结构。能流-碳流图的层级结构参考国内外的普遍形式，基本流程为一次能源输入-加工转换-消费终端。

（3）一次能源结构。园区相对于国家能流图结构，从某种程度上属于能源消费终端，在二次能源输入上包括市政能源输入以及园区自产能源。其中，市政能源部分包括外部输入园区的二次能源所利用的一次能源，包括园区外电力生产所需的各类一次能源、天然气、原油等。园区内部自产二次能源所使用的一次能源包括可再生能源发电、产热所需的太阳能、冷热电三联供所需的天然气等。从而看出，园区的一次能源结构中，无法改变市政输入的二次能源所消耗的一次能源结构，但是可以通过增加自产能源改变园区整体一次能源的结构。

（4）终端消费分类。国家的能流-碳流图是以全社会的能源供应消费为研究对象，其分类以体现全社会能源消耗结构的大类为基础，例如分为工业、民用、交通、市政等。对于园区而言，其社会性质较为单一，能源消费对象相对较为具体，因此终端消费分类应更加细化，可分为基础设施和建筑两大类。根据各类能源消耗特点进一步的分类，例如基础设施可分为交通、公共照明、公共供热供电设施等，建筑能耗可分为办公、住宅、商业等。

2 低碳园区能流-碳流图分析方法

2.1 相关定义

园区能流图是以图形的形式由左向右描述园区一定时期内的能源流动过程，由图形、数据和文字构成，能形象、直观地描述能源利用的各个环节。能流图和基于能流图开展的能源系统效率研究已成为支持和影响政策制定的工具、支持科学研究的平台、开展国际间交流和比较的基础。应用能流图可分析既定能源系统各环节的能源活动水平、消费结构、技术种类和水平以及能耗密度的现状、历史（演变）、未来趋势，并可用于校验情景分析的过程和结果。

碳流系统是利用全生命周期评估理论对碳排放数据进行统计，能流-碳流系统中的碳流主要指与能源消耗、转换相关的碳排放数据。碳流系统不是独立的系统，是能流系统的嵌套、衍生系统，建立两者结合的分析系统模型，对于分析能源效率、减排措施具有重要的指导作用，主要体现在四个方面：一是可将协同理论应用于温室气体减排，为协同减排提供理论支持；二是能够体现可控驱动的的关键因素及其机理，体现能流、碳流的来源与去向，扩展了能流图的功能范围；三是可直观、形象地展示园区的能源结构、能源流向、碳流向等统计情况，并通过关键因素的识别，提升环境管理与能源规划决策水平和效率；四是为节能减排提供科学实用的分析方法和工具，并判断关键性减排因素，获得最优减排方案。

2.2 运行机理

建立低碳园区能流-碳流系统分析模型是分析园区能源结构、效率及碳排放关键因素的有效工具。模型的基础是通过梳理园区能源输入、流动以及输出的关系，并加入相关子系统、子过程的碳排放数据，把握城区能源消耗及效率、碳排放特点，从而识别影响园区智慧运行过程中的关键影响因素，为园区高效运行以及可持续发展提供强有力的数据基础和决策工具。

低碳园区的能流-碳流系统分析模型的前端输入是园区内各类、各区域能源消耗的数据，内嵌过程是各种能源的碳排放分析模型，模型动态流动的数据包括各种形式的能源以及相关碳量，输出的是园区的能源消耗数据和碳排放数据，以及在此基础上进行的分析结论、影响的关键因素、提炼的改善措施等，具体运行机理总结见图3。

图3 低碳园区能流-碳流分析模型运行机理

2.3 低碳园区能流-碳流框架图

1）园区能流-碳流分析模型结构。园区能流-碳流图主体的层次结构遵循国内外研究的普遍形式是一次能源-加工转换-能源消费终端。每个阶段主要包括的分析对象及分类如表1所示。园区能流-碳流图的主体数据类别主要包括能源数据和碳排放数据两大部分，两类数据的主要来源主要包括：一是文献资料，如类似研究、案例或相关研究成果等；二是生产厂家，如建筑材料、产品等生产厂家；三是其它途径等。

2）建立园区能流-碳流主体模型后，还需两大内嵌子模块将原始数据转化为能流-碳流图所需呈现的数据，两大模块分别为碳排放计算模块和能源转换模块。

3）通过识别园区全生命周期中各阶段对能流-碳流造成影响的因子，对比不同规划方案、技术应用对园区能流-碳流的影响，达到优化的最终目的。初步识别的影响因子如表2所示。

表1 园区能流-碳流层次结构分析对象

4）通过识别园区能流-碳流图各部分的分析对象后，在梳理各部分之间逻辑关系的基础上，可建立园区能流-碳流图的整体框架，如图4所示。

2.4 低碳园区能流-碳流图绘制方法

根据前面的研究成果，低碳园区的能流-碳流图的绘制步骤具体为如下三步。

图4 低碳园区能流-碳流图框架

（1）数据收集。主要包括分析或收集实际运行数据、各类能源生产设备的效率数据、各类能源消耗终端的能源利用效率数据、各类能源与碳排放之间转换关系数据。

（2）数据分析。对收集到的数据进行分类、统计和分析。根据能流-碳流图应用目的，对一次能源、转换过程及消耗终端进行合理分类，将相对应的数据进行统计计算，最终获得总能源和碳排放数据以及各分类的相关数据，为绘制能流-碳流图奠定良好的数据基础。

（3）图形绘制。根据以上研究内容，采用直接绘制或编程自动绘制低碳园区普适性的能流-碳流图（如图5）。该图为手动直接绘制的普适性、无具体数据的能流-碳流图，绘制过程中仅考虑各层级对象分类以及能源、碳的流向，其中包括一次能源、能源转换方式及能耗终端三个级别对象，各个对象之间的连线表示能流或碳流数据的流向及大小，连线的宽度根据各条连线能流或碳流数据与总量之间的比例进行绘制，通过宽度的不同体现数据的大小，能源流向为从左至右，用颜色表示不同能源流向。绘制的主要目的是为能流-碳流图在低碳园区的实际案例应用提供详细的思路。

图5 低碳园区能流-碳流图（普适性示意图）

3 案例分析

3.1 项目概况

该项目包括已建区、改建区和新建区，总建筑面积31 065m2。建筑功能包括办公建筑、工业建筑、实验楼、食堂等。研究主要目标是基于既有园区运营数据，绘制能流-碳流图，评估低碳园区用能现状和碳排放情况，针对性地提出优化改善措施。基于园区低碳减排目标实现的情况下，预测分析低碳园区总体碳排放量，并对未来新建建筑提出设计要求。

3.2 结果分析

3.2.1 园区整体能流-碳流分析结果

园区主要能源结构包括天然气、太阳能和市政电，其中市政电占比89.39%，园区的天然气使用大户为1号楼（实验用）和11号楼（职工食堂），园区的用电大户为5号楼（办公+实验）和15号楼（办公+实验），园区年单位建筑面积能耗29.6kgce/m2，比上海市商业办公建筑先进值33kgce/m2降低10.3%，若扣除实验用能及餐厨用能，其降低比例更多（见图6）。

园区单位建筑面积碳排放量约为76.3kgce/(m2·a)，是有些文献研究结果141.64kgce/(m2·a)[9]的54%。园区的碳排放大户为5号楼（办公+实验）和15号楼（办公+实验），主要用能为市政电。天然气的碳排放量远远小于市政电。

通过园区能流图分析结果可知，有些用能单元的耗能计量方式只分空调+动力，有些按楼层计量，有些按照空调、照明、动力、插座、电梯及大厅分类计量。各个用能单元的计量方式不统一，不利于园区各用能单元的平行比，也不利于制定各个用能单元的节能改造措施。

3.2.2 某栋建筑的能流-碳流分析结果

利用对单栋楼的碳排放结构进行分析，从而有针对性的制定减碳措施。如该园区的1号楼，其碳排放来源主要为市政电和天然气，其占园区总碳排放量比例分别为0.9%和4.3%，有效降低本楼的市政用电和增加可再生能源的利用可以有效降低本楼的碳排放量（见图7）。

图6 某低碳园区能源-碳流图

图7 某栋建筑的能流-碳流分析结果

4 小结

本文通过对国内能流-碳流方法研究现状调研分析，总结梳理了低碳园区与国家层面的能流-碳流方法的差异性，剖析了低碳园区能流-碳流的运行机理，形成了低碳园区能流-碳流分析普适性分析框架，建立了低碳园区能流-碳流图绘制方法，并在某园区中进行示范应用分析，具有良好的应用价值。

研究发现能流-碳流图对园区的建设运营具有良好的实际应用价值，可通过能流分析为园区的部分规划指标体系决策提供依据，为能源利用效率、能源结构、能源设备选型等方面提供一定的指导，可通过碳流分析为园区建设的低碳指标进行合理化定位，为识别园区碳排放关键因素提供有效工具。能流、碳流两者的结合分析具有一定的必然性，是实现低碳园区建设，提高能源高效利用的必要手段。