中國建筑科學研究院  楊遠程，路 賓，何 濤，張昕宇，李博佳，王博淵

      【摘　要】根據(jù)全壽命周期法建立了建筑供暖系統(tǒng)碳排放計算的模型，明確了建筑供暖系統(tǒng)的生命周期階段以及相關能源及材料的碳排放因子。通過建立的北京典型農村住宅的建筑能耗模型，對北京農村地區(qū)燃煤鍋爐、兩種不同末端形式的空氣源熱泵和燃氣鍋爐供暖的各個階段的碳排放比例進行了對比分析。研究成果可以從碳排放的角度指導農村地區(qū)選擇適宜的冬季供暖系統(tǒng)。

      【關鍵詞】建筑供暖系統(tǒng)；全壽命周期法；碳排放；農村地區(qū)

      【基金項目】 “十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“藏區(qū)、西北及高原地區(qū)利用可再生能源采暖空調新技術” （2016YFC0700400）

0 引 言?

      溫室氣體的排放會導致全球氣候變暖已經(jīng)成為人類社會的共識。人類活動引起溫室氣體排放增加是導致全球氣候變暖的主要原因，預計到本世紀末期地球表面平均溫度會增加1.1 ℃到6.4 ℃，這將對人類生存構成嚴重威脅^[1] 。

      截止至2013年，北京市農村年供暖用能為380萬噸標準煤，其中煤炭用量為349萬噸標準煤，占總供暖用能的92%。供暖用煤量每年持續(xù)增長，速度驚人。農村住宅使用的小型燃煤鍋爐不僅效率低下（只有40%），而且在使用過程中會產(chǎn)生大量的CO₂，SO₂，NOx，PM2.5等污染物質^[2] 。為了改善環(huán)境問題，北京市2016年共完成663個村莊、22.7萬戶的“煤改清潔能源”任務，其中“煤改電”574個村19.9萬戶，“煤改氣”89個村2.8萬戶。在19.9萬戶“煤改電”中，空氣源熱泵15.1萬戶，占總改電戶數(shù)的76.28%；地源熱泵2139戶，占總改電戶數(shù)的1.07%；蓄能式電暖器4.43萬戶，占總改電戶數(shù)的22.30%；其他電供暖設備688戶，占總改電總戶數(shù)的0.35%。戶數(shù)對比情況如圖1所示。

      本文從碳排放的角度對北京農村地區(qū)采用的供暖系統(tǒng)進行研究，結合北京農村清潔供熱應用現(xiàn)狀，以應用量較大的燃氣鍋爐、空氣源熱泵和電采暖作為研究對象，燃煤鍋爐作為參考對象，采用全壽命周期法建立建筑供暖系統(tǒng)碳排放計算的模型，明確了建筑供暖系統(tǒng)的生命周期階段以及相關能源及材料的碳排放因子。對不同形式的供暖系統(tǒng)碳排放進行了對比分析，研究成果對于農村地區(qū)選擇供暖系統(tǒng)具有指導意義。

1 建筑供暖系統(tǒng)碳排放計算方法

      1.1 全生命周期評價法

      全生命周期評價（Life Cycle Analysis，簡稱LCA）方法在相關產(chǎn)品開發(fā)過程的環(huán)境評價應用十分普遍。LCA是一個全面的環(huán)境評價系統(tǒng)，可以將LCA方法應用在建筑施工決策的環(huán)保產(chǎn)品選擇、評估及優(yōu)化施工工藝等方面。

      根據(jù)LCA的評價方法的內涵，本研究將建筑供暖系統(tǒng)的階段劃分為生產(chǎn)運輸階段、安裝階段、運行階段以及拆除階段。

      1.2 建筑供暖系統(tǒng)邊界

      不同種類的溫室氣體引起溫室效應的強度相差很大，目前國際上統(tǒng)一以CO₂當量作為基準，不同種類的溫室氣體造成的全球變暖影響根據(jù)其氣候變化潛值（Global Warming Potential，GWP）可統(tǒng)一折算成CO₂當量來衡量。根據(jù)這些溫室氣體變化潛值，可以把各種溫室氣體排放用CO₂當量表示，總的溫室氣體排放量為各種溫室氣體用CO₂當量表示的碳排放總和。本文采用CO₂2排放當量（kg-CO₂e）作為碳排放源排放各種溫室氣體的單位。

      按溫室氣體排放量控制的難易程度，溫室氣體排放可分為三個范圍:

      范圍1：系統(tǒng)計算邊界內的直接排放；

      范圍2：為使系統(tǒng)運行購入的電力、熱水或蒸汽等能源產(chǎn)生的溫室氣體排放；

      范圍3：構成系統(tǒng)的設備、管道、構件等其他材料引起的溫室氣體排放。

2 建筑能源系統(tǒng)模型中碳排放因子

      化石能源燃燒產(chǎn)生的碳排放考慮開采和運輸產(chǎn)生的碳排放，得到各類化石能源生命周期內的綜合碳排放因子見表1：

      電力碳排放因子采用國家發(fā)展和改革委員會應對氣候變化司發(fā)布的中國區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子，本文采用的電力碳排放因子是2016年華北區(qū)域電網(wǎng)的OM值1.0000 tCO₂/MWh（OM為電量邊際排放因子，此值可以認為是電供暖的單位制熱量碳排放量） ^[4] 。

      常見建筑材料碳排放因子見表2：

3 建筑供暖系統(tǒng)設備各階段碳排放計算

      3.1 生產(chǎn)運輸階段

      空調機組材料消耗量根據(jù)已有研究結論確定，材料生產(chǎn)排放量根據(jù)單位材料的排放系數(shù)計算；二次加工能耗數(shù)據(jù)根據(jù)廠家調研數(shù)據(jù)，空調機組加工耗電量指標為0.18 kWh/kg^[6] ,，進而可得出空調機組加工能耗產(chǎn)生的排放，得到空調機組綜合生產(chǎn)排放量。根據(jù)清華大學的研究成果得到空氣源熱泵材料組成如表3所示。

      鍋爐的主要組成材料組成是鋼材和耐火材料，其組成比例大約為40%和60%^[7] 。本研究中所使用的管道為DN25以及DN20的管道，根據(jù)相關研究得到的保溫管道生產(chǎn)CO₂排放量回歸曲線和擬合公式[3]，得到其生產(chǎn)碳排放分別為9.46 kg/m和5.45 kg/m。

      貨物的運輸主要包括公路運輸、鐵路運輸、航空運輸和水路運輸四種方式。不同運輸方式單位周轉量能源消耗量不同，對應單位周轉量產(chǎn)生的排放量也不同[5]。本研究計算中建筑設備及其配套零件按以公路運輸方式，從山東運到北京，運輸?shù)钠骄嚯x按400 km考慮。

      3.2 安裝階段

      對于本研究的北京農村地區(qū)的住宅供暖系統(tǒng)安裝碳排放采用估算的方法。

      住宅設備生命周期安裝階段二氧化碳排放量簡易估算模式采用日本環(huán)境共生住宅推進協(xié)會所建立的設備生命周期簡易估算模式：

      設備安裝CO₂排放量（kg-CO₂e）=樓地板面積（m²）•CO₂排放元單位（kg-CO₂e/m²）。

      CO₂排放元單位=12.07 kg-CO₂e/m²。

      根據(jù)重慶大學的研究結果顯示，暖通空調設備安裝的能耗約占安裝總能耗的35.7%^[8] 。

      3.3 運行階段

      對于建筑供暖系統(tǒng)運行產(chǎn)生的碳排放根據(jù)系統(tǒng)消耗的一次能源和二次能源的碳排放因子來計算。

      3.4 拆除階段

      建筑供暖系統(tǒng)中使用的材料大部分為金屬和塑料，為可回收材料，其回收所節(jié)約的碳排放在生產(chǎn)中已經(jīng)考慮。拆除處置階段的碳排放來源只考慮系統(tǒng)設備管道拆除和廢棄設備運輸?shù)倪^程。

4 建筑供暖系統(tǒng)碳排放影響因素分析

      建筑供暖系統(tǒng)主要包括熱源和末端兩部分，本文結合北京農村住宅供暖系統(tǒng)的現(xiàn)狀，研究主要考慮兩種末端形式：散熱器和地板輻射供暖。熱源考慮燃煤鍋爐、燃氣鍋爐和空氣源熱泵。計算過程中采用的空氣源熱泵的使用壽命為15年，燃氣鍋爐和燃煤鍋爐的使用壽命為10年^[9] 。綜合不同形式的熱源和末端，對四種農村建筑供暖系統(tǒng)進行碳排放量的計算，并對結果進行了對比分析。

      由于采用的是全壽命周期法，時間跨度較長，工藝和能源結構的變化會導致模型中各種材料以及能源碳排放因子發(fā)生變化，在本研究的計算中，仍采用現(xiàn)有的碳排放因子作為計算依據(jù)。

5 北京農村不同建筑供暖系統(tǒng)碳排放計算

      5.1 建筑模型

      為研究北京地區(qū)不同建筑供暖系統(tǒng)的碳排放，建立典型的北京農村地區(qū)住宅建筑的能耗模型。建筑的詳細信息如下：建筑供暖面積為100 m²，層高3 m，南向窗墻比0.5，北向窗墻比0，東西向窗墻比0，外墻為37 cm磚墻+50 mm聚苯保溫板，其傳熱系數(shù)為0.4 W/(m²•k)；外門為雙層塑鋼門，傳熱系數(shù)為2.58 W/(m²•k)；外窗為雙層塑鋼窗，傳熱系數(shù)為2.8 W/(m²•k)；屋頂為混凝土預制板+100 mm膠粉聚苯顆粒，傳熱系數(shù)為0.8 W/(m²•k)；冬季室內設計溫度為18 ℃，換氣次數(shù)按0.5 次/h計算。室外溫度選取北京地區(qū)2016年11月15日至2017年3月15的平均室外溫度^[10] ，供暖耗熱量計算結果如表4所示：

      5.2 熱源和末端相關參數(shù)

      根據(jù)市場調研，滿足該建筑供暖需求的空氣源熱泵、燃氣鍋爐和燃煤鍋爐的質量分別為250 kg、40 kg和65 kg；散熱器型號采用GZ-2-6-1.0鋼制柱型散熱器；地面輻射供暖用的塑料管采用聚乙烯管。計算時燃煤鍋爐和燃氣鍋爐的效率值分別取40%和90%。根據(jù)中國建筑科學研究院對北京部分農村地區(qū)一個供暖季的測試結果，空氣源熱泵在散熱器和地板輻射供暖對應的制熱性能系數(shù)分別為2.39和2.66。

      5.3 計算結果

      根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，計算出4種供暖系統(tǒng)形式在北京農宅中應用的各個階段的碳排放，結果如表5所示：

      從計算結果可以看出，供暖系統(tǒng)的運行階段碳排放量占整個生命周期排放量的92%以上，提高供暖系統(tǒng)的運行效率可以大幅度減少碳排放量；其次是供暖設備的生產(chǎn)階段，占到整個生命周期排放量碳排放量的5%。在進行建筑供暖系統(tǒng)的選擇時，建議選擇能效比較高的供暖設備。

      從表3和圖3中還可以看出，不同形式的供暖系統(tǒng)的單位制熱量的碳排放具有較大差異，單位制熱量的碳排放最小供暖系統(tǒng)為燃氣鍋爐+散熱器供暖系統(tǒng)，單位制熱量碳排放為0.257 kgCO₂e/kWh；相應的空氣源熱泵+地板輻射供暖為0.3984 kgCO₂e/kWh；空氣源熱泵+鋼制散熱器為0.4392 kgCO₂e/kWh；燃煤鍋爐+鋼制散熱器為0.863 kgCO₂e/kWh。采用空氣源熱泵技術替代傳統(tǒng)的燃煤鍋爐能夠減少約51.47%的碳排放，燃氣鍋爐能夠減少70.22%的碳排放。

      對于空氣源熱泵的供暖系統(tǒng)，采用地板輻射供暖末端相比散熱器供暖末端能夠減少9.3%的碳排放。

      根據(jù)本研究以及2016年北京市農村地區(qū)“煤改清潔能源”的調研結果初步估算，北京已經(jīng)改造的22.7萬戶，與改造前使用的燃煤鍋爐減少了近44.43%的碳排放，折合CO₂當量約1.3ⅹ106噸。

6 與英國供暖系統(tǒng)碳排放因子的對比

      英國學者對家庭中的小型供暖系統(tǒng)進行了全生命周期的碳排放分析研究，研究結果表明：燃氣鍋爐的單位制熱量碳排放為0.294 kgCO2e/kWh，使用空氣源熱泵單位制熱量碳排放為0.276 kgCO2e/kWh[11]。圖4為我國與英國的不同供暖系統(tǒng)的單位碳排放量的對比。

      造成單位產(chǎn)能碳排放因子較大差異的原因在于兩國電力結構的差異，詳見表6。本研究中選用的中國電力碳排放因子為2016年華北區(qū)域電網(wǎng)的OM值1.0000 tCO₂/MWh，而在英國電力結構中，核電和天然氣發(fā)電占總發(fā)電的比例很大，其電力碳排放因子僅為0.556 tCO₂/MWh。由于中英兩國氣候差異和產(chǎn)品性能的差異，研究中英國選用的空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)為2.8，本研究中選擇的空氣源熱泵制熱性能參數(shù)分別為2.39和2.66。

7 結論

      本研究基于對北京農村地區(qū)冬季供暖現(xiàn)狀的分析的基礎上，運用全壽命周期法研究了“煤改電”、“煤改氣”的背景下不同供暖系統(tǒng)的減排效果，得到了以下結論：

      （1）建筑供暖系統(tǒng)的運行階段碳排放占整個建筑供暖系統(tǒng)生命周期碳排放的90%以上，在進行建筑供暖系統(tǒng)的選擇時，建議選擇能效比較高的供暖設備。

      （2）不同形式的供暖系統(tǒng)的單位制熱量的碳排放具有較大差異。與燃煤鍋爐相比，直接采用電供暖，會增加15.87%的碳排放，采用空氣源熱泵系統(tǒng)減少約51.47%的碳排放，采用燃氣鍋爐能夠減少70.22%的碳排放，采用燃氣鍋爐從能源利用角度不是十分合理，存在高質低用的問題，綜上，建議采用空氣源熱泵系統(tǒng)作為供暖系統(tǒng)的熱源，在此基礎上增加太陽能供暖系統(tǒng)，可以進一步降低建筑的碳排放。

      （3）研究中發(fā)現(xiàn)碳排放因子和電力結構對于碳排放量有直接的影響，對比中英兩國碳排放因子，由于英國的電力結構主要為天然氣發(fā)電，核能也占有一定的比例，導致英國燃氣鍋爐的單位產(chǎn)能碳排放因子為0.294 kgCO2e/kWh，使用空氣源熱泵為0.276 kgCO2e/kWh。如果清潔發(fā)電比例上升，相應的碳排放因子會下降。

      （4）地板輻射供暖能夠提高空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)，研究結果發(fā)現(xiàn)，對于熱源為空氣源熱泵的供暖系統(tǒng)，采用地板輻射末端相比散熱器末端能夠減少9.3%的碳排放，因此農村地區(qū)供暖系統(tǒng)的末端優(yōu)先采用地板輻射。

參考文獻

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      備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
                版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯(lián)系作者。