基于LEAP模型的既有城镇住区清洁能源替代及二氧化碳排放研究

陈 纬，李 琼

(华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 065201)

0 引言

现有城镇居住区的清洁能源替代是我国城镇更新和高质量发展的体现，也是实现国家碳排放目标要求。2018年，我国建筑运行能耗总量为10亿吨标准煤，占全国能耗总量的21.7%。建筑业的碳排放总量为21.1亿吨，占中国能源碳排放总量的21.9%[1]。建筑减排降耗已经成为影响能源安全、优化能源结构、提高能源效率、实施资源与可持续发展战略的关键因素[2]。既有城镇住区气候适应性较差，缺乏适应不同气候地区的既有城镇住区清洁能源替代技术体系，既有城镇住区清洁能源升级改造技术研究需要考虑区域优势清洁能源生产与能源需求的匹配，且满足“双碳”目标要求。

近年来，不同学者从不同角度对居住建筑低碳转型进行研究。郑倩[3]、丁欣之[4]分别为寒冷地区和夏热冬冷地区建筑清洁能源改造提供建议。张蕊[5]从改造决策效益最大化角度为夏热冬冷及夏热冬暖地区建筑清洁能源改造提供参考建议。张春焕[6]从性能提升的角度结合BIM技术对其进行清洁能源提升研究。俞诗言[7]从四个不同层面研究了郑州地区既有城镇住宅清洁能源改造现状，并提供可行性的绿色改造策略。同时，LEAP模型因为其在能源规划研究中的优势，被广泛应用于研究中。李栋等[8]利用LEAP模型评价了城市居住区能值并且分析了复合情景，T.Zhao等[9]利用LEAP模型研究了中国低碳经济发展前景。曹斌等[10]建立了LEAP模型，对厦门市节能与温室气体减排进行了潜力分析。贾彦鹏等[11]建立了景德镇的LEAP模型，研究了城市能源规划与CO2减排。目前对于清洁能源替代及二氧化碳达峰研究应用的模型及方法不相同，缺少针对既有城镇住区清洁发电趋势及碳达峰目标情景条件的预测和有效的清洁能源替代方案。

LEAP模型因其综合性、整体性较高等特点，本文则以山东省为例研究既有城镇住区清洁能源替代策略，首先分析山东省优势清洁能源，然后建立山东省LEAP模型预测山东省建筑能耗趋势，最后结合我国碳达峰目标研究不同情景下山东省城镇住区碳达峰情况，研究结果能够为山东省既有城镇住区清洁能源改造提供理论和技术支撑。

1 研究方法

1.1 LEAP模型

LEAP(Long-range Energy Alternative Planning system)，即长期能源替代规划系统模型，是能源系统分析模型中的一种，由瑞典斯德哥尔摩环境研究所(SEI，Stockholm Environment Institute，)与美国波士顿大学共同开发，主要用于国家和城市的中长期能源环境规划，可预测不同驱动因素影响下的全社会能源供应与需求量,LEAP模型是自下而上的计量经济学模型，具有数据结构灵活，可透明输入等特点，根据数据可得性、分析目的和类型，使用者可灵活构造对应的数据集合[12]。

本次研究建立的山东省LEAP模型分为四个层次：第一层次：总类别，既有城镇住宅建筑；第二层次：终端用能部门，包括空调、照明、设备、电梯、炊事和热水等，对应指标为各部门的活动水平；第三层次：用能设备，按照终端用能的设备类型划分，如房间空调器、普通灯具、节能灯具、电脑、电热水器、燃气灶、天然气灶等，对应指标为设备活动水平及能源强度;第四层次：用能类型，用能设备消耗的能源类型，如电力、天然气等。对应指标为能源使用类型、能源比例、能源效率、能源碳排放强度等。

1.2 二氧化碳排放研究

碳排放量基于 IPCC 推荐的碳排放系数法计算各种能源的碳排放量[13]，具体计算见式。

T(co2)=∑HECj*CDEJ

(1)

式中，T(CO2)为能源消费二氧化碳排放量，万吨；HECj为第 j 种能源消费量，万吨；CDEj为第 j 种能源的二氧化碳碳排放系数。

本文总体研究路线如图1所示。

图1 研究路线图

2 山东省示范区案例研究

2.1 山东省优势清洁能源概况

山东省作为我国煤炭消耗最多的省份之一，由表1可知，2019年山东省清洁能源发电占总发电的10.24%，其中光伏太阳能发电和风力发电分别占总发电量的2.83%和3.82%，是山东省清洁能源发电的主要构成部分。从清洁能源发电增速的角度，2019年清洁能源发电增长了3.57%，增速较之前有明显提升。其中，光伏太阳能发电和风力发电稳定增长，增长率与前3年基本相同，2019年山东省大力发展核电，核电厂的投入使用使得2019年山东省核能发电量是2018年的5倍多。

《2021年全省能源工作指导意见》指出，到2021年底，新能源和可再生能源发电装机要达到5200万度以上，占电力总装机比重达到32%以上；煤电装机控制在1亿度左右，占电力总装机比重66%左右。2021年，天然气供应量220亿m3以上；省外来电1200亿度以上；能源基础设施投资600亿元以上。由于当地地缘优势，风能、太阳能、海洋能等优势明显且是当前山东省大力发展的清洁能源种类。

2.2 建筑能耗需求预测模型构建

根据调研，参考中国能源统计年鉴2020中山东省的相关数据，得到了居民建筑能耗数据，见表2。

表2 居民建筑能耗数据

将表2中居民生活能耗数据应用到山东省LEAP模型中，对后续20年的城镇居民建筑能耗增长趋势进行预测，模型中人口增长率和城镇化率使用预测值，人均建筑能耗强度保持当前水平，预测在能耗水平不变的情况下，未来20年山东省居民建筑能耗情况，其中，人口增长率的预测值基于《山东省统计年鉴2019》人口数据对山东省人口增长率进行Growth预测得到，设置未来20年山东省年均人口增长率为0.56%；城镇化率根据山东省城镇化建设目标设置2040年山东省城镇化率为73%，最终由山东省LEAP模型得到图2预测结果。

由图2可知，居民生活能耗随着居民生活水平及人口呈现逐年增长的趋势，其中，2040年电力消耗总量为2010年的2.66倍；同时电力在城镇居住建筑能耗占据的比例也逐年上升，从2010年的61%上升至2040年的70%，电力已经成为并将继续是居民建筑所消耗的主要能源。居民生活中实际使用的清洁能源相对较少，从2010年至2040年占据当年总能耗的5%～7%。根据以上分析，居民直接使用清洁能源的占据很小的比例，因此清洁能源替代技术主要应用方向主要是发电燃料的替代，即从化石能源发电逐步转变为清洁能源发电。

图2 后续20年居民建筑能耗增长趋势(百万吨标煤)

2.3 二氧化碳排放趋势

基于上述研究，电力作为未来居民生活用能的主要方式，同时也是清洁能源改造最有效快速的方式，当前山东省政府大力发展清洁电力，以清洁电力为依托的清洁能源替代是山东省实现碳中和的有效方式。结合2030年碳达峰目标，预测清洁电力发电逐年增加比例对山东省城镇居民建筑碳达峰的影响，将上述预测作为基准情景，设置不同情景研究二氧化碳排放情况，具体情景设置见表3。

表3 山东省城镇居民建筑二氧化碳排放预测情景设置

由图3可以看出，基准情景下，山东省城镇居民建筑能耗二氧化碳排放至2040年仍逐年上升，不能满足2030年碳达峰目标。情景1中，i为0.5%时，全省居民生活能耗二氧化碳排放在2040年前持续上升，与基准情景相比，城镇住区建筑二氧化碳排放量降低；情景2中i为0.6%时，全省居民生活能耗二氧化碳虽然可以于2035年达峰，但仍然不能实现2030年前碳排放达峰的目标，情景3中i为1%时可以在2025年前实现全省居民生活能耗碳排放达峰。而由于城镇化率的逐年升高，相比较全省居民生活能耗碳排放达峰，i为1%的情景不能实现城镇生活能耗碳排放达峰在2030前达峰的目标，情景4中i为1.5%时可以在2030年左右实现城镇居民生活能耗碳排放达峰，情景5中i为2%时可以在2025年前实现居民生活能耗碳排放达峰。

图3 不同情景下山东省城镇居民建筑能耗二氧化碳排放情况

3 结论

(1) 本文采用LEAP模型对于既有城镇住区清洁能源需求和建筑能耗进行了预测。

(2) 由预测结果可以看出，清洁能源替代技术主要应用方向是发电燃料的替代，即从化石能源发电逐步转变为清洁能源发电。

(3) 结合山东省区域优势清洁能源，得到山东省示范工程清洁能源替代策略，当山东省清洁电力发电逐年增加超过1.5%时，可以在2030年左右实现城镇居民生活能耗碳排放达峰。

(4) 本文研究结果能够为下一步既有城镇住区清洁能源改造的研究和应用提供理论和技术支持。