长春地区城镇冬季供暖技术路径及碳排放研究

摘要：我国已提出“3060”目标，即二氧化碳的碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。建筑能源系统作为建筑的组成部分，其能耗与碳排放是建筑节能减排的重要领域。供热低碳发展是实现碳达峰、碳中和的重要手段之一，通过清洁能源替代化石燃料实现供暖低碳发展具有重要意义。分析了长春地区冬季供暖现状，包括长春用能发展现状和冬季主要供暖技术路径等。评估其碳排放必须首先明确建筑能源系统碳排放的计算方法，并通过建筑模拟手段对不同清洁供暖技术路径进行对比分析。研究得出，长春地区城镇减碳量最高的为集中生物质供暖，其次是燃煤锅炉供暖的技术路径，此结果主要受供暖面积影响。单位面积减碳量结果显示，减碳量较多的是生物质锅炉和热泵供暖技术路径，燃气锅炉和燃煤锅炉单位减碳量较少。在综合评价中，最优的是水源热泵，但在供暖技术路径的选择需因地制宜进行考量。

关键词：严寒地区；清洁供暖；碳排放计算

中图分类号：TU832.1" "文献标识码：A" "文章编号：２０９６-2118（2024）04-0065-04

Research on Winter Heating Technology Pathways and Carbon Emissions in Urban Areas of Changchun

ZHANG Jixin，YANG Jingang？鄢

（School of Municipal and Environmental Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract：China has put forward the“3060”goal，that is，carbon dioxide emissions strive to peak before 2030，and strive to achieve carbon neutrality by 2060.As an integral part of the building，energy consumption and carbon emissions of the building energy system are important areas of building energy conservation and emission reduction.Low-carbon development of heating is one of the important means to achieve carbon peak and carbon neutralization，it is of great significance to realize low-carbon development of heating by replacing fossil fuels with clean energy.The current situation of winter heating in Changchun area is analyzed，including the development status of energy consumption in Changchun and the main heating technology paths in winter.To evaluate its carbon emissions，it is necessary to first clarify the calculation method of carbon emissions from building energy systems，and compare and analyze different clean heating technology paths through building simulation methods.The study shows that the highest carbon reduction in urban areas in Changchun is centralized biomass heating，followed by the technical path of coal-fired boiler heating，this result is mainly affected by the heating area.The results of carbon reduction per unit area show that the most carbon reduction is the biomass boiler and heat pump heating technology path，and the unit carbon reduction of gas boiler and coal-fired boiler is less.In the comprehensive evaluation，the best is the water source heat pump，however，the choice of heating technology path must be considered according to local conditions.

Keywords：severe cold areas；clean heating；carbon emission calculation

0 引言

自20世纪末起，全球气候变化引起了广泛的国际关注。在这一环境议题中，全球变暖位居核心位置，其中最为关键的因素是温室气体的大量排放。研究指出，人类活动所导致的碳排放量急剧增加，是致使全球气温升高的主要因素。我国由于能源消费和生产规模庞大，且以化石能源为主导，因此碳排放较大[1]。尤其是建筑耗能，其伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，呈急剧上扬趋势。建筑能耗约占全社会总能耗的30%，其中供暖和空调能耗约占总能耗20%[2]。长春市作为中国东北地区的重要城市之一，2021年采暖面积达40 867.3万m2，占总建筑面积的91.1%。在其采暖能耗中，燃煤供暖所产生的碳排放量高达89.3%，清洁能源供暖如电和天然气的比例为10.9%。由于长春市冬季大气污染物浓度偏高，尤其是PM2.5和PM10等细颗粒物的排放，致使其在实现污染物减排目标上面临重大挑战。

1 建筑能源系统碳排放评价方法研究

碳排放是指在能源生产、工业生产以及其他人类活动中释放到大气中的CO2等温室气体的过程。这些温室气体对地球的气候产生影响，导致全球气温升高，气候问题日益严重。因此，对碳排放的关注成为当今社会环境保护和可持续发展的焦点之一。

建筑碳排放是指建筑产品在其整个生命周期中产生的温室气体排放量，主要以CO2当量值进行量化。CO2的排放导致地表反射到太空中的长波热辐射增加，进而导致大气中的热量积聚，加剧全球气候变暖[3]。

在北方寒冷地区，冬季供暖成为一个重要的碳排放源。传统的供暖方式主要依赖于燃煤，而燃煤释放的CO2和其他污染物对环境和空气质量造成不良影响。

碳排放因子的计算过程应遵从《IPCC国家温室气体清单》的指引，该指引详细列出了应当计算的所有温室气体类别，并推荐使用CO2当量值作为衡量单位。通过将实际气体排放转换成CO2当量，能更全面地评估不同活动对环境的影响[4]。本文确定的碳排放因子主要包括能源碳排放因子、电力碳排放因子以及材料碳排放因子。这些不同类别的排放因子为能源转换、电力产生和消耗导致的CO2排放量提供了量化依据。

化石能源碳排放因子包括化石能源在生产和消耗过程当中所引起的碳排放总和，包含了化石能源开采、加工以及运输过程。其计算公式如下：

EF■=CC■×OF■×■（1）

式（1）中：CCi为第i种化石燃料的单位热值含碳量，tC/TJ；OFi为第i种化石燃料的碳氧化率；■为CO2与碳的相对分子量之比。

本文所选用的碳排放因子数值经由严谨计算获得，以确保分析结果的准确性和科学可靠性（见表1）。在实际应用中，这些因子将被用于评估建筑能源系统所产生的碳排放量，从而为减少温室气体排放提供重要依据。需注意的是，在不同地区和条件下，碳排放因子的数值可能存在一定的差异性，因此在实施碳排放计算时，应当根据具体情况合理调整因子值，以准确反映当地独特的能源消耗特征和碳排放情况。

为了提供准确的数据支持，生态环境部于2023年2月7日发布了《关于做好2023—2025年发电行业企业温室气体排放报告管理有关工作的通知》，本文此次采用的电力碳排放因子为0.601 kgCO2/kW·h[5]。该排放因子代表每产生1 kW·h的电能所伴随的CO2排放。这个数值是基于全国范围内各种发电方式的综合考量得出的，可以作为评估建筑能源系统电力消耗导致的碳排放量的参考标准。

2 长春市城镇建筑运行阶段碳排放计算

目前，对于长春市而言，城市集中供热系统不仅在提高供暖效率上有着显著的优势，同时其在节能降耗方面也显示出其关键作用。长春冬季以燃煤锅炉为主，截至2021年，全市供暖面积约40 867.3万m2，其中清洁供暖面积18 859.2万m2。城区供暖面积29 795.9万m2，其中清洁供暖面积16 444.0万m2；县城4 824.7万m2，其中清洁供暖面积2 318.2万m2。城区及县城基本形成了以热电联产和区域锅炉房集中供热为主、清洁能源供热为辅的城市供热格局。长春市供暖情况见表2。

2.1 软件的选择与应用

本文对EnergyPlus能耗模拟软件进行了全面了解，并选择了SketchUp和OpenStudio两款辅助建模软件。SketchUp软件简单易用，本文选择了OpenStudio，该插件的简图见图1[6-9]。

考虑到长春特有的冬季气候条件和供暖期限制，运用了SketchUp建模软件和OpenStadio负载模拟软件，定制化地模拟分析了几种供暖方式在建筑模型内的性能，并结合《中国建筑热环境分析专用气象数据集》的数据，以期达到准确的模拟结果。供暖设备的模拟包括燃煤锅炉、电锅炉、燃气锅炉、生物质锅炉、空气源热泵、地源热泵和太阳能板。

3 长春地区城镇供暖碳排结果分析

基于前文设定的建筑作为运行阶段能耗的计算依据。采用此计算依据，可以更加准确地评估供暖方案运行阶段的碳排放情况。研究发现，将供暖技术路径按照减碳量从大到小排序，依次是：集中生物质锅炉供暖、燃煤锅炉热电联产、集中燃煤锅炉供暖、水源热泵、地源热泵、空气源热泵供暖及集中燃气锅炉供暖（见图2）。

在单位面积年均供暖碳排放方面，集中生物质锅炉在长春冬季表现出最高的碳排放水平（见图3），水源热泵、地源热泵和空气源热泵减碳效率较好，可推广使用。而燃煤锅炉的单位减碳量较少，减碳效果较差，建议使用可再生能源替代。

在对长春市供暖系统能耗和碳排放数据进行详细分析之后，可以明显观察到各供暖技术之间存在显著的性能差异。

4 长春供暖结果综合评价方法

4.1 综合评价方法

在长春冬季供暖中，由于碳排放量的量化和比较结果不充分，计算出不同供暖技术的碳排放和能耗存在显著差异，仅仅依靠数值比对进行研究分析是不够全面的。因此，为综合评估碳排放量和经济性独立变量之间的关系，本文引入了一种综合评价方法，旨在对各项供暖技术路径的参数进行对比分析并找到最优解。

通过建立碳排放量评价目标函数，并考虑碳排放量、供暖能耗和经济性三个指标，从而合理地权衡它们之间的重要性。目标函数的公式如下：

Q=p■W■■+p■W■■（2）

式（2）中：p和W分别为指标i的惩罚因子和权重函数，*为调保参数控制值。在供暖期间，期待达到碳排放量和产生费用越低越优。因此，将碳排放量所对应的权重系数设为0.6，而将产生费用所对应的权重系数都设定为0.4。通过这一综合评价方法，不仅能够使各个参数满足设定的标准，而且能够找到最优的供暖技术方案。

4.2 长春供暖技术路径分析及比对

在进行调研后，针对长春地区不同的供暖技术路径，这些费用对比结果提供出清晰的选择标准，以便在满足供暖需求的同时，更好地平衡经济、环保和可持续性考虑。根据调研，不同的供暖技术路径的费用见表3。

通过图2及表3的数据，代入式（2），得到长春城镇供暖最优化路径，使长春市的供暖系统能够在实现低碳目标的同时降低生产费用。通过比较不同技术的经济性、能源利用等因素，能够更全面地评估每种技术的优劣（见图4）。结果显示：从中可以看出，评估值最高为水源热泵1.88，其次是地源热泵1.65，生物质锅炉评估值也相对较高1.61。

5 结论

在长春实际供暖中，不同供暖技术的减碳量存在差异。生物质锅炉和燃煤锅炉减碳较多，而单位面积减碳量较好的有热泵系列供暖和生物质锅炉供暖，燃煤锅炉供暖单位减碳量较少，燃气锅炉单位减碳量最少。因此应该广泛推广可再生能源与清洁能源进行供暖，减少使用燃煤锅炉供暖。

通过对不同供暖技术路径的费用和减碳量进行考量，综合评价最优的是水源热泵供暖技术路径，为1.88，生物质锅炉综合评价较好，为1.61。但在供暖方式选择上还要因地制宜，比如在长春地区进行生物质锅炉供暖，生物质燃料的收集、储存、运输可能未必适用，虽然它的燃料被认为是碳中和的，但是燃烧过程中会产生灰尘和其他污染物，所以对于长春地区，该形式可作为碳中和、碳达峰中间过渡的供暖形式。

参 考 文 献

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编辑：杨 洋