基于情景分析法的中国馆碳减排效益评估
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于情景分析法的中国馆碳减排效益评估范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：建筑部门的低碳发展已成为推进我国低碳经济至关重要的一个组成部分，因此正确客观地评价建筑的低碳水平具有重要的指导意义。本文以2010年上海世博会中国馆为研究对象，采用碳排放情景分析法，针对中国馆的基准建筑与实际建筑，计算其世博结束后正常运行条件下的碳排放水平，评估中国馆实际建筑的碳减排效益。使用建筑能耗模拟软件DesignBuilder对建筑全年能源消耗水平进行了模拟，并通过相应能源品种的碳排放因子分别计算了实际建筑和基准建筑的碳排放水平；同时应用全生命周期方法(LCA)分析了中国馆实际建筑应用太阳能光伏、LED照明技术相比于基准建筑所带来的减排效益。结果表明：世博结束后正常运行条件下，中国馆实际建筑年碳排放量为18 969 t CO2e，基准建筑年碳排放量为25 770 t CO2e，因此，相比基准建筑，中国馆实际建筑一年减排6 801 t CO2e，年碳减排率为26.4%；减排效益主要由节能设计及绿色技术贡献，分别占96.3%和3.7%。本文通过综合评估中国馆的碳减排效益，以期为我国公共建筑低碳工作的开展进行有益的探索。
关键词 中国馆；情景分析法；建筑能耗模型；碳减排效益
中图分类号 X24
文献标识码 A
文章编号 1002-2104(2012)02-0075-05 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2012.02.012
摘要：建筑部门的低碳发展已成为推进我国低碳经济至关重要的一个组成部分，因此正确客观地评价建筑的低碳水平具有重要的指导意义。本文以2010年上海世博会中国馆为研究对象，采用碳排放情景分析法，针对中国馆的基准建筑与实际建筑，计算其世博结束后正常运行条件下的碳排放水平，评估中国馆实际建筑的碳减排效益。使用建筑能耗模拟软件DesignBuilder对建筑全年能源消耗水平进行了模拟，并通过相应能源品种的碳排放因子分别计算了实际建筑和基准建筑的碳排放水平；同时应用全生命周期方法(LCA)分析了中国馆实际建筑应用太阳能光伏、LED照明技术相比于基准建筑所带来的减排效益。结果表明：世博结束后正常运行条件下，中国馆实际建筑年碳排放量为18 969 t CO2e，基准建筑年碳排放量为25 770 t CO2e，因此，相比基准建筑，中国馆实际建筑一年减排6 801 t CO2e，年碳减排率为26.4%；减排效益主要由节能设计及绿色技术贡献，分别占96.3%和3.7%。本文通过综合评估中国馆的碳减排效益，以期为我国公共建筑低碳工作的开展进行有益的探索。
关键词 中国馆；情景分析法；建筑能耗模型；碳减排效益
中图分类号 X24
文献标识码 A
文章编号 1002-2104(2012)02-0075-05
doi:103969/j.issn.1002-2104201202.012
为积极应对全球气候变化，实现自身可持续发展，我国已明确提出，至2020年，单位GDP的CO2排放强度在2005年基础上下降40%-45%。在欧盟发达国家，建筑全生命周期内的碳排放已经占了全部部门碳排放的50%[1]，而在我国建筑耗能引起的碳排放量也已占总排放量的19％-20％[2]，且房屋建造等间接能耗及碳排放量呈上升趋势，建筑部门已成为主要的碳排放源，因此，推广低碳建筑对遏制碳排放具有十分重要意义[3]。2005年，我国颁布首部公共建筑节能设计的综合性国家标准――《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)，标志着我国建筑节能工作在公共建筑领域的全面铺开。“十二五”期间，我国公共建筑节能目标为力争实现公共建筑单位面积能耗下降10%，大型公共建筑能耗降低15%。2010年上海世博会作为一届低碳、环保的盛会，在建筑的碳减排方面也作了大量有益的尝试和探索，尤其是永久建筑一轴四馆（世博轴、中国馆、世博中心、世博文化中心以及主题馆）应用了很多节能设计和绿色技术，对“城市，让生活更美好”的世博主题进行了充分演绎。
对于建筑碳减排效益的评估，目前还未出现一种公认的统一的方法，尽管如此，评价一个建筑低碳与否，有两点基本是可以确认的，一是低碳建筑要实现的减碳是在某个“基准线”上的减碳[4]，因此需要建立一个参照体系，即假设一个基准建筑，从而与实际建筑的碳排放水平作出比较，得到减排效益；二是建筑的碳足迹对周围环境最主要的影响是能源资源消耗[5]，因此对建筑的低碳评价主要围绕因建筑能耗引起的碳排放进行评价。基于以上两点认识，本文以上海世博会中国馆为例，采用低碳经济研究的最佳分析工具――情景分析法[6]，针对中国馆的实际建筑和基准建筑两种不同情景，参考国外建筑能耗计算方法学[7-8]，分析了中国馆在世博会结束后正常运行条件下实际建筑和基准建筑的碳排放量，从而对中国馆在世博会结束后继续产生的环保、低碳效益作出客观评价，以期为我国大型公共建筑的低碳评价研究作出有益探索。
1 研究方法
建筑物碳排放量评估体系一般选择按照建筑的全生命周期，通过对建筑材料的生产及运输阶段、建设阶段、使用阶段、拆除阶段和废弃物处置阶段这一生命周期的CO2排放核算，从而进行建筑物的碳排放计算[9]。建筑全生命周期的碳排放来源包括了建筑物生命周期物化阶段(建材生产、施工阶段)、使用阶段以及拆除处置阶段的碳排放（其中规划设计阶段不产生实物碳排放）。
据发达国家的统计分析，一般情况下，建筑物使用能耗与其它能耗之比大约为9∶1，不超过8∶2，建筑物使用阶段的能耗，即运营能耗构成建筑物全生命周期能耗的主体。因此，本文主要研究中国馆运营能耗带来的碳排放。需要注意的是，由于中国馆在世博期间的运行时间仅占其建筑生命周期内的极少部分（一般认为中国公共建筑的平均寿命为30年，世博举办时间仅为半年），本文为针对中国馆在世博结束后正常运行条件下碳减排效益作出的分析，并非针对世博期间中国馆的运行情况。
1.1 情景设置
世博会期间，结合课题的开展，本研究对中国馆的建筑形体形式、建筑墙体与门窗、机电策略、照明设计、新能源应用以及实际用电量等进行了大量的数据收集工作，同时研读了国内外相关建筑节能方面的法规、标准，在此基础上，分别对中国馆实际建筑和基准建筑进行不同情景的设置。
实际建筑：中国馆坐落于世博会规划核心区，是世博园区“一轴四馆”永久性建筑中的制高点，由国家馆和地区馆两个部分组成。国家馆和地区馆总建筑面积157 855 m2（其中，地上建筑面积109 277 m2，地下建筑面积48 578 m2）。中国馆应用了多种先进的节能建筑设计，包括采用斗拱结构的遮阳技术，使用架空中庭空间系统的自然通风技术、采用LowE玻璃、采用轻质砂加气砌块新型环保墙体材料等，同时还应用了很多绿色环保技术如冰蓄冷空调、屋顶绿化、太阳能光伏、LED照明等。
基准建筑：一般来说，基准建筑必须与实际建筑有相同的尺寸、形状和分区，而且测量采用同样的度量衡，每一空间包括与实际建筑同样空间内的活动（即有相同的活动参数值），另外，基准建筑还应与实际建筑的方位和气候数据相同，须有来自邻近建筑物的相同位置的阴影和应用于实际建筑模型的其它地形特征。除此之外，中国馆基准建筑的围护结构、供能设备等主要参照2005年《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）[10]规定的公共建筑节能设计，与实际建筑相比，主要参数设置的不同见表1。另外，基准建筑没有采用冰蓄冷空调、屋顶绿化、太阳能光伏发电技术，照明采用CFL灯（紧凑型荧光灯）等。
1.2 建立模型
本研究所用模型为建筑全能耗分析软件――DesignBuilder，用以模拟中国馆建筑全年逐时的负荷及能耗。DesignBuilder 是专门针对美国能源部支持下开发的建筑全能耗模拟引擎Energy Plus 开发的用户图形界面软件，包括了所有Energy Plus 的建筑构造和照明系统数据输入部分，也移植了所有的材质数据库，包括建筑和结构材料、照明单元、窗户和加气玻璃、窗帘遮阳等，是第一个针对Energy Plus 建筑能耗动态模拟引擎开发的综合用户图形界面模拟软件[11]。程序根据输入的建筑情况（包括建筑结构、围护结构材料、供暖空调方式与系统分布、室内人员活动规律等）和室内设定温度值的要求，动态计算出建筑物的全年能耗情况，并以各种表格形式输出。
1.3 计算碳减排效益
本研究使用DesignBuilder能耗分析模型软件，分别对中国馆实际建筑和基准建筑的能耗进行模拟及对比，在此基础上，再将能耗乘以相应能源品种的碳排放因子来计算碳排放量，从而获得中国馆实际建筑和基准建筑的年能源消耗量和碳排放量；在此基础上，对中国馆实际建筑所采用的太阳能光伏和LED技术所带来的碳减排效益进行分析，并在实际建筑的年碳排放量中进行扣除，从而得到中国馆实际建筑与基准建筑相比所能产生的碳减排效益。
2 研究结果
2.1 实际建筑与基准建筑能耗模拟
本研究对中国馆的能耗类型主要划分为5大类：房间用电、照明、供热、制冷和其他项。通过对模型输入建筑所在地理位置、气象数据、外墙、屋顶材料及传热系数，人员及室内热源、空调区域及其能效等参数，中国馆的逐日、逐月能耗均能得到模拟。图1为中国馆实际建筑和基准建筑的分项耗能图，表2为中国馆实际建筑和基准建筑综合耗能全年能耗对比。可以看出，由于采用了大量先进的节能设计，与基准建筑相比，实际建筑的供热、制冷能耗有了一定的降低，尤其是供热方面，其供热和制冷的能耗分别节约了80.3%、2.6%。中国馆实际建筑全年能耗为21.9 GWh，而基准建筑全年能耗为29.2 GWh；另外，相对于基准建筑，中国馆实际建筑的全年能耗波动更趋平稳，但耗能的高峰期还是在夏季酷暑时期。
2.2 实际建筑与基准建筑碳排放对比
中国馆的碳排放主要为各分项的能耗乘以电力排放因子或天然气排放因子，表3为中国馆实际建筑和基准建筑模拟的全年CO2排放量。中国馆运行一年实际碳排放为19 330 t CO2e，基准情景下碳排放为25 770 t CO2e，因此中国馆每年可减少碳排放6 440 t CO2e，全年的变化趋势与能耗变化趋势保持一致。
2.3 绿色技术的减排效益
在实际建筑中，中国馆还采用了绿色环保技术如屋顶太阳能光伏以及LED照明技术，这部分技术产生的碳减排效益应当在实际建筑的碳排放中进行抵扣。本文采用全生命周期的研究方法对中国馆的太阳能光伏技术和LED照明技术分别进行了计算，一般来说，太阳能光伏的使用寿命为25年，每天有效发电时间为3.5小时，根据中国馆安装了302 kW的太阳能光伏计算，考虑生产过程的碳排放为0.035 5 kgCO2/kWh[12]，太阳能光伏年减排量为327 t CO2e，全生命周期减排量为8 169 t CO2e。根据LED灯泡的使用寿命为25 000小时[13]，
世博结束后每周LED照明使用12小时，中国馆安装了62.7 kW的LED，按LED比CFL灯节能50%进行计算，考虑生产过程的碳排放（使用期能耗为658 kWh时，生产能耗为9.9 kWh）[13]，相对CFL灯来说，LED技术的年减排量为34 t CO2e，全生命周期减排量为1 369 t CO2e。因此，由于太阳能光伏技术和LED技术的应用所带来的年减排效益为361 t CO2e，在实际建筑的年排放量中扣除此部分的减排效益，即中国馆实际建筑一年的碳排放为18 969 t CO2e。
2.4 结果验证
在建完模型后，非常重要的一项工作是使用实际能耗数据与模型模拟数据进行校验，用以判断模型模拟结果的准确性。由于本研究开展时间为世博举办期间，因此所获得的中国馆运行能耗数据时间为2010年5月-9月。由于模型模拟的中国馆实际建筑为世博结束后正常运行情况，即每周5天，每天运营时间8∶00-18∶00，而在世博期间中国馆每周运营7天，每天运营时间为8∶00-22∶30，所以按照运行时间对模型模拟值进行修正，修正因子为1.68，修正后的模型模拟结果与实测结果对比见表4。
从表4可以看出，模拟与实测的耗电量逐月变化趋势类似，空调季节为能耗高峰期，过渡季节为能耗低峰期，均在上海最热月七月耗能达到最高峰。中国馆自2010年5月1日至9月底实测能耗总量为19.5 GWh，根据世博情况进行修正后模型模拟的六个月能耗值为18.5 GWh，模拟值与实测值相差5%，因此认为模型模拟结果可以接受，从而判断模型能够准确预测中国馆在世博结束后的能耗情况，采用能耗模型进行模拟的结果是可信的。
3 讨论与结论
3.1 讨论
3.1.1 基准建筑的设定
由于实际建筑的碳减排效益是相对于基准建筑而言的，因此，基准建筑的设定直接影响到最终结果的准确性和可信度。一般来说，按照《公共建筑节能设计标准》，建筑节能效益评估都以20世纪80年代的建筑作为基准建筑。而在本研究中，即使2010年上海世博会并未采用实际情况下的多种节能设计及技术，考虑到中国馆建设时期的设计及建设水平，以20世纪80年代的建筑作为基准建筑显然是脱离实际的，因此，本文直接参照国家2005年出台的《公共建筑节能设计标准》作为基准建筑的建筑水平，从而使实际建筑的碳减排效益更具有说服力。基准建筑的设定应从实际情况出发，综合考虑各种因素，从而确定适合研究对象的基准建筑，这一步是准确评价建筑低碳与否的基础及关键。
3.1.2 公共建筑的低碳评价
公共建筑的低碳评价有两种评价维度，一种是相对于同类建筑作出的横向评价，另一种是相对于本建筑在实际情景和基准情景下的纵向评价，而对于本文的研究对象――中国馆来说，若采用第一种评价方法，则需收集上海地区同类建筑的碳排放数据，即展馆类建筑数据，考虑到数据不可得性等方面原因，本研究选用了第二种评价方法，这种方法有效避免了由于建筑造型、地理位置等可能造成的碳排放差异，能够较好地尽可能在同一尺度上客观评价中国馆的节能设计及绿色技术带来的低碳效益，从而使评价更具准确性，也是对单体公共建筑的低碳评价方法进行的探索。
3.2 结论
本文使用Design Builder模型模拟了中国馆实际建筑和基准建筑的全年能耗，在此基础上，计算了实际建筑和基准建筑的一年碳排放量，同时对绿色技术对实际建筑产生的碳减排效益进行了扣除，得出的结论如下：
（1）世博结束后中国馆正常运行情况下，实际建筑一年的碳排放为18 969 t CO2e，与基准建筑年排放25 770 t CO2e相比较，实际一年可减排6 801 t CO2e；中国馆建筑面积为157 855 m2，因此，中国馆实际建筑年均单位面积的碳排放为120 kg CO2e/m2，基准建筑年均单位面积的碳排放为163 kg CO2e/m2，碳减排比例高达26.4%。
（2）中国馆减排效益6 801 t CO2e可分为两部分，一部分是由节能设计贡献，为6 440 t CO2e，占全部碳减排效益的96.3%；另一部分为绿色技术贡献，为361 t CO2e，占减排效益的3.7%，其中太阳能光伏技术占3.2%，LED技术占0.5%。
从以上的结果不难发现，中国馆的碳减排效益主要得益于源头的节能设计，绿色技术的应用虽然有一定贡献，但比例不大。目前，我国正大力发展低碳经济，低碳、绿色建筑在全国各地也得到了很好的响应，“十二五”期间将有更多类似的建筑涌现，而在其中，建筑的源头式管理不容忽视，应从设计开始贯彻绿色、低碳的理念，防止所谓的“低碳”建筑成为系列绿色技术的简单堆砌。本研究通过对世博会中国馆的定量化分析，客观评估了中国馆的碳减排效益，一方面从方法学上探索了节能设计和绿色技术应用对建筑产生的碳减排效益的有效评估，另一方面也为我国下一步公共建筑的可持续发展提供了一定的参考。
参考文献(References)
［1］Dimoudi A, Tompa C. Energy and Environmental Indicators Related to Construction of Office Buildings［J］. Resources, Conservation and Recycling, 2008, 53(1-2): 86-95.
［2］付加锋，黄江丽. 基于全生命周期理论的严寒地区建筑低碳发展潜力初探：以吉林省长春市为例［J］. 资源科学, 2010，32(3)：499-504.［Fu Jiafeng, Huang Jiangli. Preliminary Analysis on Potential Development of Construction Business with Lowcarbon Economy in Cold Regions Based on the Full Lifecycle Theory: A Case Study on Changchun City［J］. Resources Science, 2010, 32(3): 499-504.］
［3］姜虹, 李俊明. 中国发展低碳建筑的困境与对策［J］. 中国人口・资源与环境, 2010, 20(12): 72-75.［Jiang Hong, Li Junming. Difficulties and Strategies of the Development of Lowcarbon Building of China［J］. China Population, Resources and Environment, 2010, 20(12): 72-75.］
［4］龙惟定, 张改景, 梁浩,等. 低碳建筑的评价指标初探［J］. 暖通空调, 2010, 40(3): 6-11.［Long Weiding, Zhang Gaijing, Liang Hao, et al. Preliminary Research on the Evaluating Indexes for Low Carbon Buildings［J］. Journal of HV&AC, 2010, 40(3): 6-11.］
［5］魏小清，李念平，张絮涵. 大型公共建筑碳足迹框架体系研究［J］.建筑节能, 2011, 3: 26-28.［Wei Xiaoqing, Li Nianping, Zhang Xuhan. Framework of Carbon Footprint in Large Public Buildings［J］. Construction Conserves Energy. 2011, 3: 26-28.］
［6］付加锋，刘小敏. 基于情景分析法的中国低碳经济研究框架与问题探索［J］. 资源科学, 2010，32(2)：205-210.［Fu Jiafeng, Liu Xiaomin. A Framework for China’s Low Carbon Economy on the Basis of Scenario Analysis and Discussion on Relevant Issues［J］. Resources Science, 2010, 32(2): 205-210.］
［7］Rahmana M M, Rasul M G, Khana M M K. Energy Conservation Measures in an Institutional Building in Subtropical Climate in Australia［J］. Applied Energy, 2010, 87(10): 2994-3004.
［8］Tronchin L, Fabbri K. Energy Performance Building Evaluation in Mediterranean Countries: Comparison between Software Simulations and Operating Rating Simulation［J］. Energy and Buildings, 2008, 40: 1176-1187.
［9］张智慧, 尚春静, 钱坤. 建筑生命周期碳排放评价［J］. 建筑经济, 2010，(2): 44-46.［Zhang Zhihui, Shang Chunjing, Qian Kun. Carbon Emission Assessment of Building Life Cycle［J］. Construction Economy, 2010，(2): 44-46.］
［10］中华人民共和国建设部. GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》［S］. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005.［Ministry of Construction People’s Republic of China. GB50189-2005 ［S］. Beijing: China Architecture & Building Press, 2005.］
［11］刘鑫, 张鸿雁. Energy Plus 用户图形界面软件Design Builder 及其应用［J］. 西安航空技术高等专科学校学报, 2007, 25(5): 34-37.［Liu Xin, Zhang Hongyan. Graphic Interface Designing Software Design Builder of Energy Plus and Its Application［J］. Journal of Xi’an Aerotechnical College, 2007, 25(5): 34-37.］
［12］Fthenakis V M, Kim H C. Greenhousegas Emissions from Solar Electricand Nuclear Power: A Lifecycle Study［J］. Energy Policy, 2007, 35: 2549-2557.
［13］Semiconductors O O. Life Cycle Assessment of Illuminants: A Comparison of Light Bulbs, Compact Fluorescent Lamps and LEDLamps［EB/OL］.［2009-11］.www.省略/osram_os/EN/About_Us/We_shape_the_fut ure_of_light/Our_obligation/LED_lifecycle_assessment/OSRAM_LED_LCA_Summary_November_2009.pdf.
Assessment on Carbon Emission Reduction Benefit ofChina Pavilion with Scenario Analysis Method
DAI Jie1 HU Jing1 XU Lu2 CHEN Shuo3 DONG Yaping3 TANG Qinghe1
(1. Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China; 2. Bureau of Shanghai World Expo Coordination,
Shanghai 200125, China; 3. Shanghai Ling Tan Technology Co.,Ltd, Shanghai 200001, China)
Abstract Lowcarbon development of building sector has been an important part of lowcarbon economy in China; thus, it is necessary to assess the lowcarbon level of buildings accurately and objectively. This study focused on the carbon emission reduction benefit analysis of China Pavilion in 2010 Shanghai World Expo, based on scenario analysis method by comparing carbon emission level between the actual building and the baseline building for China Pavilion under regular operations after Expo. Energy consumption of both baseline and actual building was analysed with DesignBuilder, an energy consumption modelling software. Then, carbon emission was calculated by multiplying the energy consumption by a corresponding emission factor. Besides, carbon emission reduction benefits of green technologies applied in the actual building, including Solar PV and LED Lighting, were calculated with a life cycle assessment method. It was concluded that under regular operations after Expo, annual carbon emission of the actual building for China Pavilion is 18,969 t CO2e while that of the baseline building is 25,770 t CO2e, which means a reduction of 6,801 t CO2e or reduction ratio of 26.4%; carbon emission reduction benefits are mainly contributed by green design (96.3%) and green technologies (2.7%). Therefore, this study is a useful exploration for the development of lowcarbon buildings in China.
Key words China Pavilion; scenario analysis method; energy consumption model; carbon emission reduction benefit