碳减排背景下的建筑能源规划方法

张改景 孙昀灿 张蓓红

上海市建筑科学研究院

0 引言

建筑能源规划是城区能源供需的现状和未来的发展，从能源需求侧出发，通过优化城区建筑能源系统的配置和调整城区建筑能源结构，达到降低能源消耗、提高能源利用率、满足城区能源消耗和CO2排放的总量控制指标的实现手段之一。

2020年国家正式提出力争2030年前碳达峰、2060年前碳中和的战略目标，2021年政府工作报告和“十四五”规划中均涉及了碳减排的具体行动方案。为使建筑的建设在规划阶段就能合理制定节能减排目标及采用适宜规划技术体系，需要研究制订系统的建筑能源规划技术方法与流程，指导建筑节能减排目标的落地。

1 国内外能源规划发展现状

1.1 能源规划发展进程

20世纪以来，世界各国都在全方位推动能源高效利用及规划发展。1908年，国际区域能源协会成立，致力于促进提供可靠的、经济的、高效率的、对环境有利的、正确的区域能源方案[1]。1970年，区域空调在大阪首次供热，区域能源平均供给面积为50万m2以上，主要应用于办公建筑和商业建筑。1978年美国开始提倡小型热电联产（CHP）[2]。我国在建国初期，在北方最先发展区域能源供热系统，近30年来由分散供冷发展到集中供冷，又逐渐向区域供冷发展，尤其是近十年，我国的区域能源发展方向渐趋综合，与此同时，2014年国家层面正式开始推动能源革命。2016年《巴黎协定》正式生效，在世界范围内发展高效清洁能源和提高能源效率成为供给侧与需求侧所面临的主要任务。

1.2 能源规划方法

能源规划的主要宗旨是为区域长远发展制定能源和温室气体目标，确定实现目标的具体措施并编制实施战略。这需要可靠、一致和可重复的定量方法和管理流程，以此支持以证据为基础的社区能源和排放政策。

以下为成功实现地方能源规划转型过程的一般步骤：

第一步，编制能源和排放清单；

第二步，邀请利益相关方参与，创建远景，设立目标；

第三步，评估机会、创建未来情景；

第四步，制定城市能源总体规划和居住区能源规划；

第五步，实施政策和项目，监测、评价和调整过程。

社区能源规划是从需求侧出发，基于用户需求特征的分析，采用系统的观点将城区能源转换、分配及利用作为一个整体进行统筹考虑，以明确城区能源利用引导和管控的要点以及政策诉求，通过减少需求（减需）、提升效率（提效）以及增加本地可再生能源利用（开源）来促进节能减排目标的实现。

将社区内多个用能、产能对象综合考虑，构建集中与分布式协同、可再生能源与化石能源相融合的社区能源系统，可增加可再生能源利用量，提高需求侧能源利用率[3]，优化顶层设计，完善运营管理。

国内外众多学者开发出了针对社区能源系统经济技术模型包括HOMER、DER-CAM、EAM、MARKAL/TIMES、RETScreen、H2RES等，对模型的开发机构、模型特点、使用者主观因素对结果的影响进行了汇总和比较[4]，上述软件均可以为能源规划提供计算工具支撑。

1.3 碳中和背景下的建筑能耗达峰预测

2019年11月，中国建筑节能协会能耗专委会于上海发布了《中国建筑能耗研究报告（2019）》（以下简称“报告”），聚焦建筑碳排放达峰分析。报告采用基于年鉴统计的计算方法计算2017年中国及各个省市建筑能耗数据，并基于此数据，采用排放因子法对2000-2017年全国建筑碳排放和2017年各省市建筑碳排放进行测算。

2000-2012年全国综合碳排放因子较为稳定，2012-2017年全国城镇建筑碳排放增加1.23亿t。2017年，建筑能耗9.47亿tce，占全国能源消费比重21.11%；全国建筑总面积643亿㎡，城镇人均居住建筑面积37.2㎡；建筑碳排放20.44亿t CO2，占全国能源碳排放19.5%[5]。电力是建筑碳排放的主要来源，占49%，公共建筑碳排放强度远远高于全国及其他居建强度水平，约是全国强度水平的2.11倍。2017年全国综合碳排放因子为2.16 kgCO2/kgce，即平均每消耗1 kgce，释放2.16 kgCO2。

报告基于宏观驱动因素的随机模拟，充分考虑居民用能需求的增加，确定建筑领域能源消耗与碳排放的总量控制目标及达峰年份。2017年，建筑能耗9.47亿tce，占全国能源消费比重21.11%，预测建筑能耗达峰年份2042年，达峰峰值12.18亿tce；建筑碳排放20.44亿t CO2，占全国能源碳排放的19.5%，预测建筑碳排放达峰年份2039年，达峰峰值24.11亿t CO2[5]。

2 建筑能源规划目标制定

设定目标应综合考虑区域内资源环境、气候条件、经济发展、城市规划、生活习惯等诸多因素，兼顾不同建筑类型的功能特点和社区内的人居生活品质，遵循提高能源效率、利用可再生能源、终端节能资源化三大原则[6]，使得设定的目标具有先进性、准确性、可操作性、可比较性的特点。

建筑能源规划目标的制定应包含建筑节能、可再生能源渗透率、运行阶段碳排放核算和智慧能源管控四个方面，规划目标具体分为基本目标、提升目标和创新目标三类。

建筑节能目标以居住建筑能耗综合值和公共建筑本体节能率为指标，在满足《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019中超低能耗建筑的技术要求的基础上，逐步提升近零能耗、零能耗建筑比例。

可再生能源渗透率以10%为目标基准，20%为提升目标，创新目标则要求达到50%。

区域及建筑运行阶段需进行碳排放核算。碳排放量根据建筑不同类型能源消耗量和不同类型能源的碳排放因子确定（排放系数法），各类能源的碳排放因子按GBT 51366-2019《建筑碳排放计算标准》附录A取值。

构建区域能源智慧管控系统，结合智慧管控手段（用能管控、智慧楼宇、设备运行优化等）合理制定智慧能源管控目标，提升能源利用效率。

3 建筑能源规划流程

1）适用范围与对象

建筑能源规划应以区域建筑为对象，并与相关法定规划及各专项规划联动，作为专项规划与空间控制性详细规划同步完成，并与区域电力、热力和燃气规划相协调，同时激励管理部门、投资商、主要用户共同参与。

2）规划前期准备

建筑能源规划之前应确定规划目标及方法要点等，同时对规划方案进行综合评估。

3）规划目标制定

规划目标的制定应以强化节能和扩大可再生能源利用为准则，在不同层级落实分级指标。

4）能源需求预测

规划区的能源需求分析应根据工程项目的实际情况确定当前已知的建筑设计参数，并基于此对目标建筑所属类型的典型模型进行参数调整，从而获得描述目标建筑能耗特性的仿真模拟结果，并进一步确定在所预设的能耗限额条件下，建筑的空调负荷、空调系统运行效率、设备和照明的功率密度等设计参数所需要达到的数值。

5）资源潜力评估

能源规划中应对规划区的各类资源开展潜力评估，了解区域内可利用的能源基础设施信息。

（1）根据建筑功能和规划区用气情况，评估常规能源资源（电、天然气）潜力。

（2）根据规划区可再生能源种类及分布情况，开展太阳能、地表水能、污水资源等能源潜力评估与核算。

6）能源系统配置

规划区的系统优化配置应根据系统所服务区域的用能特征、资源禀赋，能源系统的技术特点、投资成本等进行综合评估后，确定适宜的系统形式，提供配置方案参考。

7）智慧能源管控

能源智慧管控系统以现代化信息通信技术、大数据、人工智能、储能等新技术为依托，充分调动负荷侧的调节响应能力，在建筑能源监测系统的基础上，充分考虑集中式能源系统、可再生能源、微电网和电动汽车充电基础设施建设等，形成一个综合协调的管理系统，实现能源利用效率的提升和碳减排的目标，智能管理整个规划区域运行。

8）规划综合评估

规划方案完成后应进行先进性与合理性、节能性与经济性、环保性与可靠性等综合评估。

9）成果清单

建筑能源规划成果内容包括文本、图件和附件，其中：

（1）文本宜包括总则（规划目的、原则、范围、期限和依据）、规划指标、需求预测、资源潜力评估、能源系统、智慧管控和综合评估；

（2）图件包括图纸和图则，其中图纸宜涵盖建筑能耗强度图、可再生能源应用形式引导图、建筑能源系统应用形式引导图、能源智慧管控应用系统引导图等，图则包括控规图则必要信息、能源规划指标、技术方案和实施引导等内容；

（3）附件宜包括说明书、基础资料汇编和必要的研究报告。

4 结论与展望

理与规划方法的剖析，明确了区域建筑能源规划的目的和意义，以碳减排背景下的建筑节能为目标，依据国家和行业标准，详细阐述了规划目标制定方法与原则，并建立建筑能源规划指标体系。

以建筑能源高效利用为准则，研究建筑能源规划流程，包括规划前期准备、规划目标制定、能源需求分析、资源潜力评估、能源系统配置、能源智慧管控、规划综合评估和成果清单内容几个方面，研究内容可以为我国建筑能源规划提供依据和理论支撑。

由于客观因素及研发时间比较短，本研究尚存在区域建筑能源规划目标的制定受政策标准、技术发展、经济效益等约束而有所不足，影响因素众多，需在后续研发中进行更准确的影响权重分析，并需在以后工作过程中继续努力深化研究。随着互联网技术的发展，区域建筑能源规划需要综合的能源规划软件来支撑，是区域建筑能源规划后续研发的重要方向之一。