北京农村地区冬季供暖系统碳排放研究

中国建筑科学研究院  杨远程，路 宾，何 涛，张昕宇，李博佳，王博渊

      【摘　要】根据全寿命周期法建立了建筑供暖系统碳排放计算的模型，明确了建筑供暖系统的生命周期阶段以及相关能源及材料的碳排放因子。通过建立的北京典型农村住宅的建筑能耗模型，对北京农村地区燃煤锅炉、两种不同末端形式的空气源热泵和燃气锅炉供暖的各个阶段的碳排放比例进行了对比分析。研究成果可以从碳排放的角度指导农村地区选择适宜的冬季供暖系统。

      【关键词】建筑供暖系统；全寿命周期法；碳排放；农村地区

      【基金项目】 “十三五”国家重点研发计划项目“藏区、西北及高原地区利用可再生能源采暖空调新技术” （2016YFC0700400）

0 引 言

      温室气体的排放会导致全球气候变暖已经成为人类社会的共识。人类活动引起温室气体排放增加是导致全球气候变暖的主要原因，预计到本世纪末期地球表面平均温度会增加1.1 ℃到6.4 ℃，这将对人类生存构成严重威胁^[1] 。

      截止至2013年，北京市农村年供暖用能为380万吨标准煤，其中煤炭用量为349万吨标准煤，占总供暖用能的92%。供暖用煤量每年持续增长，速度惊人。农村住宅使用的小型燃煤锅炉不仅效率低下（只有40%），而且在使用过程中会产生大量的CO₂，SO₂，NOx，PM2.5等污染物质^[2] 。为了改善环境问题，北京市2016年共完成663个村庄、22.7万户的“煤改清洁能源”任务，其中“煤改电”574个村19.9万户，“煤改气”89个村2.8万户。在19.9万户“煤改电”中，空气源热泵15.1万户，占总改电户数的76.28%；地源热泵2139户，占总改电户数的1.07%；蓄能式电暖器4.43万户，占总改电户数的22.30%；其他电供暖设备688户，占总改电总户数的0.35%。户数对比情况如图1所示。

      本文从碳排放的角度对北京农村地区采用的供暖系统进行研究，结合北京农村清洁供热应用现状，以应用量较大的燃气锅炉、空气源热泵和电采暖作为研究对象，燃煤锅炉作为参考对象，采用全寿命周期法建立建筑供暖系统碳排放计算的模型，明确了建筑供暖系统的生命周期阶段以及相关能源及材料的碳排放因子。对不同形式的供暖系统碳排放进行了对比分析，研究成果对于农村地区选择供暖系统具有指导意义。

1 建筑供暖系统碳排放计算方法

      1.1 全生命周期评价法

      全生命周期评价（Life Cycle Analysis，简称LCA）方法在相关产品开发过程的环境评价应用十分普遍。LCA是一个全面的环境评价系统，可以将LCA方法应用在建筑施工决策的环保产品选择、评估及优化施工工艺等方面。

      根据LCA的评价方法的内涵，本研究将建筑供暖系统的阶段划分为生产运输阶段、安装阶段、运行阶段以及拆除阶段。

      1.2 建筑供暖系统边界

      不同种类的温室气体引起温室效应的强度相差很大，目前国际上统一以CO₂当量作为基准，不同种类的温室气体造成的全球变暖影响根据其气候变化潜值（Global Warming Potential，GWP）可统一折算成CO₂当量来衡量。根据这些温室气体变化潜值，可以把各种温室气体排放用CO₂当量表示，总的温室气体排放量为各种温室气体用CO₂当量表示的碳排放总和。本文采用CO₂2排放当量（kg-CO₂e）作为碳排放源排放各种温室气体的单位。

      按温室气体排放量控制的难易程度，温室气体排放可分为三个范围:

      范围1：系统计算边界内的直接排放；

      范围2：为使系统运行购入的电力、热水或蒸汽等能源产生的温室气体排放；

      范围3：构成系统的设备、管道、构件等其他材料引起的温室气体排放。

2 建筑能源系统模型中碳排放因子

      化石能源燃烧产生的碳排放考虑开采和运输产生的碳排放，得到各类化石能源生命周期内的综合碳排放因子见表1：

      电力碳排放因子采用国家发展和改革委员会应对气候变化司发布的中国区域电网基准线排放因子，本文采用的电力碳排放因子是2016年华北区域电网的OM值1.0000 tCO₂/MWh（OM为电量边际排放因子，此值可以认为是电供暖的单位制热量碳排放量） ^[4] 。

      常见建筑材料碳排放因子见表2：

3 建筑供暖系统设备各阶段碳排放计算

      3.1 生产运输阶段

      空调机组材料消耗量根据已有研究结论确定，材料生产排放量根据单位材料的排放系数计算；二次加工能耗数据根据厂家调研数据，空调机组加工耗电量指标为0.18 kWh/kg^[6] ,，进而可得出空调机组加工能耗产生的排放，得到空调机组综合生产排放量。根据清华大学的研究成果得到空气源热泵材料组成如表3所示。

      锅炉的主要组成材料组成是钢材和耐火材料，其组成比例大约为40%和60%^[7] 。本研究中所使用的管道为DN25以及DN20的管道，根据相关研究得到的保温管道生产CO₂排放量回归曲线和拟合公式[3]，得到其生产碳排放分别为9.46 kg/m和5.45 kg/m。

      货物的运输主要包括公路运输、铁路运输、航空运输和水路运输四种方式。不同运输方式单位周转量能源消耗量不同，对应单位周转量产生的排放量也不同[5]。本研究计算中建筑设备及其配套零件按以公路运输方式，从山东运到北京，运输的平均距离按400 km考虑。

      3.2 安装阶段

      对于本研究的北京农村地区的住宅供暖系统安装碳排放采用估算的方法。

      住宅设备生命周期安装阶段二氧化碳排放量简易估算模式采用日本环境共生住宅推进协会所建立的设备生命周期简易估算模式：

      设备安装CO₂排放量（kg-CO₂e）=楼地板面积（m²）•CO₂排放元单位（kg-CO₂e/m²）。

      CO₂排放元单位=12.07 kg-CO₂e/m²。

      根据重庆大学的研究结果显示，暖通空调设备安装的能耗约占安装总能耗的35.7%^[8] 。

      3.3 运行阶段

      对于建筑供暖系统运行产生的碳排放根据系统消耗的一次能源和二次能源的碳排放因子来计算。

      3.4 拆除阶段

      建筑供暖系统中使用的材料大部分为金属和塑料，为可回收材料，其回收所节约的碳排放在生产中已经考虑。拆除处置阶段的碳排放来源只考虑系统设备管道拆除和废弃设备运输的过程。

4 建筑供暖系统碳排放影响因素分析

      建筑供暖系统主要包括热源和末端两部分，本文结合北京农村住宅供暖系统的现状，研究主要考虑两种末端形式：散热器和地板辐射供暖。热源考虑燃煤锅炉、燃气锅炉和空气源热泵。计算过程中采用的空气源热泵的使用寿命为15年，燃气锅炉和燃煤锅炉的使用寿命为10年^[9] 。综合不同形式的热源和末端，对四种农村建筑供暖系统进行碳排放量的计算，并对结果进行了对比分析。

      由于采用的是全寿命周期法，时间跨度较长，工艺和能源结构的变化会导致模型中各种材料以及能源碳排放因子发生变化，在本研究的计算中，仍采用现有的碳排放因子作为计算依据。

5 北京农村不同建筑供暖系统碳排放计算

      5.1 建筑模型

      为研究北京地区不同建筑供暖系统的碳排放，建立典型的北京农村地区住宅建筑的能耗模型。建筑的详细信息如下：建筑供暖面积为100 m²，层高3 m，南向窗墙比0.5，北向窗墙比0，东西向窗墙比0，外墙为37 cm砖墙+50 mm聚苯保温板，其传热系数为0.4 W/(m²•k)；外门为双层塑钢门，传热系数为2.58 W/(m²•k)；外窗为双层塑钢窗，传热系数为2.8 W/(m²•k)；屋顶为混凝土预制板+100 mm胶粉聚苯颗粒，传热系数为0.8 W/(m²•k)；冬季室内设计温度为18 ℃，换气次数按0.5 次/h计算。室外温度选取北京地区2016年11月15日至2017年3月15的平均室外温度^[10] ，供暖耗热量计算结果如表4所示：

      5.2 热源和末端相关参数

      根据市场调研，满足该建筑供暖需求的空气源热泵、燃气锅炉和燃煤锅炉的质量分别为250 kg、40 kg和65 kg；散热器型号采用GZ-2-6-1.0钢制柱型散热器；地面辐射供暖用的塑料管采用聚乙烯管。计算时燃煤锅炉和燃气锅炉的效率值分别取40%和90%。根据中国建筑科学研究院对北京部分农村地区一个供暖季的测试结果，空气源热泵在散热器和地板辐射供暖对应的制热性能系数分别为2.39和2.66。

      5.3 计算结果

      根据以上的数据，计算出4种供暖系统形式在北京农宅中应用的各个阶段的碳排放，结果如表5所示：

      从计算结果可以看出，供暖系统的运行阶段碳排放量占整个生命周期排放量的92%以上，提高供暖系统的运行效率可以大幅度减少碳排放量；其次是供暖设备的生产阶段，占到整个生命周期排放量碳排放量的5%。在进行建筑供暖系统的选择时，建议选择能效比较高的供暖设备。

      从表3和图3中还可以看出，不同形式的供暖系统的单位制热量的碳排放具有较大差异，单位制热量的碳排放最小供暖系统为燃气锅炉+散热器供暖系统，单位制热量碳排放为0.257 kgCO₂e/kWh；相应的空气源热泵+地板辐射供暖为0.3984 kgCO₂e/kWh；空气源热泵+钢制散热器为0.4392 kgCO₂e/kWh；燃煤锅炉+钢制散热器为0.863 kgCO₂e/kWh。采用空气源热泵技术替代传统的燃煤锅炉能够减少约51.47%的碳排放，燃气锅炉能够减少70.22%的碳排放。

      对于空气源热泵的供暖系统，采用地板辐射供暖末端相比散热器供暖末端能够减少9.3%的碳排放。

      根据本研究以及2016年北京市农村地区“煤改清洁能源”的调研结果初步估算，北京已经改造的22.7万户，与改造前使用的燃煤锅炉减少了近44.43%的碳排放，折合CO₂当量约1.3ⅹ106吨。

6 与英国供暖系统碳排放因子的对比

      英国学者对家庭中的小型供暖系统进行了全生命周期的碳排放分析研究，研究结果表明：燃气锅炉的单位制热量碳排放为0.294 kgCO2e/kWh，使用空气源热泵单位制热量碳排放为0.276 kgCO2e/kWh[11]。图4为我国与英国的不同供暖系统的单位碳排放量的对比。

      造成单位产能碳排放因子较大差异的原因在于两国电力结构的差异，详见表6。本研究中选用的中国电力碳排放因子为2016年华北区域电网的OM值1.0000 tCO₂/MWh，而在英国电力结构中，核电和天然气发电占总发电的比例很大，其电力碳排放因子仅为0.556 tCO₂/MWh。由于中英两国气候差异和产品性能的差异，研究中英国选用的空气源热泵的制热性能系数为2.8，本研究中选择的空气源热泵制热性能参数分别为2.39和2.66。

7 结论

      本研究基于对北京农村地区冬季供暖现状的分析的基础上，运用全寿命周期法研究了“煤改电”、“煤改气”的背景下不同供暖系统的减排效果，得到了以下结论：

      （1）建筑供暖系统的运行阶段碳排放占整个建筑供暖系统生命周期碳排放的90%以上，在进行建筑供暖系统的选择时，建议选择能效比较高的供暖设备。

      （2）不同形式的供暖系统的单位制热量的碳排放具有较大差异。与燃煤锅炉相比，直接采用电供暖，会增加15.87%的碳排放，采用空气源热泵系统减少约51.47%的碳排放，采用燃气锅炉能够减少70.22%的碳排放，采用燃气锅炉从能源利用角度不是十分合理，存在高质低用的问题，综上，建议采用空气源热泵系统作为供暖系统的热源，在此基础上增加太阳能供暖系统，可以进一步降低建筑的碳排放。

      （3）研究中发现碳排放因子和电力结构对于碳排放量有直接的影响，对比中英两国碳排放因子，由于英国的电力结构主要为天然气发电，核能也占有一定的比例，导致英国燃气锅炉的单位产能碳排放因子为0.294 kgCO2e/kWh，使用空气源热泵为0.276 kgCO2e/kWh。如果清洁发电比例上升，相应的碳排放因子会下降。

      （4）地板辐射供暖能够提高空气源热泵系统的制热性能系数，研究结果发现，对于热源为空气源热泵的供暖系统，采用地板辐射末端相比散热器末端能够减少9.3%的碳排放，因此农村地区供暖系统的末端优先采用地板辐射。

参考文献

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      [3] 任志勇． 基于LCA的建筑能源系统碳排放核算研究[D]．大连：大连理工大学，2013
      [4] 国家发展和改革委员会应对气候变化司[EB/OL]．[2017-4-6]．http://qhs.ndrc.gov.cn/
      [5] 张思思．建筑能源系统碳排放计算及经济性分析[D]．大连：大连理工大学，2016
      [6] 李兆坚．我国城镇住宅空调生命周期能耗与资源消耗研究[D]．北京：清华大学，2007  
      [7] 黄海耀．LCA法比较太阳能热水器和燃煤锅炉系统的环境效益[D]．天津：天津大学，2004
      [8] 傅小里．公共建筑设备安装阶段的CO2排放研究[D]．重庆大学，2013
      [9] 邱立鹏．设备剰余寿命的预测与分析[D]．大连：大连理工大学，2000
      [10] 中国空气质量在线监测分析平台[EB/OL]．[2017-12-11]．https://www.aqistudy.cn/historydata/about.php
      [11] Benjamin Greening, Adisa Azapagic Domestic heat pumps: Life cycle environmental impacts and potential implications for the UK. Energy, 2012(39)：205-217

      备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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