建筑领域能耗与碳排放的界定与核算

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［摘要］过去二十年，中国的快速城镇化带动了建筑规模的持续增长，中国建筑领域的能源消费与碳排放是已成为全社会能源消费与排放的重要组成部分。同时，中国正处于能源供给与消费方式变革的关键节点，因此，对中国建筑能耗与碳排放的现状进行全面认识和分析具有重要意义。为此，本研究对中国建筑领域的能耗与温室气体排放进行了界定，并建立了中国建筑能耗和排放模型(ChinaBuildingEnergyandEmissionModel)，基于统计数据及实测调研数据对中国的建筑规模、建造及运行阶段的用能和排放进行了计算，并结合对我国建筑领域的用能及排放特点，提出建筑领域节能与低碳发展的政策建议。

［关键词］建筑节能;自下而上模型;能耗;碳排放;低碳发展

中国建筑领域的能源消费与排放是全社会能源消费与排放的重要组成部分，也是中国节能减排以及能源消费变革工作的重点。过去二十年，中国城镇化发展迅速，建筑规模的迅速增长也带动了我国建筑领域用能与排放的持续增长。一方面，大规模的建设活动消耗大量建材，这些建材的生产、运输等过程产生了大量的能耗与排放，在我国全社会占有相当的比例［1］。另一方面，不断增长的建筑面积也导致了更多的建筑运行用能，加之随着经济社会的发展，人民的生活水平不断提升，使得采暖、空调、生活热水、家用电器等终端用能需求和产生的碳排放也不断上升［2］。中国建筑运行用能约占全社会总用能的20%，由建筑建造所导致的原材料开采、建材生产、运输以及现场施工的能耗也占到全社会总能耗的20%以上。目前，中国仍处于经济相对快速发展的阶段，能源消费结构不断发生变化，从物质生产领域向建筑和交通领域转移［3］。建筑用能作为类消费领域用能的主要部分，其重要性也将不断增加。同时，国内国际正处于能源供需格局变化的关键节点，在能源供给结构变革的大背景下，建筑领域的能源消费的发展也应与之相适应。在上述背景下，对中国建筑用能与排放的现状进行全面认识和分析具有重要意义。另一方面，目前对于建筑能耗与排放的核算边界还缺乏统一的定义。对于建筑领域用能，部分研究仅核算建筑运行阶段的能耗，而一些研究同时考虑了建筑建造与建筑运行两个阶段的能耗，这就导致不同研究最终给出的建筑领域总能耗有较大差异。对于建筑运行用能的分类，在各研究者中存在一定分歧。许多国际能源研究机构在研究全球各国建筑用能时，通常将建筑运行阶段能耗划分为居住建筑用能和非居住建筑用能两大部分［4］［5，6］，也将这种分类应到对中国建筑用能的分类中。但是由于中国建筑用能存在非常明显的地域差异和城乡差异，导致这种统计口径下的建筑能耗总量、建筑能耗强度无法反映中国建筑用能的真实特点。而对于建筑建造用能，由于上游涉及多个环节，是否计入建材的生产运输等能耗会也对结果造成很大影响。例如在我国能源平衡表中建筑业用能就特指建筑业企业用能［7］，主要包含建筑现场施工用能，而这也无法反映建筑建造对我国全社会能源消耗的真实影响。对于建筑领域相关的碳排放，不同机构也有不同的核算边界，例如IPCC就基于生产者责任法，仅核算建筑内由于化石燃料直接燃烧造成的直接碳排放［8］，而由于电力、热力、建材等使用所造成的间接碳排放就不在核算范围内，这也无法全面地反映建筑部门的运行、建造等活动对于气候变化的真实影响。为此，本研究对中国建筑领域的能耗与温室气体排放进行了界定，并建立了中国建筑能耗和排放模型(ChinaBuildingEnergyandEmissionModel)，基于统计数据及实测调研数据对中国建筑部门的建筑规模、建造及运行阶段的用能和排放进行了计算，并结合对我国建筑部门的用能及排放特点，提出建筑部门节能与低碳发展的政策建议。

1研究边界及定义

建筑领域的用能和排放涉及到建筑的不同阶段，包括建筑建造、运行、拆除等，建筑领域相关的绝大部分用能和温室气体排放都是发生在建筑的建造和运行这两个阶段，因此本研究关注的是建筑的建造和建筑运行使用两大阶段，如图1。从能源消耗的角度来讲，建筑领域能源消耗包含建筑建造能耗和建筑运行能耗两大部分，下面分别对建筑建造能耗和排放、建造运行能耗和排放进行界定。1.1建筑建造能耗的定义。建筑建造阶段的能源消耗指的是由于建筑建造所导致的由建材生产和现场施工等过程所产生的能源消耗［2］。在一般的统计口径中，民用建筑建造与生产用建筑(非民用建筑)建造、基础设施建造一起，归到建筑业中［9］，如图2所示。本研究所涉及的建筑建造阶段的能耗与排放特指民用建筑建造。新建建筑建造活动涉及诸多用能环节，本研究主要考虑建材生产，建材运输以及现场施工过程所涉及的能源消耗。其中建材生产阶段是指从原材料进入工厂到建材成品出厂之间的过程，其能源消耗主要包括直接或间接的生产系统用能;建材运输过程指的是从建材出厂到建材到达施工工地之间的过程，主要包括建材运输车辆用能;现场施工阶段用能主要包括现场施工设备的能源消耗。对于建材种类，研究中参考《中国建筑业统计年鉴》［9］口径主要考虑了钢铁、水泥、铝材以及平板玻璃四类，其他建材的用量以及生产能耗占比较小在此忽略不计。1.2建筑运行能耗的定义与分类。建筑运行用能，参见《民用建筑能耗标准GB/T51161-2016》［10］中“建筑能耗”的定义，指的是“建筑使用过程中由外部输入的能源，包括维持建筑环境的用能(如供暖、制冷、通风、空调和照明等)和各类建筑内活动(如办公、家电、电梯、生活热水等)的用能。在本研究中，涉及的建筑类型仅指民用建筑，包括:住宅、办公建筑、学校、商场、宾馆、交通枢纽、文体娱乐设施等建筑，而不包括工业建筑。考虑到我国南北地区冬季采暖方式的差别、城乡建筑形式和生活方式的差别，以及居住建筑和公共建筑人员活动及用能设备的差别，将我国的建筑用能分为四大类［11］，分别是:北方城镇供暖用能、城镇住宅用能(不包括北方地区的供暖)、公共建筑用能(不包括北方地区的供暖)，以及农村住宅用能，详细定义如下:(1)北方城镇供暖用能:指的是采取集中供暖方式的省、自治区和直辖市的冬季供暖能耗，包括各种形式的集中供暖和分散采暖。本研究考察各类供暖系统的一次能耗，也就是由于采暖导致的热源处一次能源或电力的消耗，以及服务于供热系统的各类设备(风机、水泵)的电力消耗。对于热电联产方式的集中供热热源，本书根据《民用建筑能耗标准GB/T51161-2016》的标准，根据输出的电力和热量的火用分摊输入的燃料。(2)城镇住宅用能(不包括北方城镇供暖用能):指的是除了北方地区的供暖能耗外，城镇住宅所消耗的能源。在终端用能途径上，包括家用电器、空调、照明、炊事、生活热水，以及夏热冬冷地区的省、自治区和直辖市的冬季供暖能耗。城镇住宅使用的主要商品能源种类是电力、燃煤、天然气、液化石油气和城市煤气等。(3)商业及公共建筑用能(不包括北方地区供暖用能):这里的商业及公共建筑指人们进行各种公共活动的建筑，包含办公建筑、商业建筑、旅游建筑、科教文卫建筑、通信建筑、以及交通运输类建筑，既包括城镇地区的公共建筑，也包含农村地区的公共建筑。除了北方地区的供暖能耗外，建筑内由于各种活动而产生的能耗，包括空调、照明、插座、电梯、炊事、各种服务设施，以及夏热冬冷地区城镇公共建筑的冬季供暖能耗。公共建筑使用的商品能源种类是电力、燃气、燃油和燃煤等。(4)农村住宅用能:指农村家庭生活所消耗的能源。包括炊事、供暖、降温、照明、热水、家电等。农村住宅使用的主要能源种类是电力、燃煤、液化石油气、燃气和生物质能(秸秆、薪柴)等。其中的生物质能部分能耗没有纳入国家能源宏观统计，但是农村住宅用能的重要部分，本研究将其单独列出考虑。1.3建筑领域碳排放的定义从温室气体排放的角度来看，建筑领域温室气体排放分为建筑建造和运行相关二氧化碳排放，以及建筑运行相关的非二氧化碳温室气体排放，本研究主要关注其中的二氧化碳排放。建筑建造相关二氧化碳排放包含建材生产过程中的直接CO2排放和建造使用能源相关的间接CO2排放。类似的，建筑运行阶段，也会导致能源使用带来的直接CO2排放，例如采暖锅炉燃煤、燃气导致的直接排放，以及建筑用电所对应的间接CO2排放。

2核算模型与检验方法

2.1核算模型。基于上述的研究边界定义，以及积累的大量实测建筑用能数据，本研究对建筑领域用能的特点进行了深入剖析，并建立了中国建筑能耗和排放模型(CBEEmodel)。模型主要由中国建筑规模模块、中国建筑建造能耗及排放核算模块，中国建筑运行能耗及排放核算模块组成。中国建筑规模模块基于现有的统计数据及相关研究［9，12-14］，核算中国各类民用建筑逐年的新建、拆除以及实有面积情况。中国建筑建造能耗及排放模块基于实际调研和各类文献中所获得的建筑建造用能强度数据以及中国建筑规模模型所输出的建筑建造规模数据，得到中国建造领域的用能以及碳排放情况。中国建筑运行能耗及排放模块基于实际调研中得到的大量建筑运行用能信息数据以及各类建筑实有规模数据，得到中国建筑运行阶段的能耗与排放情况。2.2结果校核。在模型中利用外部宏观统计数据以及多途径核算相结合的方法对结果进行校核。对于建筑规模以及建造能耗，在利用自下而上的方法进行核算的基础上，模型广泛综述相关的宏观统计数据［9，14，15］对建材用量等模型中间结果进行校核。对于建筑运行用能，模型基于两种不同的方法对建筑运行用能强度进行核算并相互检验。一是基于实测调研的大量建筑用能强度数据，在对中国建筑运行用能进行合理分类的基础上给出不同地区，不同种类建筑，不同用能终端以及不同家庭类型等维度下的建筑用能与排放强度，并进一步自下而上地得到中国建筑运行的宏观能耗与排放情况，这一途径基于实测用能强度数据，能够准确反映中国建筑运行部门的用能情况。二是以技术以及用能行为为出发点，在更加深入细致的层面上描述中国建筑运行用能情况，这种途径可以更加深入地反映技术以及行为模式的变化对于建筑运行能耗的影响。两种途径相互校核，在宏观层面上实现对中国建筑运行能耗的准确描述，在微观层面上阐述技术与行为等各类影响因素对中国建筑运行能耗的影响。

3模型核算结果

3.1建筑面积。快速城镇化带动建筑业持续发展，使得我国建筑业规模不断扩大。从2006年到2018年，我国建筑营造速度增长迅速，城乡建筑面积大幅增加。分阶段来看(图3)，2006年至2013年，我国的民用建筑竣工面积快速增长，从每年14亿m2左右稳定增长至2014年的超过25亿m2;自2014年至今，我国民用建筑每年的竣工面积基本稳定在25亿m2左右;自2015年起已经连续多年小幅下降。伴随着大量开工和施工，全国拆除面积从2006年的3亿m2快速增长，最终稳定在每年15亿m2左右。2018年我国的民用建筑竣工面积约为25亿m2，竣工面积中住宅建筑约占67%，非住宅建筑约占33%。根据建筑功能的差别，可以将公共建筑分为办公、酒店、商场、医院、学校以及其他等类型，这其中各类型公共建筑在2001到2017年期间的竣工面积比例变化不大，以办公、商场及学校为主，2017年三者竣工面积合计在公共建筑中的占比超过75%，其中商场占比31%，办公建筑占比27%，学校占比17%。在其余类型中，医院和酒店的占比较小，分别占5%和3%(图4)。每年大量建筑的竣工使得我国建筑面积的存量不断高速增长，2018年我国建筑面积总量约601亿m2，其中:城镇住宅建筑面积为244亿m2，农村住宅建筑面积229亿m2，公共建筑面积128亿m2，北方城镇采暖面积147亿m2。3.2建筑建造能耗与排放。随着我国城镇化进程不断推进，民用建筑建造能耗也迅速增长。大规模建设活动的开展使用大量建材，建材的生产进而导致了大量能源消耗和碳排放的产生，是我国能源消耗和碳排放持续增长的一个重要原因。基于核算结果，中国民用建筑建造能耗从2004年的2亿tce增长到2018年的5.2亿tce，如图6所示。在2018年民用建筑建造能耗中，城镇住宅、农村住宅、公共建筑分别占比为42%，14%和44%。实际上，建筑业不仅包括民用建筑建造，还包括生产性建筑建造和基础设施建设，例如公路、铁路、大坝等的建设。民用建筑的建造能耗约占建筑业能耗的40%。建筑与基础设施的建造不仅消耗大量能源，还会导致大量二氧化碳排放。其中，除能源消耗所导致的二氧化碳排放之外，水泥的生产过程排放也是重要组成部分。2018年我国建筑业消耗水泥约22亿t，生产过程导致了约11亿tCO2的生产过程碳排放。2018年我国民用建筑建造相关的碳排放总量约为18亿tCO2。在这之中，建材生产运输阶段用能相关的碳排放以及水泥生产工艺过程碳排放是主要部分，分别占比65%和30%(图7)。3.3建筑运行能耗及其分项。从2001年到2018年，建筑能耗总量及其中电力消耗量均大幅增长，见图8。2018年建筑运行的总商品能耗约10亿tce，约占全国能源消费总量的22%，建筑商品能耗和生物质能约11亿tce(其中生物质能耗约0.9亿tce)，具体如表1所示。将四部分建筑能耗的规模、强度和总量表示在图9中的四个方块中，横向表示建筑面积，纵向表示单位平米建筑能耗强度，四个方块的面积即是建筑能耗的总量。从建筑面积上来看，城镇住宅和农村住宅的面积最大，北方城镇供暖面积约占建筑面积总量的四分之一弱，公建面积仅占建筑面积总量的五分之一弱，但从能耗强度来看，公共建筑和北方城镇供暖能耗强度又是四个分项中较高的。因此，从用能总量来看，基本呈四分天下的局势，四类用能各占建筑能耗的1/4左右。近年来，随着公共建筑规模的增长及平均能耗强度的增长，公共建筑的能耗已经成为中国建筑能耗中比例最大的一部分。3.4建筑运行碳排放及其分项建筑能耗总量的增长、能源结构的调整都会影响建筑运行相关的二氧化碳排放。建筑运行阶段消耗的能源种类主要以电、煤、天然气为主，其中:城镇住宅和公共建筑这两类建筑中70%的能源均为电，以间接二氧化碳排放为主，北方城镇中消耗的热电联产热力也会带来一定的间接二氧化碳排放;而北方供暖和农村住宅这两类建筑中，能源消耗中使用煤的比例高于电，在北方供暖分项中用煤的比例超过了80%，农村住宅中用煤的比例约为60%，这会导致大量的直接二氧化碳排放。随着我国电力结构中零碳电力比例的提升，我国电力的平均排放因子从2001年的771gCO2/kWh下降到2018年的553gCO2/kWh［16］;而电力在建筑运行能源消耗中比例也不断提升，这两方面都显著地促进了建筑运行用能的低碳化发展。2018年中国建筑运行的化石能源消耗相关的碳排放为21亿tCO2，如图10，其中直接碳排放占50%，电力相关的间接碳排放占42%，热电联产热力相关的间接碳排放占8%。2018年我国建筑运行相关二氧化碳排放折合人均建筑运行碳排放指标为1.5t/cap，折合单位面积平均建筑运行碳排放指标为35kg/m2。按照四个建筑用能分项的碳排放占比分别为:农村住宅23%，公共建筑30%，北方采暖26%，城镇住宅21%。将四部分建筑碳排放的规模、强度和总量表示在图11中的方块图中，横向表示建筑面积，纵向表示四单位平米碳排放强度，四个方块的面积即是碳排放总量。可以发现四个分项的碳排放呈现与能耗不尽相同的特点:公共建筑由于建筑能耗强度最高，所以单位建筑面积的碳排放强度也最高;而北方供暖分项由于大量燃煤，碳排放强度次之;农村住宅和城镇住宅单位平米的一次能耗强度相关不大，但农村住宅由于电气化水平低，燃煤比例高，所以单位平米的碳排放强度高于城镇住宅。

4讨论及政策建议

4.1合理规划建筑规模，避免“大拆大建”。基于对建筑建造阶段能耗和排放的分析可以发现，建筑规模总量是影响建筑领域能耗与排放的重要因素，因此合理规划和控制未来建筑规模总量，是实现全社会和建筑领域低碳发展的必要条件［17，18］。从目前我国既有建筑的存量来看，人均建筑面积已经接近发达国家水平，甚至已经超过部分欧洲和亚洲的发达国家。即使考虑未来城镇化率的继续增长，按照现有人均建筑面积水平，需要新增的房屋规模也有限。因此，应该对未来我国建筑规模总量进行总量规划、逐年开工建设量进行合理控制。目前全社会已有建成民用建筑约600亿平米，人均约40平米。按照日本、韩国等亚洲其它发达国家的状况，人均50平米民用建筑(包括住宅、商建和公建)已完全可以满足经济、社会和文化发展的需要。对应我国未来14亿人口，未来建筑总规模达到720亿平米应完全满足现代化和人民美好生活的需要。另一方面，抑制房屋的“大拆大建”，发展建筑维修和延寿技术，增加建筑维修与功能提升的比例，也是控制建筑部门能耗与排放的重要方法。近10年间，中国建筑年竣工面积都在25亿m2左右，但同时每年的建筑拆除面积也在15亿m2左右，并且呈增长的趋势。在下一阶段，我国将由大规模建设逐渐转为大规模维修、改造和功能提升，因此如何实现城镇化任务由“大拆大建”转为“延寿升质”，是下一阶段的重要议题。要实现这一目标，需要相关的政策机制，也要加速科学研究，探讨低碳的建筑延寿和功能提升途径。为此，大力发展精细修缮模式所需要的技术，例如构筑物寿命监测、诊断与评估、全寿命期演变与控制、提升改造技术将是促进建筑建造领域低碳发展的重要手段。4.2倡导绿色的生活方式与适宜的技术。与发达国家相比，我国建筑运行的能耗与排放强度仍处于较低的水平［19］。大量的实测对比分析表明，生活方式和使用模式上的差异是造成建筑运行能耗差异的最关键因素。以中美两国典型居民家庭用电为例，中国绝大部分家庭的年总用电量小于3000kW•h，而在美国中等收入家庭的年用电量通常要达到约10000kW•h。这其中的差距来源于家庭用电设备类型以及使用方式的不同。中国绝大多数居民家庭采用分体空调+“部分时间部分空间”的空调使用模式，也即仅在人在的时间和空间开启空调设备，因而用能强度较低，年空调用电量仅为300kW•h左右。而美国居民家庭常见的空调形式是户式中央空调，其使用方式往往是“全时间全空间”的模式，空调开启时长以及制冷面积要远大于中国家庭［20］，也此造成美国家庭空调能耗是中国家庭空调能耗的3-10倍。因此，维持我国现有的绿色低碳的生活方式是实现中国住宅建筑节能低碳的重要途径，在建筑中充分利用自然通风，坚持节约传统和“部分时间、部分空间”的空调使用模式，追求适度的建筑服务水平和与生活方式相适宜的节能技术，才可以在提升居民服务水平的同时，使得建筑能耗不出现大幅增长［21］。4.3引导适宜的建筑形式和系统设计。对于公共建筑，是选择完全依靠机械系统营造和维持要求的人工环境，还是选择依靠外界自然环境相通来营造室内环境，只有在极端条件下才依靠机械系统的人工环境，是完全不同的两条设计路径，其具体差异体现在对建筑的要求、室内环境参数控制、谁是室内环境状态的维持和调节者、提供服务的模式等方面，并最终导致不同的建筑运行能耗［22］。在营造人工环境的理念下，建筑尽可能与外环境隔绝，避免外环境的干扰，采用高气密性、高保温隔热，挡住直射自然光。室内环境参数都维持在要求的设定值周围，由运行管理人员或自动控制系统调节室内环境状态，尽可能避免建筑使用者的参与;机械系统全时间全空间的运行，24小时提供服务，进而建筑能耗也较高，单位面积照明、通风、空调用电量可达100kW•h/m2。而在营造与室外和谐的环境理念下，室内外之间的通道可以根据需要进行调节:既可自然通风又可以实现良好的气密性;既可以通过围护结构散热又可以使围护结构良好保温;既可以避免阳光直射又可以获得良好的天然采光。室内环境参数根据室外状况在一定范围内波动;由使用者控制室内环境状态，管理人员和自控系统起辅助作用，“部分时间部分空间”维持室内环境。这种模式下，建筑能耗远低于前者，大多数情况下单位面积照明、通风、空调能耗不超过30kW•h/m2。对于公共建筑，应当以合理的理念去引导建筑形式和系统形式的设计，对于新建建筑要尽量营造与室外和谐的室内环境，并应当注意特殊类型公共建筑的节能设计与运行。对于既有建筑应当以《民用建筑能耗标准》［10］为基础开展全过程能耗定额管理，在升级改造过程中不能盲目提高服务水平，加大系统供应。

5结论

本研究提出了中国建筑领域能耗与排放的定义和分类，利用中国建筑能耗和排放模型(CBEEModel)对中国的建筑规模，建筑建造阶段以及建筑运行阶段的能耗与排放进行了核算，并对结果进行了讨论，得到了建筑领域实现节能低碳发展的具体建议。本研究主要得到以下结论:1.建筑领域能耗可分为建筑建造阶段用能和建筑运行阶段用能。对于建筑建造阶段用能为全面反映建材消耗对建材生产用能的影响，应计入从建材生产到现场施工全过程的能源消耗;对于建筑运行用能，考虑我国政策及城乡差异现状，可分为城镇住宅用能，农村住宅用能，公共建筑用能以及北方城镇供暖用能。建筑领域的排放可分为直接碳排放和间接碳排放，所纳入的环节与建筑用能相同。2.2018年中国民用建筑建造能耗为5.2亿tce，民用建筑建造相关的碳排放总量约为18亿tCO2，其中建材生产运输阶段用能相关的碳排放以及水泥生产工艺过程碳排放是主要部分，分别占比65%和30%。3.2018年建筑运行的总商品能耗为10亿tce，约占全国能源消费总量的22%。其中城镇住宅、农村住宅、公共建筑、北方城镇供暖的商品能耗分别为2.14亿tce，2.16亿tce，3.32亿tce以及2.12亿tce;2018年中国建筑运行的化石能源消耗相关的碳排放为21亿tCO2，其中直接碳排放占50%，电力相关的间接碳排放占42%，热电联产热力相关的间接碳排放占8%。4.基于以上结果，本研究对中国建筑领域节能低碳发展提出如下建议:一是合理规划建筑规模，避免“大拆大建”;二是倡导绿色的生活方式与适宜的技术，通过政策引导以及技术措施鼓励居民维持传统节约的用能方式是未来控制居住建筑运行能耗的重要手段;三是引导适宜的建筑形式和系统设计，对于公共建筑要尽量营造与室外和谐的室内环境，这是未来实现公共建筑节能低碳发展的重要技术方向。

作者:胡姗 张洋 燕达 郭偲悦 刘烨 江亿 单位:清华大学