建筑环境能耗与碳排放生命周期综合建模及对冲机理研究

As the hub of social, cultural and economic activities, urban precincts contribute significantly to natural resource consumption and discharge considerable volumes of wastes. One significant part of these wastes is the energy production associated greenhouse gas emissions (or carbon dioxide equivalent), which is a major concern to global warming and climate change. Statistics compiled by International Energy Agency (IEA) indicate that electricity generation is responsible for 40% of global carbon and more than one third of global emissions can be attributed to the built environment. Considering the well-established relationship between energy and carbon, this research which is built on Building Information Modelling (BIM) , aims to propose a macro Precinct Information Modelling (PIM) strategy for the integrated energy and carbon assessment of urban precincts. Mathematical models will be developed to support the measure of precinct energy and carbon performances, with the carbon offsetting contributed by renewable energy involvement discussed and quantified. The proposed methodology and models are expected to boost the sustainable development of future cities, support the low carbon precinct optimal planning, guide the local policy-making with data evidence, and contribute to the development of ecological civilization.

作为人类社会，经济以及文化活动的重要载体，城市一直以来都是自然资源消耗和环境污染的主体。其中，能源生产与使用过程中所产生的温室气体因直接作用于全球变暖和气候变化而倍受关注。国际能源署统计分析结果表明电力生产过程中的碳排放在全球碳排放总量中占比高达40%，而全球1/3的温室气体排放直接来源于城市建筑环境。考虑到城市建筑环境中能源与碳排放的紧密联系，本课题拟以国际建筑领域前沿理论—BIM为基础，进一步提出并发展城市建筑环境宏观模型—PIM及其基础理论，建立城市综合能耗和碳排放分析评估模型，并对可再生能源的碳排放对冲机理进行探讨和量化分析。以期为城市可持续性建筑环境发展提供理论依据，为低碳城市优化规划建立评估标准，为相关政策制定提供导向和数据支持，从而为促进我国生态文明建设做出一定贡献。

全球40%的能耗及36%的碳排放来源于建筑环境。因而，在全球气候变暖、环境问题日益严峻的大背景下，创建节能城市及发展绿色经济已成为世界各国突破资源瓶颈，实现可持续发展的有效手段。在建筑环境中，基础设施的生命周期碳排放占据着主导地位，其本质是制造及使用过程中的化石能源消费。国内外研究表明，碳中和建筑环境急需解决的关键问题主要包括: a)碳排放预算与碳排放标准的建立; b)城市建筑环境碳排放分析边界的确立; c)综合量化模型及数据采集与分析方法的欠缺; d)可再生能源的碳排放对冲机理研究，以及; e)城市动力学影响因素的量化分析。在本项目的执行过程中，项目组立足于碳排放预算分配与行业标准制定，以及碳中和可行性与影响分析等关键问题，综合考虑了城市进化过程中的动力学因素及可再生能源的碳排放对冲，取得了以下突破性成果:.首先，以制造领域通用的过程分析法为基础，结合低碳经济学领域广泛应用的“输入-产出”分析法，建立了主要建筑材料的全生命周期隐含能耗及碳排放强度数据库；其次，确立了建筑环境的碳排放评估边界，并以此为基础建立了其综合分析模型，实现了小区级别的碳排放评估及碳中和可行性分析；再次，对可再生能源系统的生命周期净产能及其碳排放对冲潜力进行了量化分析与建模，为碳中和城市规划及可再生能源与储能系统的优化配置提供了理论依据和数据支持；最后，对城市动力学因素的碳排放/碳中和影响展开了深入研究和情景分析，为提高碳排放分析精度以及城市动态碳中和实践奠定了基础。此外，课题组在研究后期对项目进行了延展和深化，设计了新型长生命周期绿色建筑材料“合木钢”并通过了初步验证；联合宁夏平罗光伏电站，对坡度条件下的自动追光系统展开研究，显著提高了光伏系统的电能产量，并验证了相关模型和控制系统的精确性。综上所述，本项目在执行过程中取得了一系列行业领先水平的科研成果，对实现我国2030碳达峰及2060碳中和的伟大目标具有重要意义！