綠色居住建筑碳排放精細(xì)化估算方法

徐崇鈞，耿光超，俞侃，江全元

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027;2.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310027)

0 引 言

在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，中國能源體系正處于轉(zhuǎn)型關(guān)鍵時期[1]，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，能源領(lǐng)域是主戰(zhàn)場，電力行業(yè)是排頭兵[2]。中國2020年能流圖顯示，建筑能源消費(fèi)近20%，其中電力熱力消費(fèi)占比過半[3], 《中國能源發(fā)展報(bào)告2020》指出，建筑節(jié)能降碳潛力巨大，其中電氣減排空間不容忽視[4]。因此，建筑中電器的碳排放量估算至關(guān)重要，它可以為建筑節(jié)能降碳調(diào)控策略提供數(shù)據(jù)支撐。

以能耗分析為代表的建筑評價指標(biāo)已經(jīng)無法滿足建筑建設(shè)的迫切需求，建筑碳排放水平已被認(rèn)為是與能耗同樣重要的計(jì)量指標(biāo)。圍繞“雙碳”目標(biāo)，構(gòu)建面向建筑的“能-碳”雙重指標(biāo)勢在必行。建筑中電力負(fù)荷運(yùn)行過程產(chǎn)生的碳排放主要由電能消耗帶來的間接碳排放與消費(fèi)者行為導(dǎo)致的直接碳排放組成，這兩部分碳排放的估算都至關(guān)重要[5]。綠色居住建筑指一些配有光伏儲能等節(jié)能裝置的居住用建筑。這些建筑往往需要通過用能碳排放指標(biāo)為節(jié)能降碳調(diào)控策略提供支撐?，F(xiàn)有的碳排放估算方式主要是基于企業(yè)年報(bào)或其他公開信息并采用排放系數(shù)法實(shí)現(xiàn)[6]，對于建筑外購電碳排放使用固定系數(shù)或采用階梯式估算得到[7]。文獻(xiàn)[8]研究表明，單位電能碳排放量具有時變性，取決于電力負(fù)荷結(jié)構(gòu)、各類機(jī)組處理等因素。文獻(xiàn)[9–11]對電網(wǎng)單位電能碳排放量，即電網(wǎng)動態(tài)購電碳排放因子，提出了切實(shí)可靠的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[12]基于室內(nèi)電器運(yùn)行情況，提出考慮家用電器電熱特性的分散式電采暖集群經(jīng)濟(jì)低碳調(diào)控策略。以上方法均從外購電能消耗角度估算建筑碳排放，而忽視了消費(fèi)者行為導(dǎo)致的碳排放。文獻(xiàn)[13]提出了一種新的碳估算方法，首次對工廠的直接和間接碳排放進(jìn)行實(shí)時估算，但在綠色居住建筑電器直接與間接碳排放估算方面仍有一定空白。

計(jì)量居住建筑中電器的碳排放，需要獲取居民用電行為，非侵入式負(fù)荷監(jiān)測（Non-intrusive Load Monitoring，NILM）作為智能用電技術(shù)體系的重要組成部分之一,能深入分析用戶內(nèi)部的負(fù)荷成分,獲取不同精細(xì)程度的用戶用電信息[14-15]、進(jìn)行負(fù)荷識別和用電行為分解得到用戶內(nèi)部各類電器準(zhǔn)確的用電信息[16]。

本文提出了一種綠色居住建筑用能碳排放指標(biāo)分項(xiàng)估算方法，用于完整地估算綠色居住建筑中電器運(yùn)行所導(dǎo)致的碳排放，該方法先通過非侵入式負(fù)荷辨識，判斷用戶用電行為，分時分項(xiàng)計(jì)量不同電器能耗，根據(jù)建筑光儲系統(tǒng)出力與電網(wǎng)單位電能碳排放量時變性計(jì)算實(shí)際間接排放因子，結(jié)合電器直接碳排放因子計(jì)算各電器碳排放量，實(shí)現(xiàn)建筑電器用能碳排放指標(biāo)精細(xì)化估算。

本研究的主要貢獻(xiàn)在于：

1)根據(jù)居民用電行為特性估算電器直接碳排放，提升碳排放估算范圍完整性。

2)根據(jù)綠色居住建筑“源-荷”數(shù)據(jù)與電網(wǎng)單位電能碳排放時變性計(jì)算電器間接碳排放，提高碳排放估算結(jié)果準(zhǔn)確性。

3)分時分項(xiàng)估算建筑運(yùn)行過程用能碳排放指標(biāo)，將能耗與碳排放來源具體化、明確化。

1 建筑運(yùn)行過程用電能耗計(jì)量

1.1 電器事件特征提取

當(dāng)有居民負(fù)荷啟停事件發(fā)生時，居民電器的總有功功率曲線將會發(fā)生突變，基于事件的NILM方法通過感知功率突變來判斷事件是否發(fā)生。第t秒有功功率突變量可以用前后功率差計(jì)算，并可以根據(jù)功率變化正負(fù)性判斷電器狀態(tài)：

其中VPt表示第t+1秒與第t秒有功功率變化量，edge表示事件代表的電器啟停狀態(tài)，1表示開啟，?1表示關(guān)閉。

在電器正常運(yùn)行過程中，即使無電器啟停，電表總功率也不是固定的，因此，只有當(dāng)一秒內(nèi)功率突變量大于某設(shè)定值才會被認(rèn)為有事件發(fā)生。此外，電器自身運(yùn)行狀態(tài)變化造成的功率波動也不盡相同，在這里引入基于總功率的功率波動判別依據(jù)如下：

其中P0為未開啟電器時的功率噪聲；k0為背景功率系數(shù)；Pt為現(xiàn)有總功率值。

當(dāng)一個負(fù)荷完全開啟之后功率趨于穩(wěn)定，每秒有功變化量也隨之減小。當(dāng)有功功率變化量小于波動功率時，則該事件已經(jīng)結(jié)束并將當(dāng)前時間標(biāo)定為事件結(jié)束時間t2。當(dāng)事件結(jié)束后，根據(jù)事件過程中及結(jié)束后的各項(xiàng)特征數(shù)據(jù)提取電器事件特征。

本文選取有功、無功、電流諧波、穩(wěn)態(tài)功率方差、每秒功率最大值等來辨識綠色居住建筑中的電器，這些電器都是辨識常用特征[17-20]。算法定義了平均有功功率的差值與平均無功功率的差值的變化量：

其中ΔP表示事件全過程有功功率變化量；ΔQ表示無功功率變化量。

此外，由于電流相角與電壓相角的不是固定的，因此，在計(jì)算電流諧波的變化量時，需要考慮電流諧波相角的變化。對于k次電流諧波幅值變化量如下公式所示：

1.2 用電行為辨識

算法采用離線生成特征庫，在線辨識的方法，首先使用一定量用戶電器啟停數(shù)據(jù)，基于多元高斯模型，生成對應(yīng)電器特征庫，在在線辨識階段，將實(shí)時數(shù)據(jù)輸入到特征庫中，通過高斯分布計(jì)算其截止概率，判斷用電行為種類，流程如圖1所示。

圖1 負(fù)荷辨識流程圖

在已知樣本各數(shù)據(jù)特征情況下，可以通過極大似然估計(jì)法求得其均值和協(xié)方差矩陣。對于N個樣本點(diǎn)：{x1,x2,...,xn}，其極大似然估計(jì)公式為：

對于一個服從多元高斯分布的樣本，其概率密度函數(shù)為：

關(guān)于電器事件特征的新樣本個體y，不同截止概率對應(yīng)不同的事件可能性[21]，且由于概率密度函數(shù)在正半軸與負(fù)半軸分別單調(diào)。因此，針對某類電器設(shè)定截止概率pn，當(dāng)某一事件特征樣本對于其中一類電器的概率為p，且p＞pn時，則說明該樣本所代表的電氣特征變換為此電器啟停導(dǎo)致。

1.3 居民能耗分項(xiàng)計(jì)量

在準(zhǔn)確辨識用電行為的基礎(chǔ)上，判斷電器運(yùn)行狀態(tài)，再根據(jù)電器運(yùn)行功率，可以計(jì)算出其運(yùn)行總能耗如下。

其中state表示該種類電器運(yùn)行個數(shù)，edge表示事件邊沿，取1時表示上升沿，即電器開啟；取2時表示下降沿，即電器關(guān)閉。EP表示該種類電器當(dāng)前運(yùn)行功率和，Du表示電器運(yùn)行時長，W表示其能耗。

非侵入式負(fù)荷辨識從能耗角度可以給予綠色居住建筑用能調(diào)控策略一定參考，但在同時考慮用能碳排放的情況下，還需要進(jìn)一步獲取碳排放數(shù)據(jù)。

2 綠色居住建筑用能碳排放指標(biāo)估算

2.1 綠色居住建筑用能碳排放估算方法

建筑中的電器設(shè)備常應(yīng)用全生命周期法估算碳排放，核算邊界至關(guān)重要。全生命周期法主要從需求分析、設(shè)計(jì)、制造、銷售、使用、維修、報(bào)廢到回收再生等角度考慮排放邊界，根據(jù)核算邊界范圍，分為“從搖籃到大門”、“從搖籃到墳?zāi)埂?、“從搖籃到搖籃”等估算方法。受電器實(shí)際運(yùn)行環(huán)境與碳排放因子不確定性影響，在建造前估算其運(yùn)行過程產(chǎn)生中的碳排放往往會導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確性低[22]，因此，建筑使用過程碳排放尤其難以計(jì)算。在建筑投入運(yùn)行后，根據(jù)實(shí)際活動數(shù)據(jù)估算電器運(yùn)行過程碳排放可以很好地提高結(jié)果準(zhǔn)確性，這部分碳排放主要由電器使用過程中產(chǎn)生的直接碳排放與電力消耗導(dǎo)致的間接碳排放組成[13]。綠色居住建筑中居民用能所產(chǎn)生的碳排放核算邊界與其主要來源如圖2所示。

圖2 居民電器碳排放邊界與來源

綠色居住建筑運(yùn)行過程用能碳排放指標(biāo)估算主要聚焦于綠色居住建筑使用過程中家庭用電行為所產(chǎn)生的碳排放，即圖中“產(chǎn)品使用”部分。家庭電器產(chǎn)生的能耗與碳排放估算，可以通過不同的用電行為導(dǎo)致的能耗，估算對應(yīng)行為消耗其他資源所產(chǎn)生的直接碳排放，再結(jié)合間接碳排放因子得到居民分時分項(xiàng)用能碳排放量。

此外，基于對居民電器的辨識，可以通過電器直接碳排放因子計(jì)算對應(yīng)的人類活動所產(chǎn)生的碳排放，這部分碳排放主要由電器運(yùn)行時消耗的其他資源導(dǎo)致。根據(jù)不同電器的直接碳排放來源，將常見的電器分為僅耗電、耗水、耗熱水、耗食材等四個種類，并在圖中列舉了一些常見的電器。

綠色居住建筑用能碳排放指標(biāo)估算方法使用了建筑中用電數(shù)據(jù)與其他能源出力，主要是光伏儲能系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)。首先通過非侵入式負(fù)荷辨識，獲取建筑中各電器使用時長與運(yùn)行功率，分別計(jì)算能耗，再通過用電行為估算用電直接碳排放，并結(jié)合當(dāng)前時刻外購電碳排放因子、總能耗、光儲系統(tǒng)出力計(jì)算動態(tài)耗電排放因子，最后估算綠色居住建筑中各電器在各時段用能碳排放指標(biāo)。綠色居住建筑用能碳排放指標(biāo)估算流程如圖3所示。

圖3 用能碳排放指標(biāo)估算流程圖

2.2 居民電器直接碳排放因子

基于上述負(fù)荷辨識算法與不同的直接碳排放來源，對各類電器直接碳排放因子進(jìn)行以下估計(jì)。

空調(diào)、電視機(jī)、電燈等電器屬于僅耗電類電器，此類電器生產(chǎn)過程消耗的碳排放可在出廠時計(jì)算，在使用過程中僅消耗電能而沒有其他資源投入，因此只有間接碳排放，不產(chǎn)生直接碳排放。

耗水類電器主要由洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等清潔類電器構(gòu)成，該類電器運(yùn)行過程中除電能外只有水的額外投入，并且不會對水進(jìn)行加熱，可以從運(yùn)行時長、運(yùn)行狀態(tài)等方面估計(jì)其直接碳排放因子：

其中，σw表示水的排放系數(shù)；Mw表示水的質(zhì)量；Pi表示電器功率；Ti表示電器工作時間。

耗熱水類電器主要由熱水壺、熱水器等僅額外使用水且進(jìn)行加熱的電器構(gòu)成，其主要特點(diǎn)是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗臒崮?，根?jù)其消耗電量與加熱效率估算耗水量與米飯量從而得到直接排放因子，以質(zhì)量單位計(jì)量的熱水可按以下公式轉(zhuǎn)換為熱量單位，并計(jì)算得電器碳排放：

其中AD表示熱水熱量；W表示電能消耗；η表示電器加熱效率；Maw表示水的質(zhì)量；Tw表示水溫；CE表示碳排放量；σaw與σr分別表示水與米的碳排放系數(shù)；μ表示電器運(yùn)行時米與水的質(zhì)量比。直接碳排放因子為碳排放量與電能的比值：

結(jié)合式(13)-(16)可以得到直接碳排放因子為：

耗食材類電器主要由電磁爐、微波爐等烹飪用電器構(gòu)成，根據(jù)烹飪方式不同，每次使用造成的碳排放也不同，食材烹飪所產(chǎn)生的碳排放是考慮蛋白質(zhì)和卡路里含量歸一化的結(jié)果，文獻(xiàn)[23]指出：一些常見的食物經(jīng)過不同的烹飪方式會產(chǎn)生的碳排放，國家衛(wèi)健委提供的推薦膳食比例作為食物烹飪比重計(jì)算各種烹飪方式的平均碳排放因子，作為電器每次使用造成的碳排放因子，用于計(jì)算直接碳排放計(jì)算公式如下：

其中σi表示食材排放系數(shù)；ωi表示攝入比例。

2.3 電器實(shí)際間接碳排放因子

建筑的實(shí)際間接碳排放因子不斷變化，其數(shù)值受到動態(tài)購電碳排放因子、外購電量與光儲出力影響。

根據(jù)IPCC指南，電力行業(yè)產(chǎn)生的碳排放量可以根據(jù)自下而上的清單構(gòu)建和部門活動模型通過化石燃料活動數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的排放因子獲得[24-25]，并通過日發(fā)電量組合、不同發(fā)電類型平均排放系數(shù)和凈進(jìn)口電力及其排放系數(shù)估算出相應(yīng)省份的日電力排放系數(shù)[13]。

在分項(xiàng)估算電器碳排放時，每種電器根據(jù)自身能耗量分?jǐn)傇摃r段總碳排放，但在綠色建筑實(shí)際運(yùn)行過程中，受其光儲系統(tǒng)出力影響，間接碳排放因子計(jì)算公式如下所示：

其中Y示消耗的儲能電力中屬于外購電部分充電產(chǎn)生的碳排放；Ebt表示當(dāng)前時間段外購電碳排放因子；WLt、Wvt、Wct分別表示建筑總能耗、光伏出力、儲能出力；η為儲能電池充放電效率；μ為儲能儲存過程每小時損耗。

2.4 綠色居住建筑碳排放指標(biāo)精細(xì)化估算

本文考慮不同時段能源不同發(fā)電機(jī)組組成成分、綠色建筑光儲出力、居民用電行為差異，得到居民間接碳排放因子σ=[σ1,σ2,...,σ24]T、居民直接碳排放因子τ=[τ1,τ2,...,τn]，考慮實(shí)時碳排放因子的綠色居住建筑分項(xiàng)碳排放模型為：

其中σ表示建筑間接碳排放因子；τ表示電器直接碳排放因子；為電器i在第j小時總能耗；為電器i在第j小時用電碳排放量。

3 算例分析

本文所用數(shù)據(jù)集包含某居住建筑中家庭數(shù)日總電表用電數(shù)據(jù)與光儲系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)，其中負(fù)荷數(shù)據(jù)使用NIDAQ采集設(shè)備雙通道采集聚合功率特征和諧波特征，CPL8100A交直流電流鉗采集相電流，PinTech N1008A差動探頭采集電壓，居民實(shí)際用電數(shù)據(jù)采樣頻率為1.6kHz。光儲系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)由系統(tǒng)直接提供。采集裝置如圖4所示。

圖4 采集裝置實(shí)物圖

3.1 基于負(fù)荷辨識的居民能耗計(jì)量

對數(shù)據(jù)集中某戶居民家用電能耗進(jìn)行計(jì)量，辨識結(jié)果與總能耗如表1所示，各電器分時運(yùn)行情況如圖5所示，其中電器1-6表示啟停次數(shù)大于10的六種常用電器，電器7表示未知電器。未知電器是指家用電器中運(yùn)行次數(shù)多，不足以形成完整可靠的特征庫，所以未加入辨識的電器，而不是單指某一種無法辨識的電器。

表1 辨識與計(jì)量結(jié)果

圖5 常用電器運(yùn)行情況

從表中可以看出，非侵入式辨識準(zhǔn)確率較高，計(jì)量誤差較小，可以滿足能耗計(jì)量的需求。此外，根據(jù)用戶行為可知，該戶居民早出晚歸，居家活動基本集中在下午四點(diǎn)以后。其中，冰箱全天運(yùn)行，在長時間運(yùn)行過程中能耗變化不大。烹飪類電器主要集中在傍晚運(yùn)行，運(yùn)行時間不長，能耗有限?？照{(diào)在晚上長時間運(yùn)行，產(chǎn)生大量能耗。因此，可以使用非侵入式負(fù)荷辨識來獲取家庭用電信息，進(jìn)而估算居住建筑碳排放。

3.2 綠色建筑用能碳排放指標(biāo)精細(xì)化估算實(shí)例

實(shí)例選用某建筑中六戶居民用電數(shù)據(jù)，結(jié)合光儲系統(tǒng)進(jìn)行能碳排放指標(biāo)精細(xì)化估算。首先，根據(jù)居民實(shí)際用電方式估算直接碳排放，其中μ取0.7，電飯煲加熱效率取0.8，熱水壺加熱效率取0.9。計(jì)算得到各家用電器直接碳排放因子如表2所示。

表2 常見家用電器直接碳排放因子

再根據(jù)結(jié)合綠色建筑光儲系統(tǒng)處理與動態(tài)購電碳排放因子計(jì)算電器實(shí)際間接碳排放，其中動態(tài)購電碳排放因子選用江蘇某地一日電力碳排放因子，圖6中分別列出了電網(wǎng)購電排放因子、僅有光伏出力與配有光儲系統(tǒng)后的實(shí)際間接碳排放因子日變化曲線。

圖6 間接碳排放因子變化曲線

最后，在負(fù)荷辨識的基礎(chǔ)上，基于上述直接、間接碳排放因子與居民電器分時能耗，可以分別計(jì)算在有無光儲系統(tǒng)情況下居民用戶某日碳排放分時分項(xiàng)，估算結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7 普通建筑居民分時分項(xiàng)碳估算結(jié)果

圖8 綠色居住建筑分時分項(xiàng)碳估算結(jié)果

從以上圖中可以看出，在白天光伏出力較高、負(fù)荷量較少的情況下，僅憑自發(fā)電即可滿足用電需求，白天使用的負(fù)荷無間接碳排放。在引入儲能后可以將光伏發(fā)電過剩的電量存儲起來用于夜晚使用，從而減少夜間間接碳排放?？傮w而言，光儲系統(tǒng)的加入大大減少了建筑碳排放總量，電器的使用時段也在很大程度上影響了其產(chǎn)生的碳排放量。

最后，得到數(shù)據(jù)集中的綠色居住建筑某日能碳排放指標(biāo)如表3所示。

表3 綠色建筑能碳排放指標(biāo)

從表3中可以看出，由于運(yùn)行時長的差異，冰箱與空調(diào)的間接碳排放占比極高。但是由于其他資源的消耗，烹飪類電器的直接碳排放也不容小覷，其碳排放總量占比超三分之一。

4 結(jié)論

本文提出了一種綠色居住建筑電器能碳排放指標(biāo)分項(xiàng)計(jì)量方法，用于完整地估算綠色建筑電器運(yùn)行所導(dǎo)致的碳排放。通過非侵入式負(fù)荷辨識，判斷用戶用電行為，從直接、間接碳排放角度，揭示了綠色居住建筑中各電器在一日內(nèi)不同時間段的能耗與碳排放總量，實(shí)現(xiàn)綠色居住建筑電器能碳排放精細(xì)化計(jì)量，為綠色建筑節(jié)能降碳調(diào)控策略提供數(shù)據(jù)支撐。結(jié)果顯示，運(yùn)行時間長的電器與烹飪類電器消耗碳排放最多，電器的使用時段也在很大程度上影響了其產(chǎn)生的碳排放量。

今后可以考慮綠色建筑中電器種類與用戶用電行為特點(diǎn)，針對固定建筑修正電器直接碳排放，提高估算準(zhǔn)確性與完整性。