大型体育场馆水-能-碳足迹关联模型与不确定性分析_陆瑶.pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20220408基金项目:国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项“工程建设可持续性研究与绿色智慧奥运小镇综合治理集成示范”(2020YFF0305505)第一作者:陆瑶(1998)，女，硕士，主要研究方向为碳排放分析与建筑节能。Luyao88688 163com*通信作者:王宏燕(1968)，女，副教授，主要研究方向为热管、碳排放与建筑节能、气膜建筑。wanghongyan bjuteducnDOI:10.13205/jhjgc202212022陆瑶，王宏燕，李炎锋，等 大型体育场馆水能碳足迹关联模型与不确定性分析 J 环境工程，2022，40(12):165172大型体育场馆水能碳足迹关联模型与不确定性分析陆瑶王宏燕*李炎锋庞铭鑫万丹丹(北京工业大学 城市建设学部，北京 100124)摘要:为构建适用于体育场馆类微观建筑水系统的水能碳足迹关联模型，分析了各类体育场馆的特点，采用排放因子法对体育场馆开展包括生活水系统、空调水系统及体育水系统在内的模型搭建，解析了取水、给水、用水及排水的能源消耗与碳排放过程。采用数据质量评价与随机分析相结合的方法进行数值不确定性分析;采用情景分析法与敏感性分析法进行情景不确定性分析，识别并量化影响因素。以 2022 年北京冬奥会延庆赛区的国家雪车雪橇中心场馆为例的分析结果表明:水在全生命周期中制冰项与供暖项碳排放量最高，分别为 161.2，114.3 t CO2，在先进技术+清洁能源情景下可减少 65.4%的碳排放量，变异系数为 0.1830.187。使用绿色电力、采用节水器具、中水回用、提高能源利用效率等措施可达到稳定的减排效果。关键词:水能碳足迹;不确定性分析;体育场馆;生命周期理论;建筑水循环A WATE-ENEGY-CABON FOOTPINT NEXUS MODEL FO LAGE SPOTSVENUES AND ITS UNCETAINTY ANALYSISLU Yao，WANG Hongyan*，LI Yanfeng，PANG Mingxin，WAN Dandan(Faculty of Architecture，Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)Abstract:A water-energy-carbon footprint nexus model was proposed to be used for calculating the energy consumption andcarbon footprint of sports venues Meanwhile，the uncertainty of the water system carbon footprint of sports venues wasanalyzed，and the definition of the characteristic emission factors was proposed By analyzing the characteristics of most kindsof sports venues，the emission factor method was adopted in the model including domestic water system，air conditioning watersystem and sports water system of sports venues，in which the energy consumption and carbon emission of water intake，watersupply，water use and drainage were analyzed The numerical uncertainty analysis was carried out by combining data qualityevaluation with random analysis The scenario uncertainty analysis was performed by scenario analysis and sensitivity analysisfor identifying and quantifying the influencing factors A case study of the National Sliding Centre in Yanqing Area of 2022Beijing Winter Olympic Games was conducted The results showed that the carbon emissions of ice making and heating werethe highest at 161.2 t CO2and 114.3 t CO2respectively in the operation stage The carbon emissions were reduced by 65.4%under the scenario of advanced technology+clean energy，and the coefficient of variation was 0.183 0.187 The researchindicated the measures of adopting green electricity，water-saving sanitary wares，recycling water and improving energyefficiency achieved stable emission reduction effectKeywords:water-energy-carbon footprint;uncertainty analysis;sports venues;life cycle assessment;building water cycle环境工程第 40 卷0引言建筑水系统的运行伴随着巨大的能源消耗和碳排放，取水、给水、用水及污水处理过程的能耗及碳排放量的确定对后续开展节能减排极为重要1-4。随着我国综合实力的提高，大型体育活动频次渐增、规模渐大。在大型体育活动举办场馆的碳足迹分析中，除了能源、材料消耗产生的碳足迹，还涉及到用水的碳足迹，特别是活动中的特殊用水，产生了不同于常规生活、生产用水的碳足迹。针对大型体育场馆用水的特殊性，采用生命周期法开展用水能耗、碳排放量研究及不确定性分析，具有十分重要的意义。目前关于水能碳模型的研究主要针对宏观层面，多以国家或城市层面为主，研究内容主要分为水能碳核算方法分析和水能碳耦合关系研究。核算方法主要有碳排放因子法、生命周期法、投入产出法和过程分析法等，方法的选用根据测算尺度和项目特点确定。如 Chen 等5 基于投入产出模型和生态网络分析方法，构建以北京为例的城市层面的能水网络系统，计算能源消耗量与水量，并得出该系统稳定性和各部门之间的关系。Alexander 等6 针对城市水系统建立了模拟“水能温室气体(GHG)”关联的模型，并用美国亚利桑那州城市水系统为研究对象，其模拟结果与真实数据高度吻合。余娇7 针对郑州市给出水能碳关联核算模型，详细分析了每一循环过程的能源强度，得到用水过程能耗与碳量排放远高于其他 3 个过程。关于耦合关系，如 Valek等8 研究了水系统中的水能联系，并根据不同节水措施对能源供应以及碳排放的影响进行评估。吴美玲9 基于投入产出法和生态网络法从水能碳耦合角度研究了山西省用水耗能及碳排放情况，提出协同控制的建议。孟凡鑫等10 针对多环境管理梳理了我国水能、能碳、水碳两两关系并提出政策建议。在量化过程中，由于技术、测量方法、人为等因素存在，生命周期评价(LCA)过程会有一定的不确定性。如黄娜等11 通过定量评估与 2 次蒙特卡罗模拟，分别计算出清单数据与 LCA 结果的不确定度，以指出控制和改进数据质量的关键点。Feng 等12 对建筑全生命周期不确定性分析进行了系统综述，在量化方面分析了蒙特卡罗模拟、敏感性分析、谱系矩阵与数据质量评价法、模糊相关法、泰勒级数展开和方差分析、决策支持图、结构化欠规范及其变体的特性。王婧婕等13 通过统计分析与蒙特卡罗模拟方法对成都市居民生活碳排放进行不确定性分析。现有研究中，针对微观层面开展不同建筑中用水类型的水的全生命周期耗能及碳足迹情况的研究较少，针对大型体育场馆的水能碳足迹关联模型的研究更少。其难点在于用水环节差别较大，核算较困难，同时缺少在水资源、能源、碳足迹核算过程中的不确定性考虑。本文拟提出针对大型体育场馆的水能碳足迹关联模型，考虑从水源取水、水厂制水、用户使用到用后污水净化、回归自然水体的完整路线14，提出包括建筑水循环在取水、给水、用水、排水及污水处理全生命周期的碳足迹核算模型，并对其进行了不确定分析。针对用水环节，通过定义用水碳足迹的特征排放因子提出不同种类用水的核算方法，简化了分类核算，并在此基础上提出碳减排建议，以期为低碳建筑设计与核算提供参考。1大型体育场馆水能碳足迹关联模型本文建立的大型体育场馆水能碳足迹关联模型包括边界设置、模型框架、计算方法、情景设置、不确定性及敏感性分析。计算结果可以用来比较场馆水系统边界内不同部分的碳足迹特点及影响因素，并在此基础上通过情景分析预测碳减排潜力。1.1模型边界模型的物理边界主要包括大型体育场馆使用过程中生活水系统、采暖水系统、空调水系统和体育水系统。其中，体育水系统主要包括冰雪项目的制冰、造雪用水，游泳、跳水等项目的泳池用水等。时间边界包括大型体育场馆用水的全过程，即对物理边界内取水、给水、用水、污水处理等水的全生命周期能耗与碳量进行分析。核算内容包括场馆水系统能源与材料消耗造成的间接碳排放，以及污水处理过程中因污水脱氮、有机物降解过程产生的各种温室气体(主要指 CH4、CO2、N2O)的直接排放量。1.2水能碳足迹关联模型构建1.2.1模型框架本文根据大型体育场馆的水系统特点，从取水、给水、用水及污水收集与处理过程全生命周期角度出发，搭建了水能碳足迹关联模型，如图 1 所示。模型采用排放因子法对水系统相关联的能源、碳排放进行核算，活动水平数来源于实测数据或设计文件。1.2.2核算方法全生命周期水的碳足迹核算包括直接排放与间接排放，见式(1)。以当量 CO2排放量(CO2e)表示。661第 12 期陆瑶，等:大型体育场馆水能碳足迹关联模型与不确定性分析图 1体育场馆水能碳足迹关联模型Figure 1Water-energy-carbon footprint nexus model for sports venuesG=i=4i=1(GZJi+GJJi)(1)式中:i 为第 i 项分项水系统，包括 1生活水系统，2空调水系统，3采暖水系统，4体育水系统;G，GZJi、GJJi分别为总碳排放量、第 i 项水系统直接碳排放量和第 i 项水系统间接碳排放量，kg CO2e。直接碳排放主要来自污水收集与处理阶段的污水厂15。GZJi计算见式(2)。GZJi=GCH4+GN2O+GCO2(2)式中:GCH4、GN2O、GCO2分别为由 CH4、N2O、CO2产生的碳排放量，kg CO2e。其中，CO2排放量可根据生源性和化石碳的比例决定是否核算16。CH4、N2O 排放量核算见式(3)、(4)。GCH4=V(BOD)0(BODe)EFCH40.001GWPCH4(3)GN2O=V(TN)0(TNe)EFN2O0.001GWPN2O(4)式中:V 为处理进水量，t/d