面向城市净零转型的建筑尺度建模框架：南京实证研究

《Nature Communications》：A building-scale modeling framework for urban net-zero transitions in Nanjing

本研究针对建筑运营碳排放估算缺乏建筑级异质性、限制精准改造策略的问题，开发了融合建筑类型、功能与几何形态的排放核算框架，并结合设施级电厂数据，提出了运营阶段定制化减排技术。通过基线、监管和蓝图情景分析2020-2050年路径，发现商业建筑碳强度是住宅的3.9倍，末端能效升级（HVAC、照明、电器）对商业部门最有效，而供应侧减排主要依靠2045年前加速淘汰煤电和可再生能源整合。该研究为政策制定者提供了科学支撑的建筑级脱碳路径。

　　

气候变化已成为全球公认的严峻挑战。2022年，建筑运营和建造活动的二氧化碳（CO₂）排放量达到历史峰值100亿吨，占全球能源相关CO₂排放的37%。在中国，建筑运营碳排放尤为关键，2021年达23亿吨CO₂，占全国能源相关排放的21.6%。实现建筑部门脱碳对全球碳中和目标至关重要。然而，现有研究多采用“自上而下”的宏观方法（如投入产出模型、可计算一般均衡模型），缺乏建筑尺度的精细化解构；而“自下而上”的模拟方法（如LEAP模型）又往往未能整合能源需求侧与供应侧因素，难以提供可操作的建筑级脱碳策略。特别是，约70%的建筑能源系统研究虽包含需求侧参数，但供应侧因素常被简化为静态碳排放因子，且现有集成框架多局限于国家层面，无法支撑城市、街区乃至单体建筑层面的精准干预。

为破解这一难题，由清华大学地球系统科学系关大博教授领衔的研究团队在《Nature Communications》发表论文，构建了名为CEADs-Building Model的建筑尺度建模框架，并以南京为案例开展了实证研究。该框架首次在城市尺度实现了建筑类型、功能、占地面积、楼层高度等微观属性与设施级电厂点源数据的耦合，精准核算了建筑运营阶段的Scope 1（直接）和Scope 2（间接）碳排放。

研究团队为开展此项研究，主要采用了以下关键技术方法：首先，通过多源数据融合（包括地图平台、房产网站等）构建了包含53.4万栋建筑的详细数据库，并依据POI（兴趣点）数据对建筑功能进行精细化分类（住宅、商业、公共建筑）；其次，开发了集成能源需求、能源转换、环境影响、社会经济和减排模块的CEADs-Building Model模型；第三，结合GDP、人口等宏观经济指标预测未来建筑面积趋势；最后，设置了基线、监管和蓝图三种情景，模拟不同减排技术组合下的碳排放路径。

当前建筑运营阶段需求侧CO₂排放现状

2019年，南京市建筑运营阶段CO₂排放总量为1901.54万吨CO₂当量（kt CO₂e），单位建筑面积平均碳排放强度为6.48 kg CO₂/m²。排放空间分布呈现中心城区均匀、郊区多焦点分散的特征。

以南京经济技术开发区（NETD，“工业基地街区”）为例，该区域以制造业为主，商业建筑占比65.77%，碳排放强度高，2019年运营碳排放达632.93万吨CO₂e。其中，南京宝日钢丝制品有限公司一栋14层建筑年排放达978.23吨CO₂e。秣陵街道（“综合型建筑基地街区”）建筑类型多样，总排放量180.99万吨CO₂e，强度为6.99 kg CO₂/m²，区内长安马自汽车公司233栋建筑年排放8.91万吨CO₂e。江东街道（“住宅基地街区”）75%为住宅建筑，碳排放强度低至5.42 kg CO₂/m²，总排放11.47万吨CO₂e。孝陵卫街道（“公共服务基地街区”）以科研教育机构为主，建筑平均高度较低（8.58层），碳排放强度仅4.50 kg CO₂/m²，总排放最低。

不同功能街区CO₂排放源差异显著

NETD商业建筑排放占比90.10%，主要来自商业HVAC系统（222.08千吨，占35.11%）、商业电力（110.20千吨，17.42%）和商业照明（87.77千吨，13.88%）。江东街道住宅建筑因数量多成为第二大排放源，但其碳强度（3.36 kg CO₂/m²）远低于公共建筑（10.52 kg CO₂/m²）。孝陵卫街道公共建筑排放占主导，其中公共HVAC系统占51.22%（42.29千吨）。

单位GDP碳排放强度分析显示，NETD商业建筑碳强度最高（0.72 Mt CO₂/百万元），孝陵卫街道公共建筑强度达0.72 Mt CO₂/百万元，反映出经济清洁度较低。

供应侧大型燃煤电厂是主要排放源

南京市燃煤机组装机容量占79.23%，且73.13%的机组运行年限在12-20年之间，以亚临界技术为主。2009-2010年期间扩建的3380 MW超超临界电厂是排放重点。2019年，建筑运营间接排放（电力相关）占92.03%，其中8台燃煤机组年排放均超100万吨CO₂e，华能国际的两台机组（总容量1030 MW）年排放122.86万吨。外购电力贡献129.05万吨排放。需求侧排放前十的街道占总排放39.85%，秣陵街道（180.99万吨）居首，NETD排第五。

不同减排策略效果差异显著

情景分析表明，NETD在基线情景下排放2034年达峰值（129.41万吨），2050年降至85.61万吨；监管情景下2029年达峰（101.49万吨）；蓝图情景下2026年达峰，2050年大幅降至5.30万吨。减排重点因街区功能而异：工业基地街区需聚焦商业建筑终端设备（如电力设备、HVAC系统），监管情景下其电力设备排放可从2029年32.74万吨降至2050年9.80万吨；住宅基地街区（如江东街道）应侧重住宅建筑，通过减少服务需求、提升能效（如炊事领域燃煤灶比例从8.77%降至4.92%），研究期内可减排42.93万吨；公共服务基地街区（如孝陵卫街道）需优化公共建筑能效，公共建筑总减排潜力达101.04万吨。

研究结论强调，商业建筑运营碳强度是住宅的3.9倍，凸显了需求侧能效升级（尤其是商业HVAC和照明系统）与供应侧加速煤电淘汰的协同减排潜力。监管情景下，商业HVAC能效提升在2021-2030、2031-2040、2041-2050期间分别带来487.30万、1336.94万、1429.84万吨累计减排；蓝图情景通过更严格的能效标准与提前五年淘汰煤电，可比基线额外减排2369.80万吨。2031-2040年间，电厂改造与能效升级贡献监管情景下供应侧减排的68.24%；2041-2050年间，早期煤电退役主导供应侧减排（72%）。

该研究构建的方法学具有高度可移植性，其基于开源建筑环境数据验证、标准化POI-建筑功能分类流程和模块化核算框架，可适配其他城市背景。尽管农村建筑数据细节缺失存在局限，但所覆盖建筑容纳了南京市81.87%人口，数据代表性较强。这项研究为城市尺度的建筑精准脱碳提供了科学依据和可操作路径，对全球类似城市的净零转型具有重要借鉴意义。