計然碳科技智領碳中和，綠創新未來。
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應對氣候變化和控制溫室氣體排放已成為全球共識。2020年9月，第75屆聯合國大會期間，中國提出將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，彰顯了中國積極應對氣候變化、走綠色低碳發展道路的堅定決心。截至目前，全球已有138個國家和地區提出凈零排放或碳中和目標，所覆蓋的溫室氣體排放量占全球總量的2/3。
園區是能源消耗和碳排放的重要產生區域。園區作為推進我國改革開放和經濟發展的重要抓手，是經濟建設的主戰場，具有人口產業密集、能源資源消耗集中、創新要素聚集等特點。園區種類功能多樣，包括制造園區、科創園區、物流倉儲園區、創意園區、游樂園區、農業園區、林業發展區、旅游休憩海島、綜合商業區、行政辦公區、大學城、社區等。目前我國共有各類產業園區15000多個，對全國經濟貢獻的增長率超過30%，能耗和碳排放占比均超過65%，成為我國能源消耗和二氧化碳排放的第一大主體。
零碳園區建設是落實碳達峰碳中和戰略的重要著力點。我國高度重視園區綠色發展，從生態示范工業園區、循環化改造示范園區，到低碳示范園區、綠色園區、近零碳園區，再逐步提出零碳園區概念，園區綠色低碳發展路徑逐步深化。未來，園區的整體布局將在規模、數量、類型上繼續擴展，更多的人口、產業、資源將向園區聚集，園區在區域經濟發展、產業轉型升級、培育新興產業、支撐民生福祉等方面將發揮更重要作用。
園區作為社會基本單元，連接個體、組織、城市、國家，物理邊界清晰，所有權明晰，運營和管理生態已經逐步建立，是全社會實現碳中和的典型場景，零碳園區建設示范及推廣對于區域落實碳達峰碳中和戰略，實現綠色發展具有重要的意義，有助于全社會形成綠色低碳發展理念，培育全民節約、環保、生態意識。
對零碳園區建設路徑的研究，大多數學者在多能源系統、綜合能源系統等概念基礎上，將逐步實現零碳作為約束條件，以綜合年化成本最小為目標函數，提出零碳園區的能源系統規劃及運行策略。文獻針對園區能源系統的優化配置問題，提出了一種計及綜合能源自給率、利用率和能量缺額期望的雙層優化配置模型。
文獻針對一個冷、熱、電、氣互補性的園區能源系統，從資源評估、負荷預測、區域供能站和管網規劃原則等角度研究了選址定容規劃技術。文獻提出了考慮園區綜合能源系統建設時序的多階段優化規劃方法，以滿足園區內長時間尺度下負荷增長的需要。文獻為了充分考慮園區綜合能源系統的低碳性以及建設時序，提出了一種基于階梯碳交易機制的園區綜合能源系統多階段規劃方法。
總體來說，零碳園區是近來在我國“雙碳”目標背景下所興起的新概念，目前對零碳園區的內涵架構尚未有統一且明確的定義，國內外學者對其理解還不夠深入與全面，其優化規劃技術發展的未來趨勢和挑戰也尚不明確。本文在梳理零碳園區發展現狀的基礎上，提出功能性園區建設的5個步驟：現狀評估、關鍵技術、改造設計、運營監測和評價評估5個步驟。以功能型零碳園區建設路徑為理論指導，以南京麒麟科創園內的某園區為案例開展建設方案研究工作，并針對園區改造成本的關鍵影響因素進行分析。
1零碳園區發展現狀
1.1 零碳園區定義
低碳園區、近零碳園區、零碳園區有不同的特點與定義。
1.1.1低碳園區
低碳園區是通過模擬自然系統的循環路徑來建立產業系統中的循環途徑。構建園區內物質流和能量流的生態產業鏈網關系，形成互惠共生的生態系統，從而實現整個園區內資源利用率最大化、廢物排放量最小化，建立低碳、清潔、和諧社會環境關系的新型產業園區發展模式。
1.1.2近零碳園區
近零碳園區是在經濟高質量發展、生態文明高水平建設的同時，通過能源、產業、建筑、交通、廢棄物處理、生態等多領域技術措施的集成應用和管理機制的創新實踐，實現區域內碳排放快速降低并趨近于零的園區空間，其經濟增長由新興低碳產業驅動，能源消費由先進近“零碳”能源供給，建筑交通需求由智慧低碳技術滿足，持續演進并最終實現“碳源”與“碳匯”的平衡。
1.1.3零碳園區
目前，零碳園區缺乏統一的碳排放核算體系和評價標準，尚無官方精準的零碳產業園區定義。綜合部分企業、機構的研究，對零碳園區做出定義如下：零碳園區是指為適應產業綠色高質量發展和區域碳中和需要，通過在新建、改建或擴建的各個階段系統性融入“綠色低碳”“碳中和”等發展理念，推動邊界范圍內產業結構、能源、生態、建筑、交通、建設與管理等多方面零碳發展，促進產業綠色化發展、能源低碳化轉型、設施集聚化共享、資源循環化利用，實現生產、生活、生態深度融合的新型園區。是在“雙碳”背景下，歷經低碳、近零碳的動態演進以及規劃、建設、運營一體化持續優化迭代，最終實現凈零碳排放的一種園區發展模式。
可見零碳園區就是在一定期限內，通過各種技術手段，把園區直接或間接產生的二氧化碳排放總量全部抵消，實現碳元素的“零排放”。零碳園區，并不是不產生碳排放，而是要實現凈零排放。
1.2 園區碳排放來源
園區碳排放的主要來源于3個方面。
（1）園區物理邊界或控制的資產內直接向大氣排放的溫室氣體，如燃煤鍋爐，園區擁有的燃油車輛等。
（2）外購電力和熱力間接排放企業因使用外部電力和熱力導致的間接排放。
（3）其他間接排放，因園區生產經營產生的所有其他排放，如物業運營、員工通勤、上下游產品（購買設備、辦公室裝修或耗材等）所有前端供應商產品中的碳排放。
1.3 園區分類與碳排放場景
根據現有園區功能特點、用能特點、碳排放特點、用能形態等，將園區主要劃分為3類：工業園區、特色功能型園區和產城融合型園區。
1.3.1工業園區
工業園區是以工業生產制造為主體的園區，主要建筑多以車間、廠房為主。其降碳需求主要在生產制造環節，其次是建筑能源和交通物流。工業園區的碳排放主要來源于化石燃料燃燒，外購電、熱以及工業生產過程。具體包括：燃料燃燒產生的碳排放；工藝過程中特定的化學反應產生的碳排放；產品及原材料等在道路、軌道、管網、航運、船運等過程中的運輸排放，也包括園區內人員流動乘用交通工具帶來的碳排放；建筑所用建材生產運輸和水泥生產工藝過程中產生的直接碳排放，同時包括車間、廠房、倉庫等建筑在供電、供暖等過程中造成的間接碳排放。總體上看，工業生產原材料和生產工藝流程的高碳排放是“零碳”工業園區建設的難點，短期內從技術和成本上較難實現。
1.3.2特色功能型園區
特色功能型園區主要包括商務、倉儲物流、校園、醫院、景區、場館等專業化場景的園區，業態較為豐富，是城市重點用能單位，節能降碳空間巨大，碳排放主要來源于交通、生活和建筑3個方面。
建筑用能復雜，涉及能源種類多，業務部門廣，用能時間各不相同，因此不同場景下不同系統耗能各有側重，降碳需求主要包括空調能耗、照明能耗、供熱供冷能耗以及電梯、辦公、社交、消防等能耗；交通降碳主要包括生活通勤場景；生活主要包括食堂、餐館等生活場景中的廢棄物排放。
1.3.3產城融合型園區
產城融合型園區包括經濟技術開發區、高新技術開發區、特色小鎮、產業新城等，是中國經濟發展的主要承載平臺，在傳統產業發展的基礎上，以具有區域特征的特色產業為支柱，聚焦市民短期、重復、特色需求，匯聚市政、交通和社區等功能，充分滿足居民物質和精神生活需求，以實現推動居民生活、生態環保、產業融合發展的功能復合型園區空間，碳排放主要來源于生產、建筑、交通、生活等各個方面。
生產方面，主要包括產品制造、原料供應以及所售成品的加工和使用產生的直接和間接排放。建筑方面，主要包括車間、廠房、農舍、居民住宅等建筑照明、供暖、通風、空調、凈化、制冷等過程，涉及風機、水泵、空氣壓縮機、制冷機、電動閥門、各類電機及設備、控制裝備、鍋爐、熱交換機組等設備。還包括商業樓宇中IT計算、通信和日常辦公設備能耗，以及用于提供政務服務、民生服務、治安管理等政府機關單位建筑能耗。交通方面，主要包括園區內道路交通產生的碳排放以及園區群眾通勤產生的碳排放。生活方面，主要包括居民生活過程中用電、用水、生活垃圾處理等產生的碳排放。
1.4 零碳園區發展基本情況
1.4.1相關政策
歐美等發達國家大力支持零碳園區發展，出臺了一系列政策。新加坡政府發布的《2030年新加坡綠色發展藍圖》、歐盟的《建筑能源性能指令》（EPBDII）立法提案、美國的《通脹削減法案》等，重點在建筑和交通領域向零碳轉變。我國也積極推動園區率先實現碳達峰碳中和，2013年啟動了國家低碳工業園區試點。
2016年國務院出臺《關于印發“十三五”控制溫室氣體排放工作方案的通知》，提出創建20個國家低碳產業示范園區，推動開展1000個低碳社區試點，創建100個國家低碳示范社區。
2021年，國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》提出，選擇100個具有典型代表性的城市和園區開展碳達峰試點建設，為全國提供可操作、可復制、可推廣的經驗做法。
1.4.2試點示范
歐美國家率先開展零碳園區建設示范，德國建成歐洲首個零碳智慧園區——柏林歐瑞府能源科技園區，通過采用智能化的系統和技術實現了冷熱電和新能源、儲能等設備互聯互通。英國倫敦貝丁頓零碳社區通過可循環利用的建筑材料、太陽能裝置、雨水收集設施等措施，成為世界上第1個零二氧化碳排放社區。美國恰塔努加生態工業園通過資源循環再利用改造，建成了世界上第1個實現“零排放”工業園區。
我國積極開展低碳、近零碳、零碳園區試點建設，截至2021年年底，我國已經開展了6個低碳省區、81個低碳城市、51個低碳工業園區、400余個低碳社區和8個低碳城鎮試點，形成全方位、多層次的試點體系。我國零碳園區實踐案例詳見表1。
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2功能型園區建設路徑
零碳園區建設路徑可以分為增量園區和存量園區2大類。
增量園區零碳建設的總體思路可概括為：在園區規劃、建設、運營全方位系統性融入碳中和理念。在規劃階段，通過頂層設計、產業優化、全面摸排、實施方案4個步驟，明確零碳園區的建設目標與實施的全部流程、方案。在建設階段通過對現有建筑進行零碳改造與新建建筑的綠色建筑方案，實現建設階段的零碳化，同時為運營階段降低能源消耗奠定基礎。在運營階段，通過智慧化、數據化賦能能源的管理，以及能源交易與能源監控等創新模式，實現能源全生命周期控制。
存量園區零碳化建設改造的總體思路可以概括為：現狀評估、關鍵技術、改造設計、運營監測和評價評估5個步驟。下面將詳細分析功能型園區的建設路徑。
2.1現狀評估
功能型園區零碳化建設，首先要對園區碳排放基礎數據進行全面摸底，根據國家已出臺相關計量規范、各類能源行業規范及地方標準，厘清園區溫室氣體碳排放情況。主要環節為：界定組織邊界、明確溫室氣體種類、梳理相關活動并評估活動層面的排放量。
2.2關鍵技術
功能型園區零碳化改造的關鍵技術包括低碳零碳供能技術、節能技術、數字化技術、綜合能源技術、捕碳固碳技術等。
2.2.1分布式新能源
供電是功能型園區最主要碳排放來源，電力清潔化是實現零碳改造的關鍵。園區通過整合分布式新能源，構建以光伏、風電等新能源為主的能源供應系統，根據園區自身特點因地制宜布局，降低以火電為主的市電使用，可以有效提升清潔能源供給比例。
2.2.2電動汽車充換電
充電站是安裝于公共建筑和居民小區停車場或充電站內，根據不同的電壓等級為各種型號的電動汽車提供電力保障的充電設備。園區通過要合理規劃建設充電站、換電站等配套設施，做好充電設施預留接口與停車場區域總體布局，以電能代替化石燃料實現交通過程的零碳排放。在對充電樁位置與容量進行合理規劃的基礎上，部署對用電終端的監控管理系統，推進充電樁與通信、云計算、智能電網、車聯網等技術有機融合，優化電動汽車充放電行為，有效平滑用電曲線，提高利用率。
2.2.3建筑節能技術
建筑墻體選用巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚乙烯塑料等新型保溫絕熱材料以及復合墻體，下降外墻傳熱系數。采取添加窗玻璃層數、窗上加貼透明聚酯膜、加裝門窗密封條、運用低輻射玻璃等辦法，改善門窗絕熱功能，降低室內與室外空氣的熱傳導，在南面區域和夏熱冬冷區域屋面選用屋面遮陽隔熱技術。采用熱泵為建筑物供熱可大幅度降低供熱的燃料消耗，節能的同時將有效降低溫室氣體排放。
2.2.4數字化技術
數字化賦能是建設零碳園區的必由之路，園區通過云計算、移動互聯網、大數據、區塊鏈、5G等數字技術的融合發展促進自身的綠色低碳轉型。園區通過數字化管理提高運行效率，減少碳排放，通過數字化技術打造碳排放智能監測系統，實現對碳排放實時“全景畫像”，通過數字化支撐碳核算體系運轉，更加精準地進行碳排放核算，通過數字化實現碳生命周期全程智慧管理。
2.2.5碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術
CCUS技術是將二氧化碳從排放源中分離后或直接加以利用或封存，以實現二氧化碳減排的技術過程，包括二氧化碳的捕集、運輸、封存以及利用4個環節。在園區層面，由于生產工藝等原因，能源和生產環節無法實現完全的零碳排放，通過負碳技術等手段，可以抵消部分化石能源的碳排放而實現碳中和。
2.2.6綜合能源服務
由于風、光等清潔能源的隨機性和波動性，園區為保證供能的穩定性和經濟性，需要構建綜合能源服務系統。以“橫向多種能源互補、縱向源網荷儲協調”為原則，兼顧能源系統安全性、經濟性和清潔化，整合區域內太陽能、風能、天然氣和電力等多種能源資源，提升能源子系統之間的協調規劃、優化運行、協同管理、交互響應和互補互濟水平，在滿足園區多元化用能需求的同時，提高園區能源系統供能可靠性與綜合能效，降低用能成本、碳排放量和其他污染物排放量，推動園區產業高質量發展。
2.3改造設計
功能型零碳園區改造建設的目標和約束上看，改造設計應以碳排放為零、改造成本低、能效水平高為目標函數，約束條件為能源供需平衡、設備容量、資金成本。功能型零碳園區改造建設目標函數與約束條件如圖1所示。
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2.4運營監測
零碳園區有效解決園區對傳統高碳高排放能源的依賴性，維持能源供應穩定與安全的同時，實現能源效率的清潔化與高效化。通過智慧園區體系，對園區內光伏、儲能等各類能源數據進行全面管理及趨勢分析，整合碳管理模塊，建設能源與碳排放信息管理平臺。基于能源與碳排放信息管理平臺，利用大數據、云計算、邊緣計算和物聯網等技術對采集數據進行監測、分析能源需求并自主智慧化調度各類能源進行傳輸配置，實現對園區碳排放及用能的綜合分析和實時監控，提升能源與碳排放管理信息化水平。
2.5評價體系
做好零碳園區評價工作不僅能提高建設水平、節約建設成本，還有利于提高零碳園區運營水平，實現管理科學化。零碳園區評價需要結合改造情況，對零碳園區進行成本難易與關鍵影響因素分析，并建立綜合評價指標體系。評價指標需對照碳排放現狀和未來發展目標，參考國外零碳園區發展的經驗，逐層制定和選取。在制定每個指標評分標準時，充分考慮數據收集的難易程度、相關數據的重要性、分值的公正性、技術和經濟的可實現性。
3案例分析
3.1 園區基本情況
以南京麒麟科創園內的某園區為例，該園區緊鄰仙林、東山副城，是江蘇南京地區綠色低碳發展和華能碳中和建設先行實踐區的重要組成部分，也是我國國際標準化對外國際活動的重要窗口。園區處于紫金山、青龍山生態廊道之上，整體地形平坦，植被豐茂，游憩空間豐富多樣，生態景觀條件優越。園區總面積約38.91hm2，北區面積約25.00hm2，南區面積約13.00hm2，其中中心湖和湖心島水面面積約7.61hm2，綠化面積中的草地和林地分別占70%，30%，約20.60，8.80hm2。園區總建筑面積約18986.89m2，其中辦公區域面積6510.00m2，展覽區面積2900.00m2，會議區面積9306.00m2，臨湖商業配套260.00m2咖啡廳。園區整體規劃如圖2所示。
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3.2 園區碳排放測算
基于園區建筑碳排放、交通碳排放和碳匯的測算，園區碳排放的總量應為建筑碳排放和交通碳排放總和，除去碳匯吸收的二氧化碳量，園區碳排放總量為1315.9t/a，具體情況詳見表2。
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3.3 園區改造設計方案
堅持綠色、低碳、循環發展的原則，全面考慮零碳能源體系、零碳建筑體系和零碳交通體系的布局，因地制宜規劃園區零碳改造方案，在建筑、生活設施中使用可再生能源利用設施。在充分考慮預算的情況下，應鋪設分布式光伏減少市電使用，建設充電樁助力市民環保綠色出行，適當購買碳匯抵消碳排放。
3.3.1可再生能源系統
依據上級規劃指示，該園區不建設風電，可再生能源系統的設計以分布式光伏為主。根據應用場景分為屋頂光伏、湖面光伏、光伏車棚、光伏景觀，鋪設面積分別2500，3000，480，1500m2，共計7480m2。
3.3.2電動汽車充電樁
在園區地下停車場規劃建設充電樁系統，為前來充電車輛提供高效率充電服務。計劃配置5臺直流雙槍充電樁，具有智能控制功能。
3.3.3碳匯交易
盡管園區建設光伏系統減少碳排放，但仍有579.2t碳排放缺口，需要通過市場交易手段購買碳匯，實現零碳。
3.4 園區智慧運營平臺
為實現對園區分布式光伏系統、充電樁等各類能源數據全面管理分析，建設園區能源與碳排放管理平臺1套，通過感知多類型光伏、充電樁等系統的運行情況，實現園區能源流、碳排放流、信息流、數據流的深度融合。
3.4.1總體構架
采用NCPS2000國電南瑞智慧能源運行管控系統，支撐園區實現能源一體化綜合監控、運行優化、建筑能耗管理與節能、碳資產管理。總體架構分為3層：集控層、業務應用層以及用戶訪問層。集控層支持各類智能設備統一數據采集，并具有多協議適配、遠程遙控與數據處理能力。業務應用層提供完備的業務服務能力，采用基礎支撐服務與業務服務分層的架構。用戶訪問層可為園區能源管理中心管理人員、運維中心人員提供多端可視化監控手段，包括園區大屏、工作站客戶端以及手機App等，方便管理人員隨時隨地掌握設備運行與能耗情況，園區能源與碳排放管理平臺總體構架如圖3所示（圖中：PLC為可編程邏輯控制器；DCS為分布式控制系統）。
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3.4.2應用構架
應用架構包括設備監控與報警、能耗管理、節能分析、能源系統協同與優化、分戶計量計費與預付費、能耗成本預算分析、碳資產管理、系統支撐工具，如圖4所示。
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其中，設備監控與報警實現對園區智能設備的全面監控；能耗管理系統實現能耗指標數據按照時間、供用能、分區分層、重點設備等多種維度進行動態能耗統計、趨勢分析、同比、環比分析等功能；能源系統協同與優化綜合考慮多能源系統運行機理，運用多目標優化算法，支撐電、氣、冷、熱各能源系統安全經濟運行策略制定，提升能效、降低能源成本；碳資產管理在能源管理平臺的基礎上，對園區碳排放情況開展實時監測、跟蹤，持續優化園區碳排放管理。
3.4.3技術構架
基于B/S架構，采用微服務、容器化、核心組件高可用設計，傳輸通道國密算法全加密，用戶界面多端多維展示等技術路線，系統具有良好的跨平臺特性，如圖5所示。
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系統縱向分為4層：ICT設施、平臺支撐、業務應用、可視化層。ICT設施層涵蓋計算、存儲、網絡、安全等所有通信設備或應用軟件以及與之相關的各種服務和應用軟件。平臺支撐層采用微服務和容器化技術將應用、服務分解成更小的、松散耦合的組件，使其更易升級和擴展。業務應用層涵蓋全景監控、能耗管理、節能分析、支撐工具等綜合能源管控分析功能。可視化層通過H5圖形界面、手機、大屏、三維展示等多種呈現方式做數據展示。
3.4.4展示系統
展示系統包括智慧運行綜合看板、智慧運營綜合看板、碳資產管理看板、能源一體化監測看板，如圖6所示。
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3.5 成本及敏感性分析
敏感性分析：園區零碳建設成本571.9萬元，8~10年可回收建設成本。影響園區建設成本和運營成本的關鍵因素是光伏系統的鋪設面積和碳匯價格。假設碳匯價格不變，光伏系統鋪設面積從5%逐漸增加至50%，光伏系統減少碳排放量與投資回收期的變化如圖7所示。
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3.6 綜合評價
從經濟、環境、科技、社會4個維度提出8項指標，開展園區綜合效益的評估工作，詳見表3。
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根據評價結果，可將園區劃分為基礎級（60~70分）、創建級（70~85分）、引領級（85~100分）3個層次。經實際數據測評，園區為創建級零碳園區，可通過增加光伏系統鋪設面積、充電樁數量、園區綠化面積等手段繼續提升。
4結論
園區是產業集聚發展的核心單元，是我國推進新型城鎮化、實施制造強國戰略重要的空間載體，零碳園區已成為我國實現雙碳目標的重要抓手。本文梳理了工業園區、功能型園區、產城融合園區的特點和碳排放特性，提出了功能性園區建設的5個步驟：現狀評估、關鍵技術、改造設計、運營監測和評價評估。以功能型零碳園區建設路徑為理論指導，對南京麒麟科創園內的某園區零碳化改造進行了設計，通過加裝分布式光伏、電動汽車充電站、建設能源與碳排放管理平臺和購買碳匯實現零碳。針對園區改造成本關鍵影響因素進行了敏感性分析分析，提出了一套零碳園區評價指標，指出未來可通過進一步挖掘園區分布式光伏建設潛力、提高園區數字化設備覆蓋率等方法對園區進行持續提升。
