基于“雙碳”目標的城市建筑碳減排路徑探討

周霖，林臻

（中國節能環保集團有限公司，北京 100082）

1 研究背景

2020 年9 月，我國在第75 屆聯合國大會上鄭重承諾，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。2020 年12 月，我國在氣候雄心峰會上宣布，到2030 年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右。

2005 年以來我國實現了高速發展，2018 年GDP總量（按2005 年價格計算）是2005 年的3.05 倍，但我國時刻堅守《巴黎協定》承諾，全力踐行低碳發展之路，2018 年單位GDP 的CO2排放量比2005 年下降了45.4%，非化石能源消費比重達到14.5%[1]，累計清潔能源發電裝機容量位居世界首位，為抑制氣候變暖做出了重要貢獻。2005—2018 年我國單位GDP 碳排放量年下降幅度見圖1。

預計我國2030 年GDP（按2005 年價格計算）為2018 年的2 倍，相比2018 年水平單位GDP 的CO2排放量要降低36%以上才能實現碳達峰目標，各產業低碳發展之路仍有較大空間。根據清華大學建筑節能研究中心統計，2018 年我國建筑（含城市與農村）能耗中化石能源消耗的碳排放量為21 億t CO2，占全社會總體碳排放量的20.2%[2]，因此建筑領域是實現“雙碳”目標的重點突破領域。本文擬從城市建筑能耗影響因素出發，提出碳達峰目標下基于城市宏觀視角的建筑碳減排路徑。

圖1 2005—2018 年我國單位GDP 碳排放量及年下降幅度

2 城市建筑運行能耗影響因素

對于建筑碳減排的研究，通常都是聚焦于建筑本身，而實際上城市形態（即城市土地利用、建設強度、空間形態、局部微氣候等）對建筑能耗的水平也有重要影響。不論是建筑本體還是城市形態，都是以需求側降低對消費端能源（電、熱、冷、燃氣）的消耗為目標展開分析，從而提高碳基能源的使用效率。消費端能源來源于城市建筑能源供應系統（如發電廠、集中供暖等）中一次能源的轉化，減少一次能源中碳基能源的使用比例也是重點研究方向。因此全面推進建筑領域碳達峰，要先從需求側和供給側兩個方面找到影響城市建筑能耗的因素。

2.1 需求側影響因素

2.1.1 建筑本體

基于建筑本體的建筑能耗影響因素大致可分為3 個方面：當地氣候特征、建筑物理特性、室內散熱源[3]。日照強度、建筑朝向和建筑體形系數（建筑表面積與體積之比）決定了室內照明需求；氣候特征、建筑本體特征、散熱源決定了達到室內舒適環境下需要消耗的制冷/采暖/通風能耗。

2.1.2 城市形態

當前，歐美國家關于城市形態對城市建筑能耗的研究成果已經逐漸轉化為指導低碳城市規劃的基礎，我國的研究正處于起步階段[4-9]。國外的相關研究表明，城市形態的綜合作用可影響10%—30%的建筑能耗[10]。能耗影響因素作用機制見圖2。

城市形態對建筑能耗的影響主要呈現以下規律：

（1）間接作用機制

城市形態一般通過改變建筑本體特征、所在局部氣候特征等方式間接影響建筑能耗需求。例如，倫敦政治經濟學院和歐洲能源研究所[11]的聯合研究表明城市密度、容積率越大，社區內單一建筑體形系數就越小，從而可起到降低建筑與外部環境之間換熱量，減少制冷或采暖能耗的效果。

（2）多因素互相聯動

城市形態對建筑能耗的影響是多因素復合作用的。例如，Serge Salat[12]的研究表明：在建筑總體形系數相同的情況下，不同空間布局的建筑的能耗水平有所不同，巴黎的超高層建筑相比圍合庭院式建筑的單位面積能耗更高。因此，不能只關注某一個或某一個方面的城市形態。

（3）影響程度有差異

不同的城市形態因素對能耗的影響程度有所不同。例如，Nyuk Hien Wong[13]發現綠色容積率（每單位地塊面積上的單面葉面積總和）對新加坡建筑制冷能耗的影響超過了建筑高度和建筑密度。同一城市形態因素對不同功能建筑的影響也有差異。例如，J.Str?mann-Andersen[14]研究發現相同的城市峽谷高寬比和街道寬度對辦公和住宅建筑綜合能耗的影響有所不同，對辦公建筑的相對影響程度最大可提升30%，對住房建筑的相對影響程度最大為19%。

城市形態對于城市建筑能耗的影響是多維度、多層次、多變量的復雜過程，需要在規劃層面進行系統性的設計以控制建筑能耗水平。實現建筑領域碳達峰及碳中和目標可借鑒歐美國家已然成熟的研究方法、經驗和結論，加強在城市規劃層面對城市建筑節能路徑的探索和實踐。

圖2 能耗影響因素作用機制

2.2 供給側影響因素

供給側影響因素主要指城市建筑能源系統對碳基能源的依賴以及生產和傳輸過程的能量損耗。我國火電（煤電、氣電綜合）熱效率為47.2%，輸電線路損耗在6%左右[15]；建筑系統中風機水泵的電力消耗（包括集中供熱系統水泵電耗）占我國城市運行電耗的10%以上[16]。供應側主導的城市集中供暖系統往往按照負荷需求峰值+冗余量進行設計，調節不當或不及時會導致建筑過熱，造成大量能源浪費。城市能源系統采用非碳基能源替代或提高碳基能源使用效率是從能源供給角度降低城市建筑運行能耗的重要途徑。

電能為高品位的二次能源，除了水力、風力、太陽能等可再生能源發電，垃圾焚燒發電也是替代常規碳基能源、實現城市污廢資源循環利用的有效方式，1t生活垃圾用于發電可節省約0.15t 標煤，減少CO2排放0.35t。目前我國城市生活垃圾無害化處理率已達95%以上，其中焚燒發電處理率為45%左右，截至2019 年年底垃圾焚燒發電裝機量為1200 萬kW[17]，隨著城鎮化水平的進一步提升，發展潛力仍很巨大。

熱為低品位的二次能源，當前燃煤鍋爐已經逐步被淘汰，取而代之的是大規模的“煤改氣”“煤改電”，但是燃氣鍋爐和直接電加熱供熱都屬于“高能低用”，沒有發揮能源的最大功用。供熱熱源應向低品位熱源轉型，比如電廠煙氣和乏汽余熱通過深度回收可在不增加天然氣消耗和不減少發電量的情況下擴大40%的供熱面積；低溫余熱供熱最大熱量達到5.73×105TJ/a，可供熱建筑面積超過10 億m2[18]；作為新基建的數據中心能耗密度高且其消耗的電能中有近90%會轉化為熱能[13]，利用這部分低溫余熱可覆蓋的供熱面積是數據中心建筑面積的10 倍左右，可作為城市供熱的廉價熱源。

常規空調制冷為熱泵的反向利用，通過電驅動空調/冷水機組可將室內熱量轉移到室外，但會產生或加重城市熱島效應。田喆[19]的研究結果顯示城市熱島效應會增加建筑制冷能耗，辦公建筑制冷能耗平均增幅為17.5%/℃，住宅建筑制冷能耗平均增幅為10.2%/℃。如果以自然水源或污水作為介質帶走熱量可極大緩解城市熱島效應，同時自然水源夏季溫度低于空氣，可提高制冷裝置電能使用效率，冬季若自然水源或污水的溫度適宜（8℃以上），還可作為低溫熱源進行供熱。但需要注意的是，由于水源能量密度低、工程造價高，更適用于大規模建筑群的集中供冷/熱系統，集中供冷/熱系統可通過集約效應攤薄建設及運營成本，從而實現經濟性。

3 城市建筑節能系統方案

上文從需求側的建筑本體、城市形態和供給側的能源系統共三個角度分析了城市建筑運行能耗的影響因素并有針對性地給出了優化方向，未來城市建筑碳減排需要建立系統性的解決方案。

3.1 在城市規劃層面構建低碳城市形態

參考美國麻省理工學院[20]的研究方法，對擬規劃區域所在城市已有社區尺度的能源消耗與城市形態之間的關系進行分析，并提出以降低能耗為目標的規劃設計導則。

首先建立當地社區城市形態和建筑能耗數據庫，對不同社區的城市建筑密度、容積率、城市峽谷高寬比、建筑功能多樣性等城市形態特性數據進行統籌收集，然后利用大數據分析工具研究不同城市形態特性對建筑能耗的影響比重。結合當地氣候條件在城市規劃階段提出以低碳生態、能源節約為目標的規劃設計導則，針對城市形態建立具有指導性意義的指標體系（見下表）。

城市形態指標體系

3.2 在建筑設計階段綜合使用節能技術

針對當地氣候地理特征，對標國內外綠色建筑/低能耗建筑標準，建立適用于規劃區的節能技術體系，涵蓋建筑本體設計、新型圍護結構節能材料、可再生能源利用、能源管理等。當前基于建筑本體的節能路徑主要包括：

（1）優化建筑及供能系統設計，如應用建筑能耗模擬軟件對具體的設計方案進行能耗預測及優化，使用室內排風熱回收裝置、溫濕度獨立控制裝置等。

（2）使用新型建筑圍護結構材料及技術，如熱物理性能優異的墻體材料、智能外遮陽裝置、外墻和屋頂保溫隔熱技術等。

（3）清潔能源替代，如戶式太陽能光熱光伏一體化技術替代傳統電、熱來源；熱泵技術高效利用地溫能、污水源等，從而提高能源使用效率。

（4）能效管理，利用軟件平臺對建筑尤其是大型公共建筑進行能耗監控與管理。

3.3 基于仿真模擬優化設計策略

結合GIS（地理信息系統軟件）、Energy Plus、eQuest（能耗模擬軟件）等建立融合城市形態和建筑本體的仿真模型，通過輸入不同的城市形態及建筑本體特征參數組合模擬計算建筑單體及社區內所有建筑的整體能耗，用以比較不同城市形態情景的能耗表現，進而逐步優化設計參數，以獲取最節能的城市形態和建筑本體相結合的情景，并最終輔助城市整體規劃策略，降低需求側能源的消耗。城市低碳規劃設計框架見圖3。

3.4 建立以污廢資源化利用為基礎的城市聯合能源系統

將能源供應與環境治理相結合，統籌規劃和建設能源供應基礎設施和市政基礎設施，充分挖掘城市污廢自身蘊藏的能量及其自身處理過程中被丟棄的可利用的低品位能源，根據城市地理氣候條件合理利用可再生能源。以此原則為基礎按照多能互補、梯級利用的形式對電、冷、熱、氣等城市建筑需求側能源的生產、傳輸、分配、轉換等環節實施有機協調，消納城市污廢，實現生態和諧的城市聯合能源系統。通過采用非碳基能源進行替代并提高碳基能源使用效率是從能源輸入角度降低城市建筑運行能耗。城市聯合能源系統及工藝流程見圖4、圖5。

圖3 城市低碳規劃設計框架

城市聯合能源系統不同于傳統強調單一能源的供能方式，也不是將各種能源進行機械式的疊加，而是根據不同能源的稟賦和需求側的波動變化，設置三級能源使用策略：

優先消納污廢資源，充分利用垃圾發電及其余熱、再生水熱能、有機污廢制沼氣發電及其余熱。污水經過處理后的衍生物包括再生水及污泥，再生水作為垃圾焚燒發電廠冷凝水源，攜帶發電余熱后進入能源站作為熱泵低溫熱源，在能源站將能量“卸載”后作為城市景觀水系補充水源，促進城市水系統循環，凈化城市生態環境，污泥經脫水干化后直接送入垃圾焚燒鍋爐燃燒。城市有機垃圾（餐廚垃圾、糞便等）通過厭氧發酵產生的沼氣納入市政天然氣管網，衍生的沼液再回送至再生水廠集中處理。城市生活垃圾及生物質垃圾通過焚燒發電循環利用，所發電力納入市政電網。

圖4 城市聯合能源系統

圖5 城市聯合能源系統工藝流程

在此基礎上，充分利用屬地可再生能源，包括太陽能、風能、地溫能、淺表熱能等。最大化利用太陽能及風能發電，與垃圾焚燒發電一起優先用于能源站動力系統，電力剩余時則優先用于城市基礎設施（如再生水廠等）動力系統，多余部分上網。當太陽能發電、風能發電及垃圾焚燒發電三種電力不能滿足需求時再從市政電網補充。地溫能、淺表熱能、再生水等通過能源總線[21]集中輸送至能源站，在能源站內利用熱泵提升轉化為城市用戶所需熱源。

屬地所有能源不能滿足需求的情況下，通過輸入區域外部電力、天然氣進行補充。天然氣通過燃氣三聯供技術進行高效利用，燃氣三聯供系統發電驅動能源站熱泵運行，同時在有峰谷電價區域結合儲能技術，使系統經濟效益最大化。

以25 萬人口、1000 萬m2建筑面積的城鎮為例，按照低能耗建筑設計要求熱負荷≤10W/m2、冷負荷≤20W/m2、采暖及制冷需求低于15kW·h/m2計算，每年一次能源總需求≤120kW·h/m2。按每日產生生活垃圾250t、生活污水5 萬t 計算，如果對能源進行充分利用可實現垃圾焚燒發電裝機約6MW，每年可發電約5000 萬kW·h；再生水作為低品位熱源代替天然氣服務100 萬m2建筑冬季供暖，每年可代替一次化石能源使用量16kW·h/m2。通過城市污廢能源化利用可實現15%左右的能源自足，即建筑自身能源需求在已經達到低能耗標準的前提下通過城市污廢能源化利用可進一步降低15%的碳排放。

3.5 建立智慧能源管理系統

智慧能源管理系統是以BIM 和GIS 為基礎建立的與城市聯合能源系統全過程（開發—轉化—輸配—末端）相匹配且物理坐標相一致的虛擬仿真機理模型。基于智能穿戴設備將人體舒適度相關參數動態反饋至云端數據平臺，結合室外氣候條件即時調整建筑室內空調器對溫度、濕度及風速的設定，根據實時負荷需求制訂能源配置、主機荷載、管網輸配、換熱站流量調節等優化控制策略，并發送給自控系統進行物理調節。實時運行數據和全過程優化調度數據均存儲在云端數據庫中，平臺通過自適應模擬滾動學習，不斷優化能源開發、轉化、輸配、消費等環節的調節控制。通過建立智慧能源管理系統對用戶動態變化的能源需求進行及時響應和瞬時調節，做到用能定制化、輸配精準化、產能智慧化，實現供需動態平衡、優化能源配置、顯著提高能源使用效率。城市聯合能源系統智慧管理框架見圖6。

4 結語

圖6 城市聯合能源系統智慧管理框架

（1）在需求側，首先在城市規劃層面構建低碳城市形態并建立具有指導性意義的指標體系，在建筑設計層面對標國內外綠色建筑/低能耗建筑標準，建立適用于規劃區的節能技術體系，然后建立融合城市形態和建筑本體的能耗模型，逐步優化設計參數，以獲取最節能的城市形態和建筑本體相結合的情景，最終輔助城市整體規劃策略，降低需求側能源的消耗。

（2）在供給側，建立以污廢能源化利用為基礎的城市聯合能源系統，按照多能互補、梯級利用的形式對電、冷、熱、氣等城市建筑需求側能源的生產、傳輸、分配、轉換等環節實施有機協調，消納城市污廢，全面實施非碳基能源替代。在能源系統運行期間，通過智慧能源管理實現用能定制化、輸配精準化、產能智慧化，實現供需動態平衡，保障能源高效利用。

我國未來城市化進程仍將不斷推進，全面系統化的建筑節能方案將釋放巨大節能減碳潛力，助力碳達峰、碳中和目標如期實現。