中國建筑業(yè)碳排放現(xiàn)狀及“光儲直柔”碳中和路徑

范麗佳Fan Lijia

（1中國建筑第四工程局有限公司，廣東廣州 510000；2中國建筑第四工程局有限公司工程技術(shù)研究院，廣東廣州 510000）

1 “碳達(dá)峰、碳中和”國內(nèi)外現(xiàn)狀

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會定義，碳達(dá)峰是指全球、國家、城市、企業(yè)等不同主體碳排放由升轉(zhuǎn)降的過程，碳達(dá)峰最高點(diǎn)即碳峰值。碳中和是指全球、國家、城市、企業(yè)等不同主體的碳零排放，主要通過產(chǎn)業(yè)調(diào)整、節(jié)能減排、植樹造林、碳捕集與封存技術(shù)等方式，實(shí)現(xiàn)碳排放、碳吸收平衡。

氣候變化是人類面臨的重大全球性挑戰(zhàn)，積極應(yīng)對氣候變化是當(dāng)今世界大勢所趨，越來越多的國家通過碳中和等氣候行動加大減碳力度，并制定針對碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)。

如表1所示，根據(jù)世界資源研究所統(tǒng)計(jì)，目前全球已有54個(gè)國家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，占全球主權(quán)國家的27.7%。1990年、2000年、2010年、2020年碳達(dá)峰國家數(shù)量分別為19個(gè)、33個(gè)、49個(gè)、54個(gè)，包括幾乎所有發(fā)達(dá)國家、大部分東歐及蘇聯(lián)國家。哥斯達(dá)黎加作為唯一發(fā)展中國家，2007年已實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。

表1 全球已碳達(dá)峰國家統(tǒng)計(jì)表

另外，根據(jù)英國能源與氣候智能小組統(tǒng)計(jì)，目前126個(gè)國家分別以立法、法律提案、政策文件等形式提及碳中和目標(biāo)。如表2所示，大多數(shù)國家碳中和目標(biāo)以2050年為時(shí)限，少數(shù)國家把目標(biāo)提前至2035—2045年，我國是唯一提出2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的國家。其中，歐盟委員會制定《歐洲氣候法》，確保歐洲到2050年成為首個(gè)“氣候中性”大陸。美國承諾，到2035年，通過向可再生能源過渡實(shí)現(xiàn)無碳發(fā)電，到2050年，讓美國實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年9月22日，我國國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”

表2 全球部分國家碳中和目標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

我國產(chǎn)業(yè)體系龐大，是全球唯一擁有聯(lián)合國產(chǎn)業(yè)分類中所有工業(yè)門類國家。我國提出的“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”，從達(dá)峰到中和時(shí)限僅30年，遠(yuǎn)低于美國（43年）、歐盟（60年）。國家主席習(xí)近平在北京同法國總統(tǒng)馬克龍、德國總理默克爾舉行中法德領(lǐng)導(dǎo)人視頻峰會時(shí)指出，“中國作為世界上最大的發(fā)展中國家，將完成全球最高碳排放強(qiáng)度降幅，用全球歷史上最短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)從碳達(dá)峰到碳中和”。根據(jù)清華大學(xué)氣候變化和可持續(xù)發(fā)展研究院統(tǒng)計(jì)，2019年，我國二氧化碳排放量98.3億噸，占全球二氧化碳排放量的28.8%，中國二氧化碳排放量連續(xù)15年位居全球首位，是排量第二國家——美國的1.98倍。其中，能源、交通、工業(yè)和建筑是碳排放的大戶。

2 中國建筑業(yè)碳排放現(xiàn)狀及碳中和路徑

我國是全球最大二氧化碳排放國，建筑業(yè)是我國二氧化碳排放大戶。中國建筑節(jié)能協(xié)會在2020年按照建筑生產(chǎn)、施工、運(yùn)行、拆除全生命周期四個(gè)階段統(tǒng)計(jì)了2018年中國建筑的建筑能耗和碳排放（其中，施工能耗包括施工和拆除兩個(gè)階段的能耗），發(fā)布了《中國建筑能耗研究報(bào)告（2020）》。

根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會發(fā)布的《中國建筑能耗研究報(bào)告（2020）》，2018年全國建筑全過程能耗總量為21.47億tce，占全國能源消費(fèi)總量比重為46.5%。其中，建材生產(chǎn)階段、施工階段、運(yùn)行階段能耗占全國能耗的比例分別為23.8%、1.0%、21.7%。另外，2018年，我國建筑全過程碳排放總量49.3億噸，占全國碳排放的比例為51.3%，其中，建材生產(chǎn)階段、施工階段、運(yùn)行階段碳排放占全國碳排放的比例分別為28.3%、1.0%和22.0%。

建材生產(chǎn)階段碳中和的途徑為調(diào)整建材生產(chǎn)耗能結(jié)構(gòu)，推進(jìn)建筑材料創(chuàng)新，大力發(fā)展環(huán)保型墻材、工業(yè)廢渣混凝土、高性能混凝土技術(shù)、建筑垃圾回收利用、固碳材料。建材運(yùn)輸階段碳中和的途徑為施工運(yùn)輸車輛電動化，集采平臺碳計(jì)量。建筑施工階段碳中和的途徑是發(fā)展裝配式建筑、智能建造、建筑工業(yè)化、智能建造、綠色建造、高效施工裝備、新能源施工設(shè)備。建筑運(yùn)行階段碳中和的途徑是發(fā)展建筑終端電氣化、直流建筑、柔性建筑、超低能耗建筑、被動式建筑、太陽能建筑、既有建筑節(jié)能改造。建筑拆除階段碳中和的途徑是以技術(shù)驅(qū)動建筑廢料全生命周期內(nèi)循環(huán)發(fā)展，大力推廣建筑垃圾資源化及高效拆除施工裝備。

碳中和目標(biāo)下，建筑電氣化成為必然趨勢。其中，“光儲直柔”新型能源系統(tǒng)是建筑運(yùn)行階段實(shí)現(xiàn)2060碳中和的一個(gè)可能的路徑，也是目前建筑節(jié)能領(lǐng)域討論較多的一個(gè)新方向，本文著重對“光儲直柔”碳中和路徑進(jìn)行介紹和探討。

3 光儲直柔新能能源系統(tǒng)

盡管我國從上世紀(jì)八十年代即開始大力推行建筑節(jié)能工作，但建筑運(yùn)行階段的能耗及碳排放仍是中國建筑能耗及碳排放的重要組成部分。在低碳發(fā)展的背景下，為適應(yīng)高比例的可再生能源結(jié)構(gòu)，建筑電氣化已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢[1-2]。

3.1 光儲直柔新能能源系統(tǒng)的組成

為實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，建筑電氣化用電最好都來自于零碳電力。零碳電力主要包括水電、核電、風(fēng)電、光電，其中，受各種自然環(huán)境條件的約束，水電和核電具有發(fā)展上限，風(fēng)電及光電具有可長久持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)，可以很好地滿足建筑應(yīng)用，所以風(fēng)電和光電是建筑用零碳電力的較好選擇。近年來，隨著光伏發(fā)電裝置的廣泛應(yīng)用，在建筑當(dāng)中實(shí)現(xiàn)“光伏發(fā)電、儲能蓄電、直流供電、柔性用電”成為可能。“光儲直柔”新型能源系統(tǒng)是建筑運(yùn)行階段實(shí)現(xiàn)2060碳中和目標(biāo)的一個(gè)重要路徑，同時(shí)，該系統(tǒng)也可助力建筑成為靈活消納可再生能源電力的重要組成部分。“光儲直柔”新型能源系統(tǒng)中，“光”是充分利用建筑表面發(fā)展光伏發(fā)電；“儲”就是蓄電池，包括電動汽車內(nèi)的蓄電池和建筑內(nèi)部的蓄電池，為建筑形成比較大的蓄電能力，來解決移峰調(diào)節(jié)問題；“直”是指建筑內(nèi)部的直流配電系統(tǒng)，通過對直流電壓的控制，調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部用電設(shè)備的用電功率，從而實(shí)現(xiàn)“柔”；“柔”是柔性用電，使建筑用電成為彈性負(fù)載，電網(wǎng)取電曲線和建筑用電曲線解耦，讓建筑用電不再是剛性負(fù)載。建筑取電量隨外網(wǎng)風(fēng)電光電情況變化，建筑用電負(fù)荷和外網(wǎng)發(fā)電量的差值依靠建筑內(nèi)及電動汽車蓄電裝置和直流負(fù)載調(diào)節(jié)維持建筑的運(yùn)行，即做到需求側(cè)響應(yīng)，從而具備與城市電網(wǎng)互動的能力，并有效消納外來的風(fēng)電光電[3]。

3.2 光儲直柔新能能源系統(tǒng)的運(yùn)行原理

“光儲直柔”新型能源系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖1所示。首先，需在某建筑群附近或百公里范圍內(nèi)設(shè)置風(fēng)光電基地。然后，每晚各“光儲直柔”建筑將第二天的用電總量和用電變化曲線報(bào)告給光電風(fēng)電基地的控制中心。接下來，控制中心根據(jù)氣象預(yù)報(bào)得到風(fēng)光電發(fā)電曲線。最后，控制中心根據(jù)各建筑申報(bào)的用電曲線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，給出各建筑次日的實(shí)際取電曲線，該曲線使各建筑的蓄能調(diào)節(jié)量最小。這樣，各建筑的瞬時(shí)用電總量均等于風(fēng)電光電的瞬時(shí)發(fā)電總量，當(dāng)沒有風(fēng)電光電供應(yīng)時(shí)，各“光儲直柔”建筑不從電網(wǎng)取電，而僅依靠建筑儲能系統(tǒng)運(yùn)行。盡管“光儲直柔”建筑形式上依然利用電網(wǎng)，而電網(wǎng)的電力也不完全來自于零碳電力，但是，建筑用電的變化都嚴(yán)格按照實(shí)際風(fēng)光電的變化而變化，所以“光儲直柔”建筑的運(yùn)行能源均來自于風(fēng)電和光電零碳電力。可見，“光儲直柔”新型能源系統(tǒng)既可解決風(fēng)電光電消納的問題，也可以解決建筑零碳運(yùn)行的問題[4]。

圖1 光儲直柔能源系統(tǒng)原理圖

3.3 光儲直柔新能能源系統(tǒng)的示范項(xiàng)目

《中國“光儲直柔”建筑研究項(xiàng)目》是由能源基金會支持的國際合作智庫性質(zhì)研究項(xiàng)目，于2021年3月啟動，為期1年。項(xiàng)目定位于對中國“光儲直柔”的基礎(chǔ)性、前瞻性政策分析研究與工程實(shí)踐探索，成果報(bào)告將在國內(nèi)外公開發(fā)表，并向政府有關(guān)部門提交政策咨詢建議。項(xiàng)目由清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心牽頭，組織國內(nèi)著名研究機(jī)構(gòu)和智庫合作開展研究與示范。包含深圳建科院未來大廈光儲直柔示范、浙江電網(wǎng)湖州魯能賓館示范項(xiàng)目、青島奧帆中心建筑光儲直柔更新示范、西寧機(jī)場三期工程光儲直柔示范項(xiàng)目[5]。

就單項(xiàng)技術(shù)而言，光、儲、直、柔已有大量研究，其中與建筑場景相結(jié)合的探索也不少，例如光伏與建筑相結(jié)合的設(shè)計(jì)、采用低壓直流配用電系統(tǒng)的建筑等都能在國內(nèi)找到不少示范工程。將“光儲直柔”各項(xiàng)技術(shù)有機(jī)融合并集成示范的項(xiàng)目還不多，但這必然是未來的發(fā)展趨勢。位于深圳市的未來大廈R3模塊就是 “光儲直柔”集成示范建筑之一，其建筑面積6259m2，是 典 型 的辦公場景，配有辦公環(huán)境所必需的直流空調(diào)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、LED照明系統(tǒng)、直流多媒體、直流辦公設(shè)備、直流充電樁等，以及智能化控制系統(tǒng)（圖2）。 該 樓 于2019年年底完工，目前已投入科研使用[6]。青島奧帆中心零碳社區(qū)項(xiàng)目也正在緊張施工中（圖3）。項(xiàng)目將通過合理利用海水源熱泵、太陽能光伏光熱、風(fēng)力發(fā)電、污水源熱泵、工業(yè)余熱等清潔能源技術(shù)，對區(qū)域范圍內(nèi)10座建筑開展能源站設(shè)備更換、能效系統(tǒng)提升、光儲直柔應(yīng)用等升級改造工作[7]。

圖2 深圳市未來大廈

圖3 青島奧帆中心

4 結(jié)語

為兌現(xiàn)我國對世界作出的“碳達(dá)峰、碳中和”的承諾，能耗大戶建筑業(yè)必須加快改革步伐。盡管我國從上世紀(jì)八十年代就開始大力推行建筑節(jié)能工作，但建筑運(yùn)行階段的能耗及碳排放仍然是中國建筑能耗及碳排放的重要組成部分。在低碳發(fā)展的背景下，為適應(yīng)高比例的可再生能源結(jié)構(gòu)，建筑電氣化已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢。近年來，隨著光伏發(fā)電裝置的廣泛應(yīng)用，在建筑當(dāng)中實(shí)現(xiàn)“光伏發(fā)電、儲能蓄電、直流供電、柔性用電”成為可能，“光儲直柔”新型能源系統(tǒng)是建筑運(yùn)行階段實(shí)現(xiàn)2060碳中和目標(biāo)的一個(gè)重要路徑，同時(shí)，該系統(tǒng)也可助力建筑成為靈活消納可再生能源電力的重要場所。

因此，為了能夠符合“雙碳”的發(fā)展趨勢，構(gòu)建以“開源節(jié)流、合理配置”為基礎(chǔ)的建筑能源高效利用技術(shù)體系，減少建筑及建筑內(nèi)系統(tǒng)的能耗，今后應(yīng)基于“光、儲、直、柔”等節(jié)能綠色技術(shù)的理論基礎(chǔ)，加強(qiáng)建筑內(nèi)可再生能源的存儲、利用以及可再生能源與傳統(tǒng)能源的高效配置原則的研究，進(jìn)而構(gòu)建高能效的綠色建筑能源系統(tǒng)，并探究該系統(tǒng)智能化的建筑能源優(yōu)化調(diào)控策略，為綠色低碳建筑建造-運(yùn)維提供重要的技術(shù)基礎(chǔ)，打造雙碳背景下柔性能源低碳建筑新技術(shù)，開拓高效建筑運(yùn)維內(nèi)核研發(fā)新領(lǐng)域。光儲直柔新型能源系統(tǒng)的研究成果將為面向未來的低碳建筑咨詢-設(shè)計(jì)-運(yùn)維提供一站式解決方案，為建筑運(yùn)維、調(diào)試等階段的業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供技術(shù)支撐，助力建筑業(yè)在碳中和領(lǐng)域形成技術(shù)儲備。