建筑領(lǐng)域碳中和實現(xiàn)路徑面臨的計量挑戰(zhàn)

董玉平 汪洪軍 任 歌 費 愷 徐 志

（1.北京城建亞泰建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100013；2.中國計量科學(xué)研究院 北京 100029）

0 引言

近年來，全球氣候變暖趨勢急劇加速，2020年全球平均表面溫度（GMST）比工業(yè)化前的基線高（1.2±0.1）℃，使2020 年成為有記錄以來最熱的3 年之一[1]。全球變暖對生態(tài)系統(tǒng)和人類社會產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[2-4]。全球氣候變化的最大原因之一是二氧化碳等溫室氣體排放[5]。因此，為減緩全球氣候變化，各國先后提出了以碳中和為目標(biāo)的應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略，2020 年9 月，習(xí)近平主席提出我國二氧化碳排放力爭2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和[6]。

建筑領(lǐng)域的能源消耗是造成溫室氣體排放的重要因素之一[7]。其中，建筑運行相關(guān)的二氧化碳排放分為直接排放和間接排放[8]。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，占全國能源消費總量比重為46.5%。其中，建材生產(chǎn)階段、施工階段、運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%。

碳中和是指碳排放總量要等于或小于碳匯所吸附的總量。清華大學(xué)江億[8]等人指出建筑領(lǐng)域應(yīng)該把零排放作為實現(xiàn)碳中和的基本目標(biāo)，并給出取消直接碳排放、協(xié)助減少電力和熱力使用導(dǎo)致的間接碳排放、減少建造和維修用材的生產(chǎn)和運輸導(dǎo)致的碳排放、以及避免建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)使用中非二氧化碳類溫室氣體的排放實現(xiàn)我國建筑領(lǐng)域碳中和的四個主要任務(wù)，這一技術(shù)路徑在業(yè)內(nèi)形成一致共識。然而，建筑的可持續(xù)發(fā)展需要量化的依據(jù)和支持，梳理建筑領(lǐng)域碳中和實現(xiàn)路徑面臨的建筑全生命周期溫室氣體排放量的精準(zhǔn)計量、建筑建材及設(shè)備節(jié)能檢測、清潔能源發(fā)電及并網(wǎng)領(lǐng)域計量測試技術(shù)等一系列計量問題，積極推進(jìn)加快相應(yīng)計量技術(shù)研究及應(yīng)用，是我國建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略制定迫切需要的基礎(chǔ)研究工作之一，對我國碳達(dá)峰與碳中和戰(zhàn)略的實現(xiàn)具有重要意義。

1 碳排放量核算

1.1 燃料端核算法

建筑的碳排放核算范圍包括建筑生命周期全過程，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的計算模型[9]規(guī)定燃料端核算法是以活動水平和排放因子來估算建筑的碳排放量。GB/T 51366《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》[10]和CECS 374《建筑碳排放計量標(biāo)準(zhǔn)》[11]也分別給出了建筑不同階段碳排放的計算邊界、排放因子選取和碳排放計算方法，但在具體表述上略有不同，兩部現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容比較如表1 所示。

表1 GB/T 51366 和CECS 374 主要內(nèi)容比較Table 1 Comparison of main contents of GB/T 51366 and CECS 374

以GB/T 51366《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》[10]規(guī)定的建筑物碳排放量計算方法為例，建筑生命周期單位建筑面積的總碳排放量為：

其中：

建筑建造階段單位建筑面積的碳排放量：

式中，E jz,i為建筑建造階段第i類能源總用量，kWh 或kg；EiF為第i類能源的碳排放因子，kgCO2/kWh 或kgCO2/kg；A為建筑面積，m2。

建筑運營階段單位建筑面積的碳排放量：

式中，Ei為建筑運營階段第i類能源年消耗量，單位/a；Cp為建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量，kgCO2；y為建筑設(shè)計壽命，a。

建筑拆除階段單位建筑面積的碳排放量：

式中，Ec c,i為建筑拆除階段第i類能源年消耗量，kWh 或kg。

建材生產(chǎn)及運輸階段單位建筑面積的碳排放量：

式中，Csc為建材生產(chǎn)階段碳排放，kgCO2e；C ys為建材運輸過程碳排放，kgCO2e。

由此可見，排放因子的取值直接決定了建筑碳排放的精準(zhǔn)計量。然而，當(dāng)前國內(nèi)外針對碳排放核算的研究多集中于國家或區(qū)域?qū)用妫峁┑呐欧乓蜃右彩沁m用于國家或區(qū)域?qū)用娴呐欧乓蜃印！禝PCC 國家溫室氣體清單指南（2006）》和《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》提供的溫室氣體排放因子數(shù)據(jù)庫是使用最廣泛的排放因子庫，GB/T 51366《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》和CECS 374《建筑碳排放計量標(biāo)準(zhǔn)》均對其進(jìn)行了引用，但這兩部標(biāo)準(zhǔn)針對同一能源，因數(shù)據(jù)來源不同給出的碳排放因子也存在著差異。針對某一個具體的建筑，如果選用不同排放因子庫的排放因子缺省值進(jìn)行計算將會產(chǎn)生不同的結(jié)果，相對碳排放量真值也會產(chǎn)生較大的誤差，不利于碳排放量的準(zhǔn)確核算。因此，針對建筑的建造、運營和拆除，結(jié)合準(zhǔn)確的測量技術(shù)建立行業(yè)排放因子庫，研究確定更準(zhǔn)確可靠的建筑領(lǐng)域燃料端碳排放核算方法是當(dāng)前建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)由宏觀“碳核算”到精準(zhǔn)“碳計量”轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)研究工作之一。

1.2 排放端核算法

目前，由于缺乏高精度的碳排放監(jiān)測和計量手段，很難客觀精準(zhǔn)地反應(yīng)某一建筑物尺度排放源的分布排放特征，傳統(tǒng)的碳排放量的研究一般采用燃料端核算的單向研究手段。通過大氣環(huán)境監(jiān)測，結(jié)合大氣傳輸模型、貝葉斯、卡爾曼濾波等反演算法提供了一個獨立于統(tǒng)計核算的科學(xué)碳排放評估方法，然而，目前國內(nèi)外此類研究主要應(yīng)用于對全球和城市尺度碳源/匯的空間分布及強(qiáng)度估計[12,13]。針對園區(qū)、建筑等小區(qū)域尺度，如何融合高精度高密度數(shù)據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，建立高時空分辨排放量監(jiān)測評估系統(tǒng)是亟待解決的前沿問題。對此，任歌[14]等人取得了很好的研究進(jìn)展，使用自主研發(fā)的高精度監(jiān)測儀器獲得準(zhǔn)確的濃度、氣象監(jiān)測信息，結(jié)合氣象場模式分析、粒子擴(kuò)散和反演算法，構(gòu)建了小區(qū)域尺度碳排放溯源體系，并在鄭州開展應(yīng)用示范，實現(xiàn)了無組織排放源的定位/定量分析和“燃料端到排放端”碳數(shù)據(jù)的互驗核查。初步建立了企業(yè)、工業(yè)園區(qū)等小區(qū)域尺度的碳排放監(jiān)測、評估和核查系統(tǒng)，得到網(wǎng)格分辨率為100m×100m、時間分辨率為1 小時溫室氣體排放信息，可基本實現(xiàn)對碳核查數(shù)據(jù)的有效核驗，為管理部門實現(xiàn)碳排放的精準(zhǔn)治理提供了技術(shù)支撐。

如何應(yīng)用上述技術(shù)，針對建筑行業(yè)施工、拆除等典型碳排場景，建立高精度的碳排放監(jiān)測、反演、核查體系，獲得不依賴排放清單初值的反演結(jié)果，仍是下一步需要研究的重點。

2 建筑節(jié)能檢測

取消直接碳排放作為建筑運行階段實現(xiàn)零碳的主要途徑，必須要實現(xiàn)炊事、生活熱水的“電氣化”，這不僅會帶來烹調(diào)文化的變化，更會由于化石能源的使用減少帶來用電負(fù)荷的急劇增加。針對全國目前的7.5 萬億kWh 的用電總量，充分開發(fā)利用核電、水電、抽水蓄能電站，以及風(fēng)電、光電和生物質(zhì)能電站，基本可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)零碳。但由于核電、水電和生物質(zhì)燃料的火電都已經(jīng)達(dá)到其發(fā)展上限，如果在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加總的電量需求，增加部分就只能通過風(fēng)電、光電來滿足，而進(jìn)一步發(fā)展風(fēng)電、光電面臨諸多困難。因此節(jié)能將是實現(xiàn)碳中和最重要的前提條件[8]。

建筑節(jié)能是指在建筑物的規(guī)劃、設(shè)計、建造、改造和使用過程中，采用節(jié)能型的技術(shù)、工藝、設(shè)備、材料和產(chǎn)品，提高保溫隔熱性能和采暖供熱、空調(diào)制冷制熱系統(tǒng)效率，加強(qiáng)建筑物用能系統(tǒng)的運行管理，在保證室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的前提下，減少供熱、空調(diào)制冷制熱、照明、熱水供應(yīng)的能耗。新型建筑材料是建筑節(jié)能工程的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，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、固碳材料是建材生產(chǎn)階段碳中和的主要途徑。

從檢測內(nèi)容來看，按國家和地方現(xiàn)行建筑節(jié)能工程竣工驗收規(guī)范和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建筑節(jié)能工程檢測主要是對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部件（建筑外窗、戶門、樓面或屋面、建筑外墻和分戶墻等）、組成各部件的保溫隔熱系統(tǒng)和系統(tǒng)各組成材料的檢測以及采暖空調(diào)設(shè)備運行效果節(jié)能性的檢測。大致可以分為三個檢測類型[15]：材料設(shè)備復(fù)驗、現(xiàn)場拉拔試驗、現(xiàn)場實體檢測。目前常見檢測項目見表2～表4。

表2 材料設(shè)備復(fù)驗的檢測項目Table 2 Inspection items for re inspection of materials and equipment

表3 現(xiàn)場拉拔試驗的檢測項目Table 3 Inspection items of on-site pull-out test

表4 現(xiàn)場實體檢測的檢測項目Table 4 Inspection items of on-site entity inspection

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，完成以上檢測項目，仍存在大多數(shù)檢測設(shè)備依賴進(jìn)口，一些新型建筑材料和工藝做法因缺乏統(tǒng)一的檢測方法導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)一致性較差等一系列問題。因此，面對新型建筑材料和電氣化設(shè)備的出現(xiàn)，節(jié)能檢測還需要在檢測設(shè)備研制、檢測方法和檢測結(jié)果的一致性保證等方面開展研究，以更好的服務(wù)于建筑節(jié)能工作，為建筑實現(xiàn)零碳路徑做好技術(shù)支撐。

3 新能源利用計量技術(shù)

為實現(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、光電等，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，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)中實現(xiàn)“光伏發(fā)電、儲能蓄電、直流供電、柔性用電”成為可能[16]。

“光儲直柔”的基本原理如圖1 所示，在“光儲直柔”新型能源系統(tǒng)中，“光”是充分利用建筑表面發(fā)展分布式光伏發(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[17]。

圖1 “光儲直柔”建筑配電系統(tǒng)Fig.1 "PEDF"building power distribution system

由于光伏發(fā)電存在輸出功率隨光照強(qiáng)弱波動及白天發(fā)電與夜間停機(jī)兩種狀態(tài)等缺點，協(xié)調(diào)用戶端并網(wǎng)總功率平滑、穩(wěn)定，減少對電網(wǎng)的擾動成為了智能電網(wǎng)用戶端面臨的新問題。隨著分布式電源和可控負(fù)荷接入用戶側(cè)微電網(wǎng)，微電網(wǎng)的計量和監(jiān)控都將受到一定的影響。在分布式電源和儲能設(shè)備的接口處，電力電子變換器將大量的諧波電壓和諧波電流引入微電網(wǎng)，進(jìn)而帶來電壓波動、電壓閃變、諧波含量等電能質(zhì)量問題。因此，考慮多種電能質(zhì)量問題對電能計量精度的影響和矯正方法就尤為重要。以諧波污染為例，考慮全波電表情況下，電網(wǎng)諧波使得諧波源用戶的電能計量減少而非諧波源用戶的電能計量增加[18]。為了應(yīng)對分布式電源接入條件下的用戶側(cè)微電網(wǎng)計量與監(jiān)控要求，具備正向有功電能和反向有功電能的高精度計量、電能質(zhì)量監(jiān)控和對分布式電源及可控負(fù)荷的監(jiān)控功能的雙向計量與監(jiān)控一體化終端就顯得十分重要。

此外，電動汽車充電樁作為建筑“光儲直柔”技術(shù)推廣應(yīng)用的重要基礎(chǔ)設(shè)施，同時也是電動汽車充電最基礎(chǔ)的電力設(shè)施。其中，電動汽車充電所用的直流充電樁含有大功率非線性直流充電機(jī)，在充放電的過程中會產(chǎn)生諧波，雖經(jīng)過必要的消諧裝置處理，但仍會有殘余諧波污染電網(wǎng)，同時可能產(chǎn)生錯計電量的狀況，所以有必要對充電樁充電負(fù)荷對電網(wǎng)影響進(jìn)行研究[19]。另外，電動汽車是脈動式充電，充電過程存在大量的紋波，對計量表計也會產(chǎn)生影響，需要選擇特定的表計進(jìn)行測量。目前對電動汽車充電樁能效測試尚不能直接完整地進(jìn)行，內(nèi)部電能計量的表計也無法直接溯源[20-22]。

4 結(jié)語

建筑是能源消費的三大領(lǐng)域（工業(yè)、交通、建筑）之一，也是造成直接和間接碳排放的主要責(zé)任領(lǐng)域之一。在2030 年之前力爭實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實現(xiàn)碳中和，這是中央對我國低碳發(fā)展給出的明確目標(biāo)和時間表。本文通過分析給出了建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和路徑中尚需解決的一系列計量問題。

（1）針對建筑全生命周期碳排放量核算，積極發(fā)展精密測量技術(shù)，研究確定更準(zhǔn)確可靠的建筑領(lǐng)域碳排放因子，并獲得不依賴排放清單初值的行業(yè)典型碳排放場景反演結(jié)果，是當(dāng)前建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)由宏觀“碳核算”到精準(zhǔn)“碳計量”轉(zhuǎn)變的重要研究工作。

（2）建筑節(jié)能作為實現(xiàn)建筑領(lǐng)域碳中和的核心內(nèi)容，面對新型建筑材料和電氣化設(shè)備的出現(xiàn)，節(jié)能檢測還需要在檢測設(shè)備研制、檢測方法和檢測結(jié)果的一致性保證等方面開展研究。

（3）光電作為解決建筑領(lǐng)域零碳電力的主要方式，協(xié)調(diào)用戶端并網(wǎng)對計量和監(jiān)控系統(tǒng)的影響依然是目前急需解決的新計量問題。

由此可見，建筑領(lǐng)域碳中和帶來了諸多計量挑戰(zhàn)。限于篇幅，本文僅對部分技術(shù)問題進(jìn)行了梳理，面對“3060”雙碳目標(biāo)，計量應(yīng)充分發(fā)揮引領(lǐng)作用，形成超前技術(shù)儲備，助推建筑領(lǐng)域碳中和目標(biāo)的順利實現(xiàn)。