雙碳目標(biāo)下建筑能源應(yīng)用學(xué)科融合發(fā)展路徑研究

苑翔 陳偉嬌 喬春珍

摘?要：雙碳目標(biāo)提出后，多學(xué)科的交互融合是學(xué)科發(fā)展的必然趨勢。建筑能源應(yīng)用學(xué)科在雙碳目標(biāo)下，具有目標(biāo)歸一化、技術(shù)多元化和能源管理智能化的特點(diǎn)，提出了建筑能源應(yīng)用學(xué)科的發(fā)展路徑，即以碳排放學(xué)科為基礎(chǔ)，與能源動力類、電氣類、金融管理等學(xué)科相交叉，融合可再生能源、儲能、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化等前沿技術(shù)，形成以智慧能源規(guī)劃設(shè)計為理論基礎(chǔ)，低碳建筑設(shè)計建造為載體，分布式可再生能源技術(shù)與新設(shè)備為手段的新型低碳學(xué)科。

關(guān)鍵詞：雙碳目標(biāo)；建筑能源應(yīng)用；學(xué)科融合；發(fā)展路徑

中圖分類號：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.09.089

0?前言

2020年，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重宣示：中國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。習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)“雙碳”是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)、社會系統(tǒng)性變革，要將其納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局。實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，不僅是技術(shù)和工程性問題，而且要將推動“雙碳”和提高人民生活為中心的發(fā)展思想緊密結(jié)合，以工程科技服務(wù)平臺的行業(yè)發(fā)展新模式，將科技自立自強(qiáng)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐，塑造以人民為中心的生態(tài)綠色低碳宜居環(huán)境。

自“雙碳”目標(biāo)提出后，我國“雙碳”政策體系建設(shè)呈現(xiàn)出多角度、全方位推進(jìn)局面，為深化推進(jìn)各行業(yè)、各領(lǐng)域“雙碳”實(shí)踐積累政策基礎(chǔ)。我國是全球建筑保有量和新建量最大的國家，當(dāng)前我國建筑領(lǐng)域的碳排放占全社會碳排放高達(dá)40%左右。中國建筑節(jié)能協(xié)會《中國建筑能耗研究報告（2020）》顯示，2018年全國建筑全過程能耗總量21.47億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消費(fèi)總量的46.5%，2018年全國建筑全過程碳排放總量49.3億噸二氧化碳，占全國碳排放比重的51.3%。實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域的碳中和，對我國完成雙碳目標(biāo)至關(guān)重要。

“雙碳目標(biāo)”提出以來，按照黨中央、國務(wù)院關(guān)于碳達(dá)峰、碳中和重大決策部署，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部及有關(guān)部門深入開展城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達(dá)峰、碳中和實(shí)施路徑和相關(guān)政策研究，同時將相關(guān)內(nèi)容納入建筑節(jié)能與綠色建筑“十四五”規(guī)劃的指標(biāo)和任務(wù)中，加強(qiáng)頂層設(shè)計，積極推動建筑領(lǐng)域節(jié)能低碳技術(shù)應(yīng)用，促進(jìn)可再生能源與建筑節(jié)能減排融合發(fā)展，推動建筑領(lǐng)域終端用能綠色低碳轉(zhuǎn)型。

“雙碳目標(biāo)”提出以來，教育部高度重視環(huán)境保護(hù)教育，將節(jié)能減排教育納入環(huán)境保護(hù)教育中，提升大中小學(xué)生節(jié)能減排意識和能力。引導(dǎo)高校根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要和辦學(xué)能力，加大建筑領(lǐng)域碳減排相關(guān)專業(yè)設(shè)置；發(fā)布《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》（教高〔2019〕8號），加快推動建筑領(lǐng)域碳減排課程建設(shè)；成立新一屆土木類和能源動力類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會，啟動一流專業(yè)建設(shè)“雙萬計劃”，組織企業(yè)實(shí)施產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，優(yōu)化相關(guān)本科專業(yè)結(jié)構(gòu)，推動高校人才培養(yǎng)。

因此，在雙碳目標(biāo)的大背景下，建筑領(lǐng)域整合可再生能源與建筑節(jié)能減排相關(guān)學(xué)科融合發(fā)展，教育部門也適應(yīng)時代發(fā)展需求，在建筑領(lǐng)域碳減排的學(xué)科及課程建設(shè)方面，及時調(diào)整相關(guān)學(xué)科及課程體系，緊密結(jié)合相關(guān)政策和需求，落實(shí)人才培養(yǎng)策略。

1?雙碳目標(biāo)下的建筑能源應(yīng)用學(xué)科特點(diǎn)

雙碳目標(biāo)向建筑能源應(yīng)用領(lǐng)域提出了更高的技術(shù)要求，建筑能源應(yīng)用相關(guān)學(xué)科因此呈現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢。建筑能源應(yīng)用的相關(guān)學(xué)科包括建筑環(huán)境與能源應(yīng)用、建筑技術(shù)、可再生能源、儲能技術(shù)、智慧能源、建筑電氣等多個學(xué)科，其中，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用是建筑能源領(lǐng)域的核心學(xué)科，該學(xué)科在雙碳目標(biāo)下，將根據(jù)我國當(dāng)下發(fā)展規(guī)劃中對綠色低碳發(fā)展的整體要求，以人工環(huán)境和熱科學(xué)知識體系為基礎(chǔ)，將可再生能源利用和智慧能源作為發(fā)展重點(diǎn)方向，在建筑新能源應(yīng)用、低碳建筑能源供應(yīng)系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、施工及智慧化運(yùn)營管理等技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)有創(chuàng)新性發(fā)展。建筑能源應(yīng)用相關(guān)學(xué)科與碳排放基礎(chǔ)學(xué)科的關(guān)系如圖1所示。

國外已有專門針對碳排放的（溫室氣體排放與核減）相關(guān)學(xué)科，針對碳排放的產(chǎn)生原理、碳排放核減、碳交易等內(nèi)容，設(shè)置了專門的基礎(chǔ)理論，如圖1所示的“碳排放基礎(chǔ)”的內(nèi)容。碳排放基礎(chǔ)理論的整體框架是依據(jù)碳排放產(chǎn)生原理、減碳原理、減碳技術(shù)體系、碳計量和碳核算、碳匯和碳捕捉、碳金融等邏輯思路設(shè)置的。圖1中的碳排放基礎(chǔ)內(nèi)容是面向建筑、工業(yè)、交通三大領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，建筑能源應(yīng)用相關(guān)學(xué)科中，已經(jīng)涉及了建筑領(lǐng)域碳排放基礎(chǔ)理論的大部分內(nèi)容，其邏輯思路大致與碳基礎(chǔ)學(xué)科的設(shè)置內(nèi)容相對應(yīng)。

雙碳目標(biāo)下，建筑能源應(yīng)用相關(guān)學(xué)科將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。

1.1?學(xué)科目標(biāo)歸一化

雙碳目標(biāo)提出之前，大多數(shù)能源相關(guān)學(xué)科的研究方向主要集中在能源高效和能源利用技術(shù)上，在雙碳目標(biāo)提出后，其研究目標(biāo)更加明確。如圖1所示的關(guān)系圖中，建筑用能領(lǐng)域相關(guān)的能源應(yīng)用、建筑技術(shù)、儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)、建筑電氣等學(xué)科，已經(jīng)把學(xué)科的科研和人才培養(yǎng)目標(biāo)逐漸向適應(yīng)低碳發(fā)展的方向進(jìn)行調(diào)整。

1.2?技術(shù)形式多元化

未來，建筑能源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)尸F(xiàn)變革性的發(fā)展，城市碳中和的路徑從“源、網(wǎng)、儲、荷、用”等環(huán)節(jié)考慮，建筑領(lǐng)域?qū)儆凇昂伞⒂谩奔夹g(shù)環(huán)節(jié)，屬于能源應(yīng)用鏈條中的末端環(huán)節(jié)，但是，建筑自身有其特殊性，利用分布式能源技術(shù)，建筑既可以作為能源的生產(chǎn)者，也可以作為能源的消費(fèi)者。另外，由于建筑用能需求的多樣性，建筑能源也可以作為城市能源系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)角色。建筑能源技術(shù)形式的多元化體現(xiàn)在能源系統(tǒng)的多元化。

1.2.1?分布式能源

分布式能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)的集中式供給能源系統(tǒng)不同，分布式能源將能源系統(tǒng)安裝在戶側(cè)，并根據(jù)用戶需求進(jìn)行冷、熱、電供給。建筑的分布式能源系統(tǒng)可改變城市一次能源供給的模式，不僅能夠引導(dǎo)城市能源結(jié)構(gòu)低碳化發(fā)展，支持城市能源日常管理終端化、精細(xì)化。

1.2.2?能源多元化

建筑可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用必須考慮多種能源的系統(tǒng)融合，以風(fēng)、光資源作為發(fā)電和供能的主力資源，以地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能和其他綜合互補(bǔ)的非化石能源為“穩(wěn)定電源”，通過可再生能源功率預(yù)測技術(shù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)、電力系統(tǒng)靈活互動技術(shù)等構(gòu)建新型電力系統(tǒng)管理和運(yùn)行體系。

1.3?能源管理智能化

能源管理系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)檢測、感知、計算、優(yōu)化等功能，還要實(shí)現(xiàn)控制、人機(jī)融合和檢測點(diǎn)之間的通信功能，是一個典型的信息物理系統(tǒng)，能源管理系統(tǒng)和通常的信息系統(tǒng)是同構(gòu)的。數(shù)字化/智能化能源系統(tǒng)的構(gòu)建，將云計算、人工智能、5G通信等新一代數(shù)字化、智能化技術(shù)與現(xiàn)代能源體系的構(gòu)建相融合，加速推進(jìn)能量流、物質(zhì)流與信息流的融合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，推動以綠色、數(shù)字化、高質(zhì)量為核心的能源領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展。

2?建筑能源應(yīng)用學(xué)科融合發(fā)展路徑

雙碳目標(biāo)的提出，必然會催生出與雙碳相關(guān)的廣泛需求，建筑能源領(lǐng)域如何針對未來的碳排放領(lǐng)域進(jìn)行提前布局就顯得尤為重要。碳排放幾乎涉及建筑各個學(xué)科領(lǐng)域，從建材生產(chǎn)、建筑規(guī)劃設(shè)計、施工建造、運(yùn)營管理等全產(chǎn)業(yè)鏈，涵蓋建筑材料、規(guī)劃設(shè)計、建筑學(xué)、建筑環(huán)境和能源應(yīng)用、建筑電氣、建筑給排水等所有專業(yè)，以及與能源相關(guān)的城市電網(wǎng)、儲能、新能源、新材料、智能控制、金融管理等學(xué)科，各學(xué)科和專業(yè)如何針對雙碳目標(biāo)，適應(yīng)低碳減碳的需求，是必須考慮的問題。

根據(jù)新形勢下建筑能源領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展的特點(diǎn)，未來建筑能源應(yīng)用領(lǐng)域的學(xué)科發(fā)展勢必會綜合所有碳排放相關(guān)專業(yè)知識，以交叉、融合和優(yōu)化為提升路徑，產(chǎn)生新型的建筑能源應(yīng)用學(xué)科模式。建筑能源應(yīng)用學(xué)科發(fā)展的要求如下。

2.1?夯實(shí)理論基礎(chǔ)

國外已有專門針對碳排放的（溫室氣體排放與核減）相關(guān)專業(yè)，專業(yè)針對碳排放產(chǎn)生原理、碳排放核減、碳交易等內(nèi)容，設(shè)置了專門的課程，如圖1所示的“碳排放基礎(chǔ)學(xué)科”的內(nèi)容。與碳排放相關(guān)的理論首先要理清氣候變化與碳排放的關(guān)系，即雙碳目標(biāo)的由來與實(shí)質(zhì)，然后需要搞清楚碳排放的產(chǎn)生機(jī)理，這兩個理論是所有與碳排放相關(guān)的學(xué)科的基礎(chǔ)。

在減碳方面，主要以減少化石能源的應(yīng)用為主要減碳方向。在能源系統(tǒng)中主要從“源、網(wǎng)、儲、荷”四個環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)。

（1）“源”指能源網(wǎng)絡(luò)中能源的來源，減少碳排放“源”的環(huán)節(jié)中，應(yīng)用非化石能源特別是可再生能源來代替化石能源，是必然的選擇，有關(guān)新能源的理論學(xué)科是“源”環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)學(xué)科。在現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)中，擴(kuò)大新能源的占比，減少煤、天然氣和石油等化石能源的比例，需要加強(qiáng)新能源的基礎(chǔ)理論研究。

（2）能源系統(tǒng)中“網(wǎng)”和“儲”是相輔相成的，從能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型視角出發(fā)，“網(wǎng)”和“儲”相關(guān)的基礎(chǔ)內(nèi)容即是考慮可再生能源、儲能等發(fā)電和儲能功能，建立智能化的可靈活運(yùn)行調(diào)度的智慧電網(wǎng)系統(tǒng)，以及智慧熱網(wǎng)系統(tǒng)，因此，數(shù)字化技術(shù)和人工智能科學(xué)將是能源應(yīng)用專業(yè)的必需的基礎(chǔ)學(xué)科。

（3）能源系統(tǒng)中的“荷”本質(zhì)含義是能源需求，需求減少，碳排放自然地就減少了。建筑能源應(yīng)用領(lǐng)域中，建筑負(fù)荷的方法就是采用需求側(cè)管理模式，通過被動式設(shè)計技術(shù)和超低能耗建筑設(shè)計思路，最大限度減少建筑的冷、熱、電設(shè)計負(fù)荷，因此，建筑設(shè)計學(xué)科就需要綜合建筑物理學(xué)、建筑環(huán)境學(xué)和能源管理的學(xué)科，通過學(xué)科交叉，形成低碳建筑設(shè)計理論。

（4）碳金融產(chǎn)品是建立在碳排放權(quán)交易的基礎(chǔ)上，服務(wù)于減少溫室氣體排放或者增加碳匯能力的商業(yè)活動，以碳配額和碳信用等碳排放權(quán)益為媒介或標(biāo)的資金融通活動載體，因此，有了減碳量，需要進(jìn)行碳交易的情況下，還需要有金融管理學(xué)科作為理論基礎(chǔ)。

2.2?整合技術(shù)體系

面向建筑雙碳目標(biāo)，建筑能源應(yīng)用學(xué)科要形成可再生能源網(wǎng)格化技術(shù)應(yīng)用體系，即以技術(shù)需求為導(dǎo)向，以產(chǎn)品研發(fā)為依托，以技術(shù)產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，面向低碳建筑電氣化、可再生能源建筑一體化和清潔化供暖等領(lǐng)域，在太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能和空氣源熱泵等領(lǐng)域已形成一系列的技術(shù)產(chǎn)品和技術(shù)體系。

2.3?明確學(xué)科研究方向

雙碳目標(biāo)提出后，建筑能源應(yīng)用學(xué)科應(yīng)加強(qiáng)與能源動力類、電氣類學(xué)科的交叉融合，把互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、數(shù)字經(jīng)濟(jì)等賦能技術(shù)與專業(yè)教學(xué)緊密結(jié)合。結(jié)合學(xué)科交叉優(yōu)勢和技術(shù)研發(fā)體系，學(xué)科應(yīng)在以下4個方面形成新的研究方向。

（1）智慧能源系統(tǒng)：以需求側(cè)管理理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行智慧能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計研究，結(jié)合人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，形成可再生能源可利用量核算及碳替代量評估、社區(qū)規(guī)劃層面銜接城市智慧能源的低碳能源系統(tǒng)設(shè)計理論和技術(shù)措施。

（2）基于數(shù)據(jù)指導(dǎo)建筑低碳優(yōu)化設(shè)計：以產(chǎn)品研發(fā)為驅(qū)動，以應(yīng)用效果為反饋，在技術(shù)和產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上，監(jiān)測建筑和產(chǎn)品運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立建筑和產(chǎn)品的物理及數(shù)據(jù)模型，總結(jié)和凝練具有廣泛適應(yīng)性的技術(shù)理論。

（3）分布式可再生能源技術(shù)與新設(shè)備研發(fā)：研究太陽能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能源等可再生能源應(yīng)用技術(shù)，可再生能源高效應(yīng)用設(shè)備及系統(tǒng)，以及應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行建筑低碳改造的理論方法和技術(shù)體系。

3?結(jié)論

針對國家雙碳目標(biāo)和“十四五”規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略，需要積極響應(yīng)“雙碳目標(biāo)”下我國能源結(jié)構(gòu)新布局，建筑能源應(yīng)用學(xué)科也應(yīng)根據(jù)當(dāng)下發(fā)展規(guī)劃中對綠色低碳發(fā)展的整體要求，融合相關(guān)學(xué)科理論和技術(shù)，調(diào)整學(xué)科的研究方向和科學(xué)課程設(shè)置，建筑能源應(yīng)用學(xué)科應(yīng)基于碳排放基礎(chǔ)學(xué)科，與能源動力類、電氣類、金融管理等學(xué)科相交叉，融合可再生能源、儲能技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等前沿技術(shù)，形成以智慧能源規(guī)劃設(shè)計為理論基礎(chǔ)，低碳建筑設(shè)計建造為載體，分布式可再生能源技術(shù)與新設(shè)備為手段的新型低碳學(xué)科，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供堅強(qiáng)的人才保障和智力支持。

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