建筑領域碳中和相關定義、目標及技術路線概覽*

董建鍇 高 游 孫德宇 姜益強 黃 帥

(1.哈爾濱工業大學,哈爾濱;2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室,哈爾濱; 3.中國建筑科學研究院有限公司,北京)

0 引言

近年來,全球氣候變暖趨勢加劇,聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第六次評估報告指出,由于溫室氣體的大量排放,2006—2015年這10年間全球的平均溫度比工業化前的全球平均溫度上升了約0.87 ℃[1]。其中,二氧化碳的影響最為嚴重。據統計,每萬億t的二氧化碳排放會導致(1.7±0.4) ℃的全球平均溫升,且部分地區的溫升會更加極端[2]。由此可見,降低目前的碳排放強度直至達到碳中和,對于解決全球變暖問題尤為重要。因此,各國在《巴黎協定》中既定承諾的基礎上,先后提出了碳達峰、碳中和的目標。據現有報道,已有127個國家和地區通過制定法規、行政命令、政策宣示、提交自主貢獻文件等方式確定了碳中和(或者類似概念)的目標[3]。

我國將在2030年完成碳達峰,并在2060年實現碳中和[4]。相比于部分發達國家的2050年碳中和目標,我國設定的碳中和目標的實現時間雖然較晚,但是考慮到這些發達國家大都已實現了碳達峰,而我國則需在10年內實現碳達峰的基礎上,用30年的時間實現碳中和,需要比發達國家更快的碳排放量下降速度,這是巨大的挑戰。因此,這一艱巨目標的實現需要社會各界的共同努力,以及科學研究的支撐。

同時,建筑領域的碳排放量占比居高不下,清華大學建筑節能研究中心的數據顯示, 2018年我國建筑建造和運行相關的二氧化碳排放量約占我國總二氧化碳排放量的42%[5]。因此,建筑領域的減排工作對于全球碳達峰、碳中和目標的實現至關重要,部分國家也對其建筑領域的減排工作進行了規范、管理和引導。而國內的相關工作還有所欠缺,亟需更多更具體的規范、目標、政策等來引導和推進相關工作[6]。本文重點梳理建筑領域相關的碳中和與碳達峰的概念,分析和總結發達國家已有的建筑領域碳中和目標及路線,旨在為我國建筑領域碳達峰、碳中和技術路線的制定提供參考,助力我國建筑領域盡早實現碳中和及碳達峰的目標。

1 建筑領域碳達峰與碳中和相關概念

碳達峰與碳中和作為新生概念,明確其定義與相關定義的含義對行業乃至全社會推動目標的實現具有重要意義。

1.1 碳達峰及碳中和

碳中和是如今世界各國應對氣候變化的終極目標之一,《生態經濟建設大辭典(上冊)》中給出了碳中和的定義:“碳中和指總釋放碳量為零,排放多少碳就作多少碳抵消措施來達到平衡”[7]。碳中和需建立在總碳排放量下降到一定程度的前提下,但由于人類的生產生活,碳排放量不可能下降到零,余下的這部分可通過以下幾種手段進行碳抵消:一是利用碳吸收或碳捕獲、利用與封存(CCUS)去除排放到大氣中的二氧化碳;二是通過生產可再生能源,使本身的碳排放量得到補償;三是通過碳交易購買一定的碳排放權,當碳抵消的總量大于或等于碳排放量時,即可稱為達到碳中和。

碳達峰是實現碳中和的先決條件,雖然在碳中和定義的描述中,可用碳捕獲、碳封存、生產可再生能源等方式抵消已產生的碳排放量,但考慮到該技術的局限性,無法用于抵消過多的碳排放量,因此需將總體的碳排放量降至一個足夠低的數值,再運用抵消的方式實現碳中和。碳達峰指碳排放量在某一時期達到總量峰值,但在之后會進入平臺期并有一定波動(一般要求平臺期不會出現超過峰值的波動值),最后進入平穩下降階段。一些已有的規定對碳達峰提出了更高的要求。世界資源研究所要求將提交的峰值目標與之后的碳排放清單進行比較,以保證碳達峰的可靠性[8]。聯合國環境署則要求在碳達峰后5年,其碳排放量需較峰值減少10%以上,并無條件承諾會進一步減少碳排放量[9]。

在建筑領域中,碳排放主要來自于建筑建造和運行2個階段,又可進一步細分為土地利用過程中釋放固化的二氧化碳帶來的直接排放、建材生產和建筑建造過程中的直接/間接二氧化碳排放、運行階段能源使用帶來的直接二氧化碳排放和用電帶來的間接二氧化碳排放[4]。各國建筑領域應分別從這些角度入手,采取合理且有效的措施,有效控制和減少碳排放。

目前,大多數國家建筑領域的碳達峰、碳中和工作仍處在起步階段,中國相較于大部分發達國家,面臨著更為嚴峻的挑戰。我國當下最為緊迫的任務是制定相關的政策、法律和規范,實現以碳排放量來衡量和評估建筑。因此,本文對建筑領域的低碳建筑、零碳建筑等有關概念進行了整理、歸納總結。

1.2 低碳建筑

目前,我國建筑節能領域主要聚焦于降低建筑能耗,對其作了大量研究并制定了一系列關于綠色建筑、低能耗建筑等的規范和標準。誠然,對實現《巴黎協定》所需的碳減排而言,利用可再生能源并實現建筑高能效是重要的目標。但將能源利用作為唯一的評價指標,無法確定排放物對環境的全部影響,通常以溫室氣體排放量(以碳當量衡量)來表示建筑排放物對環境的影響。隨著碳達峰、碳中和目標的提出,建筑領域勢必要向低碳建筑方向轉型。但目前在建筑碳排放領域中,低碳建筑仍是一個較為模糊的概念,在現有的各國標準中尚無明確的定量標準,且各國有關部門、研究機構提出的定性標準也有一定的區別。

芬蘭赫爾辛基省環境部在《低碳建筑采購標準》中定義低碳建筑為關注全壽命周期,在能源、材料和技術等方面進行創新,以減少碳排放的建筑[10]。Frank等人提出低碳建筑的目標是在確保有效的室內舒適性的同時,產生的二氧化碳排放量遠低于普通建筑[11]。Luo等人描述低碳建筑為通過使用低碳材料、低碳技術和可再生能源等手段,在建筑全壽命周期內減少碳排放量并提高能源性能的建筑[12]。Jones強調,低碳建筑應以降低建筑產品的能源需求為基礎,充分利用可再生能源[13]。在國家發展和改革委員會組織編寫的《生態經濟建設大辭典(上冊)》中,對低碳建筑進行了如下定義:低碳建筑指在建筑的全壽命周期內,以低能耗、低污染、低排放為基礎,最大限度地減少碳排放,為人們提供具有合理舒適度使用空間的建筑模式[7]。因此,低碳建筑的實現需建立在綠色建筑的基礎上,而不能為減少碳排放而影響建筑的環境效益,以及人的健康與舒適。

綜合以上的描述和定義,低碳建筑應做到在建筑全壽命周期內,保證健康和舒適性的基礎上,在材料、能源、技術等方面進行改進,降低建筑碳排放。而與目前大力推行的低能耗建筑相比,二者都是建立在綠色建筑的基礎上,但他們聚焦的角度和衡量建筑的方式不同,低能耗建筑以建筑能源的種類和消耗量為評判標準,而低碳建筑以碳排放量作為主要評估標準;另一方面,低碳建筑是一個涉及建筑全壽命周期的概念。為實現該目標,從業者和研究人員應聚焦建材生產、建造、建筑運行乃至拆除等階段,努力降低全過程中的建筑碳排放量。

低碳建筑是建筑領域在碳中和大背景下的努力方向,為更好地推進和建設低碳建筑,需要有關政策、規范及評估體系的指引。如建筑直接、間接碳排放量的劃分,以及低碳建筑排放量的限額和目標等問題都需要進一步的研究。

1.3 零碳建筑

參照《生態經濟建設大辭典(下冊)》[14]、《生態文明建設大辭典(第一冊)》[15]中低碳城市和零碳建筑的定義,零碳建筑可視為在低碳建筑基礎上提出的更為激進的目標,是指在建筑的全壽命周期內,以低能耗、低污染、低排放為基礎,通過清潔能源利用、植物凈化等手段,最大限度地減少碳排放,直至實現零排放。

建筑實現零碳排放的方式有減碳和碳中和。常見的手段包括:提高能效、提高能源利用效率、現場或場地外生產清潔可再生能源、購買場地外清潔可再生能源等。在一些定義中只允許使用部分手段,一些定義給出了這些技術策略使用的優先順序。如世界綠色建筑委員會(WGBC)規定了實現零碳建筑允許采用的技術的優先級[16],如表1所示。

表1 WGBC對于實現零碳建筑手段優先級的規定

目前,零碳建筑的定義并不完全統一,不同國家、不同研究機構和學者給出的定義在允許采用的碳中和技術、涵蓋的壽命周期、涵蓋的能源使用范圍等方面有所區別。如英國零碳中心對零碳建筑的定義中包含常規的能源使用(包括供暖、制冷、熱水、照明)導致的碳排放,而非常規的能源使用(包括烹飪和插座系統)導致的碳排放則不在考慮范圍內[17]?？紤]到零碳建筑標準較為嚴苛,導致短期內無法實現,挪威設立了5個等級以適用于不同的建筑類型和當地條件[18],如表2所示,通過限定碳補償可抵消的排放類型,給出了實現難度由高到低的零碳建筑等級,構成了一個較為完善的體系,以規范不同區域和不同條件下建筑的減排工作。

表2 挪威各等級的零碳建筑

1.4 其他有關概念

零碳建筑作為建筑領域碳減排工作的終極目標之一,是一個較為嚴苛的概念,實現難度較大。完善低碳建筑的體系,還需要概念的支撐,如凈零排放建筑、凈零碳建筑等,為建筑部門和相關從業者提供一條較為可行的發展路徑。

Torcellini等人在研究中給出了凈零排放建筑的概念:建筑物所產生的可再生能源能量應等于或多于其二氧化碳排放量所對應的一次能源能量[19]。

挪威有關機構對凈零排放建筑的定義為:建筑產生的可再生能源對應的二氧化碳當量多于或等于二氧化碳排放量,同時規定了凈零排放建筑的碳排放量不能通過碳交易的手段來抵消,但可以通過現場可再生能源的生產進行碳補償[20]。

英國有關機構給出的全壽命周期凈零碳建筑的定義為:通過抵消或現場可再生能源補償等方式使其全壽命周期碳排放量為零或負值的建筑。同時,在該定義的界定中,不承認通過碳交易手段進行的抵消,可通過現場及場地外可再生能源進行碳補償,同時遵循世界綠色建筑委員會給定的優先級[21]。

1.5 低碳建筑領域概念比較

低碳建筑及相關概念的關系如表3所示。低碳建筑是碳中和大背景下建筑領域發展的必經之路,是一個較為廣泛的概念,是建筑領域未來發展的大框架之一;零碳建筑是在低碳建筑基礎上較為激進的目標,相應地,其實現難度也較大,可作為建筑減排工作的終極目標之一,但短期內難以達到,需更多的目標來指引短期的減排工作;凈零排放建筑、凈零碳建筑等一些相關概念的要求相較于零碳建筑低,且可通過更多的方式達到,可以作為低碳建筑體系的重要補充,可作為短期建筑減排的目標。

表3 低碳建筑及其相關概念簡介、比較

應根據我國的具體情況,對于地理位置不同、減排難度不同的建筑,給出具體的定義和界定,形成科學合理的低碳建筑評價體系,為我國建筑領域的減排工作提供方向和指引。

2 主要國家建筑領域碳中和目標及技術路線

在目前已提出碳中和承諾的國家中,部分國家出臺了相關的政策和法律,給定了各個行業在實現碳中和道路上應肩負的責任和對應的目標。一些國家也針對建筑領域的碳排放制定了目標和政策,可為我國建筑領域碳達峰和碳中和的實現提供參考。

2.1 英國

英國作為世界上最早以法律形式確定減排目標的國家之一,在2019年發布了修訂版的《氣候變化法案》[22],正式確立了2050年實現碳中和的目標,并在后續發布的一系列文件和政策中給出了各行業的碳中和目標路線。

英國減排進展報告及Climate Watch的研究展示了目前英國建筑碳排放的水平和減排進度[23-25],如圖1所示,在提出第一版《氣候變化法案》后的7年間(即2008—2015年),英國的建筑碳排放量下降了17%,但隨后,其建筑減排工作陷入了瓶頸,甚至出現了反彈。同時,以2017年的數據為例,英國建筑的總耗電量占到全國總耗電量的66%,相當于4 800萬t的間接碳排放量。由以上數據可見,英國建筑領域目前的減排形勢不容樂觀。

圖1 英國建筑領域歷史碳排放量趨勢

針對這一情形,為順利在2050年實現碳中和的目標,英國氣候變化委員會為建筑領域減排目標的制定提出了如下建議:到2030年,將居住建筑的碳排放總量(二氧化碳當量)降低到6 200萬t,非居住建筑的碳排放總量降低到110萬t;到2050年,通過運用清潔能源、采用節能和低碳的供暖措施、改善照明和電器效率等途徑,將居住建筑的碳排放總量降低到400萬t,公共建筑的碳排放總量降低到60萬t[26]。后續出臺的一系列文件和政策給出了更具體的目標和措施,如表4所示。

表4 英國建筑領域減排有關政策、目標

由以上分析可知,英國目前的建筑減排政策主要針對未來的新建建筑,從建筑能源使用及建筑性能入手,以求在短時間內用較低的成本取得更好的成效。

2.2 加拿大

加拿大總理特魯多在其連任時的施政綱要中宣示了加拿大2050年實現凈零碳排放的目標[33]。在后續的一系列法律和政策中對于各部門、各行業的碳排放現狀進行了分析,并給出了后續的工作方向和努力目標。

加拿大住建部的數據表明,加拿大住宅領域的碳排放在1990—2014年間下降了11%[34]。同時,加拿大環境和氣候變化署及Climate Watch[35-36]的數據展示了加拿大建筑領域近10年來的溫室氣體排放量,如圖2所示。其中,2018年的建筑運行階段直接碳排放量占全國總排放量的9.8%,若加上耗電量折合的間接碳排放,該數值將達到18.0%。由此可見,合理控制并有效減少建筑領域的碳排放,是加拿大實現2050年凈零排放目標的必經之路。

圖2 加拿大近年來建筑運行階段碳排放情況

并且,類似于英國,加拿大近年來的碳排放量也出現了波動甚至反彈的情況。該情況可能是近年來居民對建筑舒適性等要求越來越高,但清潔能源發展停滯、新技術難以實現突破等原因導致的。

各個企業每一項制度的實施無不存在著風險，而企業在發展過程中，對于可能出現的風險現象，應當考慮周全。企業在實施制度的時候，首先，應當正確認識其可能存在的各種風險，從而制定出相應地正確地解決對策，為企業獲得更大利益。其次，企業應當完善管理制度，建立應收賬款的完整體系，如建立信用評價制度、建立完善的合同管理制度、建立應收賬款的責任制度、建立合理的獎罰制度，通過這些制度的建立與完善，來有效防止不良應收賬款現象的發生，為企業謀求更大的利益。最后，應當組織專業的力量來規避風險，對已完成的應收賬款進行管理，實時督促應收賬款的動向，從而保障應收賬款能夠按期歸還，給企業帶來極大的經濟效益。

在這一情形下,加拿大環境和氣候變化署也給出了到2030年建筑碳排放量下降到8 200萬t的目標。同時,為達成該目標,加拿大在后續的政策文件中給出了更具體的目標和舉措,如表5所示。

表5 加拿大建筑領域減排有關政策、目標

加拿大目前的建筑領域碳中和及凈零排放工作尚在起步階段,從目前已出臺的政策中可看出,其工作重心集中在后續更具體的目標、政策、規范的提出上。措施方面,除建筑運行、能源方面以外,加拿大也更多地聚焦在建材生產選擇、建筑施工、改造乃至拆除方面。

2.3 新加坡

新加坡作為亞洲重要的發達國家,其在環境保護方面的工作和成果一直處于世界領先地位,同時,其氣候條件和地理條件與我國東南地區較為相似,其建筑碳中和的實現途徑值得我國有關部門參考和借鑒。

新加坡在其提交的國家自主貢獻文檔中提出了到2030年達到6 500萬t的碳排放峰值的目標,該峰值相對于新加坡2005年的碳排放水平下降了36%。并在之后的長期減排發展戰略中提出:到2050年,將碳排放量從峰值下降一半,至3 300萬t,并期望在本世紀下半葉實現凈零排放[40]。

根據Climate Watch的數據[36],新加坡近年來制造業和建筑領域的碳排放量數據和變化情況如圖3所示。與英國等發達國家相比,新加坡建筑領域的碳排放量仍在隨其經濟的發展而不斷增長,因此,其建筑領域的減排工作面臨更大的挑戰。新加坡政府和有關部門為解決這一問題進行了大量的工作和研究,并由此提出了一系列的目標和政策,為建筑領域的減排工作提供目標和指導。

圖3 新加坡近年來建筑及制造業碳排放量變化情況

新加坡房屋和建筑監督局(BCA)于2005年出臺了針對其亞熱帶氣候的綠色建筑評級體系Green Mark Buildings(綠色標志建筑)[41],并于2018提出了一系列更為激進的目標[42],如:Super Low Energy Buildings(即能耗在2005年標準的40%以下的建筑)、Zero Energy Buildings(所有能耗均由可再生能源提供的建筑)及Positive Energy Buildings(僅由可再生能源供能,并可以向外界提供多余能量的建筑)。新加坡將上述內容作為建筑節能減排工作的目標,并通過各種補貼鼓勵從業者進行建設和改造。同時,在后續政策文件中,新加坡也給出了建筑減排工作的具體路徑、目標、時間節點等,如表6所示。

2.4 其他國家

除上述有完善的建筑減碳體系的國家外,一些國家在建筑領域也提出了減少碳排放的政策和要求。

美國政府在NDC計劃[46]中給出了建筑領域脫碳戰略,將通過提高建筑能效和電氣化程度等措施減少建筑相關的碳排放;各任總統先后在行政令中提出,提高建筑能源效率、測量和減少溫室氣體排放;增加可再生能源使用;進行建筑電氣化和建筑脫碳改造[47]。

日本政府設定了到2030年建筑領域減排46%及2050年實現碳中和的目標,規劃將為超過60%的新建建筑引入太陽能[48];其建筑領域提出,將通過提高圍護結構隔熱、遮陽性能、利用自然能源、提高能效等方法改善建筑排放,同時指出通過改進建材生產工藝以降低建筑材料生產環節的碳排放[49]。

德國政府規定,到2030年其建筑領域溫室氣體排放量(二氧化碳當量)降至6 700 t以下[50],提出將為建筑翻新、改造提供資助,以幫助建筑物具有最優的能效和供暖性能,將進一步完善建筑評級體系和能源咨詢制度[51]。

3 建議

我國建筑領域碳中和工作面臨著當前排放強度大、目標周期短的問題,任務極為艱巨?；仡櫖F有減排的工作,有關部門對建筑領域的碳達峰、碳中和提供了相應的指引,如表7所示。

表7 我國現有建筑領域減排工作的有關政策

相較于前面介紹的發達國家,我國建筑領域減排工作尚處于起步階段,存在缺少定量、具體的政策和指引,沒有分時間節點制定的行動目標等問題。在后續進一步推進減排工作時,應廣泛吸取各國經驗。本文參考上述國家的減排行動,結合我國的現狀,為我國建筑領域碳中和的路徑提出如下建議:

1) 對建筑減排工作應有全局意識,關注建筑全壽命周期的碳排放量,為此,建筑部門應加強和能源、工業等部門的溝通,廣泛調研、統計建筑全壽命周期各階段的碳排放情況,并進行合作,制定合理有效的監控、減排計劃。

2) 有關部門需盡快引領從業人員轉變有關觀念,普及建筑減排不完全等于建筑節能的理念,避免工作重心的偏離,給出權威的低碳建筑等概念,以給出明確的工作目標,同時盡可能加強建筑碳排放強度與衛生、健康、舒適及節能等目標的協同。

3) 建立權威的碳排放量及碳排放強度監控、計量體系,并在此基礎上計算減排量,給予減排成果突出的企業和單位以獎勵和宣傳,有關部門也應對成功的減排案例進行資料的搜集、總結,以為后續的工作提供參考和借鑒,并盡可能為從業者的建筑減排工作提供具體的指引。

4) 在減排工作推進過程中,應盡快制定分時間節點的減排目標和量化評估標準,在現有的重慶市、北京市等低碳建筑標準中仍是以評分的形式來衡量,應盡快給出以碳排放量為衡量的低碳建筑標準;在全建筑領域,制定目標政策時應更多地加上恰當的時間節點,以推動減排工作穩步有序地開展。

5) 對于減排對象,不能僅關注新建建筑的減排工作,應同樣重視既有建筑,在對其進行節能等方面的改造時,輔以對其碳排放性能的改進;對于各類型的建筑,碳排放量較大的商業、工業建筑可作為優先減排的對象,其減排行動也可為居住建筑的減排工作提供借鑒。

6) 在具體行動方面,可充分借鑒國外已有的減排行為,通過改革結構、采用低碳建材等措施減少建設階段碳排放;通過推行建筑電氣化、采用高效熱泵技術、利用可再生能源、規范用戶行為、改善圍護結構性能等方式減少運行階段碳排放;也可通過垂直、屋頂綠化,可再生能源生產等手段中和建筑產生的碳排放量。

4 結論

本文通過分析建筑減排的必要性,介紹了建筑領域碳達峰、碳中和的有關概念,總結并分析了一些發達國家的建筑減排目標、措施政策等,旨在為我國建筑領域減排措施及碳中和技術路線的制定提供參考和借鑒,得到以下結論:

1) 目前,建筑領域全過程碳排放量占我國總碳排放量的42%,合理制定建筑領域碳達峰、碳中和的目標節點,規劃其技術路徑,對于我國2060年碳中和目標的實現至關重要。但建立減排目標的同時,需要我國社會各界對低碳建筑的概念、界定條件、評估階段等有清晰且統一的認識。因此,應充分了解、參考國內外的有關資料,給出標準的定義,并在此基礎上提出更具體的碳減排措施及標準。

2) 國外部分發達國家在提出碳達峰、碳中和目標之余,也給出了建筑領域減排的目標和技術路線,對我國有關部門的政策制定有參考意義。我國有關部門應充分吸取發達國家的經驗教訓,避免出現建筑領域減排工作停滯甚至反彈的情況,制定相關目標時應落在實處,并充分考慮未來發展趨勢,以在未來切實做到建筑領域碳達峰、碳中和。

3) 因氣候類型、地理條件、民俗習慣、經濟水平及目前排放量等因素的不同,各國建筑減排目標和技術路徑存有差異。在制定相關政策時,有關部門也應充分考慮上述條件,借鑒各國路徑的可取之處,如劃分不同階段的工作重點,使某一類型或某一地區的建筑優先實現碳中和,最終制定合理且符合我國現狀的目標、規范及政策等。

4) 建筑的減排工作應由各部門共同努力,關注建筑全壽命周期的情況;建筑的碳排放強度應力求和建筑能耗各項性能協同;應盡快建立起成熟的建筑碳排放量計量、監控體系;減排工作的對象應兼顧新建建筑與既有建筑,其中,大型公共建筑碳排放量較大,減排優先級較高;需充分借鑒已有建筑減排案例,選取合理有效的減排手段。