“雙碳”目標(biāo)下建筑能源系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析

鐘華鋒

［摘 要］在我國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中，建筑行業(yè)是其中的關(guān)鍵行業(yè)。伴隨著我國城市化建設(shè)工作的有序推進(jìn)，城市建筑項(xiàng)目不斷增加，建筑行業(yè)的服務(wù)保障水平日益提升，建筑行業(yè)的碳排放總量將會得到進(jìn)一步提高。基于“雙碳”目標(biāo)，建筑行業(yè)面臨的減碳壓力也在持續(xù)增加，因此需要尋求全新的低碳技術(shù)發(fā)展路徑。基于此，本文針對“雙碳”目標(biāo)下的建筑能源系統(tǒng)發(fā)展趨勢展開研究，并提出具體的發(fā)展策略，以供參考。

［關(guān)鍵詞］“雙碳”；建筑能源；能源系統(tǒng)；發(fā)展趨勢

［中圖分類號］TU7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著環(huán)境污染問題加劇，氣候變化日趨明顯，能源匱乏已經(jīng)成為威脅人類社會實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為解決由于溫室效應(yīng)及各種極端自然災(zāi)害問題所帶來的對人類生存的威脅，推動社會實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，2020年我國正式提出了“雙碳”目標(biāo)，即在2030年之前達(dá)到碳達(dá)峰，2060年真正實(shí)現(xiàn)碳中和。面對全球能源短缺和環(huán)境保護(hù)之間存在的矛盾和沖突，綜合能源系統(tǒng)可以通過對天然氣、熱力和電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)處理，實(shí)現(xiàn)資源配置的最優(yōu)化，以促進(jìn)能源實(shí)現(xiàn)低碳和可持續(xù)發(fā)展。在整個過程中，建筑行業(yè)應(yīng)積極地做出表率，強(qiáng)化建筑能源系統(tǒng)的節(jié)能化設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)目標(biāo)作出貢獻(xiàn)［1］。

1 “雙碳”目標(biāo)下建筑能源系統(tǒng)發(fā)展趨勢

1.1 降低需求、實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能依然是基礎(chǔ)

實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的節(jié)能發(fā)展，是真正實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)低碳排放甚至零碳排放的基礎(chǔ)條件。而想要實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的低碳目標(biāo)，節(jié)能措施是其中的關(guān)鍵內(nèi)容。無論任何時間、任何地點(diǎn)，都需要將減少能源的使用作為重點(diǎn)。長久以來，我國建筑行業(yè)的發(fā)展不管是人均單位面積的能源消耗強(qiáng)度，還是單位碳排放的消耗強(qiáng)度，相較于歐美國家來說都要更低，這是由我國長久以來的生產(chǎn)生活模式所決定的。

伴隨著新時代現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和進(jìn)步，建筑能源消耗量不斷增加，碳排放強(qiáng)度日益增加，因此，需要通過建立健全低碳建筑能源系統(tǒng)，以有效應(yīng)對能源短缺所帶來的各種人類社會發(fā)展問題。舉例來說，對于我國長江流域的供暖問題，一直以來都是能源消耗的重點(diǎn)解決問題。未來，伴隨著人民生活水平的全面提高，如何在滿足人們基礎(chǔ)供暖需求的條件下，為人們提供一個舒適、美好的居住生活場所，并利用合理的低碳措施，解決建筑行業(yè)的能源消耗問題，成為我國建筑行業(yè)的重點(diǎn)研究課題。

通過低消耗、低碳排放量的建筑能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化建筑物的本體性能，結(jié)合建筑物所在地區(qū)氣候特征，降低不必要的冷熱能量消耗，是建筑能源系統(tǒng)未來建設(shè)的主要發(fā)展方向。近年來，我國建筑行業(yè)在此方面已經(jīng)取得了非常突出的研究成果，尤其是在維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能方面，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了供熱消耗量的降低。

傳統(tǒng)的建筑物一般設(shè)計(jì)暖通空調(diào)，在空調(diào)設(shè)計(jì)過程中未能綜合考量自然滲透風(fēng)等多項(xiàng)因素的影響，在大型公共空間，如商場或交通建筑，滲透風(fēng)是對室內(nèi)熱環(huán)境和能源消耗帶來影響的重要因素。而針對航站樓這種體型系數(shù)相對較小的大型公共空間，大量的實(shí)測結(jié)果顯示，在冬季，燈光及熱源的發(fā)熱量和周邊維護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量非常相似，整體的空調(diào)系統(tǒng)在供熱量上與滲透風(fēng)的熱量消耗基本持平。若可以減少其中的不必要能源損耗，機(jī)場、航站樓這類大型公共建筑物有望實(shí)現(xiàn)零能源損耗，可以為整個建筑物等能源系統(tǒng)低碳化發(fā)展及實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供極大的便利。需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是，滲透風(fēng)理論分析辦法主要是利用流體力學(xué)，通過對流體力學(xué)模型的建設(shè)，明確室內(nèi)空氣的流動情況，并捕捉滲透風(fēng)影，在這樣的條件下，可對不同供暖空調(diào)末端進(jìn)行調(diào)整，以降低滲透風(fēng)帶來的負(fù)面影響［2］。

1.2 推動建筑能源系統(tǒng)全面電氣化

真正實(shí)現(xiàn)終端電氣化建設(shè)，是我國在建筑能源系統(tǒng)建設(shè)過程中實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要指引。走向這一發(fā)展之路，可以規(guī)避建筑終端在燃燒化石原料過程中所產(chǎn)生的大量的二氧化碳，是促進(jìn)建筑能源系統(tǒng)走向低碳化和零碳化之路的核心舉措。

基于我國現(xiàn)階段建筑行業(yè)分布分項(xiàng)工程電氣化水平的實(shí)際情況，在我國北方地區(qū)的供暖領(lǐng)域使用率相對較低。但是仍然有大量地區(qū)使用化石能源并將其作為供暖的熱力來源。基于建筑能源系統(tǒng)低碳目標(biāo)的指引，將重點(diǎn)放在滿足這一部分熱力需求上，尋求解決建筑熱力問題的核心途徑。為此，需要建立健全新型熱力系統(tǒng)，改變當(dāng)前將化石燃料作為熱量獲取源頭的供熱模式，尋求真正的低碳熱源或零碳熱源。也可以對各種資源進(jìn)行進(jìn)一步回收和利用，減少對化石燃料的依賴，以推動建筑熱力系統(tǒng)走向清潔和低碳化的發(fā)展之路。現(xiàn)階段，已有大量學(xué)者指出可以通過熱力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和電力系統(tǒng)的耦合，以熱電協(xié)同或電熱協(xié)同的模式，推動熱力和電力變得更為清潔和高效，但是需要在研究過程中加強(qiáng)對熱力需求的進(jìn)一步探索和研究。目前，若沒有可進(jìn)行循環(huán)利用的余熱資源，則可以通過跨季節(jié)儲熱，為冬季的熱力需求低碳化轉(zhuǎn)型提供可能性。

1.3 進(jìn)一步提升建筑機(jī)電系統(tǒng)能效

全方位優(yōu)化建筑物內(nèi)部機(jī)電設(shè)備的綜合使用效能，是真正實(shí)現(xiàn)建筑物節(jié)能環(huán)保、走向低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展之路的核心途徑。同時，提高機(jī)電設(shè)備的使用能效，是機(jī)電設(shè)備終端發(fā)展的主要目標(biāo)。

例如，家庭中比較常用的空調(diào)，伴隨著其節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，空調(diào)的一級能效水平已經(jīng)得到了全面改善；建筑物中的集中空調(diào)冷水機(jī)組，在其能效水平差上已經(jīng)從初期的5.0轉(zhuǎn)變?yōu)?.0；對于7℃的離心式冷水機(jī)組，目前設(shè)備的制冷循環(huán)性能已經(jīng)與理想循環(huán)效率十分接近；制冷機(jī)組溫差也已經(jīng)基本可以將其控制在1℃以內(nèi)，甚至個別質(zhì)量較高的機(jī)組，蒸發(fā)側(cè)兩端差已經(jīng)可以控制在0.5℃。

在外部需求明確的條件下，改善單一制冷循環(huán)性能較為有限，這就需要從全新角度著手，優(yōu)化機(jī)電系統(tǒng)的綜合效能。舉例來說，可以更改建筑物對冷源的溫度需求，在設(shè)置冷水溫度時，可以把7℃改變?yōu)?6℃，以提高制冷循環(huán)蒸發(fā)溫度。一般情況下，這種類型的冷水機(jī)組相較于常規(guī)機(jī)組的能源綜合利用效率可以提高30%，在我國的多重建筑場景中都可以進(jìn)行運(yùn)用，有著較好的使用前景。根據(jù)建筑冷源設(shè)備的使用性能提升目標(biāo)，通過進(jìn)一步減少冷熱源的溫度品位需求，降低其中溫差，可以優(yōu)化其綜合效果［3］。

2 “雙碳”目標(biāo)下建筑能源系統(tǒng)發(fā)展策略

2.1 在一次能源供給環(huán)節(jié)，推動可再生能源替代化石能源

現(xiàn)階段，我國的建筑物能源系統(tǒng)主要呈現(xiàn)出總量大、清潔性不足等特征。因此，推動我國建筑能源系統(tǒng)的供給結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的化石能源轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉矗梢詮脑搭^著手，進(jìn)一步減少碳排放總量，這也成為建筑物能源系統(tǒng)供給環(huán)節(jié)改革過程中的首要任務(wù)。現(xiàn)階段，我國正在全方位推行電力現(xiàn)貨市場，可以為建筑物的能源系統(tǒng)可再生能源替換提供有利的外部條件。

當(dāng)前，電力現(xiàn)貨市場主要把邊際成本作為競爭的參考依據(jù)，因此邊際成本較低的可再生能源有著非常強(qiáng)勁的市場競爭力。但是可再生能源本身具有一定的間歇性和波動性，難以在市場中對電量信息進(jìn)行精準(zhǔn)申報(bào)，因此需要對電力現(xiàn)貨市場機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以確保可再生能源得到有效消納。

例如，可以建立健全可再生能源價值分層評估體系，用于設(shè)定可再生能源補(bǔ)貼電價的有關(guān)內(nèi)容。為建立健全隨機(jī)結(jié)算市場，把傳統(tǒng)電力現(xiàn)貨市場中的日前和實(shí)時市場同時出清結(jié)算，有效規(guī)避日前市場出清中忽視可再生能源貢獻(xiàn)度的問題。另外，還可以進(jìn)一步挖掘可再生能源由能源變動帶來的成本較低等優(yōu)勢，使用開停機(jī)成本和爬坡成本有機(jī)結(jié)合的競價模式，以推動電網(wǎng)針對可再生能源實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的消納。與此同時，為實(shí)現(xiàn)更大建筑物范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置，推動可再生能源得以有效消納，可以在建筑能源系統(tǒng)中建設(shè)多能源現(xiàn)貨市場。不同類型能源的傳輸能力及存儲情況有所不同，因此需要積極探索基于不同時間尺度的多能源現(xiàn)貨市場運(yùn)行發(fā)展機(jī)制，其中包括結(jié)算、競爭和定價機(jī)制［4］。

2.2 在二次能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，推行綠電、綠氫生產(chǎn)消費(fèi)

大量生產(chǎn)及消費(fèi)綠電和綠氫，可以減少化石能源的使用總量。總體來看，目前我國的電氣化水平仍有很大的進(jìn)步空間，終端的電器消費(fèi)轉(zhuǎn)化率有待提升。

氫能處于轉(zhuǎn)型和發(fā)展的重要時期，因此建筑物能源系統(tǒng)應(yīng)該加速終端設(shè)計(jì)的電氣化及氫能化發(fā)展。氫能作為一種較為清潔且使用過程較為高效的能源類型，可以成為無法利用電氣化進(jìn)行脫碳行業(yè)的全新選擇。但在整個過程中，仍需要克服大量的難題。對于氫能的制備來說，目前已有的技術(shù)多是利用化石能源來運(yùn)作的，以電解水制氫為代表，這也是未來具有一定發(fā)展?jié)摿Φ恼嬲?jié)能創(chuàng)造模式。電解水制氫主要包括兩類，分別是固體聚合物電解水制氫和堿性水質(zhì)電解制氫。現(xiàn)階段，由于電解水制氫能源消耗量較高、綜合效率較低，如何在其大規(guī)模的生產(chǎn)過程中搭建管理系統(tǒng)，優(yōu)化電解槽的綜合能源利用率，已成為技術(shù)工作人員的重點(diǎn)研究課題。在氫能的儲備上，比較常用的儲備方法為高壓氣態(tài)儲氫，以及低溫液壓儲氫技術(shù)。該類技術(shù)有著較好的清潔密實(shí)度，同時安全性能較為可觀，發(fā)展?jié)摿^大。

但從總體來看，這些儲氫模式也存在一定的不足，如能源消耗較高、材料的價格較為昂貴等。因此，如何降低儲氫的成本投入成為企業(yè)未來發(fā)展過程中的重點(diǎn)研究課題［5］。

2.3 在終端能源消費(fèi)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化能耗雙控工作

不管是直接消費(fèi)一次能源，還是把一次能源變成二次能源之后進(jìn)行間接消費(fèi)，兩個能源的消費(fèi)過程都會帶來不同程度的能源損耗。因此，如何改善建筑物能源系統(tǒng)的消耗強(qiáng)度、減少能源損耗總量，成為建筑能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)課題。

對此，可以建立能源梯級利用技術(shù)，也就是在建筑能源系統(tǒng)的使用過程中，依照執(zhí)行需求來用能，盡量不運(yùn)用高品位的能源去做低品位能源便可以完成的建筑物運(yùn)轉(zhuǎn)功能，同時要實(shí)現(xiàn)建筑物能源功能的逐層多次利用，從高到低滿足不同類型、不同品位的行業(yè)使用需求［6］。在具體的使用上，可以綜合能源梯級利用這一基礎(chǔ)思想，建立健全站網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃模型，并進(jìn)一步探索如何使用退役鋰電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，確保退役鋰電池可以獲得有效利用，避免能源浪費(fèi)。目前能源梯級技術(shù)的運(yùn)用多集中在我國的工業(yè)領(lǐng)域，未來有關(guān)工作人員需要主動探討如何將該技術(shù)應(yīng)用在我國的交通領(lǐng)域。

另外，對于建筑能源系統(tǒng)的不同終端部門來說，還需要加強(qiáng)對能源損耗的雙控。例如，若建筑物為工業(yè)廠房，則需要工業(yè)領(lǐng)域針對傳統(tǒng)的加工行業(yè)進(jìn)行智能化改造和升級，同時也需要將重點(diǎn)放在較為先進(jìn)和前沿的低能耗制造行業(yè)上。對于建筑領(lǐng)域，一方面需要優(yōu)化建筑物的綜合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，另一方面要對目前已有建筑物的用能結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。對于交通行業(yè)，要對電動車進(jìn)行推廣，保障氫燃料汽車得到合理使用，同時對客運(yùn)組織及物流運(yùn)輸進(jìn)行優(yōu)化。而對于我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，一方面，要促進(jìn)滴灌技術(shù)的發(fā)展，確保施肥過程精準(zhǔn)，利用好殺蟲技術(shù)，減少自然資源及化學(xué)品的損耗；另一方面，要強(qiáng)化對廢棄物的循環(huán)利用，為我國服務(wù)行業(yè)提供支持，真正實(shí)現(xiàn)全民節(jié)能，倡導(dǎo)更為綠色的生活模式。

３ 結(jié)語

建筑行業(yè)作為我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要行業(yè)，基于“雙碳”目標(biāo)的指引，我國建筑行業(yè)需要在能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用上積極地作出改革。總體來說，本文提出“雙碳”目標(biāo)下建筑能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及具體的發(fā)展策略。但是“雙碳”目標(biāo)指引下的建筑能源系統(tǒng)建設(shè)與多個學(xué)科和領(lǐng)域的方法密不可分，同時依賴技術(shù)和理論研究的全方位進(jìn)步，與各城市的規(guī)劃運(yùn)行和貿(mào)易保護(hù)機(jī)制存在密切聯(lián)系，因此其本質(zhì)上是一個漫長又復(fù)雜的過程，希望本文的研究能夠?yàn)橛嘘P(guān)工作者提供思路和參考。

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