中國建筑業(yè)碳排放現狀及“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研究院，廣東廣州 510000）

1 “碳達峰、碳中和”國內外現狀

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會定義，碳達峰是指全球、國家、城市、企業(yè)等不同主體碳排放由升轉降的過程，碳達峰最高點即碳峰值。碳中和是指全球、國家、城市、企業(yè)等不同主體的碳零排放，主要通過產業(yè)調整、節(jié)能減排、植樹造林、碳捕集與封存技術等方式，實現碳排放、碳吸收平衡。

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

如表1所示，根據世界資源研究所統(tǒng)計，目前全球已有54個國家實現碳達峰，占全球主權國家的27.7%。1990年、2000年、2010年、2020年碳達峰國家數量分別為19個、33個、49個、54個，包括幾乎所有發(fā)達國家、大部分東歐及蘇聯國家。哥斯達黎加作為唯一發(fā)展中國家，2007年已實現碳達峰。

表1 全球已碳達峰國家統(tǒng)計表

另外，根據英國能源與氣候智能小組統(tǒng)計，目前126個國家分別以立法、法律提案、政策文件等形式提及碳中和目標。如表2所示，大多數國家碳中和目標以2050年為時限，少數國家把目標提前至2035—2045年，我國是唯一提出2060年前實現碳中和的國家。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“氣候中性”大陸。美國承諾，到2035年，通過向可再生能源過渡實現無碳發(fā)電，到2050年，讓美國實現碳中和。2020年9月22日，我國國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”

表2 全球部分國家碳中和目標統(tǒng)計表

我國產業(yè)體系龐大，是全球唯一擁有聯合國產業(yè)分類中所有工業(yè)門類國家。我國提出的“2030碳達峰、2060碳中和”，從達峰到中和時限僅30年，遠低于美國（43年）、歐盟（60年）。國家主席習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導人視頻峰會時指出，“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度降幅，用全球歷史上最短的時間實現從碳達峰到碳中和”。根據清華大學氣候變化和可持續(xù)發(fā)展研究院統(tǒng)計，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、施工、運行、拆除全生命周期四個階段統(tǒng)計了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階段的能耗），發(fā)布了《中國建筑能耗研究報告（2020）》。

根據中國建筑節(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%。

建材生產階段碳中和的途徑為調整建材生產耗能結構，推進建筑材料創(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、建筑垃圾回收利用、固碳材料。建材運輸階段碳中和的途徑為施工運輸車輛電動化，集采平臺碳計量。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、新能源施工設備。建筑運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驅動建筑廢料全生命周期內循環(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)是建筑運行階段實現2060碳中和的一個可能的路徑，也是目前建筑節(jié)能領域討論較多的一個新方向，本文著重對“光儲直柔”碳中和路徑進行介紹和探討。

3 光儲直柔新能能源系統(tǒng)

盡管我國從上世紀八十年代即開始大力推行建筑節(jié)能工作，但建筑運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，為適應高比例的可再生能源結構，建筑電氣化已經成為未來的發(fā)展趨勢[1-2]。

3.1 光儲直柔新能能源系統(tǒng)的組成

為實現碳中和的目標，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用，所以風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)電裝置的廣泛應用，在建筑當中實現“光伏發(fā)電、儲能蓄電、直流供電、柔性用電”成為可能?！肮鈨χ比帷毙滦湍茉聪到y(tǒng)是建筑運行階段實現2060碳中和目標的一個重要路徑，同時，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?！肮鈨χ比帷毙滦湍茉聪到y(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，包括電動汽車內的蓄電池和建筑內部的蓄電池，為建筑形成比較大的蓄電能力，來解決移峰調節(jié)問題；“直”是指建筑內部的直流配電系統(tǒng)，通過對直流電壓的控制，調節(jié)建筑內部用電設備的用電功率，從而實現“柔”；“柔”是柔性用電，使建筑用電成為彈性負載，電網取電曲線和建筑用電曲線解耦，讓建筑用電不再是剛性負載。建筑取電量隨外網風電光電情況變化，建筑用電負荷和外網發(fā)電量的差值依靠建筑內及電動汽車蓄電裝置和直流負載調節(jié)維持建筑的運行，即做到需求側響應，從而具備與城市電網互動的能力，并有效消納外來的風電光電[3]。

3.2 光儲直柔新能能源系統(tǒng)的運行原理

“光儲直柔”新型能源系統(tǒng)的運行原理如圖1所示。首先，需在某建筑群附近或百公里范圍內設置風光電基地。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告給光電風電基地的控制中心。接下來，控制中心根據氣象預報得到風光電發(fā)電曲線。最后，控制中心根據各建筑申報的用電曲線進行優(yōu)化調度，給出各建筑次日的實際取電曲線，該曲線使各建筑的蓄能調節(jié)量最小。這樣，各建筑的瞬時用電總量均等于風電光電的瞬時發(fā)電總量，當沒有風電光電供應時，各“光儲直柔”建筑不從電網取電，而僅依靠建筑儲能系統(tǒng)運行。盡管“光儲直柔”建筑形式上依然利用電網，而電網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格按照實際風光電的變化而變化，所以“光儲直柔”建筑的運行能源均來自于風電和光電零碳電力?？梢?，“光儲直柔”新型能源系統(tǒng)既可解決風電光電消納的問題，也可以解決建筑零碳運行的問題[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)的示范項目

《中國“光儲直柔”建筑研究項目》是由能源基金會支持的國際合作智庫性質研究項目，于2021年3月啟動，為期1年。項目定位于對中國“光儲直柔”的基礎性、前瞻性政策分析研究與工程實踐探索，成果報告將在國內外公開發(fā)表，并向政府有關部門提交政策咨詢建議。項目由清華大學建筑節(jié)能研究中心牽頭，組織國內著名研究機構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、浙江電網湖州魯能賓館示范項目、青島奧帆中心建筑光儲直柔更新示范、西寧機場三期工程光儲直柔示范項目[5]。

就單項技術而言，光、儲、直、柔已有大量研究，其中與建筑場景相結合的探索也不少，例如光伏與建筑相結合的設計、采用低壓直流配用電系統(tǒng)的建筑等都能在國內找到不少示范工程。將“光儲直柔”各項技術有機融合并集成示范的項目還不多，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多聯機系統(tǒng)、LED照明系統(tǒng)、直流多媒體、直流辦公設備、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)項目也正在緊張施工中（圖3）。項目將通過合理利用海水源熱泵、太陽能光伏光熱、風力發(fā)電、污水源熱泵、工業(yè)余熱等清潔能源技術，對區(qū)域范圍內10座建筑開展能源站設備更換、能效系統(tǒng)提升、光儲直柔應用等升級改造工作[7]。

圖2 深圳市未來大廈

圖3 青島奧帆中心

4 結語

為兌現我國對世界作出的“碳達峰、碳中和”的承諾，能耗大戶建筑業(yè)必須加快改革步伐。盡管我國從上世紀八十年代就開始大力推行建筑節(jié)能工作，但建筑運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，為適應高比例的可再生能源結構，建筑電氣化已經成為未來的發(fā)展趨勢。近年來，隨著光伏發(fā)電裝置的廣泛應用，在建筑當中實現“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)是建筑運行階段實現2060碳中和目標的一個重要路徑，同時，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，構建以“開源節(jié)流、合理配置”為基礎的建筑能源高效利用技術體系，減少建筑及建筑內系統(tǒng)的能耗，今后應基于“光、儲、直、柔”等節(jié)能綠色技術的理論基礎，加強建筑內可再生能源的存儲、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，進而構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)化調控策略，為綠色低碳建筑建造-運維提供重要的技術基礎，打造雙碳背景下柔性能源低碳建筑新技術，開拓高效建筑運維內核研發(fā)新領域。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-設計-運維提供一站式解決方案，為建筑運維、調試等階段的業(yè)務領域提供技術支撐，助力建筑業(yè)在碳中和領域形成技術儲備。