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中国建筑节能研究之公共建筑碳中和的新要求与挑战

“积极稳妥推进碳达峰碳中和,深入推进能源革命,加快发展方式绿色转型,发展绿色低碳产业,倡导绿色消费,推动形成绿色低碳的生产方式和生活方式。”

——摘自《二十大报告》

要实现“30·60”双碳战略目标,建筑领域将成为重要战场,而公共建筑碳中和的实现更是重中之重。

01

中国公共建筑能耗现状

公共建筑体量将持续增长

近年来,我国城镇化高速发展。2020年,我国城镇人口达到9.02亿,城镇化率从2001年的37.7%增长到63.9%,大量人口由乡村向城镇转移。

快速城镇化带动建筑业持续发展,建筑业规模不断扩大,到2020年,我国建筑面积总量约660亿m²,成为世界上建筑面积最大的国家,其中,公共建筑面积140亿m²,占比约21%。

我国人均公共建筑面积与一些发达国家相比还处于低位。未来,医院、学校、交通、文体等建筑将成为主要增长类型,而随着互联网和电子商务的快速发展,办公和商场的规模将很难继续增长。

建筑运行成节能降碳的“主战场”

从能源消耗的角度来讲,建筑领域的能源消耗包括建筑建造能耗和建筑运行能耗两大部分

建造阶段的能耗指的是建筑建造所导致的从原材料开采、建材生产、运输到现场施工所产生的能源消耗;运行阶段的能耗指的是为使用者提供供暖、通风、空调、照明、炊事、生活热水以及其他为了实现建筑的各项服务功能所产生的能源消耗。

我国建筑和基础设施建造能耗与排放占比高于全球整体水平。但随着我国逐步进入城镇化新阶段,建设速度放缓,建筑建造的能耗与排放占比全社会的比例将减少,而建筑运行能耗和排放占比将会进一步增大。

根据清华大学建筑节能研究中心的估算,2020年,我国建筑运行能耗占全社会总能耗的21%,产生的二氧化碳排放量占全社会总量的19%,是能耗和碳排放的双料“大户”,将成为中国节能降碳工作最主要的“战场”之一。

02

建筑的绿色转型更需转变理念

建筑运行过程中的碳排放,主要包括直接碳排放和间接碳排放。其中,非二氧化碳温室气体排放会折合为二氧化碳当量进行表示。

根据中国建筑能源排放分析模型CBEEM的分析结果,2020年我国建筑运行过程中的碳排放总量为21.8亿tCO2,直接碳排放占比27%,电力相关间接碳排放52%,热力相关间接碳排放占比21%。

建筑运行相关二氧化碳排放量(2020年)

直接碳排放主要包括直接通过燃烧方式使用燃煤、燃油和燃气这些化石能源,在建筑中直接排放的二氧化碳。

间接碳排放又分为电力间接碳排放和热力间接碳排放。前者指的是从外界输入到建筑内的电力,其在生产过程中所相应的碳排放;后者指的是北方城镇地区集中供热导致的间接碳排放。

建筑领域直接碳排放实现零排放的关键在于推进“电气化”的时间点和力度。在各类新建和既有建筑中推广“气改电”是实现建筑运行直接碳排放归零的最重要途径。分析表明,电气化转型在80%情况不会增加运行费用,并且可在5年左右收回设备初投资。因此,推行建筑电气化的主要障碍不是经济成本,而是用能理念认识的转变。

电力间接碳排放的持续增长原因在于近年来建筑用电量的增长。通过全面推广“光储直柔”配电方式,可以使建筑用电的零碳目标先于全国电力系统零碳目标的实现

而热力间接碳排放近年来虽有所下降,但仍需进一步加强既有建筑节能改造,充分挖掘各种低品位余热资源,淘汰散烧燃煤锅炉。预计可以在2025年左右实现建筑运行使用热力的间接碳排放的达峰,并随电力部门对剩余火电零排放改造的逐步完成,可与电力系统同步实现建筑热力间接碳排放的归零。

03

公共建筑能耗特征与发展趋势

2020年由于受疫情影响,各类公共建筑的运行时长和运行强度在管制措施的作用下,能耗强度近年来首度出现小幅下降。但从长期趋势来看,我国公共建筑的规模总量和能耗强度仍在持续增长。

2001年以来,四分之三的公共建筑新建而起,尤其是近年来竣工的公共建筑很多属于大体量、采用中央空调的高档商业建筑,其单位面积电耗都在100kWh/m²以上。

这部分建筑由于建筑体量和形式约束导致的空调、通风、照明、电梯等用能强度远高于普通公共建筑,这也是我国公共建筑能耗强度持续增长的重要原因。

各类公共建筑竣工面积占比(2020年)

公共建筑的节能重点领域发生新变化

随着我国城镇化不断发展,未来公共建筑发展重点不再是办公、商场和酒店建筑。

一方面是受新冠肺炎疫情和电商、物流发展的影响,这三类公共建筑增速放缓,建设规模逐步达峰;另一方面,这三类公共建筑更加注重节能,控制实际的运行能耗,已经开展了不同程度的节能改造,使得运行能耗强度确实出现下降。

人民生活密切相关的公共服务设施快速发展

在“十三五”期间,学校教育建筑,医疗卫生建筑,地铁站、高铁站、机场航站楼等交通枢纽建筑规模增长非常显著。预计到2035年之前,这三类公共建筑的规模仍将进一步增长,将成为公共建筑节能的重点区域。

其中,交通枢纽建筑节能应用发展较好,但学校教育建筑和医疗卫生建筑由于单体建筑规模不大,投资建设主体分散,无论是既有建筑的节能改造还是新建建筑节能,都需要一个项目一个项目的具体攻克,没有形成快速复制和推广模式,实际推进缓慢。

公共建筑与部分“工业建筑”的边界逐渐模糊

公共建筑节能的领域逐步渗透到对室内环境要求较高的各类建造在“工业用地”“或物流仓储用地”上的建筑。例如腾讯、阿里、华为、百度等互联网企业的产业园区、办公空间、数据中心等,其能源消耗与节能潜力也巨大,这类“工业建筑”更偏向公共建筑。

过去由于其运行能耗成本占营收比例较小,并未受到重视,但随着“双碳”目标的深入,疫情对成本控制的影响,这类建筑在“十四五”期间就会成为节能重点。

煦联得为松下冷链(大连)有限公司实施的红外线辐射采暖系统改造,比原市政采暖系统节能80%以上,人体体感温度上升5℃。

文化体育类对环境有特殊要求的公共建筑节能潜力大

以冬奥会场馆及各地近年来兴建的体育场馆、奥体中心为例,其场馆设施建设标准较高,冷热电源配置、暖通空调系统、机电系统等配置都较大。然而,实际举办赛事并不频繁,设备设施长期低负荷运行、大马拉小车低效运行现象非常普遍。

特别是室内游泳馆、滑冰馆、甚至室内滑雪馆,还有相应的“工艺要求”,能耗更高。如博物馆、植物馆、海洋馆等对室内环境要求较高的公共建筑,其节能潜力也非常大。

煦联得为北京2022年冬奥会比赛场馆国家体育馆提供采暖系统节能服务(施工现场)。

多种功能混合、多个建筑共同构成的社区、园区、新区节能低碳发展出现新的机遇。

经过近二十年的发展和工程实践,通过运行效果、实际发生的能源成本等实际数据检验,证明冷热电三联供、“摊大饼、跑马圈地”式集中式供冷系统等适合美国建筑使用模式和生活方式的技术,并不适合中国社区、园区、新区的实际需求。

因为中国不论哪一类建筑,都不会按“全时间、全空间供暖空调”“100%依靠机械通风”的美国模式来运行。这是中国人、建筑、城市几千年形成的文化,或者说传承的“基因”就是“低碳”的。

在实现“双碳”目标的要求下,以光伏发电和各种零碳低品位热量为供应源,建立灵活、分散、协同、共享的能源利用和转换系统,再利用互联网、物联网等新技术实现智慧运维调控,可以实现社区、园区、新区的“零碳运行”。

“零碳”园区意境图。来源网络

04

“双碳”目标对公共建筑的总体要求

最需要强调的是,2020年9月,我国在联合国大会上提出的“30·60双碳目标”,是国家对加强生态文明建设、全面完整准确贯彻新发展理念做出的重大战略部署

作为建筑节能重点领域的公共建筑,需要从强化能耗总量和强度“双控”,发展为能耗与碳排放总量和强度“双双控”;从进一步节能和提升建筑与系统能效,发展为提升建筑用能系统的柔性和韧性、建设“光储直柔”的建筑、社区、园区能源系统,提升可再生能源利用量,吸纳电网可再生电量;尽快建立全过程节能低碳管理体系;尽快大幅度降低各类公共建筑的碳排放强度……

可以明确的目标是公共建筑碳排放总量与建筑面积的增长将“解耦”,在“十四五”和“十五五”期间各类公共建筑实际运行能耗和碳排放将持续下降。做到早达峰、短平台、防翘尾、真创新、稳下降,助力城乡建设领域实现“双碳目标”。

(文章整理自《中国建筑节能年度发展研究报告2022》,仅供学习交流使用,完整内容请购买正版图书。)

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