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低碳建筑:我国低碳城市建设的重点
日期:2021-05-31 作者:未知 来源:环境生态网 点击:
  低碳城市是以低碳经济为发展模式及方向、市民以低碳生活为理念和行为特征、政府公务管理层以低碳社会为建设目标和蓝图的城市。在“碳达峰、碳中和”的大背景下,低碳城市已成为城市品牌的新目标。城市是现代社会经济活动的聚集地,是国民收入主体,城市碳排放为城乡碳排放总量的70%~80%。近年来,随着城市建设步伐加快,城市中为人们提供工作和生活空间的建筑,其建造过程和维护运行过程能耗巨大,碳排放已达城市碳排放总量的40%以上。由此可见,低碳建筑是我国低碳城市建设的重点。下面,笔者就低碳建筑问题谈谈个人粗浅看法——
  大力推进建筑绿色节能普及化
  绿色建筑是低碳城市的重要组成部分。绿色建筑建设包括:建筑节能政策与法规的建立;建筑节能设计与评价技术;供热计量控制技术研究;可再生能源等新能源和低能耗、超低能耗技术与产品在住宅建筑中的应用;推广建筑节能,促进政府部门、设计单位、房地产企业、生产企业等形成合力。
  为进一步加大建筑节能减排力度,2020年7月住建部、国家发展改革委等多部门发布《绿色建筑创建行动方案》要求:到2022年城镇新建建筑中绿色建筑的面积占比达70%,进一步提高既有建筑能效水平和推广绿色建材应用。与此同时,部分地方政府先后出台绿色建筑标准,新建建筑中绿色建筑的比例大幅提升,全国多地超低能耗、近零能耗绿色建筑相继建成,并呈现出从绿色建筑试点向区域示范发展的良好势头。
  近年来,国家在绿色建筑政策上支持力度较大,形成较为完善的目标、标准、监管体系,取得迅猛发展。但与发达国家相比,仍处于发展阶段,需要进一步提升建筑维护结构性能,具备条件的地区可率先达到近零能耗建筑,最终实现零能耗建筑。对于既有老旧建筑,应通过完善税收补贴奖励机制,采取市场化运作模式,加大改造力度,提升建筑节能水平,以推动“零碳”建筑时代早日来到。
  努力推进建筑用能设备电气化
  能源供给侧向绿色电力转变是“双碳”目标背景下的必然抉择,所以能源需求侧降碳脱碳首先意味着终端电气化。根据国网能源研究院(国家电网公司的综合性能源研究智库)2019年12月的研究成果,我国终端电气化率2050年需达到50%以上,其中工业、建筑、交通部门分别达到52%、65%、35%。
  民用建筑分公共建筑和居民建筑,建筑运行能耗主要包括供热取暖、制冷、热水供应、炊事、照明、家电、电梯、通风等方面的能耗。目前,居民建筑的制冷、照明、家电、电梯、通风已实现100%电气化,但居民建筑的供热取暖、热水供应、炊事以及公共建筑的供热取暖、制冷、热水供应、炊事等的电气化率仍然较低。
  我国北方城镇普遍实行集中供热取暖,主要热源为燃煤(燃气)热电联产和燃煤(燃气)锅炉。2017年我国大力推行北方地区清洁取暖工作,一些城市对区域集中供热采暖热源实施了“煤改电”替代工程,在推动我国建筑供热取暖用能电气化方面进行了有益尝试。
  在炊事方面,我国城市居民、单位食堂和餐饮业多数采用燃气灶具。根据清华大学建筑电气化接受程度调研结果显示:一方面,住宅炊事正在逐步向公建炊事转移,今后不但要关注住宅炊事电气化,更要关注单位食堂和餐饮业炊事电气化问题,这将是今后城市炊事碳排放的大头。另一方面,炊事电气化替代技术已基本成熟,各类炊事电器设备不断出现,从家用小型的蒸蛋器到大食堂的电蒸锅、炒锅,在技术上完全可以实现炊事电器全覆盖。因此,实现炊事电气化,取消化石能源的难点主要在于烹调文化和生活习惯。今后,随着炊具电器不断创新和低碳科普教育不断展开,我国城市实现零碳炊事应无较大障碍。
  总之,城市建筑用能电气化需综合考虑公共建筑与居民住宅,也要考虑南北方气候差异。随着人民生活水平提高,家用电器的数量和使用强度呈上升趋势。未来区域性供热取暖和自采暖的电气化也将逐步替代区域性燃煤燃气锅炉,炊事电气化应重点关注餐厅电气化和居民炊事习惯问题。
  同时,应继续完善家电能效标准和标签计划,大力推广智能家电的应用,实现智慧管控,提高系统能效。
  积极推进建筑“用产蓄”能一体化
  3月27日,中国工程院院士、清华大学建筑节能中心主任江亿,在第17届清华大学建筑节能学术周“中国低碳城镇住宅发展”公开论坛上指出,基于我国建筑部门碳中和实现路径的需要,建筑功能也应做相应调整,即:由过去单纯的能源消费者,转变为大规模风电、光电接入的贡献者,集用能、产能、蓄能于一体,协助消纳风电、光电,解决风电、光电的间歇性、波动性所带来的问题。
  充分利用建筑的屋顶空间和其他可接受太阳辐射的外表面安装光伏电池,通过这种分布式光伏发电的形式,可以在很大程度上解决大规模发展光电的时间、空间资源不足的问题,尽可能充分利用建筑表面安装光伏,应该成为建筑设计的重要追求,外表面的光伏利用率也应成为今后评价绿色建筑或节能建筑的重要指标。除了光伏发电,在零碳能源系统中,建筑还要承担又一重要使命,即协助消纳风电、光电。建筑自身的光伏电力的特点是一天内根据太阳辐射的变化而变化。中东部地区和海上的风电、光电基地的发电量也是在一天内根据天气条件随时变化。这些变化与用电侧的需求变化并不匹配,需要有蓄能装置来平衡电源和需求的变化。
  发展建筑表面的光伏发电,这是未来大势所趋。目前,光伏组件的成本越来越低,整体看,我国光伏发电的平均每度电成本已低于煤电。发展光伏也不会给建筑本身带来负面影响,发展光伏的主要困难是接入和消纳,在建筑内没有实现“光储直柔”(光伏发电、储能、直流、柔性调节能力)技术改造。“光储直柔”新型配电系统具体包括:利用建筑表面,发展光伏发电;连接邻近停车场的智能充电桩,并在建筑内部配置部分蓄电池,形成较大储电能力;建筑内部采用直流配电,通过直流电压变化传递对负载用电的需求;变过去刚性用电方式为柔性,使建筑用电与风电、光电联动。当风光发电多时就多用,并储存多余电力。在发电少或不发电的情况下,则靠蓄电装置、电动汽车的电池和负载调节维持建筑运行。由此,构成一个容量巨大的分布式虚拟蓄能系统,以达到电源侧与需求侧之间的平衡。当前,可以先建设建筑周边停车场的光伏直流充电桩,由电动汽车通过慢充方式消纳光伏电力。这样既有利于电动车的推广,又与未来建筑的“光储直柔”配电改造相衔接,既是通向建筑碳中和路径中间的重要节点,又是长远方向与近期任务有机结合的发展方式。
  扎实推进建筑建造维护绿色化
  我国制造业用能占全国能源消费总量的 65%,制造业用能中,80%为钢铁、有色、化工和建材这四个行业。2019 年我国钢产量超过 10亿吨,排世界第一。我国水泥、玻璃等产量达世界总量50%以上,形成巨大的碳排放。
  大量的房屋和基础设施建设带来对钢铁、建材和有色金属的旺盛需求。据统计,我国钢铁产品的70%,建材产品的90%,有色产品的20%都用于房屋和基础设施建造,其中用于房屋建造占一半以上。而这些产品的生产、运输又形成巨大的碳排放。
  我国民用建筑建造由于建材生产、运输和施工过程导致的二氧化碳排放量已达16亿吨,接近建筑运行的22亿吨的二氧化碳排放量。两者之和几乎达到我国碳排放总量的40%,成为全社会二氧化碳排放占比最大的部门。
  我国建筑业过去主要模式是“大拆大建”,这在特定时期有其积极意义,但从长远发展和能耗上看,应更加重视老旧建筑的更新和改造。当不涉及结构主体时,通过建筑加固、维修和改造也可以满足功能提升的需要,与大拆大建相比,就不需要大量钢材和水泥等,同此导致的碳排放要远小于大拆大建。建筑产业应实行转型,从造新房转为修旧房。这一转型将大大减少房屋建设对钢铁、水泥等建材的大量需求,从而实现这些行业的减产和转型。
  加大新型低碳建材和配套的结构体系及建造方式的科研力度,是未来建筑业实现低碳的重要任务。利用从烟气中分离出来的二氧化碳生产新型建材,使建筑成为固碳的载体,可以使建筑业从目前的高碳行业转为负碳行业,为碳中和事业做出贡献。
  稳步推进建筑电力热力零碳化
  我国以煤炭为主要能源,需加速推进清洁能源替代和减排整治,随着碳中和的推进,我国未来将减少煤炭依赖。
  中国幅员辽阔,化石能源储量较为丰富,其中以煤炭资源为主,石油、天然气等资源储量相对少一些。我国能源利用仍然以化石燃料为主,其中煤炭占绝对主导地位,其次是石油、水能、核能、风能和天然气。我国能源长期依赖煤炭等化石燃料,也给我国的生态环境造成极大压力。我国的碳排放量长期居于世界首位,且远高于第二、三、四名的美国、欧洲、日本等发达国家和地区。
  2019年全球二氧化碳排放量为341.7亿吨,中国是98.26亿吨。随着国际社会对气候变化的日益重视,我国所面临的碳减排压力不断增加。
  “十四五”规划对于优化我国的能源结构提出了一系列建议,在此基础上,各地区结合自身的产业结构和资源储备情况分别制定了符合地区实际的政策目标,多个地区宣布将减少煤炭等化石能源消费,增加水能、风能、太阳能、氢能、核能等清洁能源和可再生能源的开发和利用。
  其中,上海市计划在2025年前实现煤炭消费总量占一次能源消费比重下降至30%,并将本地可再生能源占全社会用电量比重提高到8%;
  广东省提出到2025年,实现新能源发电装机规模达到1.0250亿千瓦(包含核电装机1850万千瓦,气电装机4200万千瓦,风电、光伏、生物质发电装机4200万千瓦),并使天然气供应能力达到700亿立方米以上,制氢规模达到8万吨,新增风电1100万千瓦左右;
  江苏省计划到2025年底,实现全省光伏发电装机达到2600万千瓦,风电新增约1100万千瓦,新增投资约1200亿元……
  随着新型能源的发展和能源结构的优化,煤炭占我国能源消费的比重逐年下降。截至2020年,我国煤炭消费量占总能源消费量的比重由2017年的60.4%下降为57%左右。同时,我国的非化石能源消费占比由13.8%上升至15.8%左右,总体能源结构有所改善。
  实现节能减排目标仍需要很大的整治力度和措施。随着国家政策的不断推进,我国能源利用结构已经有所改善。以电厂为例,从目前来看,我国电厂仍主要依赖火力发电,清洁能源和可再生能源的占比较低。2019年,我国煤炭发电比重高达64.6%,而光伏发电占比仅为3.0%,风力发电占比为5.4%。因此要实现节能减排目标非一朝一夕之事,为实现“碳达峰、碳中和”目标,需要不断完善消费绿色能源的鼓励政策,科学调整能源结构,优化能源市场。
  目前看来,对于提高能源效率、促进低碳化发展,我国仍然需要付出很大的整治力度。我国不断提升能源绿色低碳消费水平,推进电能替代,在各个领域推行以电代煤、以电代油,提升电气化水平。加大分散燃煤治理,提高燃煤锅炉的运行效率,加大污染治理力度。根据大气环境改善要求,严格规定燃料禁燃区;推进北方取暖方式清洁化,2019年北方清洁取暖达到55%,与2016年相比,提高21%。
  目前,我国北方城镇建筑有约150亿平方米的冬季供暖面积,随着城镇化进一步发展和居民对建筑环境的需求不断提高,未来北方城镇冬季供暖面积将达到200亿平方米。
  现在,我国北方城镇采暖建筑的冬季平均耗热量为0.3吉焦/平方米,这就需要每年42亿吉焦的热量来满足供暖需求。目前,这些热量中约有40%是由各种规模的燃煤燃气锅炉提供,50%则由热电联产电厂提供,其余10%主要是通过不同的电动热泵,从空气、污水、地下水及地下土壤等各种低品位热源提取热量来满足供热需求。燃煤、燃气锅炉造成约10亿吨二氧化碳的排放,热电联产和电动热泵供热也需要分摊电厂所排放二氧化碳的一部分责任。
  核电是未来零碳电力系统中的重要电源。按照规划,未来将在东部沿海建设核电。核电排出的余热都排入海中,若有效回收这部分热量,将会有效缓解北方地区供热热源不足问题。如果采用跨季节蓄热,使核电全年都按照热电联产运行,几乎可满足80%的北方地区供热需求。所以,核能具有巨大的深度开发利用潜力。
  推进建筑电力和热力绿色化,绝非一朝一夕就可实现,需要统筹规划,分步实施。既要保证建筑电力和热力的民生需求,又要积极稳步推进,逐步进行零碳替代,这也是我国建筑领域最终实现碳中和的关键所在。
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