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林波榮:雙碳目標下建筑行業碳減排路徑及科技創新重點

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來源:友綠網

本文作者:林波榮,清華大學建筑學院副院長,教育部長江學者特聘教授,國家杰青,清華大學生態規劃與綠色建筑教育部重點實驗室主任,2020年科學探索獎獲獎者。


01

“雙碳”目標提出背景

1、全球氣候變化和中國承諾

首先我們來看一下碳中和的發展背景。1997年,英國未來森林公司首次提出碳中和概念;到2015年,《巴黎協定》提出,在本世下半葉實現溫室氣體源的人為排放與匯的清除之間的平衡;2018年,IPCC《全球升溫1.5℃特別報告》提出,要實現將全球溫升控制在1.5℃目標,需要到2050年實現溫室氣體凈零排放也即碳中和。


2019年以來,越多越多的國家提出碳中和目標,目前總數已經超過140個,碳中和的概念在世界各國慢慢深入人心。碳中和強調一定時期內,人為溫室氣體排放量與人為溫室氣體清除量相平衡,其內涵是經濟社會發展與化石資源消耗脫鉤。


從中國的角度來看,習近平主席于76屆聯合國大會一般性辯論再次重申:中國將力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。


2、雙碳目標既是挑戰也是機遇

1) 挑戰—要付出極其艱巨的努力

· 從經濟社會發展階段看,我國尚處于工業化城鎮化快速發展階段,碳排放總量和強度“雙高”將持續;

· 從碳達峰和碳中和實現時間周期看,我國僅30年左右,短于歐美等發達國家承諾的40~70年;

· 從技術儲備看,當前我國低碳、零碳、負碳關鍵核心技術的發展水平不足以支撐碳中和目標實現。


2) 機遇—經濟社會發展的新引擎

· 約1元能源投資可以創造9元社會福祉,每年GDP貢獻率超過2%(全球能源互聯網發展合作組織測算);

· 市場投資催生技術創新,驅動產業發展,創造大量就業崗位。


因此,這里引用《斯特恩報告》來提示我們:問題不在于是否負擔得起采取行動的成本,而是是否承受得起不采取行動的后果。碳中和是我們必須要面對的一個問題。


3、我國碳排放現狀及建筑業碳排放趨勢

2020年,全國的二氧化碳排放量是112億噸,包括40億噸供給側碳排放和72億噸消費側碳排放,供給側碳排放主要包含了電力燃料等,其中電力占比約36%;消費側主要包含工業、建筑、交通等,其中工業占44%,建筑占10%,交通占10%。上面的百分比數字指的是直接碳排放,因此當我們討論碳排放時,我們需要分清楚是直接碳排放、間接碳排放還是隱含碳排放。


為了方便統計計量,根據IPCC定義劃分了4個直接碳排放部門:工業、建筑、交通、電力。但是建筑的碳排放不僅是直接碳排放,它還包含了使用熱力、電力導致的間接碳排放。因此,建筑的碳排放直接和間接加起來大概是22%,還有一部分約20%是隱含碳排放,主要指的是建材的消耗導致的碳排放,這部分其實都跟工業相關。所以綜合來看,建筑業的碳排放占比達到了42%,這是一個很大的比例。

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2021年10月24日,國務院印發了2030年前碳達峰行動方案的通知—國發〔2021〕23號,提出了十大行動,主要為了達成以下幾個目標:


1) 產業結構和能源結構調整優化取得明顯進展;

2) 重點行業能源利用效率大幅提升,煤炭消費增長得到嚴格控制;

3) 新型電力系統加快構建;

4) 到2025年,非化石能源消費比重達到20%左右;

5) 到2030年,非化石能源消費比重達到25%左右。


4、能源綠色低碳轉型行動

1) 推進煤炭消費替代和轉型升級。加快煤炭減量步伐,“十四五”時期嚴格合理控制煤炭消費增長,“十五五”時期逐步減少。嚴格控制新增煤電項目,……,積極推進供熱改造,推動煤電向基礎保障性和系統調節性電源并重轉型。嚴控跨區外送可再生能源電力配套煤電規模,新建通道可再生能源電量比例原則上不低于50%。推動重點用煤行業減煤限煤。大力推動煤炭清潔利用,合理劃定禁止散燒區域,多措并舉、積極有序推進散煤替代,逐步減少直至禁止煤炭散燒。


2) 大力發展新能源。全面推進風電、太陽能發電大規模開發和高質量發展,堅持集中式與分布式并舉,加快建設風電和光伏發電基地。加快智能光伏產業創新升級和特色應用,創新“光伏+”模式,推進光伏發電多元布局?!e極發展太陽能光熱發電,推動建立光熱發電與光伏發電、風電互補調節的風光熱綜合可再生能源發電基地。因地制宜發展生物質發電、生物質能清潔供暖和生物天然氣。探索深化地熱能……開發利用。進一步完善可再生能源電力消納保障機制。到2030年,風電、太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上。


3) 因地制宜開發水電。


4) 積極安全有序發展核電。


5) 合理調控油氣消費。


6) 加快建設新型電力系統。構建新能源占比逐漸提高的新型電力系統,推動清潔電力資源大范圍優化配置。大力提升電力系統綜合調節能力,加快靈活調節電源建設,引導自備電廠、傳統高載能工業負荷、工商業可中斷負荷、電動汽車充電網絡、虛擬電廠等參與系統調節,建設堅強智能電網,提升電網安全保障水平。積極發展“新能源+儲能”、源網荷儲一體化和多能互補,支持分布式新能源合理配置儲能系統。制定新一輪抽水蓄能電站中長期發展規劃,完善促進抽水蓄能發展的政策機制。加快新型儲能示范推廣應用。深化電力體制改革,加快構建全國統一電力市場體系。到2025年,新型儲能裝機容量達到3000萬千瓦以上。到2030年,抽水蓄能電站裝機容量達到1.2億千瓦左右,省級電網基本具備5%以上的尖峰負荷響應能力。


5、新形勢與新任務

1) 中辦、國辦印發《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》(2021.10)

到2025年,建設方式綠色轉型成效顯著,碳減排扎實推進,城市整體性、系統性、生長性增強,“城市病”問題緩解,城鄉生態環境質量整體改善,城鄉發展質量和資源環境承載能力明顯提升,綜合治理能力顯著提高,綠色生活方式普遍推廣。


2) 中共中央、國務院印發《國家新型城鎮化規劃(2021-2035年)》(2022.1);發改委印發《“十四五”新型城鎮化實施方案》(2022.7)

建設城市發展必須由“外延式擴張”為主向“內涵式發展”為主轉變;強調要堅持人民城市人民建、人民城市為人民,加快轉變發展方式,建設宜居、韌性、創新、智慧、綠色、人文城市。


3) 國務院批復《“十四五”新型城鎮化實施方案》(2022.5)

以滿足人民日益增長的美好生活需要為根本目的,深入推進以人為核心的新型城鎮化戰略,完善以城市群為主體形態、大中小城市和小城鎮協調發展的城鎮化格局,推動城市健康宜居安全發展。


4) 科技部等9部門印發《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》(2022.8)

加快突破建筑高效節能技術,建立新型建筑用能體系。加強建筑拆除及回用關鍵技術研發,突破綠色低碳建材、光儲直柔、建筑電氣化、熱電協同、智能建造等關鍵技術。


5) 住建部、發改委印發《城鄉建設領域碳達峰實施方案》(2022.6)

“大量建設、大量消耗、大量排放”基本扭轉;“城市病”問題初步解決;建筑品質和工程質量進一步提高,人居環境質量大幅改善;綠色生活方式普遍形成,綠色低碳運行初步實現。


6、北京市能源現狀

1) 煤炭消費量大幅削減

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2)可再生能源供給比重持續提升

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3) 用電量

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4)形成以熱電聯產、燃氣供熱主導,多種能源、多種供熱方式相結合的清潔供熱體系

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5) 北京市碳排放現狀(團隊測算)

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02

國外經驗及啟示:政策、技術、實踐

1、發達國家碳中和目標與政策路徑

美國、歐盟、英國、日本等發達國家都十分重視建筑部門減排,針對2050年碳中和目標的戰略規劃中,均涉及了建筑部門碳減排方案。

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從標準體系、技術創新、政策體系構建等層面提出了系列中長期減排路徑:


1) 提升建筑節能標準,推廣綠色建筑

· 美國“零碳排放行動計劃”提出要出臺新的建筑能源法規(NECB);

· 日本《綠色增長戰略》將制定下一代住宅和商業建筑的節能規則制度列為重點;

· 美國、英國、日本等國綠色建筑評價標準均已明確了綠色建筑的碳排放要求。


2) 推動針對老舊建筑的節能低碳化改造

· 2020年法國設立建筑翻新工程補助金、幫助700萬套高能耗住房符合低能耗建筑標準;

· 德國《氣候行動規劃2050》、歐盟《歐洲綠色新政》、英國《綠色工業革命10點計劃》;

· 韓國“綠色新政”計劃等均將推動建筑升級、綠色化改造列為重要行動之一。


3) 加強低碳建筑技術創新,打造低碳建筑、零碳建筑

· 英國提出要針對建筑領域加強低碳熱網、混合熱泵和高溫熱泵、氫能產熱等技術創新;

· 日本將推進建筑用能智慧化管理、太陽電池與太陽能建筑一體化等技術;

· 歐盟2020年“革新浪潮”倡議提出通過技術創新推動2030年所有建筑實現近零能耗。


4) 通過財政補貼、綠色金融等經濟激勵,推動綠色建筑產業發展

· 英國將綠色創新和金融作為《綠色工業革命10點計劃》之一;

· 2021年日本設立“綠色住宅積分”制度,符合節能標準的新建或改造住宅可享受最高上百萬日元的換購補貼。


2、落實雙碳目標的關鍵之一是構建新型電力系統

1) 美國目標2050年碳中和(Net Zero by 2050),鼓勵的技術創新包括:

· 電網平衡管理;

· 靈活電力基礎設施;

· 建筑需求端的能源響應。


2) 雙碳背景下,日本國土交通省提出的綠色建筑/零碳建筑發展路線圖:

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3、發達國家大都市能源結構及低碳發展路徑

· 歐美等國家城市以核電為主要可再生能源,其次包括生物質能、水電和風電;

· 計劃2030年實現50%~100%可再生能源比重;

· 均提出要最大化本地可再生能源,發展光伏為主,分布式地熱、廢熱+熱泵等零碳供暖、零碳建筑。

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4、發達國家大都市能源結構及低碳發展路徑(亞洲地區)

· 亞洲等國家大都市人口密集,風光電、核電、地熱等資源相對較為匱乏;

· 首爾2030年可再生能源應用比例14%,東京計劃2030年30%可再生電力、2050年100%零碳能源;

· 也是最大化本地可再生能源,發展光伏為主,結合生物質+垃圾發電,零碳熱能;日本推氫能。

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03

雙碳轉型下建筑行業科技創新的誤區

1、碳達峰/碳中和≠各行業達峰/碳中和/零排放

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無論從國家還是省市層面來看,碳達峰和碳中和不等于每個行業都要達峰,每個行業都實現碳中和甚至零排放。因為雙碳目標的落實不是簡單的要求四個子部門達峰或者中和。2060年全社會碳中和狀態下仍有15億噸左右的碳排放,最終需要我們通過碳匯或者其他方式來實現中和,關鍵是跨部門協同才能效益最大化,在不影響經濟發展的同時實現科學系統減排。但是需要看到,建筑部門具備高質量達峰和提前碳中和能力,可為其他部門碳中和創造更多時間和空間,因此需要相應的政策激勵和創新科技支撐。需要指出的是,發達國家的策略可能不一定可以直接為中國參考,因為歐盟和美國經濟增長已基本與碳排放脫鉤,中國的經濟增長目前跟碳排放還是強相關關系。因此,我們要重視系統的解決方案,強化各個部門之間的協同狀態,以實現雙碳目標。


關鍵:重視系統解決方案,強化跨部門協同解決措施

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資料來源:中國21世紀議程管理中心

這里我們借用一張中國21世紀議程管理中心的圖來說明各部門協同的重要性。以大家熟悉的建筑行業為例,直接碳排放可能在2026年就達峰,直接加間接碳排放預計在2029年就會達峰,2030年碳排放開始下降,因此建筑部門是可以率先達峰。但與此同時工業與電力部門碳排放仍是增長狀態,2030年會達到峰值,交通部門碳排放一直到2035年仍處在增長過程。因此整體來看不是所有部門都會在2030年實現碳達峰。同樣我們看到2050年建筑部門可以實現近零排放,交通也是如此,電力實現零排放,工業還有13億噸左右。所以到那個時候我們的重點是工業部門碳中和,所以這張圖也告訴了我們碳達峰和碳中和的發展路徑事實上是各部門協同、系統統籌優化的結果。


2、城鄉建設碳達峰行動/碳中和≠發展零碳建筑

1) 城鄉建設領域雙碳行動≠零碳建筑(狹義)

· 超低能耗建筑的技術路線,圍護結構性能提升,已到瓶頸,繼續提升導致增量成本更高;

· 實現零能零碳建筑,增量成本?(600~1000元/平米,從各地補貼和工程實踐)。


2) 可能的解決方案(成本下降50%,國際能源署IEA的建議,11.4)

· 空間低碳+主動技術協同;

· 發電端、電網、需求響應和儲能等技術,在各種市場條件下實現大規模的多能融合;

· 推廣冰/水蓄冷、風機水泵電梯變頻等需求側響應技術;

· 支持節能措施推進高效設備應用;刺激市場融資機制,創新商業模式。


3、碳達峰/碳中和不能只抓新建,忽視既有

需要指出,既有建筑碳減排是關鍵。例如某市既有建筑面積占比約85%,其中2000年前建成的建筑面積約占1/4,普遍存在節能標準落后、墻體窗戶等圍護結構老化、碳排放強度大等問題。如果我們只抓新建,事實上只抓住了真正排放中的很小一部分問題。為此,我們需要:


一是調整既有建筑改造的重點、措施和經費使用方向。

(1)保溫層改造補貼用于窗戶改造、電氣化補貼或熱力管網改造等收益投入比更高的方面;

(2)取消光熱補貼,加大光電補貼;

(3)逐步淡化超低能耗補貼,調整為對既有建筑采用低碳、零碳措施的補貼。


二是率先推進公共建筑低碳節能改造,逐步推進居住建筑自愿/主動進行低碳節能改造。


04

科技創新重點

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1、用能柔性化

建筑能源系統全電氣化和柔性化:適用于新型電力系統的雙向柔性平衡。


· 圍護結構:建筑本體圍護結構可發揮一定的冷熱量蓄存作用,與暖通空調系統特征相關聯后可作為重要的建筑儲能/蓄能資源;

· 水/冰/相變材料蓄冷蓄熱:蓄熱系統,實現電力移峰填谷;

· 電動車和各類設備電器的儲能能力提升:作為一種重要的蓄電池資源,可發揮對建筑能源系統進行有效調蓄的重要作用。

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(1)供暖、熱水、炊事電氣化/可再生化;

非集中供暖地區建筑供暖——利用熱泵替代鍋爐制備熱量(中溫)


1) 建筑供暖熱源

· 空氣源熱泵:在北方農村“煤改電”中得到廣泛應用,運行費為燃氣一半。

· 污水源熱泵:利用城市污水提取熱量,COP可達4。

· 土壤源熱泵:垂直埋管,管內水循環,獲得~10℃熱量,再由熱泵提升。

· 中深層地源熱泵:垂直~2500米左右深井埋管,管內水循環,取熱不取水。


2) 炊事:智能變頻電氣灶


3) 蒸汽全電氣化:

小型電驅動熱泵蒸汽發生器(0.5t/h),針對醫院蒸汽消毒、洗衣房等(低壓閃蒸,壓縮機輔助);實現部分負荷部分壓縮比下的高效調節。


4) 熱泵制備生活熱水( CO2為工質)從空氣中或排水中提取熱量,COP可達3。


(2)光儲直柔+源網荷儲用

光儲直柔系統:配置分布式光伏和儲能系統,采用直流電氣系統,且末端設備具備柔性和智能化用電調節能力的建筑新型能源系統。


目標是柔,光伏、蓄電池和直流化都是手段,關鍵是提升電網柔性。


《2030碳達峰行動方案》(國發〔2021〕23號):“提高建筑終端電氣化水平,建設集光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑。到2025年,城鎮建筑可再生50%”。

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柔性用能系統

· 蓄能空調系統|Thermal-storage Air-Conditioning System:變頻高性能冷水機組+冰蓄冷(水蓄能);


· 建筑本體蓄能| Building Energy Storage:增加建筑本身蓄能,合理平移、削減建筑用能負荷(雙層幕墻、地板或墻體內敷設水管、蓄熱混凝土或相變材料);


· 智能雙向充電樁|Smart Vehicle-to-Building:充分利用本場地資源,建設智能雙向充電樁,實現建筑與電動車協同雙向柔性儲供電,實現建筑-車輛-電力的協同;


2、材料高新化

搭建再生建材節能的全生命周期體系,關注高性能新材料如氣凝膠超級絕熱材料,輻射自然降溫材料,熱電材料(常溫自發電)等,這在未來的五到十年都有可能實現顛覆性的發展。

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(1)推廣低碳結構和高性能建材

· 減少水泥、鋼筋、玻璃等高碳建材使用;

· 形成低碳為目標導向的建筑設計新美學:竹木材料、利用植物纖維或殘渣制成的新型環保建材;

· 高性能鋼材、高性能纖維復材、高性能水泥基材料的高性能結構體系;

· 基于鋼材、纖維復材、水泥基材料、竹木材料等復合應用的高性能結構體系。


(2)低碳建材的高性能結構體系

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公建:剪力墻>框剪>鋼結構>框架>木結構,最高為最低的3倍;

住宅:框剪>剪力墻>框架>砌體>鋼結構>內澆外砌;最高為最低的1.6倍。

所以,未來需用政策/標準/價格強化引領低碳結構體系的應用。


(3)高性能可調節圍護結構展望

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· 新技術墻體——熱二極管、熱穩定器、熱開關基本原理:

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· 新技術墻體——圍護結構熱二極管的應用:

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· 新技術墻體——圍護結構熱穩定器的應用:

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· 新技術墻體——圍護結構熱開關的應用:

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· 輻射冷卻——原理:

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3、設計智能化:多目標導向綠色建筑智能設計方法

強化乘法效應:針對傳統空間節能和設備節能脫節的問題,提出“乘法效應”優化思路,融合了建筑空間/熱工/時間與設備節能:

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例如:東莞生態園辦公樓:分區控溫,中庭不控溫,自然通風


利用自然通風后,空調時間可縮短40天左右;單項技術可降低空調耗電量約15%,折合22.3萬kWh/a;榮獲 2017 年國際氣候大會 Construction 21 全球綠色建筑智慧解決方案獎第 2 名;全國綠色建筑創新獎一等獎;三星級綠色建筑運行標識項目;實測能耗:50kWh/平米年,節能55%;用戶滿意度>85%。


1) 問題:針對建筑空間創作設計創新性認知難題。


思路:提出設計三維建模過程認知表征方法和命令物體圖譜,建立了基于事件日志和數據導向的設計思維認知模式。

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2) 問題:傳統模擬計算速度慢,機器學習幾何形體參數受限。


思路:建立深度學習快速性能預測代理模型,構建住宅平面和街區體塊數據集,增強形體感知通用性,實現天然采光和自然通風性能模擬時間節約>95%。

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3) 問題:人工提取耗時、易出錯,亟需低成本、快速提取方法。


思路:提出了基于OCR和區域生長的住宅戶型平面圖自動識別算法,構件層級的準確率達100%,識別率>96%。

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研發了基于智能設計機器學習算法和基于云端并行技術的大尺度(城區尺度)的性能快速算法,成果作為Building Simulation 封面文章發表。

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4、環境人因化:新型環境控制方法與產品開發

傳統:全空間、全時間環境營造方式,存在所供≠所需or所用>當用,能耗高。


本研究:按需供給,精確匹配,聚焦從動態時間/空間實現以人為本(人因工程學)的健康環境營造與深度節能減排策略創新,實現所供=所需,所用=當用。

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我們要從傳統的全空間、滿時間的設計變為部分時間、局部空間的設計。傳統營造方式,所供不等于所需,所用會大于當用,我們新的方式要針對人,以人為核心、以人為本來實現精確供給,從而實現所供等于所需,所用等于當用。這樣在基于空間可變、環境可調,個性化、自然化、健康化的三化理念來實現圍護結構、供暖、空調、照明系統的產品變革。


問題:非視覺健康光環境營造缺少國產化的核心技術和產品。


思路:開發新型智能五通道調節燈具,提出考慮視覺和非視覺效應、天然光和人工光相結合的調節方法,非視覺節律刺激范圍擴大1倍以上,節能30%。

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5、運維智慧化

建筑環境健康與低碳智慧運維(科技變革):BIM-IoT空間實測技術、多維環境/能耗場和人體健康關聯的海量數據挖掘技術、 空間流線的AI運維技術等。

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(1)二維/三維室內環境場的構建、可視化與智能調控


基于室內環境參數時空分布特征的環境健康與安全識別診斷、風險預警和保障技術。

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取代傳統靜態的集總參數法,可分時段、分區域對室內環境性能表現進行精細化剖析和靶向診斷。


(2)數據驅動的環境健康與節能智慧運維


信息反饋在多目標環境群體調控的作用機制:

· 群體+個性化”的智能調控新方式(替代“自上而下”);

· 消除個體偏見,科學引導用戶行為——多目標調控策略。

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提出3類5種適用于建筑環境控制需求的預測優化智能算法:基于預測結果開展前饋控制,適用于多場景,預測精度提升約15%。

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已應用于辦公樓、綜合體等40余個典型公建,揭示了不同類型建筑室內環境的多參數、動態耦合規律;


研發了醫院、監獄等場所呼出氣溶膠傳染風險監測預警技術,解決了疫情初期無法實時直接測量新冠病毒的難題。


05

總結——抓住機遇,推進建筑業可持續發展

1、更好推進以人為核心的城鎮化,使城市更健康、更低碳、更宜居,成為人民高品質生活的空間;

2、低碳→碳中和,更強調數據、科學,更重視科技創新;

3、低碳、健康、智能,是未來創新的主題;

4、搶抓科研范式變革新機遇,增強源頭創新,注重:場景驅動、工程服務、問題驅使;

5、跨學科合作,協同創新。


-全文完-


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