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    建筑領域實現“雙碳”目標,路徑何在?
    2023-03-31 來源:中國勘察設計雜志 

      建筑領域“雙碳”技術路徑探析

      中信建筑設計研究總院有限公司湯小亮 陳焰華 邱雅凡 於仲義

      2020年9月22日,習近平主席在出席聯合國大會一般性辯論上鄭重承諾:我國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和[1]。此后,習近平主席先后在聯合國生物多樣性峰會、巴黎和平論壇、氣候雄心峰會等20余次的國際會議上重申了這一宏偉目標,并在中央經濟工作會議、中央政治局會議等重要會議上多次強調這一戰略目標。當前,碳達峰碳中和工作已納入我國生態文明建設總體布局,將成為促進我國經濟社會發展全面綠色轉型、推動實現高質量發展的重要舉措。

      建筑作為人們工作和生活的主要空間載體,建材的生產運輸、建筑的建造以及建筑的運行均產生大量的能源資源消耗,是我國能源消耗的三大來源之一[2]。近年來,我國城市建設快速發展,大規模新建建筑的建設及巨大存量既有建筑的運行,產生了大量的二氧化碳排放。根據《中國建筑節能年度發展研究報告2021》,2019年我國建筑面積總量約644億平方米,每年還在以超過40億平方米的速度增加。建筑建造和運行相關二氧化碳排放占中國全社會總二氧化碳排放量的比例約38%,其中,建筑建造占比為16%、建筑運行占比為22%[3]。隨著我國城鎮化水平和人們生活水平的不斷提高,我國建筑的運行能耗在今后5–10年仍將保持增長,建筑領域實現碳達峰碳中和的任務十分艱巨。本文基于建筑能源資源消耗特點及建筑行業的發展趨勢,探討建筑領域實現碳達峰碳中和的技術路徑,以期為我國建筑領域早日實現碳達峰碳中和的戰略目標提供技術參考和借鑒。

      我國建筑領域碳排放現狀

      建筑行業發展現狀

      快速城鎮化帶動了建筑業持續發展,我國建筑業規模不斷擴大。2007年–2019年,我國建筑建設的速度增長迅速,新增凈建筑面積從7億平方米快速增長至當前的每年17億平方米左右。每年大量建筑的竣工使得我國建筑面積的存量不斷高速增長,2019年我國建筑面積總量約646億平方米,其中,城鎮住宅建筑面積為282億平方米、農村住宅建筑面積228億平方米、公共建筑面積136億平方米。

      建筑領域能耗現狀

      建筑領域能耗主要分為建造階段能耗和運行階段能耗,根據《中國建筑節能年度發展研究報告2021》,2019年我國建筑領域建造能耗為5.4億噸標準煤,占全國能源消費總量的11%,高于全球5%的比例,其中,城鎮住宅、農村住宅、公共建筑分別占比為69%、7%和23%。近年來,民用建筑總竣工面積趨穩并緩慢下降,民用建筑建造能耗自2016年起逐漸穩定并緩慢下降。2019年建筑運行的總商品能耗為10.2億噸標準煤,約占全國能源消費總量的22%,低于全球平均水平30%。建筑商品能耗和生物質能共計11.1億噸標準煤,其中,生物質能耗約0.9億噸標準煤。從用能總量來看,呈四分天下的局勢,四類用能(公共建筑、北方供暖、農村住宅、城鎮住宅)各占建筑能耗的1/4左右[3]。隨著公共建筑規模的增長及平均能耗強度的增加,公共建筑能耗已經成為我國建筑能耗中比例最大的一部分。

      建筑領域碳排放現狀

      根據《建筑碳排放計算標準》(GB/T51366–2019),建筑的碳排放包含運行階段、建造及拆除階段、建材生產及運輸階段[4]。2019年我國建筑運行的化石能源消耗相關的碳排放約22億噸二氧化碳,其中,直接碳排放約29%、電力相關的間接碳排放占50%、熱力相關的間接碳排放占21%;建筑建設階段碳排放約16億噸二氧化碳,建材生產運輸階段用能相關的碳排放以及水泥生產工藝過程碳排放是主要部分,分別占比77%和20%;建筑施工階段碳排放約0.95億噸二氧化碳,其中,2014年之前建筑施工階段碳排放一直快速增長,2014年后因建筑施工面積趨于穩定和施工水平的提升而緩慢下降并趨于平穩。從全社會碳排放總量的角度而言,2019年中國建筑建造和運行相關二氧化碳排放約占中國全社會總二氧化碳排放量的38%,其中,建筑建造占比為16%、建筑運行占比為22%。

      隨著建筑需求的不斷攀升、城鎮化水平的不斷提高,我國每年新增建筑面積約20億平方米,加之在南方供暖市場逐漸擴大、人們對美好生活追求不斷增長的情況下,我國建筑領域的碳排放量在未來10年內仍會持續攀升。若維持現有建筑節能政策標準與技術不變,建筑領域碳達峰時間預計在2038年左右,平臺期將集中在2038至2040年,屆時碳排放峰值約將達到25.4億噸二氧化碳,這將明顯滯后全國碳排放總量的達峰時間,無疑對我國兌現“2030年碳達峰”的目標構成了巨大挑戰。因此,面對嚴峻的碳排放攀升形勢,把綠色低碳理念融入建筑全過程,堅持發展超低能耗建筑、星級綠色建筑、電力替代、可再生能源建筑應用等綜合技術措施,將是實現建筑領域節能減碳的基本途徑。

      建筑領域碳達峰技術路徑

      提升新建建筑能效水平

      為盡快實現建筑領域碳達峰與碳中和目標,提升新建建筑能效水平是首要任務。據測算,如我國新建建筑能效按照“低能耗建筑→超低能耗建筑→近零能耗建筑→零能耗建筑”的路徑穩步推進,我國建筑領域碳達峰時間預計將提前到2030年;如新建建筑能效按照“超低能耗建筑右→近零能耗建筑→零能耗建筑”的路徑快速推進,我國建筑領域碳達峰時間則有望提前至2027年。

      隨著近年來建筑節能、綠色建筑和超低能耗公共建筑工作的不斷推進,提升新建建筑的能效水平發展出了一套“被動式技術降需求+主動式技術降消耗”的技術路徑:通過自然通風、自然采光、遮陽、保溫隔熱等被動式技術,降低建筑的能源需求;通過高能效空調機組、節能燈具、節水器具等主動式技術,降低建筑能源資源消耗;以熱、電、氣等能源資源的綜合互補式利用,提升能源系統效率,進而實現新建建筑顯著的能效提升和碳排放降低。

      綠色建筑提質增效

      綠色建筑工作歷經十余年的發展,已逐步從理念普及、試點項目推進走向全面推廣、提質增效的階段。2022年3月,住房和城鄉建設部發布《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》,提出要提升綠色建筑發展質量,通過推進綠色建筑標準實施,加強規劃、設計、施工和運行管理;到2025年,城鎮新建建筑全面執行綠色建筑標準,建成一批高質量綠色建筑項目;采取“強制+自愿”推廣模式,適當提高政府投資公益性建筑、大型公共建筑以及重點功能區內新建建筑中星級綠色建筑建設比例[5]。

      全面推進執行綠色建筑標準,并大力推廣高星級、高品質的綠色建筑,可有效通過綠色建筑中安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節約、環境宜居五大技術體系實現建筑壽命提升降碳、低碳出行降碳、能源資源節約降碳、景觀綠化吸碳,在全面提升建筑品質的同時助力碳達峰碳中和。

      既有建筑綠色節能改造

      既有建筑相對于新建建筑而言,最為關鍵的問題是其節能水平低、規模體量大。近年來,國家大力推行城市更新和老舊小區改造工作,故可以此為契機不斷推進既有建筑綠色節能改造和公共建筑節能管理工作,以實現大規模既有建筑的運行碳排放降低。具體路徑和措施包括:一是在城市更新和老舊小區改造工作的基礎上同步推進既有建筑綠色節能改造;二是持續推動高校、醫院、科研院所等重點公共建筑和公共機構開展綠色節能改造;三是深入推進公共建筑能耗統計、能源審計工作,建立健全能耗信息公示機制;四是加強建筑能耗動態監測平臺建設管理,以能耗后評估推動建筑能源系統節能優化運行;五是逐步推動既有建筑能耗限額管理制度,以合同能源管理、綠色金融等手段支持和鼓勵既有建筑節能改造。

      可再生能源建筑應用

      建筑存在大量的供冷、供熱、衛生熱水及用電需求,不同的能源供應方式產生不同的能耗強度和碳排放強度。太陽能、風能、地熱能、生物質等自然、可再生的能源因其具有明顯的節能減碳效益,越來越受到我國乃至全世界的關注,并不斷加以推廣應用。

      自“十二五”以來,我國已在不斷深入推進可再生能源建筑應用工作,截至2018年底,我國累計太陽能光熱應用集熱面積達到5億平方米、累計太陽能光電建筑應用裝機約為30吉瓦、累計淺層地熱能建筑應用面積約為6.2億平方米、累計空氣源熱泵熱水應用建筑面積約達5億平方米[6]。

      建筑領域的可再生能源應用主要包括生產電力和生產熱力兩種形式。在可再生能源生產電力方面,建筑領域主要可通過太陽能光伏與建筑一體化(光伏屋面、光伏幕墻、光伏瓦、光伏遮陽板等)、風力發電與建筑/場地一體化(建筑屋頂小型風力發電機、場地風光互補路燈等)、農村建筑的生物質發電(如沼氣發電)獲取低碳/零碳電力,并盡量就地使用;在可再生能源生產熱力方面,可充分利用各種熱泵技術將低品位的熱能(淺層地熱能、空氣能等)提升為建筑可直接利用的熱能(如空調供冷/供暖、衛生熱水),利用太陽能熱水與建筑一體化(光熱屋面、光熱墻面、光熱陽臺等)為建筑提供衛生熱水,實現可再生能源的高效、節能、低碳應用。

      可再生能源的兩類建筑應用,一方面可通過生產電力替代燃煤電廠排放的污染物,間接降低了建筑的碳排放;另一方面可通過生產熱力替代燃煤/燃油/燃氣鍋爐、燃氣熱水器等建筑產生的直接碳排放,對建筑領域盡早實現碳達峰與碳中和具有重大意義。根據徐偉[7]等人的研究,隨著可再生能源的推廣使用,建筑碳減排量逐年增加,2030年可再生能源應用可減少碳排放0.54億噸二氧化碳,2060年減排2.04億噸二氧化碳,減碳效果顯著。因此,建筑領域應堅持擴大可再生能源建筑應用規模和提升可再生能源建筑應用質量兩手抓,通過各種管理、技術措施不斷加強推進可再生能源建筑應用工作。

      建筑電氣化及電力脫碳

      對于建筑領域而言,其直接碳排放主要源自燃油或燃氣鍋爐供暖、燃氣熱水器供衛生熱水和炊事用燃氣灶具,推動建筑電氣化,用各類熱泵替代鍋爐或燃氣熱水器、使用電氣化爐灶,可有效減少建筑的直接碳排放;通過大力發展低碳甚至零碳的可再生能源電力,降低電力供應的碳排放因子,可進一步減少建筑的間接碳排放。

      因此,調整能源結構,大力發展可再生能源,推行建筑電氣化是我國建筑領域碳達峰碳中和的重要舉措[6]。

      建筑領域碳中和技術路徑

      基于自然的碳中和路徑主要體現在“保護森林、改進農田管理辦法、農業生產辦法以及保護和再造濕地”三個方面[8],因此,利用生態系統的碳吸收抵消生活生產中的碳排放,通過基于自然途徑吸收或進行減排是實現碳中和目標不可或缺的,也是高效快速的途徑之一。

      在建筑規劃設計過程中,引入人工濕地,使建筑與自然和諧共生,建設項目的“碳匯”及固碳能力將顯著提升。同時,對于建筑單體或單個建筑項目而言,除了場地景觀綠化外,還可進一步考慮屋面綠化、垂直綠化、陽臺綠化以及室內綠植等措施,以提升碳匯能力。比如,成都聚億•天府錦城項目以“城市森林住宅”為特色,每戶均設計6米挑高的空中花園,高層住宅營造親近自然環境的生態景觀的同時,為建筑增加碳匯和每戶實現碳中和提供了可能。

      建筑材料吸附固碳

      建筑在建造和使用的過程中通常會產生能源資源消耗和碳排放,但如采用木結構建材或帶吸附二氧化碳功能的建材,也可實現建筑的吸附固碳,為建筑領域的碳中和作出相應的貢獻。

      森林是陸地生態系統重要的貯碳庫,木材產品作為這一碳庫的主要組成部分,對提升林業碳匯能力發揮了重要作用[9]。根據生命周期理論,相較于混凝土和鋼材,木材不僅在生產加工的過程中能耗低、碳排放少,其生長也是發揮固碳作用的過程[10]。因此,木結構建材的使用在直接減少建筑建設過程中碳排放的同時,也間接使建筑成為了一個固碳的載體,特別是木材作為一種便于可再循環使用的綠色建材可長久循環使用下去,進一步提升了其固碳能力。

      建筑全過程碳排放中建材生產階段碳排放占比較高,因此,如能從建筑材料生產階段加以減碳固碳方面的考慮,將對我國建筑領域實現碳達峰碳中和目標起到巨大的推動作用。根據王崢、郭振偉[11]的調查研究,當前具備量產和規?;墓烫冀ú募夹g包括以下幾種:

      一是混凝土固碳技術?;炷凉烫技夹g是利用二氧化碳礦化養護生產低碳混凝土,將二氧化碳精確注入混凝土中后可有效提升其抗壓強度,耐久性也能得到一定的提高。經試驗,預制混凝土固碳量為14.83千克二氧化碳/立方米,預制混凝土結構件為14.83–23.73千克二氧化碳/立方米,混凝土墻體砌塊0.45千克二氧化碳/30標準塊[12]。

      二是混凝土添加劑技術(二氧化鈦)?;炷林刑砑由倭考{米二氧化鈦,便可增強混凝土對溫室氣體的吸收。

      三是鎂質水泥。鎂硅酸鹽制成的鎂質水泥漿硬化體在空氣中放置后,會較大量地吸收空氣中的二氧化碳形成碳酸鎂等水化物,當鎂質水泥與水混合用于建筑時,每噸水泥能吸收0.4噸二氧化碳。

      結語

      在當前建筑行業仍然處于快速發展和人們對生活水平要求越來越高的背景下,建筑領域在2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和任重而道遠,需要廣大建筑從業人員一起努力,從規劃設計階段源頭控制到建造運行環節提升管理水平來實現。相應的具體技術路徑及發展建議如下:

      一是實施源頭碳減排行動計劃,推行建筑電氣化,同時通過提升綠色電力的比例,實現建筑領域的直接碳排放降低、消除和間接碳排放因子的降低。

      二是大力推進建筑能效提升計劃,通過提升新建建筑能效標準及水平、綠色建筑提質增效、既有建筑綠色節能改造等,在保證建筑品質的前提下不斷提高建筑建造和運行階段能效水平,降低建筑運行能耗及碳排放。

      三是實行建筑總量控制,推動城市更新和綠色建筑提質計劃,提升建筑的安全耐久性能,增加建筑壽命,避免大拆大建過程中大量的能源資源消耗和二氧化碳排放。

      四是探索建筑領域碳中和技術手段,除立體綠化及綠化碳匯外,加強固碳混凝土、鎂質水泥、固碳涂料等吸附固碳相關新型建筑材料的研發,將大規模碳排放建筑本體發展成為固碳載體。

      五是建立全面完善的政策支持和保障機制,通過碳達峰碳中和頂層規劃設計到建筑碳排放限額性能化設計、從建筑前期的規劃設計測算到后期的建筑碳排放監測、從碳排放約束性指標要求到碳排放核算和交易等各方面,制定全面的政策支持文件,并建立相應的獎勵、激勵及市場化保障機制。



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