中國建筑部門實現(xiàn)碳中和的路徑

0 引言

在2030年之前力爭實現(xiàn)碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和，這是中央對我國低碳發(fā)展給出的明確目標和時間表。低碳發(fā)展不僅僅是能源領(lǐng)域的任務(wù)，而是涉及各行業(yè)、各部門的各項工作，將對我國今后40年的社會經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大和深遠的影響。建筑部門是能源消費的三大領(lǐng)域(工業(yè)、交通、建筑)之一，從而也是造成直接和間接碳排放的主要責任領(lǐng)域之一。大力減少建筑部門相關(guān)過程中的碳排放，將極大地改變建筑建造、運行、維護維修各個環(huán)節(jié)的理念和方法，使整個行業(yè)產(chǎn)生巨大的革命性變化。

碳達峰年份是指在這一年之后的碳排放將逐年下降。碳排放總量是單位GDP的碳排放量與GDP的乘積，隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展，GDP總量一定會持續(xù)增長，而隨著節(jié)能減排的不斷深入，單位GDP對應(yīng)的碳排放量應(yīng)該不斷下降。當GDP的增長速度高于單位GDP碳排放量的下降速度時，碳排放總量就出現(xiàn)增長，而單位GDP碳排放量的下降速度高于GDP的增長速度時，碳排放總量就會下降。單位GDP碳排放量的下降速度與GDP的增長速度相平衡時，就應(yīng)該是碳達峰的時間。因此碳達峰年份表明了發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，由追求GDP增長總量的高速發(fā)展模式轉(zhuǎn)為更追求發(fā)展質(zhì)量、追求節(jié)能減碳的高質(zhì)量發(fā)展模式。我國目前GDP年增長率已降低到6%左右，未來很難再出現(xiàn)超過10%的高速增長。而單位GDP能耗則持續(xù)下降，從2014年以來每年下降5%～7%(見圖1)。隨著能源革命的不斷深入，零碳能源(核電、風電、水電、光電)在能源總量中的占比不斷提高，而單位GDP碳排放量等于單位GDP能耗與單位能耗的碳排放量的乘積，由此可得到碳達峰指標為：碳達峰指標=GDP增速×單位GDP能耗的降低×單位能耗碳排放量的降低。碳達峰指標大于0，則碳排放總量持續(xù)增長；碳達峰指標等于0，則碳排放達峰；而當碳達峰指標小于0時，則碳排放總量將持續(xù)下降。圖1給出了我國自2010年以來每年GDP、單位GDP能耗和單位能耗碳排放量的變化，可以看到，碳達峰指標正在逐年降低。隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，單位能耗碳排放量不斷降低，碳達峰指標將很快達到0甚至小于0。

圖1 我國單位GDP能耗和單位能耗碳排放量的變化[1]

然而，碳中和是指碳排放總量要等于或小于碳匯所吸附的總量。研究表明，我國未來可實現(xiàn)的碳匯很難超過15億t二氧化碳，這只相當于我國近年來二氧化碳排放總量的1/7。由于有些基礎(chǔ)工業(yè)需要燃燒過程，不可避免地要排放二氧化碳，所以碳匯指標最多用于中和這些無法實現(xiàn)零排放的工業(yè)過程。對大多數(shù)部門來說，實現(xiàn)碳中和就意味著零排放。對于建筑部門，應(yīng)該把零排放作為實現(xiàn)碳中和的基本目標。所以與碳達峰相比，實現(xiàn)零碳排放更是巨大的挑戰(zhàn)。因此，研究實現(xiàn)碳達峰、碳中和的路徑，應(yīng)該先根據(jù)社會、經(jīng)濟和科技的發(fā)展，設(shè)計出未來在滿足社會發(fā)展、經(jīng)濟富足和人民生活滿意條件下的零碳場景，然后再研究從目前的狀態(tài)怎樣走向這一零碳目標的過程，得到實現(xiàn)碳達峰、碳中和的合理路徑。

什么是建筑部門的零碳？就是建筑部門相關(guān)活動導(dǎo)致的二氧化碳排放量和同樣影響氣候變化的其他溫室氣體的排放量都為零。那么什么是建筑部門相關(guān)活動導(dǎo)致的排放量呢？按照對碳排放的研究和定義，可以分為以下4種類型：

1) 建筑運行過程中的直接碳排放；

2) 建筑運行過程中的間接碳排放；

3) 建筑建造和維修導(dǎo)致的間接碳排放；

4) 建筑運行過程中的非二氧化碳類溫室氣體排放。

下面分別討論這4類碳排放的現(xiàn)狀、減排途徑和最終目標。

1 建筑運行過程中的直接碳排放

這主要指建筑運行中直接通過燃燒方式使用燃煤、燃油和燃氣等化石能源所排放的二氧化碳。從外界輸入到建筑內(nèi)的電力、熱力也是建筑消耗的主要能源，但由于其發(fā)生排放的位置不在建筑內(nèi)，所以建筑用電力、熱力屬于間接碳排放，不屬于建筑的直接碳排放。我國目前城鄉(xiāng)共有644億m2建筑，如果以建筑外邊界為界線，考察這一界限內(nèi)發(fā)生的由于使用化石燃料而造成的二氧化碳排放，可發(fā)現(xiàn)主要是以下幾種活動通過燃燒造成的碳排放：

1) 炊事。我國城市居民、單位食堂和餐飲業(yè)多數(shù)采用燃氣灶具，農(nóng)村則使用燃氣、燃煤和柴灶。柴灶使用生物質(zhì)能源，其排放的二氧化碳不屬于碳排放范圍。燃煤每釋放1 GJ熱量就要排放約92 kg的二氧化碳，而燃氣釋放同樣熱量也要排放約50 kg二氧化碳，目前我國由于炊事排放的二氧化碳約為每年2億t，約占全國二氧化碳排放總量的2%。用電力替代炊事，實現(xiàn)炊事電氣化，是炊事實現(xiàn)零碳的最可行途徑。近年來隨著新一輪的全面電氣化行動，各類電炊事設(shè)備不斷出現(xiàn)，從家用小型的蒸蛋器到大食堂的電蒸鍋、炒鍋，在技術(shù)上完全可以實現(xiàn)炊事的電能全覆蓋，同樣可以保證中國菜肴的色香味。而按照熱值計算，如果電價為0.50元/(kW·h)，相當于燃氣的價格為5元/m3。由于電炊事設(shè)備的熱效率一般可達到80%以上，遠高于燃氣炊具40%～60%的熱效率，所以按照目前的價格體系，燃氣炊具改為電炊具后，燃料成本基本不變。因此，實現(xiàn)炊事電氣化，取消燃煤、燃氣的關(guān)鍵是烹調(diào)文化。通過電炊具的不斷創(chuàng)新和電氣化對實現(xiàn)低碳重要性的全民教育，我國炊事實現(xiàn)零直接碳排放應(yīng)無大障礙。

2) 生活熱水。我國目前城鎮(zhèn)基本上已普及生活熱水。除少數(shù)太陽能生活熱水外，采用燃氣和電驅(qū)動制備生活熱水大致相等。目前全國制備生活熱水大約造成全年二氧化碳排放0.8億t，接近全國碳排放總量的1%。用電熱水器替代燃氣熱水器，應(yīng)該是未來低碳發(fā)展的必然趨勢。電驅(qū)動制備生活熱水分電直熱型和電動熱泵型。目前國內(nèi)已有不少廠家生產(chǎn)相當可靠的熱泵熱水器，全年平均COP可達3以上。這樣，當電價為0.50元/(kW·h)時，采用熱泵熱水器獲取1 GJ 熱量的電費為48元，而燃氣價格為3元/m3時獲取1 GJ熱量的燃氣費用為86元。所以采用電動熱泵制備生活熱水以實現(xiàn)“氣改電”在運行費上已經(jīng)可以得到回報。即使是電直熱方式，加熱費用也僅為燃氣的1.6倍。但對于分散的即熱式電熱水器，可以即開即用，避免放冷水的過程，也可減少熱水管道的熱損失，所以電熱水器的綜合成本也不高于燃氣熱水器。通過文化宣傳和電熱水器的推廣，電熱水器替代燃氣熱水器也是指日可待。

3) 供暖用分戶壁掛燃氣爐和農(nóng)村與近郊區(qū)的分戶燃煤供暖。北方城鎮(zhèn)居住建筑約5%采用燃氣壁掛爐，近幾年華北農(nóng)村清潔取暖改造也使燃氣供暖爐進入了部分農(nóng)戶。此外就是目前70%以上的北方農(nóng)村及部分城鄉(xiāng)結(jié)合部的居住建筑冬季仍采用燃煤爐具取暖。這些取暖設(shè)施導(dǎo)致每年超過3億t的二氧化碳排放，應(yīng)該是全面取消建筑內(nèi)二氧化碳直接排放工作的重點。除了室外溫度可低到-20 ℃以下的極寒冷地區(qū)，我國絕大多數(shù)地區(qū)都可以在冬季采用分散的空氣源熱泵供暖，近20年來企業(yè)和研究部門合作的持續(xù)努力，使空氣源熱泵技術(shù)有了巨大的進步，可以滿足絕大多數(shù)情況下的供暖要求。選擇了合適的末端散熱裝置后，空氣源熱泵供暖可以獲得不低于燃氣壁掛爐的室內(nèi)舒適性，而運行費、初投資又都不高于燃氣系統(tǒng)。對于少數(shù)不適合采用空氣源熱泵的極寒冷地區(qū)，采用直接電熱的供暖方式，運行費是采用燃氣爐的1.5～2.0倍，這可能需要有關(guān)部門從減少碳排放的角度對部分低收入群體的“氣改電”進行適當?shù)难a貼。

4) 醫(yī)院、商業(yè)建筑、公共建筑使用的燃氣驅(qū)動的蒸汽鍋爐和熱水鍋爐。在多數(shù)場合下，燃氣熱水鍋爐可以由空氣源熱泵替代，并可以降低運行費用。而很多蒸汽鍋爐提供的蒸汽僅有很少部分用于消毒、干衣、炊事等必須采用蒸汽的場合，多數(shù)又被交換為熱水，服務(wù)于其他生活熱水需求。對于這種情況，應(yīng)盡可能減少對蒸汽的需求，用熱泵制取熱水滿足需求。個別需要蒸汽的場合，可以用小型電熱式蒸汽發(fā)生器制備蒸汽。當蒸汽制備小型化、分散化之后，蒸汽傳輸、泄漏等造成的損失就可以大大減少，這樣，盡管電制備蒸汽的燃料費用為燃氣的1.5～2.0倍，但由于蒸汽泄漏損失的減少，實際的運行費用并不會增加。

5) 由于歷史上某些地區(qū)電力供應(yīng)不足的原因，我國部分公共建筑目前仍采用燃氣型吸收式制冷機。這不僅導(dǎo)致二氧化碳的直接排放，其運行費也遠高于電動制冷機。由于直燃型燃氣吸收式制冷機的COP不超過1.3，當燃氣價格為3元/m3時，每kW·h冷量的燃氣成本為0.23元，而當電價為0.80元/(kW·h)時，每kW·h冷量的電費成本也不超過0.15元。盡早把直燃型吸收式制冷機換成電驅(qū)動制冷機，在減少直接碳排放、降低運行費用等各方面都有很大效益。

以上就是我國目前建筑內(nèi)的二氧化碳直接排放，總量約為6億t。根據(jù)上面的分析，可以看出實現(xiàn)建筑內(nèi)二氧化碳的直接排放為零排放，目前沒有任何技術(shù)和經(jīng)濟問題，并且在多數(shù)情況下還可以降低運行成本，獲得經(jīng)濟效益。實施的關(guān)鍵應(yīng)該是理念和認識上的轉(zhuǎn)變及炊事文化的變化。通過各級宣傳部門、各種渠道使大家認識到，使用天然氣也有碳排放，只有實現(xiàn)“氣改電”才能實現(xiàn)建筑零碳，在政策機制上全面推廣“氣改電”，應(yīng)該是實現(xiàn)建筑零直接碳排放的最重要途徑。

2 使用電力、熱力導(dǎo)致的間接碳排放

由于建筑的電力、熱力供應(yīng)造成的間接碳排放是建筑相關(guān)碳排放中最主要的部分，所以降低這部分碳排放，并進一步實現(xiàn)零碳或碳中和，成為建筑減排和實現(xiàn)碳中和最主要的任務(wù)。為此，必須改變電力和熱力的生產(chǎn)方式，努力實現(xiàn)電力、熱力生產(chǎn)的零碳或碳中和。核電、水電、風電、光電及以生物質(zhì)為燃料的火電都屬于零碳電力，如果使這些電力成為我國的主要電源，而只用少量的燃煤、燃氣電力作為補充，再依靠一些二氧化碳捕捉和貯存的技術(shù)回收燃煤、燃氣火電排放的二氧化碳，就有可能實現(xiàn)電力生產(chǎn)的碳中和。

2.1 零碳電力的布局和節(jié)能的重要性

目前我國已有的核電裝機容量約為0.5億kW，主要布局在東部沿海。按照核電發(fā)展規(guī)劃，從廣東陽江、大亞灣直到大連紅沿河，即使整個沿海地區(qū)可能的位置都規(guī)劃布局核電，我國的沿海核電裝機容量也僅能發(fā)展到2億kW，年發(fā)電量為1.5萬億kW·h。而內(nèi)地的核電發(fā)展受到地理條件、水資源保障等多種因素限制，目前還沒有下決心布局。

我國水力資源豐富，但除青藏高原外，水力資源已經(jīng)基本開發(fā)完畢。目前已建成和即將建成的水電裝機容量為4億kW，年發(fā)電量為1.6萬億kW·h；未來可開發(fā)利用的裝機容量上限為5億kW，年發(fā)電量為2萬億kW·h。

生物質(zhì)燃料發(fā)電。我國目前生物質(zhì)燃料開發(fā)利用程度還很差，每年商品形式的生物質(zhì)能僅幾千萬t(以標準煤計)。根據(jù)分析，我國各類生物質(zhì)資源總量可達8億t(以標準煤計)，這是唯一的零碳燃料，需要優(yōu)先滿足一些必須使用燃料的工業(yè)生產(chǎn)需要。這樣，生物質(zhì)能最多可為電力生產(chǎn)提供2億t(以標準煤計)，每年發(fā)電0.6萬億kW·h。這樣，可以可靠獲得并有效利用的核電、水電上限為7億kW，年發(fā)電量為3.5萬億kW·h。再加上未來可能的生物質(zhì)發(fā)電，我國未來可以調(diào)控的零碳電力為8億kW，每年可提供4萬億kW·h電力。

2019年我國電力供應(yīng)總量為7.5萬億kW·h。如果按照以上的分配，有4萬億kW·h的零碳電力，那么不足的3.5萬億kW·h電力就可以通過發(fā)展風電(包括海上風電)、光電來補足。我國目前風電、光電的裝機容量都突破了2億kW，風電、光電的年發(fā)電小時數(shù)在1 200～1 500 h之間，所以目前風電、光電發(fā)電總量約為5 500億kW·h。要滿足上述3.5萬億kW·h的零碳電力缺口，需要的風電、光電裝機容量應(yīng)在24億kW以上。

發(fā)展風電、光電面臨最大的問題是峰谷調(diào)節(jié)問題。如果按照目前的電力系統(tǒng)架構(gòu)和調(diào)控模式，需要有風電、光電裝機容量70%以上的可調(diào)節(jié)電力與其匹配，才能適應(yīng)風電、光電隨天氣的隨機變化，在每個瞬間使發(fā)電功率與用電功率匹配。這樣，24億kW的風電、水電需要16億kW的調(diào)峰電源。核電用于調(diào)峰經(jīng)濟性很差，因此只應(yīng)作為基礎(chǔ)電源。水電是非常好的調(diào)峰電廠，但僅有5億kW。如果再利用各種可能的地理條件發(fā)展1億kW抽水蓄能電站，那么還需要生物質(zhì)燃料火電廠承擔6億kW調(diào)峰任務(wù)，年發(fā)電2 000 h，消耗4億t(以標準煤計)生物質(zhì)燃料。

按照上述分析，針對全國目前的7.5萬億kW·h的用電總量，如果充分開發(fā)利用核電、水電、抽水蓄能電站，以及風電、光電和生物質(zhì)能電站，可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)零碳。但是如果進一步增加總的電量需求，就面臨諸多困難。由于核電、水電和生物質(zhì)燃料的火電都已經(jīng)達到其發(fā)展上限，增加部分就只能通過風電、光電來滿足。而進一步發(fā)展風電、光電面臨如下困難：

風電、光電的安裝空間問題。風電、光電都屬于低密度能源，視地理條件不同，其能源密度僅在100 W/m2左右。如果未來需要每年8萬億kW·h風電、光電，需要裝機容量60億kW以上，需要的安裝空間為600億m2，也就需要至少6萬km2的土地。這樣規(guī)模的土地在西北荒漠地區(qū)并不難找，但在這樣的邊遠地區(qū)發(fā)展大規(guī)模風電、光電，再集中長途輸電到東部負荷密集區(qū)，就必須有相應(yīng)容量的可調(diào)電源來平衡其變化。然而如上所述，我國可挖掘的集中式零碳調(diào)峰電源的規(guī)模僅為10億kW，不可能解決60億kW風電、光電的調(diào)峰問題。這就使得此方向目前尚無解決問題的技術(shù)路線。

只在西北安排5億～10億kW的風電、光電，利用那里豐富的水力資源和部分生物質(zhì)燃料的火電為其調(diào)峰，而沿海地區(qū)盡最大可能，發(fā)展5億kW左右的海上風電。利用建筑屋頂和其表面發(fā)展光伏，利用中東部地區(qū)零星空地發(fā)展風電、光電。我國城鄉(xiāng)建筑可利用屋頂空間約為250億m2，這樣就要再利用各類零星空地250億m2，也就是2.5萬km2，發(fā)展不同形式的風電、光電。

在建筑屋頂和零星空地發(fā)展分布式風電、光電，就有可能發(fā)展分布式蓄電和需求側(cè)響應(yīng)的柔性用電負載來平衡風電、光電的隨機變化，解決電源與用電側(cè)變化的不匹配問題。這時如果改變目前的集中式發(fā)電、統(tǒng)一輸配電的方式，發(fā)展分布式發(fā)電、自發(fā)自用、分散調(diào)節(jié)，再加上一天內(nèi)光伏發(fā)電的變化與用電負荷的變化的部分重合性，就可以把風電、光電配套的調(diào)峰功率從70%降低到40%～50%，或者具有相當于風電、光電日發(fā)電量70%的日儲能能力就可以應(yīng)對。如果在中東部發(fā)展分布式風電、光電50億kW，年發(fā)電量7.5萬億kW·h，則采用分布式方式需要的調(diào)節(jié)能力為25億～30億kW，蓄能容量為200億kW·h/d就可以解決這樣規(guī)模的風電、光電的調(diào)節(jié)問題。我國未來大力發(fā)展電動汽車，如果有2億輛電動小汽車，其電池的平均容量為50 kW·h，則就相當于有了每天儲電能力100億kW·h、充放電功率20億kW的蓄能裝置。如果有400億m2建筑通過安裝分布式蓄電池和“光儲直柔”配電改造為柔性用電方式，則也可以形成6億kW左右的調(diào)峰能力。再努力發(fā)展一批可中斷方式用電的工廠，就基本可以滿足50億kW分布式風電、光電的調(diào)峰需求。

以上是當風電、光電裝機容量達60億kW(西部地區(qū)10億kW，中東部地區(qū)50億kW)，每年提供風電、光電8萬億kW·h時的情景。再加上核電、水電和生物質(zhì)火電，電力總量為每年13萬億kW·h。可以看到，這已經(jīng)屬于非常困難的情況，各種資源全部調(diào)度，發(fā)展利用至極致，任何一個環(huán)節(jié)如果不能達到上述設(shè)想的最大程度，就難以實現(xiàn)總電量13萬億kW·h的目標。如果未來要求的總電量進一步增加，就會使零碳電力的目標很難實現(xiàn)。因為缺少足夠的水力資源進行調(diào)峰，也缺少足夠的生物質(zhì)能源供給調(diào)峰火電。依靠更多的化學(xué)儲能，或通過電解水制氫、用儲氫的方式儲能，可以解決一天內(nèi)的風電、光電變化和幾天內(nèi)天氣變化導(dǎo)致的風電、光電不足，但光電和水電都存在冬季短缺的問題，要求冬季有足夠的調(diào)峰電源來平衡冬季的電力不足。生物質(zhì)火電是解決電力季節(jié)差問題、充當季節(jié)調(diào)峰功能最合適的方式。而通過儲能方式進行跨季節(jié)調(diào)峰，所需要的儲能容量為日調(diào)峰需要容量的幾十倍，所以無論是大規(guī)模蓄電池還是儲氫，都不適宜作跨季節(jié)調(diào)峰。而同樣受資源條件所限，我國也很難分出更多的生物質(zhì)能源用于電力調(diào)峰，前面給出的每年用于調(diào)峰火電4億t的生物質(zhì)能源已經(jīng)是最大可能的上限。如果要求每年提供風電、光電10萬億kW·h，總的電量消費超過15萬億kW·h時，就很難破解上述諸多矛盾。此時可能的解決途徑是挖掘更多的空間安裝風力和光伏發(fā)電，來滿足冬季用電的功率需求，而春、夏、秋季可能就有大量的棄風、棄電。這樣增加的這部分風電、光電僅為了滿足冬季需求，投資回報率就會很低。再一個可能的方式是保留部分火電，采用較大規(guī)模的CCS(碳捕獲與封存)或CCUS(碳捕獲、利用與封存)回收這些火電排放的二氧化碳。這不僅需要大量投資，而且目前并沒有找到真正可以把巨量的二氧化碳長期封存于地下或固化于建筑材料等大體量構(gòu)造物中的可能的儲存方式?；痣?CCS和棄風、棄光這兩條路徑都對應(yīng)著回報很低的巨大投資，都屬于沒有其他辦法時不得已而為之的最后辦法。然而如果能通過深度節(jié)能的方式，根據(jù)我國的水能、核能和生物質(zhì)能資源條件，把年用電總量控制在12萬億～13萬億kW·h以內(nèi)，就不需要這些高投資而無回報的措施。而下大功夫節(jié)能，改變生產(chǎn)方式、生活方式，完全可以在每年12萬億kW·h電量的前提下，實現(xiàn)我國社會、經(jīng)濟和人民生活水平進入到現(xiàn)代化強國之列。此方面的深入研究和規(guī)劃將另文詳細討論。建筑作為工業(yè)、交通、建筑這三大用能部門之一，節(jié)能將是實現(xiàn)碳中和的最重要的前提條件。

在節(jié)能模式下，12萬億kW·h的電力消費總量可分配到城鄉(xiāng)建筑運行領(lǐng)域3.5萬億kW·h。相對于2019年建筑運行的1.89萬億kW·h用電量，尚有80%的增長空間，這將服務(wù)于除了北方城鎮(zhèn)冬季供暖之外的建筑用電的全面電氣化，以及城鎮(zhèn)化導(dǎo)致城鎮(zhèn)人口從目前的8億增長到10億所導(dǎo)致的城鎮(zhèn)房屋進一步增加所需要的用電(25%)、“氣改電”所增加的用電(30%)，以及建筑服務(wù)水平和人民生活水平提高導(dǎo)致用電量的增長(25%)。對應(yīng)于未來的14億人口，3.5萬億kW·h電力相當于人均建筑運行用電量2 500 kW·h/人，如果將其分配到居住建筑和公共建筑各一半，則居住建筑戶均電耗3 500 kW·h/戶，各類公共建筑平均用電60 kW·h/m2。這些指標都遠低于美國、日本、西歐、北歐國家的目前狀況，但遠高于我國目前的建筑用電狀況。從生態(tài)文明的發(fā)展理念出發(fā)，科學(xué)和理性地規(guī)劃我國建筑用能的未來，堅持“部分時間、部分空間”的節(jié)約型建筑用能模式，不使歐美國家在建筑用能上奢侈浪費的現(xiàn)象在我國出現(xiàn)，這應(yīng)該作為我國今后現(xiàn)代化建設(shè)的一個基本原則。

2.2 建筑從能源系統(tǒng)單純的消費者轉(zhuǎn)為支持大規(guī)模風電光電接入的積極貢獻者

上節(jié)已經(jīng)說明，建筑本身已成為發(fā)展光電的重要資源。充分利用城鄉(xiāng)建筑的屋頂空間和其他可接受太陽輻射的外表面安裝光伏電池，通過這種分布式光伏發(fā)電的形式，可在很大程度上解決大規(guī)模發(fā)展光電時空間資源不足的問題，盡可能充分利用建筑表面安裝光伏，應(yīng)該成為建筑設(shè)計的重要追求，外表面的光伏利用率也應(yīng)成為今后評價綠色建筑或節(jié)能建筑的重要指標。

除了光伏發(fā)電，在零碳能源系統(tǒng)中，建筑還承擔另一重要使命，協(xié)助消納風電、光電。建筑自身光伏電力的特點是一天內(nèi)根據(jù)太陽輻射的變化而變化。中東部地區(qū)和海上的風電、光電基地的發(fā)電量也是在一天內(nèi)根據(jù)天氣條件隨時變化。這些變化與用電側(cè)的需求變化并不匹配，從而就需要有蓄能裝置平衡電源和需求的變化。建筑與周邊的停車場和電動車結(jié)合，完全可以構(gòu)成容量巨大的分布式虛擬蓄能系統(tǒng)，從而在未來零碳電力中發(fā)揮巨大作用，實現(xiàn)一天內(nèi)可再生電力與用電側(cè)需求間的匹配。這就要通過“光儲直柔”新型配電系統(tǒng)實現(xiàn)。

“光儲直柔”的基本原理見圖2，配電系統(tǒng)與外電網(wǎng)通過AC/DC整流變換器連接。依靠系統(tǒng)內(nèi)配置的蓄電池、與系統(tǒng)通過智能充電樁連接的電動汽車電池，以及建筑內(nèi)各種用電裝置，AC/DC整流變換器可以通過調(diào)整其輸出到建筑內(nèi)部直流母線的電壓來改變每個瞬間系統(tǒng)從交流外網(wǎng)引入的外電功率。當所連接的電動汽車足夠多，且自身也配置了足夠的蓄電池時，任何一個瞬間從外接的交流網(wǎng)取電的功率都有可能根據(jù)要求實現(xiàn)零到最大功率之間的任意調(diào)節(jié)，而與當時建筑內(nèi)實際的用電量無直接關(guān)系。這樣，各個采用了“光儲直柔”配電方式的建筑就可以直接接受風電、光電基地的統(tǒng)一調(diào)度，每個瞬間根據(jù)風電、光電基地當時的功率分配各座建筑從外網(wǎng)的取電功率，調(diào)度各“光儲直柔”建筑的AC/DC整流變換器，按照這一要求的功率從外電網(wǎng)取電。如果“光儲直柔”建筑具有足夠的蓄能能力及可調(diào)節(jié)能力，完全按照風電、光電基地調(diào)度分配的瞬態(tài)功率來從外電網(wǎng)取電，則可以認為這座建筑消費的電力完全來自于風電、光電，而與外電網(wǎng)電力中風電、光電的占比無關(guān)。

圖2 “光儲直柔”建筑配電系統(tǒng)

未來我國將至少擁有3億輛以上的電動小汽車(不包括出租車)。按照目前的配置，這些車輛每輛配置50～70 kW·h蓄電池。按照研究分析和統(tǒng)計，任何時刻這些車輛的80%都停靠在停車場，處在行駛狀態(tài)的小汽車不超過20%。如果這些?？康能囕v都與充電樁連接，而這些充電樁又接入鄰近建筑的“光儲直柔”配電系統(tǒng)，則就擁有每天150億kW·h的蓄電能力。如果我國未來擁有400億m2“光儲直柔”建筑，每100 m2設(shè)置10 kW·h的蓄電池，則又具有每天30億kW·h的蓄電能力。這些建筑和充電樁配合，具有30億kW的最大充電能力，可以每天在平均6 h內(nèi)完成充電任務(wù)，滿足3億輛小汽車和400億m2建筑的用電需要。3億輛小汽車全年用電約6 000億kW·h，400億m2建筑全年用電2萬億kW·h，合計全年約2.6萬億kW·h電力，約為未來風電、光電總量的35%～40%。如果未來風電、光電的30%安排在我國西北戈壁，除滿足當?shù)赜秒娦枨笸?，通過那里的水電資源協(xié)調(diào)，西電東送供電；70%的風電、光電為中東部負荷密集區(qū)內(nèi)的分布式發(fā)電，則“光儲直柔”建筑和停車場的電動汽車就可以消納一半分布式風電、光電，基本解決大比例風電、光電后的消納問題。我國未來城鄉(xiāng)將有750億m2左右的建筑，其中城鎮(zhèn)居住建筑350億m2，農(nóng)村建筑200億m2，辦公和學(xué)校建筑120億m2，其他商業(yè)、交通、文化體育建筑80億m2。居住建筑、辦公與學(xué)校建筑都適宜采用“光儲直柔”方式。如果這些建筑的60%改造成“光儲直柔”方式，則總量即為400億m2。

上述分析的前提仍然是大電網(wǎng)僅僅下行送電，作為電網(wǎng)終端的建筑并不向電網(wǎng)送電?！肮鈨χ比帷苯ㄖ碗妱悠囍皇峭ㄟ^蓄能，在電網(wǎng)上風電、光電富足時接收這些風電、光電，滿足建筑和電動汽車的運行用電，這就不需要對電網(wǎng)作雙向送電的大規(guī)模改造，不會對目前的電網(wǎng)系統(tǒng)帶來太大的影響，而且在增加了3億輛小汽車、20億～40億kW的充電功率后，并不要求電網(wǎng)相應(yīng)地增加配電容量。對于個別的連陰天或靜風天氣，3億輛小汽車還可以起很大的電力移峰作用，再通過5億～6億kW火電的短期運行補充電力的不足，依靠CCS回收其所釋放的二氧化碳。我國已建成規(guī)模龐大的火電發(fā)電能力，保留部分火電用于在這種情況下調(diào)峰，是經(jīng)濟上最合理的方案。而實際上我國水電、光電都存在夏季高、冬季低的季節(jié)差，解決冬夏間電源的季節(jié)差，最經(jīng)濟的方式也是依靠調(diào)峰火電。同時，冬季運行的調(diào)峰火電的余熱又可以作為北方城鎮(zhèn)建筑冬季供暖的熱源。

2.3 獲得零碳和低碳熱力的途徑

我國目前北方城鎮(zhèn)建筑有約150億m2冬季需要供暖，隨著城鎮(zhèn)化進一步發(fā)展和居民對建筑環(huán)境需求的不斷提高，未來北方城鎮(zhèn)冬季供暖面積將達到200億m2。目前北方城鎮(zhèn)供暖建筑的冬季平均耗熱量為0.3 GJ/m2，這就需要每年60億GJ的熱量來滿足供暖需求。目前這些熱量中約有40%由各種規(guī)模的燃煤、燃氣鍋爐提供，50%則由熱電聯(lián)產(chǎn)電廠提供，其余10%主要通過不同的電動熱泵從空氣、污水、地下水及地下土壤等各種低品位熱源提取。目前燃煤、燃氣鍋爐造成約10億t二氧化碳的排放，熱電聯(lián)產(chǎn)和電動熱泵供熱也需要分攤電廠所排放二氧化碳的一部分責任。

在未來要大幅度減少這部分碳排放，就要減少供暖需求的熱量?，F(xiàn)在的150億m2供暖建筑中，約30億m2是20世紀80—90年代建造的不節(jié)能建筑，其熱耗是同一地區(qū)節(jié)能建筑的2～3倍，這是目前北方城鎮(zhèn)建筑供暖熱耗平均值為0.3 GJ/m2，遠高于節(jié)能建筑所要求的低于0.2 GJ/m2的主要原因。此外，就是普遍出現(xiàn)的過熱現(xiàn)象。很多供暖建筑冬季室內(nèi)溫度高達25 ℃，遠高于要求的20 ℃的舒適供暖溫度。當室外溫度為0 ℃時，室溫為25 ℃的房間供暖能耗比室溫為20 ℃的房間高25%。改造目前這30億m2的不節(jié)能建筑，通過改進調(diào)節(jié)手段和政策機制盡可能消除室溫過高的現(xiàn)象，未來可以把供暖平均熱耗從0.3 GJ/m2降低到0.2 GJ/m2。這樣，未來北方城鎮(zhèn)需要供暖的200億m2建筑需要的供熱量為40億GJ，低于目前150億m245億GJ的耗熱量。由此可見，通過節(jié)能改造和節(jié)能運行降低實際需求，是實現(xiàn)低碳的首要條件。

改革開放40年來，我國北方城鎮(zhèn)基本上建成了完善的集中供熱管網(wǎng)，約80%的城鎮(zhèn)建筑具備與城鎮(zhèn)集中供熱熱網(wǎng)連接的條件。我國目前已成為世界上集中供熱管網(wǎng)最普及的國家。充分利用現(xiàn)有的管網(wǎng)條件，采集熱電廠和工業(yè)生產(chǎn)過程的余熱資源，是否可以滿足供熱熱源需求呢？

核電是未來零碳電力系統(tǒng)中的重要電源。我國目前已在沿海建成并運行0.5億kW核電廠，年發(fā)電量接近4 000億kW·h。按照規(guī)劃，未來將在東部沿海建設(shè)2億kW的核電。其中至少有1億kW建于從連云港至大連的北方沿海。1億kW的核電需要排出低品位余熱1.5億kW。目前這些余熱都排入海中，這是為什么要把核電廠建在海邊的重要原因。而有效回收這部分熱量，即使每kW發(fā)電功率回收1.2 kW的余熱，在冬季3 000 h也可得到3.6億MW·h，也就是12.9億GJ的熱量。如果采用跨季節(jié)蓄熱，使核電全年都按照熱電聯(lián)產(chǎn)的方式運行，而在非供暖季將熱量儲存，則每年可獲得32億GJ的余熱，幾乎可滿足80%的北方地區(qū)供熱需求。所以核能具有巨大的深度開發(fā)利用潛力。

可以采用的技術(shù)路徑是用核電余熱通過蒸餾法進行海水淡化，制備溫度為95 ℃的熱淡水。通過單管向需要熱量和淡水的人口密集區(qū)輸送熱淡水，其經(jīng)濟性輸送距離可達150～200 km。在接近城市負荷區(qū)的首站可以通過換熱方式把輸送的淡水冷卻到10～15 ℃，成為城市的淡水水源，而換出的熱量則成為城市集中供熱熱源。如果海水溫度為0 ℃，采用這種方式時80%的余熱成為城市集中供熱熱源，15%的熱量進入城市自來水系統(tǒng)或在輸送過程中損失，5%隨濃海水回到大海，這樣北方核電余熱冬季即可提供10億GJ的熱量用于城鎮(zhèn)供熱，同時每個冬季還可提供30億t淡水，接近目前已完成的南水北調(diào)中線工程的年調(diào)水量。這對緩解北方沿海地區(qū)水資源短缺現(xiàn)象也可以起到很大作用。這一方式消耗的核電余熱80%都成為城市供暖熱源，所以可認為是“零能耗海水淡化”，輸送用水泵能耗僅為目前雙管循環(huán)水方式的一半，所以經(jīng)濟輸送距離可從目前的70～100 km增加到150～200 km。而淡水是搭載在熱量輸送中，于是就實現(xiàn)了“淡水的免費輸送”。研究海水淡化的流程又可以得到，制備熱淡水的裝置由于需要的換熱能力減少了約30%，所以裝置的初投資比常規(guī)的蒸餾法海水淡化裝置至少低15%以上。這就使得這種利用余熱“水熱聯(lián)產(chǎn)、水熱同送和水熱分離”的方式的初投資僅為利用余熱分別進行海水淡化和熱電聯(lián)產(chǎn)的方式的50%以下，輸出等量的熱與淡水產(chǎn)品所消耗的余熱減少30%。

如果在城市附近利用湖泊或池塘等自然條件建設(shè)大規(guī)模的跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)，則可以使核電全年排出的余熱都得到有效利用。圖3顯示了帶有跨季節(jié)蓄熱的系統(tǒng)原理。非供暖季利用核電排出的余熱制備熱淡水，經(jīng)長途輸送后，進入大型蓄熱水池頂層，置換出10～15 ℃的冷淡水從下部排出，經(jīng)管道B、C送入自來水廠。在冬季供暖結(jié)束時蓄水池內(nèi)全部為冷水，經(jīng)過春、夏、秋季的持續(xù)置換，到開始供熱時蓄水池內(nèi)已經(jīng)全部置換為90 ℃的熱水。供熱季開始，從核電廠制備的熱淡水繼續(xù)進入蓄水池頂層，同時還從頂層流出更大流量的熱水經(jīng)過管道A進入換熱器，在水熱分離裝置中把熱量釋放給另一側(cè)的熱網(wǎng)循環(huán)水，自身冷卻為10～15 ℃的冷水，一部分經(jīng)管道B返回到蓄水池，一部分經(jīng)管道C送入自來水廠。由于核電站一般全年運行7 500～8 000 h，這種帶有跨季節(jié)蓄能的全年運行方式可以提供的淡水量和熱量為前述僅冬季運行方式的2.5倍。如果有1億kW的核電站，全年可提供25億GJ的熱量和75億t淡水，可以滿足沿海岸線法線方向200 km以內(nèi)地域的城鎮(zhèn)2億人口的全部建筑的供暖需求和一半的淡水需求。

圖3 帶有跨季節(jié)蓄熱的海水淡化、水熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

對于遠離海岸線的北方內(nèi)陸地區(qū)，則可以采用用于冬季調(diào)峰的火電廠以熱電聯(lián)產(chǎn)模式運行所輸出的余熱。1 kW發(fā)電能力可在發(fā)電的同時產(chǎn)生1.3 kW以上的熱量。這樣，北方有3億kW調(diào)峰火電就可以輸出4億kW熱量，冬季平均運行2 000 h就可提供28億GJ的熱量，其70%即可完全可以滿足北方內(nèi)陸100億m2供暖建筑的熱源需求。

對于難以連接集中供熱管網(wǎng)的部分城鎮(zhèn)建筑，未來可能占城鎮(zhèn)建筑總量的20%，可以采用各類電動熱泵熱源方式，包括空氣源、地源、污水源及2 000～3 000 m深的中深層套管換熱型熱泵方式。如果這些熱泵方式的平均COP為2.5，則20%的北方城鎮(zhèn)建筑，也就是40億m2建筑需要的8億GJ熱量需要耗電900億kW·h。這占我國3萬億kW·h左右的冬季用電總量的3%，不會對電力系統(tǒng)的冬夏平衡帶來太大的問題。

3 建筑的建造和維修耗材的生產(chǎn)和運輸導(dǎo)致的碳排放

我國制造業(yè)用能占全國能源消費總量的65%，制造業(yè)用能導(dǎo)致的碳排放成為我國最主要的碳排放。而制造業(yè)用能中，80%為鋼鐵、有色、化工和建材這4個產(chǎn)業(yè)用能。而化工產(chǎn)業(yè)的部分用能是以能源作為生產(chǎn)原料，并不構(gòu)成碳排放。因此鋼鐵、有色、建材三大產(chǎn)業(yè)是我國制造業(yè)主要的碳排放產(chǎn)業(yè)。我國的這3個產(chǎn)業(yè)具有巨大的產(chǎn)能，2019年我國鋼產(chǎn)量超過10億t，為世界第一，而世界鋼產(chǎn)量第二至第十的國家鋼產(chǎn)量之和也沒有達到10億t。我國水泥、平板玻璃等的產(chǎn)量更是超過世界總產(chǎn)量的50%以上。巨大的產(chǎn)量形成巨大的碳排放。而之所以具有這樣的產(chǎn)量又是由于旺盛的市場需求所導(dǎo)致。進入21世紀以來，我國經(jīng)濟發(fā)展的主要驅(qū)動力是快速城鎮(zhèn)化帶來的城鎮(zhèn)建設(shè)和大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。2019年城鎮(zhèn)房屋總量幾乎為2000年的4倍，高速公路、高速鐵路則從零起步，20年的時間使我國的高速公路、高速鐵路的總里程都位居世界第一。20年建筑業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建造的飛速發(fā)展，極大地改變了我國土地的面貌，為實現(xiàn)美麗中國奠定了重要基礎(chǔ)。然而，這樣的建設(shè)速度就導(dǎo)致對鋼鐵、建材和有色金屬產(chǎn)品的極旺盛需求。我國鋼鐵產(chǎn)品的70%、建材產(chǎn)品的90%、有色產(chǎn)品的20%都用于房屋建造和基礎(chǔ)設(shè)施建造，其中一半以上用于房屋建造。而這些產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸又形成巨大的碳排放。我國民用建筑建造由于建材生產(chǎn)、運輸和施工過程導(dǎo)致的二氧化碳排放量已達16億t，接近建筑運行的22億t的二氧化碳排放量。二者之和幾乎達到我國碳排放總量的40%，成為全社會二氧化碳排放占比最大的部門。盡管這16億t建材生產(chǎn)運輸?shù)奶寂欧疟挥嬋牍I(yè)生產(chǎn)和交通運輸?shù)奶寂欧胖校侨绻麤]有旺盛的建筑市場需求，工業(yè)和交通部門就不會這樣大規(guī)模生產(chǎn)和運輸這些建材。所以這部分碳排放也應(yīng)由建筑部門分擔其減排責任。

這樣的房屋建設(shè)速度是否一直要持續(xù)下去呢？目前，我國城鄉(xiāng)建筑建成面積已超過600億m2，尚有超過100億m2的建筑處于施工階段。全部完工后，我國將擁有超過700億m2建筑，人均建筑面積達50 m2，其中城鎮(zhèn)居住建筑人均將超過35 m2，農(nóng)村居住建筑面積更高，而公共建筑和商業(yè)建筑人均也將超過10 m2。這樣的指標已經(jīng)超過目前日本、韓國、新加坡這3個亞洲發(fā)達國家的水平，并接近法國、意大利等歐洲國家水平。我國土地資源相對匱乏，中高層的居住建筑模式也使得居住單元面積小于歐美單體或雙拼型住宅。據(jù)一些調(diào)查統(tǒng)計研究，我國目前城鎮(zhèn)住房的空置率已超過20%[2]，考慮三四年后將陸續(xù)竣工的100億m2建筑(其中有60%以上為居住建筑)，即使進一步城鎮(zhèn)化，城鎮(zhèn)居民再增加25%，從目前的8億人口增加到10億人口，住房總量也基本滿足需求。部分居民的住房問題完全是房屋分配問題，而不再是總量不足的供給問題。按照“房屋是用來住的，不是用來炒的”這一精神，再進一步增大房屋規(guī)模只能增加空置率，產(chǎn)生出更多的“鬼城”。

圖4顯示了近年來我國城鄉(xiāng)建筑的竣工量和拆除量[3]?？梢钥闯觯跗谀昕⒐ち窟h大于年拆除量，由此形成建筑總量的凈增長，滿足對建筑的剛性需求。而近幾年，盡管每年的城鎮(zhèn)住宅和公共建筑竣工面積仍然維持在30億～40億m2之間，但每年拆除的建筑面積也已經(jīng)達到將近20億m2。這也表明我國房屋建造已經(jīng)從增加房屋供給以滿足剛需轉(zhuǎn)為拆舊蓋新以改善建筑性能和功能?！按蟛鸫蠼ā币殉蔀榻ㄖI(yè)的主要模式。然而根據(jù)統(tǒng)計，拆除的建筑平均壽命僅為三十幾年，遠沒有達到建筑結(jié)構(gòu)壽命。大拆大建的主要目的是提升建筑性能和功能，優(yōu)化土地利用。其背后巨大的驅(qū)動力為高額的土地價格。然而，如果持續(xù)這樣的大拆大建，就會使建造房屋不再是一段歷史時期的行為，而成為持續(xù)的產(chǎn)業(yè)。那么由此導(dǎo)致的對鋼鐵、建材的旺盛需求也將持續(xù)下去，鋼鐵和建材的生產(chǎn)也將持續(xù)地旺盛下去，由此形成的碳排放就很難降下來了。

圖4 我國城鎮(zhèn)建筑竣工量和拆除量(2007—2019年)[3]

與大拆大建相比，建筑的加固、維修和改造也可以滿足功能提升的需要，但如果不涉及結(jié)構(gòu)主體，就不需要大量鋼材水泥，由此導(dǎo)致的碳排放要遠小于大拆大建。改變既有建筑改造和升級換代模式，由大拆大建改為維修和改造，可以大幅度降低建材的用量，從而減少建材生產(chǎn)過程的碳排放。建筑產(chǎn)業(yè)應(yīng)實行轉(zhuǎn)型，從造新房轉(zhuǎn)為修舊房。這一轉(zhuǎn)型將大大減少房屋建設(shè)對鋼鐵、水泥等建材的大量需求，從而實現(xiàn)這些行業(yè)的減產(chǎn)和轉(zhuǎn)型。

為什么寧可拆了重建也不愿維修改造呢？調(diào)查表明，盡管大拆大建需要大量的建筑材料，但所需人工費卻遠低于維修改造。并且大拆大建還可以在原有土地上增加建筑面積，從而帶來巨大的商業(yè)利益。因此，必須從生態(tài)文明的理念出發(fā)，制定科學(xué)合理的政策機制，杜絕大拆大建現(xiàn)象，鼓勵勞動力密集型而不是材料和碳排放密集型的房屋改造模式。

無論是新建還是改造，目前的建筑業(yè)還在很大程度上依賴水泥。而水泥生產(chǎn)過程又要排放大量二氧化碳。這一問題的徹底解決需要改變目前的房屋建造方式和建材形式。在工業(yè)革命以前我國5 000年的房屋建造史中并沒有水泥，利用傳統(tǒng)工藝也可以建造出萬里長城、巨型宮殿，也可以出現(xiàn)屹立千年的建筑。水泥僅是近200年發(fā)展出來的建筑材料并形成以其為基礎(chǔ)的建造方式。低碳發(fā)展很可能需要建造行業(yè)的革命，而其根本出發(fā)點就是用新型的低碳、零碳建筑材料替代高碳排放的水泥，并圍繞新的建筑材料的特點發(fā)展出新型建筑結(jié)構(gòu)和房屋建造方式。

未來的能源系統(tǒng)很難完全避免使用化石能源。通過燃燒來使用少量的化石能源，并從燃燒過程排放的煙氣中分離出二氧化碳，將其固化和貯存，也就是CCS，將是一種重要的實現(xiàn)碳中和的方式。但在何處貯存固化或液化的二氧化碳，卻是CCS這一碳中和路徑中最難以解決的問題。如果通過某種方式，把二氧化碳合成為新的建筑材料，使建筑物結(jié)構(gòu)體成為碳的貯存空間，則既可解決建材生產(chǎn)過程的二氧化碳排放，又使建筑成為固碳的載體，這將對未來實現(xiàn)碳中和目標作出重大貢獻。

上述討論說明：目前我國的大興土木，是鋼鐵建材產(chǎn)量居高不下的主要原因，而鋼鐵建材生產(chǎn)過程的碳排放又在工業(yè)生產(chǎn)過程碳排放總量中占主要部分。避免大拆大建，使建筑的維修改造成為建筑業(yè)的主要任務(wù)，減少對鋼鐵建材的需求，將有效減少工業(yè)生產(chǎn)過程的碳排放。研究新型的低碳建材和與其相配套的結(jié)構(gòu)體系和建造方式，是未來建筑業(yè)實現(xiàn)低碳的重要任務(wù)。利用從煙氣中分離出的二氧化碳生產(chǎn)新型建材，從而使建筑成為固碳的載體，還可以進一步使建筑業(yè)從目前的高碳行業(yè)轉(zhuǎn)為負碳行業(yè)，為碳中和事業(yè)作出貢獻。

4 解決非二氧化碳類溫室氣體排放問題

除了二氧化碳導(dǎo)致氣候變暖，還有很多非二氧化碳氣體排放到大氣后也會造成溫室效應(yīng)。取這些氣體中一個碳原子與二氧化碳氣體中一個碳原子所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)之比稱為全球變暖潛能(global warming potential，GWP)，這些非二氧化碳氣體的GWP可高達幾十到幾千。表1給出了目前常用的幾種制冷工質(zhì)的GWP值[4]。因此盡管這些氣體排放量遠小于二氧化碳，但其對氣候變化的影響不容輕視。根據(jù)有關(guān)機構(gòu)的初步分析，我國排放的非二氧化碳溫室氣體按照GWP的方法看，相當于使用化石能源所排放的二氧化碳量的20%～30%。其中，建筑中采用氣體壓縮方式進行空調(diào)制冷所普遍使用的氫氟烴、氫氯氟烴類制冷劑就是主要的非二氧化碳類溫室氣體。我國由于建筑相關(guān)制冷劑泄漏造成的溫室氣體相當于1億t二氧化碳當量。

表1 幾種常見制冷劑的GWP值[4]

含氟制冷工質(zhì)只有排放到大氣中才會產(chǎn)生溫室效應(yīng)。如果通過改進密封工藝，實現(xiàn)空調(diào)制冷運行過程中的無泄漏，就可以實現(xiàn)運行過程中的零排放。近年來我國制冷空調(diào)技術(shù)水平有了長足的進步，空調(diào)、冰箱等各類使用氟類工質(zhì)的制冷系統(tǒng)運行泄漏量顯著減少。只要繼續(xù)改進密封工藝，并嚴格管控，杜絕非移動設(shè)備運行過程中的泄漏是完全可以實現(xiàn)的。而對于車輛空調(diào)，由于其長期處于劇烈振動中，做到無泄漏有一定困難，應(yīng)該根據(jù)車輛的特點，發(fā)展新型的無氟空調(diào)制冷方式。

目前制冷工質(zhì)實際的大量排放出現(xiàn)在維修和拆除過程中。尤其是居住建筑分散型空調(diào)，當移機或廢棄時，往往直接把系統(tǒng)放空，制冷工質(zhì)直接排到大氣。在集中空調(diào)大型制冷機組及各類中型、大型熱泵的維修中，也有向大氣排出系統(tǒng)中制冷工質(zhì)的現(xiàn)象。通過合理的政策機制，形成嚴格的制冷工質(zhì)回收制度，禁止各種場合下的制冷工質(zhì)排放，可有效地消除這部分非二氧化碳溫室氣體排放。近年來，一些機構(gòu)研發(fā)回收和再利用從系統(tǒng)中取出的制冷工質(zhì)的技術(shù)。再利用技術(shù)有一定的困難，且成本較高，這就使得很多情況下放棄了對這些制冷工質(zhì)的回收。如果改變思路，不是從回收利用的角度，而是從避免排放的角度，按照大氣和水污染管理的方法，強化制冷工質(zhì)的回收和處理，結(jié)果就會有所不同。當回收的工質(zhì)難以處理和再利用時，可以燒掉，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸寂欧?，GWP降為1。學(xué)習環(huán)境治理領(lǐng)域的成功經(jīng)驗和方法制定對制冷工質(zhì)有效的管理方法，可以避免空調(diào)制冷工質(zhì)導(dǎo)致的非二氧化碳氣體排放。

再進一步的路徑就是發(fā)展新的無氟制冷技術(shù)，在一些不能避免泄漏、不易管理的場合避免使用無氟制冷工質(zhì)。目前已經(jīng)有大量的新技術(shù)來實現(xiàn)無氟制冷。在干燥地區(qū)采用間接式蒸發(fā)冷卻技術(shù)，可以獲得低于大氣濕球溫度的冷水，滿足舒適性空調(diào)和數(shù)據(jù)中心冷卻的需要且大幅度降低制冷用電量；利用工業(yè)排出的100 ℃左右的低品位熱量，通過吸收式制冷，也可以獲得舒適性空調(diào)和工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境空調(diào)所要求的冷源，且由于使用的是余熱，還可以產(chǎn)生節(jié)能效益。而目前涌現(xiàn)出來的新型制冷技術(shù)，如熱聲制冷、磁制冷，以及技術(shù)上又有所突破的半導(dǎo)體制冷等，則可以完全不用制冷工質(zhì)，用電或熱驅(qū)動制冷。以前這些新型制冷方式功率小、效率低，僅用于特殊需求條件下。近年來這些方式在理論、技術(shù)上都出現(xiàn)了重大突破，制冷容量增加，效率提高，可應(yīng)用范圍也在逐步向建筑部門滲透。

采用無氟制冷工質(zhì)則是又一條解決非二氧化碳溫室氣體排放的技術(shù)路徑。二氧化碳就是可選擇的制冷工質(zhì)。由于它的三相臨界點溫度為31.2 ℃，所以其熱泵工況是變溫地釋放熱量，而不是像其他類型工質(zhì)那樣以相變狀態(tài)的溫度放熱，這就使得工質(zhì)與載熱媒體有可能匹配換熱，從而提高熱泵效率。近20年來，采用二氧化碳工質(zhì)的熱泵產(chǎn)品獲得了巨大成功。由于二氧化碳工質(zhì)工作壓力高，對壓縮機和系統(tǒng)的承壓能力提出了很高要求，而我國在此方面的制造技術(shù)還有所欠缺。需要將其作為解決非二氧化碳溫室氣體排放的一個重要任務(wù)，組織多方面合作攻關(guān)，盡早發(fā)展出自己的成套技術(shù)和產(chǎn)品。

再一個重要方向是轉(zhuǎn)向傳統(tǒng)的氨制冷劑。這是人類最初采用氣體壓縮制冷時就使用的制冷劑。后來由于安全性等問題，逐漸退出其制冷應(yīng)用。在考慮氟系的制冷劑替代中，氨又重新回到歷史舞臺。通過多項創(chuàng)新技術(shù)，可以克服氨系統(tǒng)原來的一些問題，未來在冷藏冷凍、空調(diào)制冷領(lǐng)域氨很可能會占有一定的市場。

非二氧化碳溫室氣體問題是與二氧化碳同樣重要的影響氣候變化的重要問題，需要建筑部門認真對待。非二氧化碳類溫室氣體排放問題的解決，會導(dǎo)致建筑中冷凍冷藏、空調(diào)制冷技術(shù)的革命性變化，實現(xiàn)技術(shù)的創(chuàng)新性突破，值得業(yè)內(nèi)關(guān)注。

5 生態(tài)文明的發(fā)展理念是實現(xiàn)碳中和的基礎(chǔ)

以上圍繞實現(xiàn)碳中和的目標，從技術(shù)的角度討論了建筑部門的發(fā)展路徑。而真正能夠按照這一路徑實現(xiàn)最終的碳中和目標不僅需要技術(shù)革命，更需要在建筑與使用者關(guān)系這一基本問題上堅持生態(tài)文明的發(fā)展觀，從人與自然的關(guān)系、從可持續(xù)發(fā)展的角度確定建筑環(huán)境營造方式的基本理念。

從工業(yè)革命開始形成的工業(yè)文明，其本質(zhì)是充分挖掘自然界的一切資源以滿足人類的需求。工業(yè)文明理念促進了人類社會的極大發(fā)展。然而，人的欲望是無窮盡的，有限的自然資源無法滿足無窮盡的需求，這是這些年來出現(xiàn)的資源枯竭、環(huán)境惡化、氣候變暖的根本原因。而生態(tài)文明的發(fā)展理念，就是追求人類的發(fā)展與自然界生態(tài)環(huán)境之間的平衡，在不改變自然生態(tài)環(huán)境的前提下實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。從這一基本理念出發(fā)，就可以回答上述涉及的很多爭論問題：

未來到底還要建造多少房屋？是滿足生活與社會、文化和經(jīng)濟活動的基本需求，還是非要追求奢侈型居住和社會活動的建筑環(huán)境？關(guān)于居住單元的規(guī)模，辦公空間的規(guī)模，學(xué)校的規(guī)模，商業(yè)、交通、文體設(shè)施建筑的規(guī)模，這些年來出現(xiàn)過多次爭論。從居住健康、幸福、社會繁榮的角度，從資本運作的需要，很難給出規(guī)模的上限。但是考慮土地資源、碳排放空間等自然資源的約束，卻存在制約建筑規(guī)模無限擴張的上限。嚴格控制建筑總量，在科學(xué)確定的規(guī)模總量之下合理地規(guī)劃各類建筑的規(guī)模，避免無節(jié)制的擴張，是生態(tài)文明發(fā)展觀的基本原則和要求，更是實現(xiàn)未來碳中和的基礎(chǔ)。

按照什么方式營造建筑室內(nèi)環(huán)境？這是如何實現(xiàn)生態(tài)文明發(fā)展的又一個基本問題。我國城市建筑運行的人均能耗目前僅為美國的1/5～1/4，單位面積的運行能耗也僅為美國的約40%。這樣大的差別主要是由于不同的室內(nèi)環(huán)境營造理念所造成的。我國傳統(tǒng)的建筑使用習慣是“部分時間、部分空間”的室內(nèi)環(huán)境營造模式。也就是有人的房間開啟照明、空調(diào)和其他需要的用能設(shè)備，而無人時關(guān)閉一切用能設(shè)備。這就不同于美國的“全時間、全空間”，無論有人與否，室內(nèi)環(huán)境在全天24 h內(nèi)都維持于要求的狀態(tài)。這種方式無疑會給使用者帶來很大的便捷，但由于每個建筑空間的實際使用率僅為10%～60%，全天候的室內(nèi)環(huán)境營造就導(dǎo)致了對能源的巨大需求，為建筑運行實現(xiàn)零碳帶來極大的困難。此外，建筑的通風方式是完全依靠機械通風還是盡可能優(yōu)先采用自然通風，室內(nèi)熱濕環(huán)境水平是維持在滿足舒適需求的下邊界(冬天維持在溫度下限、夏天維持在溫度上限)還是維持在舒適性的上邊界(冬季維持在溫度上限、夏季則維持在溫度下限)或過量供冷過量供熱，這都會造成建筑運行用能需求的巨大差別。從生態(tài)文明理念出發(fā)，堅持我國傳統(tǒng)的節(jié)約型建筑運行模式，在這種較低的建筑運行能耗強度水平上，可以實現(xiàn)建筑運行零碳目標。而一旦這種傳統(tǒng)的運行模式被打破，出現(xiàn)建筑運行能耗強度在目前水平上增加二三倍甚至更多的現(xiàn)象，則前面提出的各種零碳思路就不能奏效了。同樣，按照前面的討論，要實現(xiàn)建筑設(shè)備的“需求側(cè)響應(yīng)”模式運行，也要在不影響使用者基本需求的前提下，根據(jù)供給側(cè)可再生電力的變化適當調(diào)整室內(nèi)用電狀況，這也會在一定程度上影響使用者的舒適性和所接受服務(wù)的便捷性。但這種較小的不適與不便換來的是避免使用化石能源，從而實現(xiàn)零碳。這就是在零碳和高標準享受之間的平衡。實際上，隨著零碳理念的深入人心，發(fā)達國家也開始反思，開始倡導(dǎo)節(jié)約低碳的運行模式。從生態(tài)文明的理念出發(fā)，由追求極致的享受到追求人類需求與自然環(huán)境的平衡，是人類文明發(fā)展和進步的表現(xiàn)，也應(yīng)該是我們應(yīng)恪守的發(fā)展理念。

6 通向零碳的路徑

我國目前建筑運行每年還排放20億t以上的二氧化碳，建筑建造每年還間接地導(dǎo)致鋼鐵建材等制造領(lǐng)域的16億～18億t的二氧化碳排放。實現(xiàn)2060年的碳中和目標距今還有40年時間。建筑部門在這40年內(nèi)應(yīng)該通過怎樣的發(fā)展路徑來實現(xiàn)未來目標？

清晰地定義了40年后的目標，就可以科學(xué)規(guī)劃這40年的發(fā)展路徑，使其在滿足實現(xiàn)社會經(jīng)濟文化發(fā)展需要的前提下，逐步向未來情景逼近。避免“摸著石頭過河”，減少重復(fù)建設(shè)，少走彎路。

面對現(xiàn)實的大量問題、需求，可以有多種解決方案，但有些方案是通向未來碳中和場景的中間過程，有些卻是與未來碳中和的場景背道而馳。那么，是否就應(yīng)該盡可能選取那些與未來目標相一致的方案呢？

例如，目前北方地區(qū)的取消散煤、實現(xiàn)清潔能源供暖的行動，可以是“煤改氣”方式，也可以是“煤改電”、煤改電動熱泵。從當前看，“煤改氣”可以完成取消散煤、實現(xiàn)清潔供暖的任務(wù)。但是，從前述討論看，天然氣也屬于化石能源，天然氣燃燒排放的二氧化碳約為產(chǎn)生相同熱量所需要的燃煤燃燒的一半，未來也屬于被替換的范圍。那么，是否就應(yīng)該堅持“煤改電”，尤其是煤改電動熱泵，而不是先改燃氣，然后再“氣改電”呢？

自2000年以來，世界上開始推廣燃氣驅(qū)動的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，將其作為分布式能源的主要形式，實現(xiàn)節(jié)能和低碳。然而這種方式仍然是由作為化石能源的天然氣驅(qū)動，不可避免地要排放二氧化碳。并且，既然是冷熱電三聯(lián)供，僅僅當熱與電或冷與電的需求相匹配時，才可實現(xiàn)最高的效率。而對于一座建筑或一個建筑群來說，電的需求和冷熱需求很難同步匹配。按照“以電定熱”運行，就會使無熱量需求時大量的余熱被排放；而“以熱定電”又會出現(xiàn)氣電頂替風電、光電的現(xiàn)象，干擾未來風電、光電為主的電力系統(tǒng)的運行。冷熱電三聯(lián)供的更大問題是促成了區(qū)域供冷方式。而實際上從供冷特點看，建筑對供冷的需求在大多數(shù)情況下都是“部分時間、部分空間”，集中促使了“全時間、全空間”的供冷服務(wù)，導(dǎo)致終端消費量成倍增加。20年來，國內(nèi)也建成了不少冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，但在實際運行中尚未發(fā)現(xiàn)真正降低了運行能耗、獲得節(jié)能效果的案例。接受歷史的教訓(xùn)，從未來碳中和目標規(guī)劃，是否應(yīng)堅決停止再上這類項目呢？

反之，發(fā)展建筑表面的光伏發(fā)電，這是未來大勢所趨。目前光伏組件的成本越來越低，光伏發(fā)電成本已低于煤電。發(fā)展光伏又不會對建筑帶來負面影響，那么為什么不能盡早地在新建建筑中推廣，在既有建筑中追加？發(fā)展光伏的主要困難是接入和消納，在建筑內(nèi)沒有實現(xiàn)“光儲直柔”改造、形成良好的光伏接入與消納條件時，在電網(wǎng)未進行深入改造、形成可再生電力分布式接入的條件時，大規(guī)模的建筑光伏可能會對電網(wǎng)帶來一定沖擊。那么，就可以先建設(shè)建筑周邊停車場的光伏直流充電樁，由電動汽車通過慢充方式消納光伏電力。這既有利于電動車的推廣，又與未來建筑的“光儲直柔”配電改造相一致，是通向建筑碳中和路徑中間的重要節(jié)點。這就是把長遠方向與近期任務(wù)有機結(jié)合的發(fā)展方式。

堅持綠色建筑發(fā)展方向，通過綠色技術(shù)和方式提升建筑的功能和服務(wù)水平，這是建筑永遠不變的發(fā)展方向。在設(shè)計和營造中，通過被動化技術(shù)，使建筑對機械系統(tǒng)提供的冷、熱、光的需求降到最?。辉偻ㄟ^供能系統(tǒng)的最優(yōu)化技術(shù)，使其供能效率得到最大的提高。這仍然應(yīng)該是建筑和機電系統(tǒng)未來發(fā)展的基本要求。在此基礎(chǔ)上，再發(fā)展儲能和靈活用能的技術(shù)與措施，就可以逐步逼近和實現(xiàn)未來的碳中和目標。

7 結(jié)語

本文介紹了減緩氣候變化、實現(xiàn)碳中和的目標和建筑部門的4個主要任務(wù)：取消直接碳排放，協(xié)助減少電力和熱力應(yīng)用導(dǎo)致的間接碳排放，減少建造和維修用材的生產(chǎn)和運輸導(dǎo)致的碳排放，以及避免建筑空調(diào)制冷系統(tǒng)使用中非二氧化碳類溫室氣體的排放。生態(tài)文明理念是完成這4項任務(wù)的基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)碳中和的目標，這4個方面都必須出現(xiàn)革命性變革，改變用能種類，改變用能方式，改變建筑材料和結(jié)構(gòu)，改變空調(diào)制冷方法。只有通過這些根本的改變才有可能實現(xiàn)消除或中和建筑相關(guān)的溫室氣體排放。與此同時，這些革命性變化又反過來促進整個建筑行業(yè)的技術(shù)進步。因此碳減排、碳中和并不是制約了經(jīng)濟發(fā)展，而是打破了技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展的僵局，開發(fā)出新的疆土，從而哺育出顛覆性技術(shù)，促進全行業(yè)出現(xiàn)跨越式發(fā)展。這應(yīng)該是碳減排、碳中和為我們帶來的發(fā)展機遇。抓住這個機遇，從新的角度去看行業(yè)的發(fā)展，可以使我們對許多問題看得更清楚，從而也就會有完全不同的解決思路，促使事物出現(xiàn)革命性變化。