碳中和目標下建筑能源系統(tǒng)再認識

劉曉華

《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展報告2022》的數(shù)據(jù)顯示，我國建筑運行的年碳排放量達到21.8億噸，民用建筑建造相關(guān)碳排放量15億噸，二者相加，已經(jīng)超過了全社會碳排放的三分之一。未來，我國建筑面積還將進一步增加，服務(wù)質(zhì)量也將進一步提升，建筑領(lǐng)域面臨巨大減碳壓力。

未來，風電、光電將成為電力系統(tǒng)的主力，預(yù)計占到總裝機容量的80%，年發(fā)電量的60%?？稍偕茉窗l(fā)電會因氣侯條件而具有非常大的波動性，這使得調(diào)蓄成為非常重要的環(huán)節(jié)，對建筑側(cè)的功能要求也會從原來的單純能源消耗變成集能源的生產(chǎn)、消費和調(diào)蓄三位于一體。

面對這種新的要求，由于光伏發(fā)電等可再生電力需要非常大的面積，建筑屋頂就變成了非常好的可再生能源利用場景。所以，需要在滿足建筑美觀的前提下，利用建筑的屋面與外立面，盡可能地發(fā)展光伏資源，使建筑成為能源的產(chǎn)消者。

以前的建筑能源系統(tǒng)主要是從需求側(cè)，即建筑的冷熱電需求來配置相應(yīng)的能源系統(tǒng)方案，未來供給側(cè)將是風電、光電為主的低碳、波動型電力供給，能源系統(tǒng)會從原來的根據(jù)建筑需求確定供給轉(zhuǎn)向以供給引導(dǎo)需求。

一、降低需求與節(jié)能是實現(xiàn)低碳的基礎(chǔ)

目前，無論人均面積還是單位面積的能耗強度和碳排放強度，我國均低于發(fā)達國家水平。如果照搬國外的建筑發(fā)展模式，能耗和碳排放都可能成倍增長。因此，我們要在目前具有中國特色的建筑用能基礎(chǔ)之上，在進一步滿足人們不斷提升的室內(nèi)環(huán)境等各方面需求的同時，實現(xiàn)低碳發(fā)展。

實現(xiàn)低碳目標，節(jié)約能源是關(guān)鍵，通過科學合理的設(shè)計提升建筑本體性能、降低營造室內(nèi)環(huán)境的能源需求是方向，減少建筑使用過程中不必要的冷熱消耗也非常重要。像航站樓這樣體型系數(shù)相對較小的建筑，外圍護結(jié)構(gòu)相對較少，人員、燈光設(shè)備的發(fā)熱量跟圍護結(jié)構(gòu)冬季的散熱量近似，如果能夠有效降低不必要的滲風能耗，機場航站樓這樣的建筑就有望實現(xiàn)近零能耗的供熱。

在降低建筑本體需求方面，目前有很多從源頭出發(fā)的新思路、新材料可以考慮。比如輻射制冷材料，對太陽輻射3μm以下的波段有很好的反射作用，在8-13μm的“大氣窗口”有較高的發(fā)射率。對于建筑需要全年制冷的場景，如制冰場館，可以通過屋頂輻射制冷涂料降低建筑表面溫度，獲得較為顯著的節(jié)能效果。如果建筑既有夏季供冷又有冬季供熱的需求，則需要進行綜合權(quán)衡。

在兼具冷熱需求的場景，熱回收也是常用的降低需求的途徑。如電子廠房，冬季需要對室外新風進行加熱，同時室內(nèi)房間還需要通過干冷卻盤管DCC進行供冷。這些同時需要供冷和供熱的情況，可通過熱回收減少外部冷熱量的投入。這需要從建筑整個能源系統(tǒng)的角度出發(fā)，充分挖掘可回收的冷熱量的潛力。

二、全面電氣化

建筑行業(yè)當前的電氣化率大概在50%左右，未來面臨著再電氣化或者全面電氣化的挑戰(zhàn)。除北方采暖外，未來建筑能源系統(tǒng)若能實現(xiàn)100%由電力驅(qū)動，將有助于建筑能源系統(tǒng)低碳化。

提升電氣化率的途徑包括：化石燃料替代、炊事/生活熱水等實現(xiàn)電氣化。以前以燃料作為驅(qū)動熱源的方式，會面臨獲得清潔熱源的問題，包括蒸汽、炊事所需要用熱的電氣化設(shè)備等，這也是對機電設(shè)備系統(tǒng)形式提出的新要求。

三、提高機電系統(tǒng)效率

從7℃出水大型離心式冷水機組效率的情況，可以看出目前制冷循環(huán)性能已經(jīng)非常接近于理想循環(huán)的效率，在外部工況確定的情況之下進一步提升單個制冷循環(huán)性能的空間非常有限?，F(xiàn)在的端差，冷凝側(cè)和蒸發(fā)側(cè)都在1℃以內(nèi)，甚至0.5℃。但如果改變一下外部工作條件，把水溫從之前7℃進一步提升到16℃，機組整體性能就可能由于蒸發(fā)溫度的提升而得到更大幅度的提升。

對于制冷而言，一方面要尋找比室外更優(yōu)的自然冷源或者更低溫的熱匯，像冷卻塔、地表水、露點溫度、地下水等;另一方面要在滿足建筑需求的情況下提升所需要的冷源溫度，以此有效提升整個系統(tǒng)性能。除了在既定工況下提高機電設(shè)備系統(tǒng)性能之外，改變外部工作條件，例如高溫供冷低溫供熱、溫濕度獨立控制等，也會帶來整個機電設(shè)備系統(tǒng)效率的大幅度提升。

機電設(shè)備在建筑中運行時，并不是在滿負荷而是部分負荷的情況會占據(jù)絕大多數(shù)時間，要提高包括制冷主機、風機水泵等的部分負荷性能。從高效冷機主機到高效機房，再統(tǒng)籌空調(diào)箱這些末端能耗，整個系統(tǒng)需要精細化設(shè)計和調(diào)試，從而實現(xiàn)整個空調(diào)系統(tǒng)的高效運行。

四、柔性用能

目前建筑能耗都是指建筑整體的能源消耗，通常以一年建筑消耗能源的總量作為評價標準。未來，隨著可再生能源電力的占比加大，建筑側(cè)也可以承擔起很好的靈活用電功能，使建筑成為電力系統(tǒng)靈活負載，實現(xiàn)建筑用電和電網(wǎng)側(cè)的良好匹配關(guān)系。因此，除了建筑總體能耗的時間尺度之外，還需要關(guān)注逐時的時間尺度，研究這種建筑供應(yīng)和需求在時間尺度上的匹配。

除了外加的蓄電池、電動車可以作為蓄能途徑外，建筑也有冰蓄冷、水蓄冷等相應(yīng)的蓄冷系統(tǒng)，建筑本體圍護結(jié)構(gòu)也具有一定的蓄能能力，因此，在柔性用電情景下，對建筑的各種蓄能能力也需要重新認識和評估。

另外，光儲直柔也是建筑實現(xiàn)零碳電力的重要途徑。國務(wù)院《2030年前碳達峰行動方案》已明確指出：“建設(shè)集光伏發(fā)電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的‘光儲直柔建筑”。

碳中和對建筑低碳提出了新要求，怎樣去進一步降低需求、提高能效是行業(yè)努力的方向。建筑能源結(jié)構(gòu)需要全面電氣化、充分利用可再生能源、加強建筑柔性，推動能源系統(tǒng)的革新。