“雙碳”目標(biāo)下建筑能源變革思考

戎向陽(yáng)

為什么要推動(dòng)建筑電氣化

我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)遠(yuǎn)難于發(fā)達(dá)國(guó)家，從2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，只有30年時(shí)間，時(shí)間非常短，必須通過(guò)能源變革和產(chǎn)業(yè)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。

建筑碳排放占全國(guó)社會(huì)總碳排放的比例接近40%，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)非常重要的內(nèi)容。其中，建材和運(yùn)輸受制于工業(yè)和交通領(lǐng)域的脫碳，碳排放占比最大的運(yùn)行過(guò)程則是建筑行業(yè)自主貢獻(xiàn)的部分。

建筑用能全面電氣化無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)零碳、低碳運(yùn)行的最佳途徑。一方面，取消化石類燃料的燃燒，可以將直接碳排放降為零，另一方面，可以依托建筑節(jié)能和電力碳排放因子下降，降低運(yùn)行過(guò)程的間接碳排放。

為什么說(shuō)電氣化是最佳途徑呢？首先，是適應(yīng)國(guó)家未來(lái)能源總體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的需要。從現(xiàn)在的能源規(guī)劃來(lái)說(shuō)，能源消費(fèi)中的化石類能源消費(fèi)要在2030年達(dá)峰，未來(lái)新增的能源都是非化石類能源，主要是核電、水電、風(fēng)電、光電，這些能源都是以電力形式提供的。

其次，建筑用能電氣化有利于實(shí)現(xiàn)電力需求側(cè)響應(yīng)。未來(lái)新能源比重越來(lái)越高，供給側(cè)可調(diào)性下降，需要我們做好需求側(cè)響應(yīng)來(lái)平衡和消納可再生能源電力供應(yīng)。需求側(cè)響應(yīng)控制也可以降低峰值負(fù)荷，電力部門專家預(yù)測(cè)，如果做好需求側(cè)響應(yīng)，整個(gè)峰值可以下降10%。另外，建筑可以通過(guò)“蓄”和“調(diào)”來(lái)適應(yīng)供給側(cè)變化，“蓄”主要表現(xiàn)在蓄電、蓄冷、蓄熱，“調(diào)”是適應(yīng)供給側(cè)變化的自動(dòng)控制。通過(guò)“蓄”和“調(diào)”，容易實(shí)現(xiàn)建筑用電的柔性化，滿足需求側(cè)響應(yīng)的需求。未來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，建筑電力消費(fèi)在整個(gè)電力消費(fèi)中比重會(huì)越來(lái)越大，預(yù)計(jì)到2060年建筑用電量占總用電量40%。因此，做好建筑需求側(cè)響應(yīng)控制對(duì)高可再生能源滲透比的電力供應(yīng)調(diào)節(jié)將起到很大的作用。

其三，建筑用能電氣化也有利于推動(dòng)建筑光伏一體化（BIPV）的發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)碳中和，風(fēng)電、光電裝機(jī)容量需要達(dá)到60億kW的水平，這大概需要占600億平方米以上的安裝空間，可能會(huì)跟耕地產(chǎn)生一定的矛盾。而建筑表皮是很好的可利用資源，現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)城鄉(xiāng)建筑的屋頂面積約為400億平方米左右，理想狀態(tài)下，城鎮(zhèn)建筑屋頂安裝光伏的年發(fā)電量可達(dá)1.2萬(wàn)億kWh，農(nóng)村建筑屋頂安裝光伏的年發(fā)電量可達(dá)2.9萬(wàn)億kWh。全年來(lái)看，建筑用電基本可以實(shí)現(xiàn)“自給自足”狀態(tài)。推動(dòng)BIPV的發(fā)展，當(dāng)然需要建筑電氣化的支撐。

當(dāng)然，建筑電氣化也是實(shí)現(xiàn)建筑零碳、低碳運(yùn)行的需要。按照當(dāng)前電力碳排放因子來(lái)看，各氣候區(qū)空氣源熱泵制熱的碳排放量已低于燃?xì)忮仩t，直接電加熱的碳排放量目前還高于燃?xì)?，但是隨著未來(lái)非化石類燃料發(fā)電的比例加大，直接電加熱的碳排放量也會(huì)低于燃?xì)?。所以，推?dòng)建筑全電氣化，不僅可使建筑運(yùn)行的直接碳排放降為零，同時(shí)還可分享電力脫碳的“紅利”，逐步降低建筑運(yùn)行過(guò)程的間接碳排放。

從現(xiàn)在的電力規(guī)劃來(lái)看，完全可以支撐各個(gè)階段的建筑電氣化變革。以減少需求為基礎(chǔ)、全面電氣化為手段，建筑運(yùn)行的零碳或近零碳目標(biāo)也完全可以實(shí)現(xiàn)。到2060年，如果能把建筑節(jié)能等各方面工作做好，建筑運(yùn)行用電量可以控制在3.6萬(wàn)億～4萬(wàn)億kWh。為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，建議從現(xiàn)在開始，新建公共建筑優(yōu)先進(jìn)行全電氣化設(shè)計(jì)，提前為零碳運(yùn)行建筑進(jìn)行布局。對(duì)于既有建筑，則根據(jù)電力碳排放因子變化，優(yōu)先開展供暖和衛(wèi)生熱水的電動(dòng)熱泵替代;2030年以后，隨著電力碳排放因子的進(jìn)一步降低，加快對(duì)住宅和炊事部分的全電氣化改造。

建筑電氣化替代方案以及要解決的問(wèn)題

首先是替代途徑和需要解決的技術(shù)問(wèn)題。現(xiàn)在民用建筑中主要有三個(gè)方面使用化石類燃料：一是炊事，城鎮(zhèn)炊事電氣化率已經(jīng)較高，家家戶戶除了炒菜以外基本都有電氣化設(shè)備。電氣化炊具熱效率可得到提高，達(dá)到80%以上，遠(yuǎn)高于燃?xì)庠罹?。但是炊具替代還需要解決一些技術(shù)問(wèn)題，例如，電磁爐目前最高溫度可以達(dá)到350℃以上，但加熱均勻性問(wèn)題還需要進(jìn)一步解決。

二是供暖和衛(wèi)生熱水，應(yīng)該采用各類電動(dòng)熱泵替代化石燃料燃燒設(shè)備，使能耗和碳排放強(qiáng)度進(jìn)一步下降。極寒地區(qū)為了經(jīng)濟(jì)性可采用熱泵輔助電熱的方式;零散和少量熱水，如辦公樓衛(wèi)生間需要一點(diǎn)熱水，可以采用就地的電熱水器解決。在替代過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題：

第一要開發(fā)適合各氣候區(qū)、各類負(fù)荷特征的高效空氣源熱泵。氣侯區(qū)不同，制熱、制冷權(quán)重不一樣，商用和住宅用的負(fù)荷特性也不一樣，單一標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品很難實(shí)現(xiàn)在各氣侯區(qū)、各用途下的真正高效運(yùn)行。第二要發(fā)展二氧化碳跨臨界熱泵機(jī)組，解決極寒地區(qū)能效提升問(wèn)題。第三要研發(fā)供暖、熱水、供冷一體化的戶用熱泵，未來(lái)夏熱冬冷地區(qū)家庭主要需要熱泵來(lái)解決，如果不同用途的熱泵各設(shè)一臺(tái)室外機(jī)，室外安裝面積將會(huì)是很大難題。第四要在設(shè)計(jì)方面優(yōu)化冷水機(jī)組和熱泵機(jī)組的容量匹配，才能實(shí)現(xiàn)全年運(yùn)行的協(xié)同高效。因?yàn)闊岜脵C(jī)組要兼顧冷和熱，制冷能效會(huì)低于冷水機(jī)組，怎么協(xié)調(diào)好冷水機(jī)組和熱泵機(jī)組的容量匹配是未來(lái)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。另外，民用建筑中主要是醫(yī)療用汽和洗衣房用汽等，完全可以用電蒸汽發(fā)生器和熱泵蒸汽發(fā)生器替代，而且把蒸汽系統(tǒng)就地化、小型化，可減少“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象。目前，熱泵蒸汽發(fā)生器COP（性能系數(shù)）約為1.1～1.4，可產(chǎn)生0.7MPa以下的蒸汽壓力，未來(lái)完全可以開發(fā)COP達(dá)到3.0左右的熱泵蒸汽發(fā)生器，而且將供汽壓力進(jìn)行進(jìn)一步拓展。

第二需要解決的問(wèn)題是能源價(jià)格調(diào)整。目前各城市執(zhí)行的氣、電價(jià)格很難推動(dòng)全面電氣化改革。綜合來(lái)看，只有當(dāng)居住建筑氣、電價(jià)格比大于5～6倍以上，居民才能產(chǎn)生進(jìn)行電氣化替代的動(dòng)力。公共建筑也存在同樣的情況，當(dāng)前大部分地區(qū)執(zhí)行的商業(yè)氣、電價(jià)格，基本可以支撐生活熱水和供暖的電氣化替代，但是炊事方面電氣化替代的成本比較高，所以也需要進(jìn)行價(jià)格調(diào)整。整體而言，商業(yè)氣、電價(jià)格比大于7倍以上，就能順利推動(dòng)用戶進(jìn)行電氣化的替代。

未來(lái)要進(jìn)行電氣化改革還有很多問(wèn)題要解決，只有在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品研發(fā)和能源價(jià)格體系改革這幾個(gè)方面同步推進(jìn)，才能很好地實(shí)現(xiàn)建筑電氣化改革。