張曉冬,高喜玲,王鐵勇
(1.中國建筑技術集團有限公司湖北建筑設計分院,湖北 武漢 430000;2.江蘇建筑職業(yè)技術學院;3.北京清大原點建筑設計有限公司徐州分公司,江蘇 徐州 221116)
2013年,我國建立了7個碳排放權交易試點,加快培育碳排放權交易市場。試點工作開展至今,二氧化碳排放總量和強度出現(xiàn)了雙降的趨勢。高瓴產業(yè)創(chuàng)新研究院與北京綠色金融與可持續(xù)發(fā)展研究院發(fā)布的《邁向2060碳中和——聚焦脫碳之路上的機遇和挑戰(zhàn)》中指出,我國最晚實現(xiàn)碳中和的主要部分將很有可能是建筑部門,建筑部門是碳排放最高的終端消費來源,在現(xiàn)有情況下,我國建筑行業(yè)的碳排放將繼續(xù)增加,預計2039年左右才能達到峰值,比計劃中2030年全國整體實現(xiàn)碳達峰晚9年。
建筑全生命周期碳排放主要分為5個階段:建筑材料的生產和運輸、建筑施工、建筑運行、建筑拆除、廢料回收和處理。建筑節(jié)能減碳措施的關鍵措施之一就是降低運營成本,特別是能源成本和總生命周期成本,根據(jù)世界綠色建筑委員的報告,新建綠色建筑可以節(jié)約15%的運營成本,而綠色樓宇改造項目可以節(jié)約13%的運營成本。
本文主要針對既有公共建筑運營階段碳排放進行探討,通過對空調系統(tǒng)加裝智能AI控制系統(tǒng)后,分析計算運行節(jié)電產生的碳排放,并對碳排放權交易的可行性進行評估。
中國碳交易市場建于2011~2016年,已陸續(xù)在深圳、上海、北京、廣東、天津、湖北、重慶、四川、福建等9省市試點碳排放權交易。試點區(qū)域及全國市場均采用了CCER的抵消機制,即納入碳排放交易的單位(控排企業(yè))可以通過購買CCER 抵消其超額溫室氣體排放。1個CCER等同于1個配額,可以抵消1t二氧化碳當量(CO2)的排放,抵消機制的設計使核證自愿減排量與強制配額市場建立鏈接機制。碳排放配額和國家核證自愿減排量(CCER)是中國碳市場基礎產品,而全國碳市場運行初期CCER需求量約1.65億噸/年(首批納入電力企業(yè)碳排放超33億噸/年,抵消比例5%),長期需求有望擴容至4億噸/年(全國碳市場擴容至八大行業(yè)后,預計碳排放達70~80億噸/年),因此,CCER存在巨大的市場缺額。
為加快全國溫室氣體自愿減排市場建設,加快推進CO2自愿減排管理和交易中心籌建工作,完善自愿減排交易制度、規(guī)范設計,鼓勵各類企業(yè)、社會團體和個人參與自愿減排,核算碳排放交易配額,通過在碳市場交易,抵消碳排放較高企業(yè)生產運營缺少的部分碳排放配額。
在建筑碳交易市場中,若某建筑中央空調運行時實際的碳排放量低于初始預測數(shù)量,即為剩余排放額度,業(yè)主可出售剩余排放額度而獲得收益,有利于提高全民參與實現(xiàn)雙碳目標的積極性。全世界第一個以建筑為對象的交易體系是日本的東京都總量控制交易體系,該體系為政府強制性交易體系。該體系中包括1400個大型公共建筑、工廠等,結合歷史基線和減排系數(shù)進行分配,交易過程中涉及主體包括政府、減排建筑、交易平臺以及第三方核證機構。數(shù)據(jù)顯示,日本在建筑領域實行碳排放交易政策后的效果十分顯著。在該體系運行后,第一年實現(xiàn)約13%的減排量,2014年已實現(xiàn)約25%的減排量。我國目前只有天津的民用建筑能效交易模式采用“強制為主、激勵為輔”的交易方式。其中,天津排放權交易所為唯一的排放權交易平臺,而天津市建設交通委員會下轄的民用建筑能效專業(yè)委員會,負責減排單位的能耗定額審定及減排量注冊、簽發(fā)、交易備案等工作。2010年,天津能效交易市場以50元/噸的價格成功售出采暖節(jié)約的11500t碳當量,成功完成第一筆交易,為建筑領域碳交易的發(fā)展起到了良好的示范作用。深圳建筑碳排放權交易模式是國內首個正規(guī)的建筑領域強制性碳交易市場,于2013年6月正式落地實施。目前,深圳市以單體建筑面積2萬㎡為標準,將200棟規(guī)模大于該標準的公共建筑納入了該交易體系,為我國建筑領域實施碳交易制度起到了較好的基礎示范作用。目前,建筑領域碳交易還存在建筑碳排放量核算難度較大、單體建筑的碳交易成本較高等問題。
公共建筑中耗電量最大的是中央空調系統(tǒng),約占整體建筑能耗的40%,同時,因為運行效率低還存在10%~30%的能源浪費,而降低公共建筑運營成本的最有效的方式,是在中央空調系統(tǒng)中應用智能控制,即AI智能控制系統(tǒng),通過物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)機房的自動管理和數(shù)據(jù)采集。
空調AI智能控制系統(tǒng)包含以下3層架構,云端控制原理如圖1所示:(1)采集:定制的工業(yè)級高精度無線傳感器非侵入式的安裝。(2)傳輸:采用lora技術,組網(wǎng)靈活,安全性高。(3)應用:現(xiàn)場端,到數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析,管理端,循環(huán)的數(shù)據(jù)產生環(huán),人工智能的反向優(yōu)化和精準智控。
圖1 中央空調智能云端控制原理
空調AI智能控制系統(tǒng)有以下3個方面優(yōu)勢:(1)空調設備數(shù)字化。手機端/電腦端虛擬機房展示、數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)控、故障在線報警、預防性維護提醒功能。(2)智能控制。系統(tǒng)自動控制、云端自動調整運行參數(shù)、設備優(yōu)先級動態(tài)決策、附屬設備智能控制、故障定位指導。(3)節(jié)能降耗。邊緣計算技術、云端大數(shù)據(jù)分析、半監(jiān)督模糊算法、AI自動尋優(yōu)、機器學習優(yōu)化,預測系統(tǒng)節(jié)能降耗達15%~20%,實測可達到20%~30%。
以北京某酒店工程為例,校核優(yōu)化控制策略前后,酒店中央空調運行電費對比。
工程概況:該酒店項目位于北京豐臺區(qū),客房數(shù)量為118間,7層,建筑高度23.1m,2020年重新裝修改造,2021年1月,增設中央空調AI智能系統(tǒng)并投入運行,中央空調主機采用風冷熱泵模塊機組,設備配置參數(shù)表1如示。
表1 設備配置參數(shù)
該空調系統(tǒng)增設AI智能控制系統(tǒng)后,實測電費對比,如圖2所示。
圖2 優(yōu)化前后電費對比
通過對優(yōu)化前后耗電量的實測數(shù)據(jù)對比分析,可以看出,每年的用電量可節(jié)約10%~20%,尤其在11月、12月、次年1月的空調采暖季,能耗越大的期間經(jīng)濟效益更加明顯,節(jié)能效果也越好。
既有建筑能耗構成主要是空調能耗、照明能耗,根據(jù)《北京市企業(yè)(單位)二氧化碳排放核算和報告指南》(2016版)和國家對華北地區(qū)的基準線排放因子的加權,折算系數(shù)建議采用的0.72kgCO2/kW·h,折算成CO2排放量。該酒店中央空調智能改造前后CO2年排放量見表2,節(jié)約排放量為0.012萬噸CO2。
表2 酒店每年碳排放量
根據(jù)上海環(huán)境能源交易所數(shù)據(jù),截至2021年9月底,碳排放成交價格介于41~61.07元/噸,則由此換算得知,該酒店中央空調運行策略優(yōu)化后節(jié)約的碳排放量可以交易金額為4920~7328元/年。
我國經(jīng)歷了近20年的大規(guī)模建設,存量建筑已有644億㎡,其中有中央空調的公共建筑約為26億㎡,其中運行碳排放22億噸,如果增加中央空調的AI智能系統(tǒng),全國每年可節(jié)約2.2~6.6億噸碳排放量,可交易金額1.3~3.3億元/年。
這部分碳排放量在發(fā)電、運輸、制造行業(yè)來說微不足道,但是,很多行業(yè)節(jié)能減排是不可持續(xù)的,而建筑節(jié)能則是貫穿整個建筑生命周期的,循環(huán)用能、累積節(jié)約,數(shù)量同樣可觀。
公共建筑中央空調AI智能系統(tǒng),已經(jīng)能給建筑中央空調運行節(jié)能提供數(shù)據(jù)支撐,但照明能耗、建筑維護、更新和拆除階段的碳排放目前還未形成統(tǒng)一標準,無法核算,另外,建筑的建設期碳排放、運行階段碳排放與其他行業(yè)的重合部分,該如何認定分離,也沒有統(tǒng)一、切實可行的方法和標準,再則,建筑領域的碳排放權交易市場涉及主體眾多,碳交易市場運行過程中也有政策、技術、價格以及外部環(huán)境等諸多風險因素。
物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+AI算法,以算法為中心應用在建筑節(jié)能領域,在能源管理、設備監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測等方面,為建筑領域的碳排放核算提供數(shù)據(jù)依據(jù)和分析基礎。根據(jù)現(xiàn)有建筑運行能耗數(shù)據(jù),為新建建筑設定一個合理的、科學的碳減排目標,針對不同區(qū)域、不同類型、不同規(guī)模的建筑設定不同的碳排放基準線,有了基準線,再結合實際運營能耗、差值轉換成CCER,在碳交易市場交易抵消高能耗企業(yè)配額不足。建筑領域的碳交易要分類、分層、分階段逐步推進,建立并完善碳交易制度和配套措施。