建筑領(lǐng)域碳中和實(shí)現(xiàn)路徑面臨的計(jì)量挑戰(zhàn)

董玉平 汪洪軍 任 歌 費(fèi) 愷 徐 志

（1.北京城建亞泰建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100013；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院 北京 100029）

0 引言

近年來，全球氣候變暖趨勢急劇加速，2020年全球平均表面溫度（GMST）比工業(yè)化前的基線高（1.2±0.1）℃，使2020 年成為有記錄以來最熱的3 年之一[1]。全球變暖對生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[2-4]。全球氣候變化的最大原因之一是二氧化碳等溫室氣體排放[5]。因此，為減緩全球氣候變化，各國先后提出了以碳中和為目標(biāo)的應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略，2020 年9 月，習(xí)近平主席提出我國二氧化碳排放力爭2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[6]。

建筑領(lǐng)域的能源消耗是造成溫室氣體排放的重要因素之一[7]。其中，建筑運(yùn)行相關(guān)的二氧化碳排放分為直接排放和間接排放[8]。根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國建筑能耗研究報(bào)告（2020）》，2018 年全國建筑全過程能耗總量為21.47 億tce，占全國能源消費(fèi)總量比重為46.5%。其中，建材生產(chǎn)階段、施工階段、運(yùn)行階段能耗占全國能耗的比例分別為23.8%、1.0%、21.7%。另外，2018 年，我國建筑全過程碳排放總量49.3 億噸，占全國碳排放的比例為51.3%，其中，建材生產(chǎn)階段、施工階段、運(yùn)行階段碳排放占全國碳排放的比例分別為28.3%、1.0%和22.0%。

碳中和是指碳排放總量要等于或小于碳匯所吸附的總量。清華大學(xué)江億[8]等人指出建筑領(lǐng)域應(yīng)該把零排放作為實(shí)現(xiàn)碳中和的基本目標(biāo)，并給出取消直接碳排放、協(xié)助減少電力和熱力使用導(dǎo)致的間接碳排放、減少建造和維修用材的生產(chǎn)和運(yùn)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實(shí)現(xiàn)我國建筑領(lǐng)域碳中和的四個(gè)主要任務(wù)，這一技術(shù)路徑在業(yè)內(nèi)形成一致共識。然而，建筑的可持續(xù)發(fā)展需要量化的依據(jù)和支持，梳理建筑領(lǐng)域碳中和實(shí)現(xiàn)路徑面臨的建筑全生命周期溫室氣體排放量的精準(zhǔn)計(jì)量、建筑建材及設(shè)備節(jié)能檢測、清潔能源發(fā)電及并網(wǎng)領(lǐng)域計(jì)量測試技術(shù)等一系列計(jì)量問題，積極推進(jìn)加快相應(yīng)計(jì)量技術(shù)研究及應(yīng)用，是我國建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略制定迫切需要的基礎(chǔ)研究工作之一，對我國碳達(dá)峰與碳中和戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

1 碳排放量核算

1.1 燃料端核算法

建筑的碳排放核算范圍包括建筑生命周期全過程，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的計(jì)算模型[9]規(guī)定燃料端核算法是以活動(dòng)水平和排放因子來估算建筑的碳排放量。GB/T 51366《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[10]和CECS 374《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》[11]也分別給出了建筑不同階段碳排放的計(jì)算邊界、排放因子選取和碳排放計(jì)算方法，但在具體表述上略有不同，兩部現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容比較如表1 所示。

表1 GB/T 51366 和CECS 374 主要內(nèi)容比較Table 1 Comparison of main contents of GB/T 51366 and CECS 374

以GB/T 51366《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[10]規(guī)定的建筑物碳排放量計(jì)算方法為例，建筑生命周期單位建筑面積的總碳排放量為：

其中：

建筑建造階段單位建筑面積的碳排放量：

式中，E jz,i為建筑建造階段第i類能源總用量，kWh 或kg；EiF為第i類能源的碳排放因子，kgCO2/kWh 或kgCO2/kg；A為建筑面積，m2。

建筑運(yùn)營階段單位建筑面積的碳排放量：

式中，Ei為建筑運(yùn)營階段第i類能源年消耗量，單位/a；Cp為建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量，kgCO2；y為建筑設(shè)計(jì)壽命，a。

建筑拆除階段單位建筑面積的碳排放量：

式中，Ec c,i為建筑拆除階段第i類能源年消耗量，kWh 或kg。

建材生產(chǎn)及運(yùn)輸階段單位建筑面積的碳排放量：

式中，Csc為建材生產(chǎn)階段碳排放，kgCO2e；C ys為建材運(yùn)輸過程碳排放，kgCO2e。

由此可見，排放因子的取值直接決定了建筑碳排放的精準(zhǔn)計(jì)量。然而，當(dāng)前國內(nèi)外針對碳排放核算的研究多集中于國家或區(qū)域?qū)用?，所提供的排放因子也是適用于國家或區(qū)域?qū)用娴呐欧乓蜃??！禝PCC 國家溫室氣體清單指南（2006）》和《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》提供的溫室氣體排放因子數(shù)據(jù)庫是使用最廣泛的排放因子庫，GB/T 51366《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》和CECS 374《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》均對其進(jìn)行了引用，但這兩部標(biāo)準(zhǔn)針對同一能源，因數(shù)據(jù)來源不同給出的碳排放因子也存在著差異。針對某一個(gè)具體的建筑，如果選用不同排放因子庫的排放因子缺省值進(jìn)行計(jì)算將會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，相對碳排放量真值也會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，不利于碳排放量的準(zhǔn)確核算。因此，針對建筑的建造、運(yùn)營和拆除，結(jié)合準(zhǔn)確的測量技術(shù)建立行業(yè)排放因子庫，研究確定更準(zhǔn)確可靠的建筑領(lǐng)域燃料端碳排放核算方法是當(dāng)前建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)由宏觀“碳核算”到精準(zhǔn)“碳計(jì)量”轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)研究工作之一。

1.2 排放端核算法

目前，由于缺乏高精度的碳排放監(jiān)測和計(jì)量手段，很難客觀精準(zhǔn)地反應(yīng)某一建筑物尺度排放源的分布排放特征，傳統(tǒng)的碳排放量的研究一般采用燃料端核算的單向研究手段。通過大氣環(huán)境監(jiān)測，結(jié)合大氣傳輸模型、貝葉斯、卡爾曼濾波等反演算法提供了一個(gè)獨(dú)立于統(tǒng)計(jì)核算的科學(xué)碳排放評估方法，然而，目前國內(nèi)外此類研究主要應(yīng)用于對全球和城市尺度碳源/匯的空間分布及強(qiáng)度估計(jì)[12,13]。針對園區(qū)、建筑等小區(qū)域尺度，如何融合高精度高密度數(shù)據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，建立高時(shí)空分辨排放量監(jiān)測評估系統(tǒng)是亟待解決的前沿問題。對此，任歌[14]等人取得了很好的研究進(jìn)展，使用自主研發(fā)的高精度監(jiān)測儀器獲得準(zhǔn)確的濃度、氣象監(jiān)測信息，結(jié)合氣象場模式分析、粒子擴(kuò)散和反演算法，構(gòu)建了小區(qū)域尺度碳排放溯源體系，并在鄭州開展應(yīng)用示范，實(shí)現(xiàn)了無組織排放源的定位/定量分析和“燃料端到排放端”碳數(shù)據(jù)的互驗(yàn)核查。初步建立了企業(yè)、工業(yè)園區(qū)等小區(qū)域尺度的碳排放監(jiān)測、評估和核查系統(tǒng)，得到網(wǎng)格分辨率為100m×100m、時(shí)間分辨率為1 小時(shí)溫室氣體排放信息，可基本實(shí)現(xiàn)對碳核查數(shù)據(jù)的有效核驗(yàn)，為管理部門實(shí)現(xiàn)碳排放的精準(zhǔn)治理提供了技術(shù)支撐。

如何應(yīng)用上述技術(shù)，針對建筑行業(yè)施工、拆除等典型碳排場景，建立高精度的碳排放監(jiān)測、反演、核查體系，獲得不依賴排放清單初值的反演結(jié)果，仍是下一步需要研究的重點(diǎn)。

2 建筑節(jié)能檢測

取消直接碳排放作為建筑運(yùn)行階段實(shí)現(xiàn)零碳的主要途徑，必須要實(shí)現(xiàn)炊事、生活熱水的“電氣化”，這不僅會(huì)帶來烹調(diào)文化的變化，更會(huì)由于化石能源的使用減少帶來用電負(fù)荷的急劇增加。針對全國目前的7.5 萬億kWh 的用電總量，充分開發(fā)利用核電、水電、抽水蓄能電站，以及風(fēng)電、光電和生物質(zhì)能電站，基本可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)零碳。但由于核電、水電和生物質(zhì)燃料的火電都已經(jīng)達(dá)到其發(fā)展上限，如果在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加總的電量需求，增加部分就只能通過風(fēng)電、光電來滿足，而進(jìn)一步發(fā)展風(fēng)電、光電面臨諸多困難。因此節(jié)能將是實(shí)現(xiàn)碳中和最重要的前提條件[8]。

建筑節(jié)能是指在建筑物的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、改造和使用過程中，采用節(jié)能型的技術(shù)、工藝、設(shè)備、材料和產(chǎn)品，提高保溫隔熱性能和采暖供熱、空調(diào)制冷制熱系統(tǒng)效率，加強(qiáng)建筑物用能系統(tǒng)的運(yùn)行管理，在保證室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的前提下，減少供熱、空調(diào)制冷制熱、照明、熱水供應(yīng)的能耗。新型建筑材料是建筑節(jié)能工程的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，調(diào)整建材生產(chǎn)耗能結(jié)構(gòu)，推進(jìn)建筑材料創(chuàng)新，大力發(fā)展環(huán)保型墻材、工業(yè)廢渣混凝土、高性能混凝土技術(shù)、建筑垃圾回收利用、固碳材料是建材生產(chǎn)階段碳中和的主要途徑。

從檢測內(nèi)容來看，按國家和地方現(xiàn)行建筑節(jié)能工程竣工驗(yàn)收規(guī)范和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建筑節(jié)能工程檢測主要是對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部件（建筑外窗、戶門、樓面或屋面、建筑外墻和分戶墻等）、組成各部件的保溫隔熱系統(tǒng)和系統(tǒng)各組成材料的檢測以及采暖空調(diào)設(shè)備運(yùn)行效果節(jié)能性的檢測。大致可以分為三個(gè)檢測類型[15]：材料設(shè)備復(fù)驗(yàn)、現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)體檢測。目前常見檢測項(xiàng)目見表2～表4。

表2 材料設(shè)備復(fù)驗(yàn)的檢測項(xiàng)目Table 2 Inspection items for re inspection of materials and equipment

表3 現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)的檢測項(xiàng)目Table 3 Inspection items of on-site pull-out test

表4 現(xiàn)場實(shí)體檢測的檢測項(xiàng)目Table 4 Inspection items of on-site entity inspection

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，完成以上檢測項(xiàng)目，仍存在大多數(shù)檢測設(shè)備依賴進(jìn)口，一些新型建筑材料和工藝做法因缺乏統(tǒng)一的檢測方法導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)一致性較差等一系列問題。因此，面對新型建筑材料和電氣化設(shè)備的出現(xiàn)，節(jié)能檢測還需要在檢測設(shè)備研制、檢測方法和檢測結(jié)果的一致性保證等方面開展研究，以更好的服務(wù)于建筑節(jié)能工作，為建筑實(shí)現(xiàn)零碳路徑做好技術(shù)支撐。

3 新能源利用計(jì)量技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，建筑電氣化用電最好都來自于零碳電力。零碳電力主要包括水電、核電、風(fēng)電、光電等，其中，受各種自然環(huán)境條件的約束，水電和核電具有發(fā)展上限，風(fēng)電及光電具有可長久持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)，可以很好地滿足建筑應(yīng)用，所以風(fēng)電和光電是建筑用零碳電力的較好選擇。近年來，隨著光伏發(fā)電裝置的廣泛應(yīng)用，在建筑當(dāng)中實(shí)現(xiàn)“光伏發(fā)電、儲(chǔ)能蓄電、直流供電、柔性用電”成為可能[16]。

“光儲(chǔ)直柔”的基本原理如圖1 所示，在“光儲(chǔ)直柔”新型能源系統(tǒng)中，“光”是充分利用建筑表面發(fā)展分布式光伏發(fā)電；“儲(chǔ)”就是蓄電池，包括電動(dòng)汽車內(nèi)的蓄電池和建筑內(nèi)部的蓄電池，為建筑形成比較大的蓄電能力，來解決移峰調(diào)節(jié)問題；“直”是指建筑內(nèi)部的直流配電系統(tǒng)，通過對直流電壓的控制，調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部用電設(shè)備的用電功率，從而實(shí)現(xiàn)“柔”；“柔”是柔性用電，使建筑用電成為彈性負(fù)載，電網(wǎng)取電曲線和建筑用電曲線解耦，讓建筑用電不再是剛性負(fù)載。建筑取電量隨外網(wǎng)風(fēng)電光電情況變化，建筑用電負(fù)荷和外網(wǎng)發(fā)電量的差值依靠建筑內(nèi)及電動(dòng)汽車蓄電裝置和直流負(fù)載調(diào)節(jié)維持建筑的運(yùn)行，即做到需求側(cè)響應(yīng)，從而具備與城市電網(wǎng)互動(dòng)的能力，并有效消納外來的風(fēng)電光電[17]。

圖1 “光儲(chǔ)直柔”建筑配電系統(tǒng)Fig.1 "PEDF"building power distribution system

由于光伏發(fā)電存在輸出功率隨光照強(qiáng)弱波動(dòng)及白天發(fā)電與夜間停機(jī)兩種狀態(tài)等缺點(diǎn)，協(xié)調(diào)用戶端并網(wǎng)總功率平滑、穩(wěn)定，減少對電網(wǎng)的擾動(dòng)成為了智能電網(wǎng)用戶端面臨的新問題。隨著分布式電源和可控負(fù)荷接入用戶側(cè)微電網(wǎng)，微電網(wǎng)的計(jì)量和監(jiān)控都將受到一定的影響。在分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備的接口處，電力電子變換器將大量的諧波電壓和諧波電流引入微電網(wǎng)，進(jìn)而帶來電壓波動(dòng)、電壓閃變、諧波含量等電能質(zhì)量問題。因此，考慮多種電能質(zhì)量問題對電能計(jì)量精度的影響和矯正方法就尤為重要。以諧波污染為例，考慮全波電表情況下，電網(wǎng)諧波使得諧波源用戶的電能計(jì)量減少而非諧波源用戶的電能計(jì)量增加[18]。為了應(yīng)對分布式電源接入條件下的用戶側(cè)微電網(wǎng)計(jì)量與監(jiān)控要求，具備正向有功電能和反向有功電能的高精度計(jì)量、電能質(zhì)量監(jiān)控和對分布式電源及可控負(fù)荷的監(jiān)控功能的雙向計(jì)量與監(jiān)控一體化終端就顯得十分重要。

此外，電動(dòng)汽車充電樁作為建筑“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)推廣應(yīng)用的重要基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也是電動(dòng)汽車充電最基礎(chǔ)的電力設(shè)施。其中，電動(dòng)汽車充電所用的直流充電樁含有大功率非線性直流充電機(jī)，在充放電的過程中會(huì)產(chǎn)生諧波，雖經(jīng)過必要的消諧裝置處理，但仍會(huì)有殘余諧波污染電網(wǎng)，同時(shí)可能產(chǎn)生錯(cuò)計(jì)電量的狀況，所以有必要對充電樁充電負(fù)荷對電網(wǎng)影響進(jìn)行研究[19]。另外，電動(dòng)汽車是脈動(dòng)式充電，充電過程存在大量的紋波，對計(jì)量表計(jì)也會(huì)產(chǎn)生影響，需要選擇特定的表計(jì)進(jìn)行測量。目前對電動(dòng)汽車充電樁能效測試尚不能直接完整地進(jìn)行，內(nèi)部電能計(jì)量的表計(jì)也無法直接溯源[20-22]。

4 結(jié)語

建筑是能源消費(fèi)的三大領(lǐng)域（工業(yè)、交通、建筑）之一，也是造成直接和間接碳排放的主要責(zé)任領(lǐng)域之一。在2030 年之前力爭實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，這是中央對我國低碳發(fā)展給出的明確目標(biāo)和時(shí)間表。本文通過分析給出了建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和路徑中尚需解決的一系列計(jì)量問題。

（1）針對建筑全生命周期碳排放量核算，積極發(fā)展精密測量技術(shù)，研究確定更準(zhǔn)確可靠的建筑領(lǐng)域碳排放因子，并獲得不依賴排放清單初值的行業(yè)典型碳排放場景反演結(jié)果，是當(dāng)前建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)由宏觀“碳核算”到精準(zhǔn)“碳計(jì)量”轉(zhuǎn)變的重要研究工作。

（2）建筑節(jié)能作為實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域碳中和的核心內(nèi)容，面對新型建筑材料和電氣化設(shè)備的出現(xiàn)，節(jié)能檢測還需要在檢測設(shè)備研制、檢測方法和檢測結(jié)果的一致性保證等方面開展研究。

（3）光電作為解決建筑領(lǐng)域零碳電力的主要方式，協(xié)調(diào)用戶端并網(wǎng)對計(jì)量和監(jiān)控系統(tǒng)的影響依然是目前急需解決的新計(jì)量問題。

由此可見，建筑領(lǐng)域碳中和帶來了諸多計(jì)量挑戰(zhàn)。限于篇幅，本文僅對部分技術(shù)問題進(jìn)行了梳理，面對“3060”雙碳目標(biāo)，計(jì)量應(yīng)充分發(fā)揮引領(lǐng)作用，形成超前技術(shù)儲(chǔ)備，助推建筑領(lǐng)域碳中和目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。