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王有为:碳达峰与碳中和愿景下的中国建筑节能工作思考

发布时间:2021-04-06 点击数: 1328

   2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话。习近平主席指出,人类社会发展史就是一部不断战胜各种挑战和困难的历史。新冠肺炎疫情全球大流行和世界百年未有之大变局相互影响,但和平与发展的时代主题没有变,各国人民和平发展合作共赢的期待更加强烈。这场疫情启示我们,人类需要一场自我革命,加快形成绿色发展方式和生活方式,建设生态文明和美丽地球。人类不能再忽视大自然一次又一次的警告,沿着只讲索取不讲投入、只讲发展不讲保护、只讲利用不讲修复的老路走下去。应对气候变化《巴黎协定》代表了全球绿色低碳转型的大方向,是保护地球家园需要采取的最低限度行动,各国必须迈出决定性步伐。中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。各国要树立创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念,抓住新一轮科技革命和产业变革的历史性机遇,推动疫情后世界经济“绿色复苏”,汇聚起可持续发展的强大合力。

   2020年8月,中国工程院院士钱七虎教授在第十六届国际绿色建筑与建筑节能大会的主题报告中明确指出,新冠肺炎疫情后人类面对的最大挑战就是气候变化。气候变化的应对之策应当是推进绿色发展,实施生态大保护,建设绿色生态城市。

   未来,“创新、协调、绿色、开放、共享”这一发展理念,不仅仅是中国人民的自我激励,更代表了世界绿色发展的必然方向。积极应对气候变化,践行绿色低碳策略势在必行。随着新冠疫苗接种工作的推进,愿人类命运共同体能够在“后疫情时代”同心同德,创造世界经济“绿色复苏”。在碳达峰、碳中和的人类共同愿景下,有感而发,谈谈切身感受与认知,愿与大家共同探索分享建筑减碳之路的见闻见解。

   地球在自然发展演化过程中,气候随之不断变化,这种变化是地球系统在自然力驱动下的长期演变过程。因此,在一般意义上,气候变化是气候平均状态统计意义的长时间或较长尺度(通常为30年或更长)气候状态的改变。但自工业革命以来,人类活动(特别是化石燃料的使用)所产生的温室气体排放不断增加,影响了自然气候变化过程,导致全球温室效应加剧,加速了气候变化。气候变化会导致光照、热量、水分、风速等气候要素值的量值及时空分布变化,进而会对生态系统和自然环境产生全方位、多层次的影响。

   全球人为因素导致的气候变化,基本体现于产业、建筑、交通三大部分,且因国而异。近几年来,中国政府抓节能减排的措施主要是产业结构调整、发展绿色交通、推广建筑节能并大力发展绿色建筑。在加快城镇化进程的过程中,据专家预测,最终城镇化率可能达到65%~70%,每年新建建筑面积约15亿~20亿平方米。总的形式是产业与交通行业所占碳排放比例正在递减,而建筑业碳排放比例未来则可能达到50%左右。

   国际金融论坛(IFF)与欧盟碳定价特别工作组(Task Force of Carbon Pricing in EU)在欧盟-中国碳定价会议上提出建议:中国未来要把建筑纳入碳交易市场。建筑消耗全球三分之一左右的能源,温室气体排放也在这个比例。2017年开始建设的中国碳交易市场只纳入了电力行业,我国生态环境保护部已经发声,未来将进一步将建筑材料等7个行业纳入中国碳交易市场。但建筑能耗中,建材和施工阶段消耗的“内涵能”(embedded energy)仅占建筑全生命周期能耗的15%~20%。而事实上,建筑采暖与制冷、通风、照明、插座能耗及动力设施占比更大。建筑业可借鉴北京、深圳碳市场的经验,先将能耗大的大型建筑(面积大于10000平方米)包括在碳市场中。从理念上,碳价格不仅要让建筑企业、政府感受到,还需要个人也体会到价格信号!

   中国建筑的碳排放分析计算始于2015年,国标《绿色建筑评价标准》(GB/T50378—2014)“提高与创新”章节中明确规定:进行建筑碳排放计算分析,采取措施降低单位建筑面积碳排放强度,给予“创新分”。国内有些建筑项目已启动了这部分“创新分”的实践,起到了带头示范作用。能够在国家标准中包涵建筑碳排放的条款,在全球范围内也实属罕见。

   建筑碳排放按建材生产、建材运输、建筑施工、建筑运营、建筑维修、建筑拆解、废弃物处理七个环节构成全生命周期的模式,已得到世界公认。通过研究,我们认为,由于受到科技与经济水平的制约,每一个阶段的碳排放计算方法及计算结果是有差异的。例如,不同国家或地区每吨水泥或钢材的生产所产生的二氧化碳不可能相同,因此建造同类建筑单位每平方米排放的二氧化碳也是不同的。从整体上来讲,建筑运营的碳足迹在七个环节中占主导地位。联合国环境规划署(UNEP)明确指出,建筑运营的碳排放占建筑生命周期的80%~90%。我们的科研团队,通过对15个案例的对比研究(除一所学校由于用能高峰时段学校放寒暑假,故运营的碳排放不足70%)发现,建筑碳排放的80%~90%都在建筑运营阶段发生,并且这一比例大小与建筑的使用年限有关,考虑到所研究建筑案例的耐久年限均是按50年设计考虑的,而世界各国的建筑耐久年限大致在40~70年间,因此耐久年限越高,建筑运营的碳排放所占比例越高。一般来讲,建筑使用年龄较大后,若保养维修不到位,其碳排放会大于初期的排放情况。

   尽管影响建筑碳排放的参数很多,内容不确定性因素很多,科学定量获得很难,但从宏观上,只要紧紧抓住建筑运营期间的碳排放,就抓住了主流排放,抓住了最为本质的内涵。所以针对一个单体建筑的碳排放分析,首要的就是分析其运营期间的能耗,估算其所在地区的二氧化碳排放。至于建材生产、建材运输、建筑施工、建筑维修、建筑拆解、废弃物处理环节的碳排放,不必过细考虑,因为他们在建筑全生命周期中所占的比重不大。相对而言,建材生产所占的份额要大一些,尤其水泥是碳排放最具贡献率的材料。有资料分析,2007年中国62亿吨碳排放中有5.5亿吨是生产水泥而致,于是有绿色专家认为钢筋混凝土结构属于非绿色建筑结构。

   不同功能建筑的能耗差异甚大,这是由使用时间、工况条件、设计要求、人员变动诸因素引起的。不同气候区的能耗差异甚大,这是由供暖制冷、日照情况、风力风向、环境条件诸因素引起的。不同地区的碳排放量差异甚大,这是由能源结构不同,火电、水电、核电、风电、光电的碳排放因子相异引起的。碳排放分析受制于如此繁复的因素,可想其复杂性不亚于绿色建筑诸多参数的分析设计值。近年来,在探索建筑碳排放过程中,我国建筑业同仁积极努力,我们的科研团队针对典型办公建筑案例进行了数据挖掘、分析汇总,包括中国建筑科学研究院近零能耗示范楼、天津市建筑设计院新建业务用房、上海现代申都大厦、台南成功大学绿色魔法学校——台湾第一座零碳建筑、杭州中节能绿色建筑科技馆、天津中新生态城公屋展示中心、杭州绿色低碳建筑科技馆A楼(源牌零能耗实验楼)、天津天友绿色设计中心、宁波诺丁汉大学可持续能源技术研究中心大楼、南京江北新区人才公寓(1号地块)零碳社区中心,每个案例均从项目本土条件、工程概况、关键技术、碳排放计算等方面体现出建筑能耗控制的智慧与经验。

   建筑能耗是建筑运营碳排放中的关键数据。建筑节能,以建筑能耗基本数据为基线,通过主动、被动技术手段降低能耗数据,并向低能耗、超低能耗甚至近零能耗水平靠拢。在建筑运行能耗中,供暖空调能耗比重最大,一般能占到建筑总能耗的40%~50%,且受气候影响明显。例如,我国北方地区建筑以供暖能耗为主,南方地区建筑以制冷能耗为主,中部地区则二者兼有。而建筑的供暖能耗远大于空调能耗。全球统计资料表明,细化来看,空调能耗约占建筑总能耗的6%,而供暖能耗占比在30%以上。这是因为空调的室内外温差不大(我国在10℃左右),且空调以部分空间、部分时间使用;而有采暖的室内外温差很大(北京约30℃,沈阳约40℃),全空间、全时段连续不停运转,我国东北、西北、华北运转大约4~6个月不等,所以建筑节能应优先关注供暖耗能问题。实际工程中围护结构热工性能的改善及供热制冷系统能效的提升一直是节能关键。需要指出的是,目前人们开始认识到建筑应用中的使用者行为对能耗的影响问题,例如室内设置温度的改变,完全有可能比单项节能技术带来更大的节能量。与此相关的还有建筑中使用者人数、使用时间、使用空间等不确定因素,因此建筑运营能耗变化很大。

   目前确定建筑能耗有以下几个途径:

(1)借用分析软件。根据建筑项目所在地30年气象资料的平均值及建筑围护结构的热工性能,确定建筑的供暖制冷能耗及居家设备设施能耗等。由于各类软件的基本假定条件不一,建筑项目工况条件不一,计算结果相差百分之几十乃至成倍差别的现象时有发生。此外,建筑中的设备设施能耗、插座能耗等都无法具体估算,因此软件分析计算可供参考,但需要与其他分析方式进行对比。

(2)实测能耗。有人认为,应用自动计量仪器、仪表测试出真正的能耗数据是最能说明问题的。其实不然,一则是气候条件变化大,暖冬冷冬交替,年平均温差变化大;二则是人们在使用建筑时,融合了很多的人为因素,例如一栋办公建筑中正常有200人上班,但是暑期增加了新入职的大学毕业生,企业为每个人添置电脑、打印机等设备,那么这些新人所需的照明、电脑、复印、电梯等能耗自然会增加。所以实测能耗是在一个时间段内,在特定的气候条件下,面对相对稳定的人员和工作时间测得的综合能耗,是动态数据。由于气候条件、工作时间、建筑内人员的不确定性、建筑保温隔热性能的变化,这个实测值也是动态变化的,但与模拟计算数值比较,其准确度高、参考价值大。

(3)利用调查统计的方法,找出不同功能建筑的用能规律。上海市有关机构曾经组织对居住建筑进行调查,对小于50㎡、50~100㎡、大于100㎡的户型共293套分别统计,最终结论是上海居住建筑的能耗约为28.7kW·h/㎡。天津市有关机构曾对15个居住小区开展调查,得出平均能耗为27kW·h/㎡,但结合北方地区的供暖需求后,其平均能耗达113 kW·h/㎡。与此同时,上海市有关机构也对各类公共建筑(如办公楼、商店等)进行了调查统计,根据上海能源平台对1600幢建筑的能耗数据统计分析发现,2013年-2015年三年间政府办公建筑的能耗均值分别为92kW·h/(㎡·a)、83kW·h/(㎡·a)、68kW·h/(㎡·a),依据这样的数据做进一步的碳排放分析计算,其可靠性、科学性更合理些。

   建筑使用年龄越长,运行能耗会越高。建筑能耗与气候条件、建筑功能、建筑设计、人的使用四大因素密切相关。要分析运营阶段的碳排放,一定要指出建筑能耗数据是如何获得的,若此参数含糊不清,整个建筑碳排放计算就失去了意义。然而,目前要科学精确地确定建筑能耗,确实还有一定的困难。美国从20世纪70年代末就已经投资建设能耗基础数据库,但据了解,迄今为止还未完善,不能广泛使用。考虑到我国国内建筑行业现状,建议以统计调查为基础,结合实测及软件计算结果,做出综合判断,确保各类建筑运行能耗数据可被工程技术人员认可。

   目前我国正在推广智慧城市建设工作,大数据是其内涵之一。尤其我国政府高度重视节能减排工作,已经投资建设能耗监测平台,从中可获取大量建筑的能耗均值,并用其作为碳排放的分析依据,这样能耗监测平台的实用价值和意义就更高了。

   从能耗到碳排放,涉及另一个重要参数——碳排放因子,即单位能源所产生的碳排放量。能源包括化石能源(煤、石油、天然气)、核能、水能、可再生能源(太阳能、风能、地热、生物质能)等,各种能源的碳足迹相差甚大。我国的能源结构现状是以化石能源为主的,占到能源总量的70%左右,这也是我国成为世界碳排放量第一的被动原因。当年世界先进国家的碳排放因子为0.6~0.7kgCO₂/kW·h时,我国的碳排放因子约为0.95kgCO₂/kW·h。而当前,由于政府的高度重视,我国已经成为全球在改变能源结构方面投资最大的国家,不仅是水能,而且在风能、太阳能方面取得了非常显著的进展,因此碳排放因子也有所下降。具体到各地电网,由于电力配置由国家决策,综合能源结构的调整,现在事实上各地电网发电碳排放因子正处于不断下降的动态发展中。例如,2008年和2009年上海全市用电量约在1138亿千瓦时左右,其中三峡水电和秦山核电站供电比例约占20%,四川的水电又提供了350亿千瓦时,使上海总电量的50%来自清洁能源,所以上海的碳排放因子为0.31kgCO₂/kW·h。而天津按照国家配置的能源结构,目前的碳排放因子为0.64kgCO₂/kW·h。(由于此项工作启动伊始,各地部门统计口径不一,随着深入发展开展会标准化、规范化。)这就表明同样的能耗,天津的碳排放量会比上海增加约1/2。

   当前世界竞争中,很重要的一个方面体现为能源竞争。美国总统奥巴马上台后曾实施能源新政,启动了以新能源革命为代表的一场技术革命。美国、欧盟也均已经宣布,至2050年,新能源(即不排碳的能源)将占到所有能源的80%。我国政府也极为重视能源发展,出台了一系列推动新能源发展的政策措施,并投资建设了一批新能源基地。我国国家规划纲要提出:到2015年,中国非石化能源占一次能源消费比重达到11.4%,单位国内生产总值能源消耗量比2010年降低16%,单位国内生产总值二氧化碳排放量比2010年降低17%;到2020年,非石化能源占一次能源消费的比重将达到15%左右,单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%。面对能源信息的不断变化,在分析建筑碳排放过程中,应紧密结合当时的碳排放因子,不要轻易套用其他地区的参数,才能较为客观地计算碳排放量。

   碳排放的表征方式有:(1)单位GDP的碳排放;(2)人均二氧化碳排放量;(3)单位地域面积(每平方公里)的碳排放量。其中人均二氧化碳排放指标涉及人数的问题。鉴于我国当前在城镇化过程中,农民工每年像候鸟一样迁徙工作谋求生计,城镇总人数统计数字的可靠性存在一定的不确定性,而单位GDP的碳排放与单位地域面积的碳排放量相对比较稳定,数据的可靠性较高。

   应对产业排放问题,通过产业结构调整,限制高能耗、高排放、高污染的行业,碳排放受到了明显的遏制。应对交通排放问题,通过大量宣传绿色出行、限购限行小汽车、积极拓展轨道交通,其碳排放也受到了有效制约。唯独建筑碳排放影响因素错综复杂,国内每年约20亿㎡的新建建筑增量,再加上既有建筑的节能改造尚处于起步阶段,所以建筑碳排放在我国碳排放总量中所占比重有日益增大的趋势。如何对一个城区或一个城市群体建筑的碳排放进行分析估算,是建筑工程技术人员必须要回答的问题。应该说,建筑总面积是确凿的数据,可以分为多层或高层居住建筑、办公建筑、旅馆建筑、商场建筑、医院建筑等不同功能的建筑类别,因为它们的能耗差别较大,当然还要将它们区分为节能设计、非节能设计(因为非节能设计建筑由于建造年代不同,能耗也会有差异),然后用单体建筑的研究成果,选择一定的样板数进行能耗及碳排放统计分析,可得到有依据的均值,最终可得到建筑碳排放的总量。

   近年来,中国建筑业从业者在探索建筑碳达峰预测、技术路径的相关问题上积极工作。我国的《近零能耗建筑技术标准》(GB/T51350-2019)紧密结合我国气候特点、建筑类型、用能特性和发展趋势,为我国近零能耗建筑的设计、施工、检测、评价、调适和运维提供了技术支持,2019年9月已经开始全面实施。2020年11月,国家全文强制标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》《建筑环境通用规范》的送审稿分别通过审查。《建筑节能与可再生能源利用通用规范》从新建建筑节能设计、既有建筑节能、可再生能源利用三个方面,明确了设计、施工、调试、验收、运行管理的强制性指标及基本要求;《建筑环境通用规范》从建筑声环境、建筑光环境、建筑热工、室内空气质量四个维度,明确了设计、检测与验收的强制性指标及基本要求。

   2020年12月12日,习近平主席在气候雄心峰会上讲话,进一步宣布:到2030年,中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。

   建筑碳排放已成为绿色建筑发展的新动向,也是绿色发展的新国策,全国31个省市碳交易市场已全部建立,有些城市已出台政府文件,对碳排放做了详细规定,能源基金会已评出了“气候领袖企业”,这些事例已经走在全球的前端!我国建筑业有决心、有信心、有能力跟上这个潮流,为地球的生态安全贡献出我们的力量!

   作者简介:王有为,现中国城市科学研究会绿色建筑与节能专业委员会主任,原中国建筑科学研究院副院长。主编《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2006)、《绿色生态城区评价标准》(GB/T51255-2017)、《中国近零排放建筑案例汇编》等,《中国绿色建筑白皮书》主笔之一。致力于我国绿色建筑理念的建立与推广并付诸实施,策划组织成立十大学组与地方机构,参与建筑的理论研究,推进国际交流合作

来源:建筑节能杂志社