建筑行業(yè)碳中和挑戰(zhàn)與實(shí)現(xiàn)路徑探討

林波榮

2020年9月22日，習(xí)近平主席在聯(lián)合國大會(huì)上提出，中國“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。當(dāng)前我國建筑行業(yè)運(yùn)行碳排放（含直接碳排放和間接碳排放）約為21億噸二氧化碳，占全國總量的20%左右。建筑行業(yè)如何快速實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰并實(shí)現(xiàn)深度減排，不影響人居環(huán)境品質(zhì)的改善和人民群眾的幸福感和獲得感，是我國應(yīng)對氣候變化目標(biāo)中的重要議題。為此，本文對建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和面臨的相關(guān)挑戰(zhàn)和可能的實(shí)現(xiàn)路徑進(jìn)行討論和分析。

一、明確建筑行業(yè)碳排放定義和內(nèi)涵

建筑行業(yè)的碳排放可以分為直接碳排放和間接碳排放，前者指的是在建筑行業(yè)發(fā)生的化石燃料燃燒過程中導(dǎo)致的二氧化碳排放，主要包括建筑內(nèi)的直接供暖、炊事、生活熱水、醫(yī)院或酒店蒸汽等導(dǎo)致的燃料排放;后者指外界輸入建筑的電力、熱力包含的碳排放。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）體系下，一般將直接碳排放的部門劃分為工業(yè)、電力、建筑和交通四個(gè)行業(yè)。這種語境下的建筑行業(yè)碳排放一般只包含直接碳排放。而我國大部分研究和討論中涉及的碳排放則包括了直接與間接碳排放，甚至部分研究和討論中還涉及了建材（如鋼鐵、水泥、玻璃等）在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放。在IPCC體系下，這部分排放應(yīng)該算在工業(yè)領(lǐng)域，但排放量的多少和未來房屋建設(shè)發(fā)展趨勢直接相關(guān)。此外，建筑運(yùn)行階段使用制冷產(chǎn)品，由于可能產(chǎn)生制冷劑泄露，也會(huì)產(chǎn)生非二氧化碳溫室氣體排放，因此未來非二氧化碳的排放控制也會(huì)逐漸成為減排重點(diǎn)。只有明確了統(tǒng)一的建筑行業(yè)碳排放語境和定義，才可能討論形成統(tǒng)一的行業(yè)碳減排實(shí)現(xiàn)路徑。

二、把握我國建筑行業(yè)碳排放趨勢和特點(diǎn)

從全球看，建筑行業(yè)運(yùn)行用能導(dǎo)致的碳排放占比28%，全球建筑相關(guān)用能碳排放占比40%（包含建筑建造）。以2017年為例，中國和美國建筑運(yùn)行用能相關(guān)的碳排放占比分別是20%和36%。根據(jù)發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn)，伴隨我國城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，建筑行業(yè)的運(yùn)行碳排放比重越來越大。

根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2020》，我國建筑碳排放總量整體呈現(xiàn)出持續(xù)增長趨勢， 2019年達(dá)到約21億噸，占總碳排放的21%（其中直接碳排放約占總碳排放的13%）， 較2000年6.68億噸增長了約3.14倍，年均增長6.96%。如圖1所示，其中北方供暖約排放5.5億噸CO2（排放強(qiáng)度約37kgCO2/m2），城鎮(zhèn)住宅（除北方采暖）約4.4億 噸CO2（排放強(qiáng)度約18kgCO2/m2），公共建筑（除北方采暖）約6.5億 噸CO2（排放強(qiáng)度約51 kgCO2/m2），農(nóng)村住宅商品能碳排放約5.5億 噸CO2（排放強(qiáng)度約24kgCO2/m2）。若考慮建筑相關(guān)行業(yè)（包括建材生產(chǎn)、運(yùn)輸和工藝過程）碳排放，碳排放比例已超過35%，如圖2所示。

初步研究表明，對于我國建筑行業(yè)的總碳排放（直接+間接），其達(dá)峰時(shí)間很大程度上取決于電力系統(tǒng)碳排放達(dá)峰時(shí)間，并且建筑行業(yè)的碳排放達(dá)峰必然先于電力系統(tǒng)碳排放達(dá)峰時(shí)間。隨著電力系統(tǒng)的零碳化，間接排放量隨之減為0，能否實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)取決于直接碳排放的情況。

三、建筑行業(yè)碳中和路徑的幾個(gè)判斷

1.全面電氣化是趨勢

建筑行業(yè)用能全面電氣化是降低直接碳排放的關(guān)鍵。這里面主要處理好非集中采暖地區(qū)建筑供暖、炊事、生活熱水和特殊建筑蒸汽用能的全電氣化問題。

建筑供暖導(dǎo)致的直接碳排放部分主要是指長江中下游地區(qū)的城鎮(zhèn)居民供暖或者是部分公共建筑的供暖。公共建筑的供暖，基本上可以通過采用高效空氣源熱泵或地源水源熱泵解決。關(guān)鍵在于長江流域（夏熱冬冷地區(qū)）住宅和小型辦公室、學(xué)校建筑的供暖。未來的碳排放增長趨勢，取決于這一地區(qū)選用什么途徑解決：如果以家用熱泵空調(diào)為主，那么直接碳排放量不會(huì)持續(xù)增長;如果改用燃?xì)忮仩t或者照搬北方地區(qū)的采暖方式，則會(huì)帶來化石燃料需求的大幅度上升。國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃成果和市場上很多廠家產(chǎn)品應(yīng)用表明，目前已經(jīng)有足夠成熟的空調(diào)產(chǎn)品，解決了氣流組織、除霜等問題，能夠滿足居民冬季室內(nèi)供暖和舒適需求，且全年空調(diào)供暖能耗低于30kWh/平米·年。如果未來繼續(xù)在這方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和推廣，不刻意引導(dǎo)居民采用壁掛爐或者大規(guī)模興建集中供暖設(shè)施，長江流域住宅供暖直接碳排放不會(huì)持續(xù)增加。

我國城鎮(zhèn)炊事的發(fā)展需求已基本穩(wěn)定，隨著炊事電氣化率的提升，炊事領(lǐng)域的化石燃料需求已經(jīng)呈現(xiàn)下降趨勢，這與歐洲趨勢基本一致。炊事領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)碳中和，主要考慮如何改變居民長期以來“無火不成灶，無灶不成廚，無廚不成家”的明火烹飪習(xí)慣，推進(jìn)全電氣化爐灶技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)零排放。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)一些智能變頻電氣灶，做菜效率高、速度快、方便快捷，完全可以擔(dān)當(dāng)起廚房主流灶具的大任，關(guān)鍵是以后要依靠政策標(biāo)準(zhǔn)加以推進(jìn)。

城鎮(zhèn)生活熱水方面，總體來看需求還在增長，但是燃?xì)鉄崴鞯恼急纫殉尸F(xiàn)下降趨勢，越來越多的家庭傾向選用電熱水器和電動(dòng)熱泵熱水器。熱泵熱水器具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，制造相同的熱水量是一般電熱水器的4-6倍，其年平均熱效比是電加熱的4倍，能源利用效率高。

對于醫(yī)院、酒店的蒸汽等特殊用途，可以考慮通過電驅(qū)動(dòng)熱泵或者采用直接電熱來替代分散的和集中的燃?xì)忮仩t。實(shí)踐表明，即使采用分散的電熱方式制取熱水或蒸汽，由于減少了輸送過程中的熱損失，其能耗也低于集中的燃?xì)忮仩t（按照1m3天然氣折合5kWh電力計(jì)算）。

2.標(biāo)準(zhǔn)政策提升是關(guān)鍵

無論是建筑行業(yè)直接碳排放還是間接碳排放，通過提升節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)來合理引導(dǎo)用能方式、降低用能需求，或者通過政策設(shè)計(jì)加快高效減碳技術(shù)產(chǎn)品的推廣，都是實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)綜合碳減排、實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵。2018年，我國建筑運(yùn)行用電量為1.7萬億kWh;未來如果認(rèn)真推進(jìn)建筑節(jié)能，耗電量可以控制在3.5萬億kWh左右;如果不控制用電量，則可能增長到約5萬億kWh。這部分碳排放什么時(shí)候達(dá)峰，取決于用電量增長和電力碳排放因子下降的相對速度。

如前所述，我國完全可以在長江流域居民供暖、炊事和生活熱水方面推行全面電氣化，關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)和政策的提升。為此，需要建立完備的低碳、碳中和導(dǎo)向下的建筑節(jié)能和綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)各氣候區(qū)、各類型全過程全覆蓋，合理降低用能需求。

此外，我國農(nóng)村地區(qū)要滿足采暖、炊事以及生活熱水需求，目前主要還在采用傳統(tǒng)的生物質(zhì)和散煤。如果農(nóng)村地區(qū)不再推廣“煤改氣”，而是發(fā)展煤改可再生能源，那么這部分碳排放可以進(jìn)一步降低。事實(shí)上，我國農(nóng)村地區(qū)具有大量的可再生零碳能源：一是農(nóng)村具有足夠的空間，可以大規(guī)模發(fā)展光伏電力;二是農(nóng)村具有充足的生物質(zhì)資源，通過一定的加工后可以被高效清潔地利用。這兩類能源目前也都有成熟的技術(shù)，關(guān)鍵是需要通過標(biāo)準(zhǔn)和政策進(jìn)行合理替代和引導(dǎo)推廣，甚至可能率先實(shí)現(xiàn)零碳村鎮(zhèn)的示范建設(shè)。

3.技術(shù)創(chuàng)新是根本

建筑用能全面電氣化只是把13%的直接碳排放轉(zhuǎn)移到電力行業(yè)。要實(shí)現(xiàn)2060年碳中和，仍需技術(shù)創(chuàng)新解決熱力間接碳排放和電力間接碳排放問題。

首先，需要通過技術(shù)創(chuàng)新，大力發(fā)展新型低碳北方供暖系統(tǒng)，包括充分利用核電、火電、工業(yè)生產(chǎn)余熱，區(qū)域聯(lián)網(wǎng)、集中供熱，解決70%～80%的北方地區(qū)供暖需求。由于工業(yè)余熱產(chǎn)地與需要供熱的建筑地理位置的不匹配，工業(yè)余熱生產(chǎn)變化與建筑供熱需求的變化不一致，如何保證供熱可靠保民生，都需要技術(shù)創(chuàng)新。可能的解決方案是，開發(fā)跨區(qū)域聯(lián)網(wǎng)，多熱源聯(lián)合供熱，末端燃?xì)庹{(diào)峰新技術(shù)。目前推進(jìn)大溫差大容量區(qū)域聯(lián)網(wǎng)供熱技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)地區(qū)實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)成本低于燃?xì)夤嵝履Ｊ降耐茝V。

其次，我國黃渤海周邊地區(qū)傳統(tǒng)上屬嚴(yán)重缺水區(qū)，單獨(dú)依靠南水北調(diào)、引黃濟(jì)冀等工程不能完全解決缺水問題。而沿海地區(qū)有大量的核電站、火電站和鋼鐵企業(yè)，每年排放1.5億kW熱量。在我國北方東部沿海長達(dá)1500公里的海岸線上，目前已建成裝機(jī)容量為8000萬千瓦的核電和火電。根據(jù)規(guī)劃，未來將建成約1億千瓦的核電和調(diào)峰火電。如果全部按照水熱聯(lián)供技術(shù)創(chuàng)新的方式回收這些電廠的發(fā)電余熱，則可形成1.2億千瓦的供熱能力和日產(chǎn)淡水2246萬噸/日的海水淡化能力，實(shí)現(xiàn)零能耗海水淡化。同時(shí)單管送熱水到沿海核電和火電廠150公里半徑區(qū)域，實(shí)現(xiàn)“水熱同送”，在周邊城市入口實(shí)現(xiàn)“水熱分離”，同時(shí)為城市提供淡水和供熱熱源。

第三，建筑領(lǐng)域除集中供暖之外的用能降低和實(shí)現(xiàn)碳中和，更需要技術(shù)創(chuàng)新。首先，由于建筑設(shè)計(jì)是引導(dǎo)建筑用能行為的關(guān)鍵，為此需要通過技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)以建筑設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的技術(shù)方法創(chuàng)新，推進(jìn)空間節(jié)能和設(shè)備系統(tǒng)節(jié)能的融合，大幅降低供暖、空調(diào)、照明、電梯等用能需求，促進(jìn)部分時(shí)間、部分空間的低碳用能理念落實(shí)。其次，需要開發(fā)高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)新材料和新產(chǎn)品，同時(shí)根據(jù)各地氣候特點(diǎn)確定不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，打造適應(yīng)氣候的建筑，合理降低用能需求。再次，要基于“部分時(shí)間、部分空間”的室內(nèi)環(huán)境營造和用能方式，營造低碳健康的室內(nèi)環(huán)境空間，為此需要研發(fā)新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)和環(huán)境控制系統(tǒng)一體化新技術(shù)新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)空間可變、環(huán)境可調(diào)，落實(shí)機(jī)制用能的個(gè)性化、自然化、健康化，以推進(jìn)供暖、空調(diào)、照明、通風(fēng)系統(tǒng)和建筑相關(guān)產(chǎn)品的全面變革，為建筑用能低碳化和碳中和作出貢獻(xiàn)。