長沙市公共建筑“碳中和”路徑探索

朱青松 馬琦

長沙市城市建設科學研究院

0 引言

2020 年9 月，國家領導人在聯合國大會上提出“碳達峰”和“碳中和”的遠景目標。2021 年3 月黨中央將碳達峰和碳中和納入生態文明建設整體布局，并且明確“十四五”是碳達峰的關鍵期、窗口期，要求建筑領域要重點提升節能標準，加大節能力度。

由于人口的快速增長，對舒適環境的要求以及生活水平的提高，建筑能耗急劇增加。目前，我國建筑全過程能耗占全國能耗總量比重超過40%，建筑全過程碳排放量全國占總碳排放量的50%以上[1]。建筑節能是解決各國能源問題、實現可持續發展的重要途徑。公共建筑能耗在建筑能耗中占有較大的比重，公共建筑每平方米總能耗是我國住宅建筑的2 倍以上[1]。因此，相關學者針對公共建筑進行能耗數據統計，對用能特點、能耗影響因素和能耗定額等方面進行了研究和分析[3-10]。長沙市處于夏熱冬冷地區，既要考慮夏季制冷又要兼顧冬季采暖，了解長沙市公共建筑能耗現狀，對發掘公共建筑節能潛力具有重要意義。

長沙市從2010 年開始建設公共建筑節能監管體系，在全市推動建筑能耗監測工作，經過十年積累，收集了大量公共建筑能耗數據，本文以近四年監測數據為基礎，通過大數據分析，研究的主要目的如下：1）分析長沙市公共建筑能耗現狀。2）分析比較不同功能公共建筑的能源消耗水平和特點。3）探討長沙市節能改造現狀，提出下一步節能減排建議，為公共建筑實現“碳中和”目標提供方向。

1 研究方法

1.1 長沙市公共建筑能耗監測平臺

長沙市是我國首批國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能監管體系建設示范城市，更是最早一批建成建筑能耗監測平臺的示范城市。長沙市于2010 年和2017 年分別出臺了加強公共建筑節能監管工作的政策文件，得°C于政策的有效執行，能耗監測平臺自2010 建成至今，監測的公共建筑每年都在持續增長，近四年監測公共建筑增長情況如圖1 所示。

圖1 近四年長沙市公共建筑能耗監測增長情況

截止到2020 年12 月，長沙市累計監測公共建筑320 棟，監測建筑面積2391.8 萬m2。其中國家機關建筑24 棟，監測建筑面積69.5 萬m2；大型公共建筑296棟，監測建筑面積2322.3 萬m2。

1.2 長沙市公共建筑能耗數據采集方法

監測平臺將公共建筑按照功能劃分國家機關辦公建筑，商業辦公建筑，商場建筑，賓館飯店建筑，文化教育建筑，醫療衛生建筑，綜合建筑以及其他建筑八大類。

長沙市公共建筑能耗監管平臺將信息技術與節能監管體系相結合，實現對公共建筑能耗的實時監測和管理。為提高監測平臺數據質量，針對能耗監測平臺運行過程中普遍存在的失真數據（包含突變數據和0 數據），采用格拉布斯（Grubbs）檢驗法對其進行離群數據篩除整理。

選取檢出水平α=0.01，則置信概率P=1-α=0.99；查格拉布斯臨界值表得到臨界值G100=3.600。若計算值Gi 大于臨界值G100，則判斷測量值為異常值。對于所剔除的異常值數據，采用插值法補充。將單位面積能耗按上述參數進行離群處理后，具體監測建筑信息如圖2 和圖3 所示，單位面積能耗如表1 所示。

圖2 監測建筑按棟數分布情況

從圖1、圖2 和圖3 可知，長沙市監測的公共建筑中綜合建筑和商業辦公建筑的數量和面積占比較大，說明近些年長沙市公共建筑的建設主要集中在這兩種類型，這兩類建筑會是以后公共建筑節能的重點。

2 長沙市公共建筑能耗情況

2.1 近四年各類公共建筑能耗水平情況

通過對建筑能耗監測平臺監測數據進行大數據分析，可以得出近四年長沙市各類型公共建筑能耗水平如表1 所示。

表1 長沙市近四年各類型公共建筑能耗情況（kWh/(m2·a)）

2.2 長沙市各類公共建筑能耗水平與上海市對比的情況

自2007 年《國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能監管體系建設實施方案》發布以后，全國18 個省市啟動了公共能耗監測平臺建設。根據調研，上海市的監測平臺運行最良好，相關平臺具備較為完善的對外服務機制外，且上海市已連續四年發布公共建筑能耗監測數據分析報告，其他省市的平臺和數據主要以輔助政府決策為主，未對外開放及開展相關服務[12]。把長沙市各類公共建筑的能耗水平與上海市2020 年度各類公共建筑的能耗水平做對比，對比情況如圖4 所示。

圖4 長沙市各類公共建筑能耗水平與上海市對比情況

由圖4 可知，長沙市各類公共建筑能耗水平遠低于上海市，一方面是因為上海市經濟發達，公共建筑空置率比長沙市低、運行時長普遍比長沙市長。另一方面，上海市城區基本建成，監測的公共建筑大部分為既有建筑，建筑耗能設備運行久，能效低，能耗高。而長沙市近幾年城區建設如火如荼，大部分公共建筑屬于新建建筑，建筑空置率較高，用能設備大部分采用節能性能高的設備，能效高，能耗低。

2.3 長沙市各類公共建筑能耗水平對標情況

以2020 年長沙市各類公共建筑電耗水平為基準，參照國家標準《民用建筑能耗標準》（GB/T 51161-2016）和湖南省質量技術監督局發布的DB43/T611-DB43/T614 系列能耗限額標準，對比分析各類公共建筑電耗水平情況如表2 所示。

由表2 可知，2020 年度長沙市監測各類公共建筑平均能耗水平均達到了國標《民用建筑能耗標準》（GB/T 51161-2016）中引導值的要求。國家機關辦公建筑和醫療衛生建筑能耗水平未達到湖南省地方標準中達標值的要求。國標在制定過程中要統籌考慮各地氣候、經濟等因素，標準值相對寬松。目前實際運行值與省標的設置參數偏差比較大，下一步，可結合實際運行情況，進行更深一步分類建筑的能耗分析，對省標的相關參數進行修訂，使之更好的符合情況，引導本地節能工作的開展。從以上能耗對標可以看出，國家機關辦公建筑和醫療衛生建筑還具有很大的節能潛力。

表2 長沙市各類型公共建筑電耗對標分析情況（kWh/(m2·a)）

3 長沙市公共建筑分項電耗情況

3.1 公共建筑總體分項電耗占比情況

長沙市能耗監測能源種類包括電力和自來水。在電力監測中又可細分為照明插座用電，空調系統用電，動力系統用電，特殊用電和其他用電五類。根據長沙市能耗監測數據統計結果，近四年各類公共建筑分項電耗占比情況如圖5 所示。

圖5 近四年長沙市監測公共建筑分項電耗占比情況

以往眾多的研究成果表明，在建筑運行能耗中，供暖空調能耗比重最大，一般能占到建筑總能耗的40%～50%，由于長沙市公共建筑能耗監測未能實現燃氣的實時監測，采用直燃機組作為冷熱源的空調系統未能統計燃氣消耗量，空調系統燃氣消耗未能納入能耗分析。但是就電力消耗來看，由圖5 可知，長沙市公共建筑空調系統用電占公共建筑總用電的比例較低，連續四年均維持在20%左右（2020 年受疫情影響大部分商業建筑和賓館酒店建筑在1～3 月份處于停業狀態，因此全年空調耗電降低，占比減少）。照明插座系統用電的比例基本維持在35%～45%之間，占了公共建筑電耗的很大比例，說明長沙市公共建筑耗電系統節能主要還是集中在照明插座系統。

3.2 各類型公共建筑分項電耗占比情況

以2020 年監測電耗數據為基準，長沙市各類型公共建筑分項電耗占比情況如圖6 所示。

圖6 長沙市各類型公共建筑分項電耗占比情況

由圖6 可知，在各類型建筑中，其他建筑照明用電占比最大，達到總用電的62.6%，說明此類建筑應重點關注照明系統節能管理。醫療衛生建筑的空調用電占比最大，達到總用電的32.6%，說明在醫療衛生建筑中，空調系統是節能重點。機關辦公類建筑的其他用電占比達到37.6%，說明機關辦公類建筑的監測系統不夠完善，還有相當一部分用電量未納入分項監測，下一步要完善節能監管系統的建設。

4 公共建筑實現“碳中和”的方向

4.1 長沙市公共建筑節能改造現狀

自2010 年《湖南省綠色建筑評價標準》發布以來，長沙市大力推廣建筑節能技術和綠色建筑發展，提高能源利用效率和改善生態環境，針對公共建筑進行了多方位的節能改造，包含建筑用能設備、圍護結構、能耗監測平臺等方面。

4.1.1 建筑用能設備節能改造

1）空調系統：大型公共建筑普遍使用的中央空調等高能耗機電設備，一直是建筑節能的重中之重。一方面，針對空調系統冷水機組，采用了變頻器拖動，實現機組部分負荷運行狀態下的節能以及低冷卻水溫度下的節能。另一方面，針對空調末端采用了VAV 末端裝置控制優化、新排風熱回收裝置等技術來最大限度減少空調用能。此外，推廣地源熱泵等可再生能源在建筑的應用，目前長沙市已完成528 萬m2的可再生能源建筑應用。

2）照明系統：大型公共建筑的照明設備（特別是在商場建筑中）不僅自身能耗較大，而且照明設備散熱形成的冷負荷可占夏季空調總冷負荷的20%以上。因此照明系統的節能改造潛力巨大。照明系統節能改造主要包括更換LED 節能燈具提高能源效率和采用照明感應控制技術減少能源浪費兩大塊。

3）動力系統：根據長沙市公共建筑用電調查統計，動力用電占建筑總用電量的15%～25%以上，僅次于空調系統和照明系統的用電量。因此，采用了曳引系統對電梯系統進行節能改造以及變頻調速技術對水泵的節能改造。

4.1.2 建筑圍護結構節能改造

長沙地區大型公共建筑外窗普遍采用普通單層玻璃，普通單層玻璃保溫隔熱性能較差，是造成冬夏季空調電耗高的主要原因之一。對此，采用的薄膜（熱反射膜）遮陽可以阻擋45%～85%的太陽直射熱量進入室內，冬季可以減少30%以上熱量散失。

4.1.3 建筑能耗項監測系統節能改造

全面掌握建筑能耗的實際狀況，是加強能源領域的宏觀管理和科學決策，制定用能標準和能耗定額的基礎，是開展建筑領域碳中和工作的前提條件。綠色建筑評價標準中將實施能耗分項計量作為公共建筑評價的強制性條款，分項計量系統能夠對公共建筑中的各種類型和不同功能用途的耗能項目分別計量，準確地掌握這些耗能項目的耗能量。再通過專用設備實時采集各個耗能的用能數據，利用互聯網、GPS 無線網、NB-IOT 等多種網絡傳輸模式傳輸到市級數據中心。遠端客戶可隨時通過網絡訪問數據中心，了解、分析相關參數，包括不同建筑之間相似系統和設備耗能情況的橫向比對。通過對實時數據的分析不僅可以隨時發現建筑中突然出現的用能問題，而且可以捕捉到人工難以察覺的能耗漏洞，從而提醒運營管理人員及時處理，改善用能缺陷。

4.2 長沙市公共建筑進一步節能改造建議

目前，長沙市公共建筑運行最主要的能源是外界輸入的電力。隨著建筑電氣化的全面實施，其他各類型能源消耗也將轉為電力，這將使建筑用電量進一步增加，從而使得建筑的二氧化碳間接排放增加。由于建筑的電力消耗造成的間接碳排放是建筑相關碳排放中最主要的部分，所以降低建筑運行電耗是進一步實現零碳或碳中和的最主要任務[13]。

鑒于建筑行業碳排放比例這么高，為了實現“碳中和”目標，就要全面提升建筑的能源利用效率。對于政府機關、學校、醫院、場館等公共機構要提出更高的要求，公共機構需要不斷提升能源利用效率，才能有效抑制用能剛性增長。對寫字樓、商場、酒店等經營性公共建筑，要從技術節能的角度出發，大力推廣綠色建筑技術，鼓勵有條件的達到超低能耗，近零能耗和零能耗建筑標準。整個建筑的運行過程中要提升節能信息化水平，推進智慧節能，加大對數據中心機房、空調（供暖）、食堂等重點用能部位和設施設備的節能改造。從行為節能角度，加大宣傳培訓力度，倡導簡約適度、綠色低碳的生活方式。

5 結束

國家制定“碳達峰”和“碳中和”遠景目標是為了改善持續惡化的全球氣候，是對世界人民的一項莊嚴承若，同時也彰顯了我們的大國擔當。作為中部經濟高地的長沙，在持續抓好經濟社會發展的同時要兼顧生態文明建設，在“碳達峰”和“碳中和”目標實現中樹立中部標桿。建筑業作為高碳排放行業，應該積極響應國家政策，全面加強節能管理。長沙市公共建筑節能管理工作開展時間久，政策體系完備，標準規范健全，技術應用成熟，在實現“碳中和”目標上能起到立竿見影的效果。