開源與節(jié)流并舉實現(xiàn)建筑低碳化運行

張 磊，鞠曉磊，魯永飛

(1. 中國可再生能源學(xué)會太陽能建筑專業(yè)委員會，北京 100044；2. 中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044 )

0 引言

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出，“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值(下文簡稱‘碳達峰’)，努力爭取于2060年前實現(xiàn)碳中和”。

我國建筑行業(yè)廣義的碳排放量約為40億t二氧化碳，主要包括在建筑建造、改造過程中因建筑材料生產(chǎn)而造成的碳排放和建筑運行過程中使用化石能源及使用電力、熱力產(chǎn)生的碳排放。當前我國建筑行業(yè)的運行碳排放(含直接碳排放和間接碳排放)量約為21億t二氧化碳，約占全國碳排放總量的20%[1]。而隨著我國城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟水平的不斷提升，建筑行業(yè)的運行碳排放量的占比將越來越大。因此，如何在改善人居環(huán)境品質(zhì)、增強人民群眾幸福感和獲得感的同時，快速實現(xiàn)碳達峰并實現(xiàn)溫室氣體深度減排，是我國應(yīng)對氣候變化的重要議題。

本文針對實現(xiàn)建筑低碳化運行的途徑，從提升建筑能效的方向，“節(jié)流”與“開源”對提升建筑能效的作用，以及推動“單一目標、多種途徑”的方式實現(xiàn)建筑低碳化運行這3個方面，對我國建筑低碳化運行的發(fā)展趨勢及情況進行了分析，并利用軟件建立了不同氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑能耗仿真模型與居住建筑可再生能源供給系統(tǒng)仿真模型，分析驗證了可再生能源建筑應(yīng)用對實現(xiàn)碳達峰的作用。

1 提升建筑能效的2個方向

建筑低碳化運行是減少建筑運行對化石能源的消耗和電力、熱力需求，因此提升建筑能效是實現(xiàn)建筑低碳化運行的關(guān)鍵。提升建筑能效的實施途徑包括建筑節(jié)能與可再生能源建筑應(yīng)用2個方向，即建筑用能的“節(jié)流”與“開源”。

隨著我國《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準(采暖居住建筑部分)》3次標準提出的“30-50-65”建筑節(jié)能目標的逐步實現(xiàn)，我國建筑節(jié)能工作進入了新階段，出現(xiàn)了超低能耗建筑、近零能耗建筑等對建筑熱工性能要求更高的節(jié)能建筑，使建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能大幅提升，建筑的采暖能耗大幅降低。但與此同時，政策及相關(guān)標準對可再生能源建筑應(yīng)用的要求較低，即使在較新頒布的GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標準》中，對可再生能源應(yīng)用要求最高的也僅為可再生能源利用率占建筑能耗綜合值的10%，“節(jié)流”與“開源”并未齊頭并進。建筑能耗綜合值的計算方法為：在設(shè)定計算條件下，建筑單位面積的年供暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明、生活熱水及電梯的終端能耗量與可再生能源系統(tǒng)發(fā)電量(利用能源換算系數(shù)統(tǒng)一換算到標準煤當量)之間的差值。GB/T 51350—2019中要求建筑能耗綜合值小于等于55 kWh/(m2·a)或小于等于6.8 kgce/(m2·a)，其對建筑本體性能指標及可再生能源利用率的規(guī)定具體如表1所示。表中：WDH20為1年中室外濕球溫度高于20 ℃時刻的濕球溫度與20 ℃之間差值的逐時累計值，kKh；DDH28為1年中室外干球溫度高于28 ℃時刻的干球溫度與28 ℃之間差值的逐時累計值，kKh。

表1 GB/T 51350—2019中的相關(guān)規(guī)定[2]Table 1 Relevant provisions by GB/T 51350-2019

2 “節(jié)流”與“開源”對提升建筑能效的作用

為了進一步分析“節(jié)流”與“開源”對提升建筑能效的作用，筆者以國內(nèi)常見多層單棟居住建筑為例，以目前建筑本體性能指標和可再生能源利用率指標均為最高要求的GB/T 51350—2019中規(guī)定的限值為依據(jù)，分別建立不同氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑能耗仿真模型與居住建筑可再生能源供給系統(tǒng)仿真模型，并進行分析計算。在選擇不同氣候區(qū)內(nèi)的典型城市時，嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)選擇供暖負荷最小的城市，其他氣候區(qū)選擇氣候較為典型的城市。根據(jù)GB/T 51350—2019，可得到不同氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，匯總后如表2所示。

表2 不同氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 2 Table of enclosure structure parameters of residential buildings in typical cities in different climate areas

以GB/T 51350—2019中給出的居住建筑的建議圍護結(jié)構(gòu)性能指標為依據(jù)，對5種氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑能耗進行仿真，通過仿真模型模擬得到了居住建筑的燃料能源用電量、平均溫度、采暖用電量和換氣次數(shù)的模擬數(shù)據(jù)及結(jié)果。5種氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑能耗模擬數(shù)據(jù)如圖1～圖5所示，居住建筑能耗結(jié)果如表3所示。

圖1 以榆林市為例的嚴寒地區(qū)的居住建筑能耗模擬數(shù)據(jù)Fig. 1 Simulation data of residential building energy consumption in severe cold area of Yulin

圖2 以徐州市為例的寒冷地區(qū)的居住建筑能耗模擬數(shù)據(jù)Fig. 2 Simulation data of residential building energy consumption in cold area of Xuzhou

圖5 以昆明市為例的溫和地區(qū)的居住建筑能耗模擬數(shù)據(jù)Fig. 5 Simulation data of residential building energy consumption in mild area of Kunming

圖3 以成都市為例的夏熱冬冷地區(qū)的居住建筑能耗模擬數(shù)據(jù)Fig. 3 Simulation data of residential building energy consumption in hot summer and cold winter area of Chengdu

圖4 以廣州市為例的夏熱冬暖地區(qū)的居住建筑能耗模擬數(shù)據(jù)Fig. 4 Simulation data of residential building energy consumption in hot summer and warm winter area of Guangzhou

從圖1～圖5及表3可以看出，溫和地區(qū)的供暖年耗熱量和供冷年耗冷量之和較小，建筑能耗綜合值也偏小；其他氣候區(qū)的供暖年耗熱量和供冷年耗冷量之間相差較大，但這些氣候區(qū)的建筑能耗綜合值較為接近。這是因為嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的供暖年耗熱量高，夏熱冬暖地區(qū)的供冷年耗冷量高，而夏熱冬冷地區(qū)相對濕度較高導(dǎo)致其通風(fēng)能耗偏高，所以各氣候區(qū)建筑能耗綜合值相差不大。

表3 不同氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑能耗情況Table 3 Condition of energy consumption of residential buildings in typical cities in different climate areas

作為嚴寒地區(qū)的典型代表城市，榆林市的居住建筑圍護結(jié)構(gòu)即使采用最佳圍護結(jié)構(gòu)性能指標，仍無法達到GB/T 51350—2019對于供暖年耗熱量指標的要求，而榆林市為我國嚴寒地區(qū)中供暖負荷最小的地區(qū)，由此可見，嚴寒地區(qū)內(nèi)除榆林市以外的其他地區(qū)的居住建筑在標準圍護結(jié)構(gòu)性能指標要求下更無法滿足供暖能耗的節(jié)能要求。而應(yīng)用GB/T 51350—2019推薦的能效(制冷IPLV(C)=6，制熱COP=4.5)暖通設(shè)備后，照明、熱水、電梯等系統(tǒng)設(shè)備不需要選用高能效產(chǎn)品，建筑能耗綜合值(不包括可再生能源發(fā)電量)也遠小于GB/T 51350—2019中對建筑能耗綜合值的要求，即遠小于55 kWh/(m2·a)，建筑采暖負荷節(jié)能負擔遠高于其他建筑用能系統(tǒng)，導(dǎo)致其對應(yīng)的圍護結(jié)構(gòu)熱工指標提升的增量投資(與各地現(xiàn)行建筑節(jié)能標準相比)超過400元/m2，代價高昂。

在開源方面，同樣的建筑條件下，利用居住建筑50%的屋頂面積布置光伏組件，以此建立光伏發(fā)電系統(tǒng)為可再生能源建筑供電，光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量為74.79 kWp，建筑增量投資為75元/m2。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量、光伏組件安裝角度等條件，采用軟件對不同氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑的逐月發(fā)電量情況(即可再生能源供給情況)進行模擬。不同氣候區(qū)內(nèi)典型城市居住建筑能源需求與可再生能源供給量的對比情況如表4所示。

表4 不同氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑全年能源需求與可再生能源供給情況Table 4 Condition of annual energy demand and renewable energy supply of residential buildings in typical cities in different climate areas

從表4可以看出，利用居住建筑50%的屋頂面積布置光伏組件時，不同氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑可再生能源利用率可達到36.18%～66.49%。其中，成都市的可再生能源利用率最低，為36.18%；昆明市的可再生能源利用率最高，為66.49%。

從模擬結(jié)果來看，依托以太陽能為代表的可再生能源降低建筑能耗綜合值的成本投入和效用均優(yōu)于建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工指標提升這一方式，這也意味著在“開源”方面，可再生能源在提升建筑能效中可以發(fā)揮更大作用。

3 推動“單一目標、多種途徑”的方式實現(xiàn)建筑低碳化運行

現(xiàn)有的建筑能效類的標準多采用“多目標、單一途徑”的形式，從“節(jié)流”“開源”2個方面規(guī)定了建筑能效指標。這種做法一方面使用冷、熱耗能量和建筑氣密性目標限制了建筑本體性能，另一方面提出了可再生能源利用率的目標。

然而，當前建筑行業(yè)將提升建筑能效的重點放在了提升建筑的節(jié)能性能，現(xiàn)狀是建筑本體節(jié)能率的目標在逐步提高，但實現(xiàn)難度逐級增加，增量投資與節(jié)能率曲線變緩，呈現(xiàn)出事倍功半的趨勢。建筑圍護結(jié)構(gòu)性能提升潛力也在逐步減少。

與此同時，隨著以太陽能為代表的可再生能源技術(shù)地飛速發(fā)展，可再生能源應(yīng)用技術(shù)的成本迅速降低，在有限的建筑可利用面積中可以充分利用可再生能源實現(xiàn)建筑的降本增效，有效替代建筑中化石能源的消耗。但目前，可再生能源應(yīng)用技術(shù)在建筑中的實際推廣和應(yīng)用程度有限，導(dǎo)致可再生能源建筑應(yīng)用不足，建筑行業(yè)的“節(jié)流”(即增強建筑圍護結(jié)構(gòu)性能)與“開源”(即可再生能源功能)發(fā)展呈現(xiàn)不均衡的態(tài)勢。在成本控制下建筑行業(yè)“節(jié)流”與“開源”均衡發(fā)展的情況如圖6所示。

圖6 在成本控制下建筑行業(yè)“節(jié)流”與“開源” 均衡發(fā)展的情況Fig. 6 Conditions of balanced development of“reduce expenditure”and“broaden sources”of construction industry under cost control

4 結(jié)論

本文從“節(jié)流”和“開源”2個方向?qū)ξ覈鴮崿F(xiàn)建筑低碳化運行進行了分析，并對5種氣候區(qū)內(nèi)典型城市的居住建筑能耗和居住建筑可再生能源供給系統(tǒng)進行了仿真模擬，從而對可再生能源建筑應(yīng)用對碳達峰實現(xiàn)的作用進行了分析驗證。在建筑行業(yè)低碳化運行的任務(wù)目標的工作推動過程中，需要采用“單一目標、多種途徑”的建筑能效指標控制方式，僅規(guī)定建筑能耗綜合值指標或運行碳排量限制，不限制實現(xiàn)途徑。在當前可再生能源增量成本較低的情況下，可加大以太陽能為代表的可再生能源的投入；隨著建筑節(jié)能技術(shù)的逐步發(fā)展，建筑本體增量成本較低時，可加強圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱和氣密性性能。“節(jié)流”與“開源”均衡發(fā)展，從而實現(xiàn)建筑能效的進一步提升和建筑的低碳化運行，加快建筑行業(yè)碳中和目標的實現(xiàn)速度。