碳中和目標下建筑能源系統再認識

劉曉華

《中國建筑節能年度發展報告2022》的數據顯示，我國建筑運行的年碳排放量達到21.8億噸，民用建筑建造相關碳排放量15億噸，二者相加，已經超過了全社會碳排放的三分之一。未來，我國建筑面積還將進一步增加，服務質量也將進一步提升，建筑領域面臨巨大減碳壓力。

未來，風電、光電將成為電力系統的主力，預計占到總裝機容量的80%，年發電量的60%。可再生能源發電會因氣侯條件而具有非常大的波動性，這使得調蓄成為非常重要的環節，對建筑側的功能要求也會從原來的單純能源消耗變成集能源的生產、消費和調蓄三位于一體。

面對這種新的要求，由于光伏發電等可再生電力需要非常大的面積，建筑屋頂就變成了非常好的可再生能源利用場景。所以，需要在滿足建筑美觀的前提下，利用建筑的屋面與外立面，盡可能地發展光伏資源，使建筑成為能源的產消者。

以前的建筑能源系統主要是從需求側，即建筑的冷熱電需求來配置相應的能源系統方案，未來供給側將是風電、光電為主的低碳、波動型電力供給，能源系統會從原來的根據建筑需求確定供給轉向以供給引導需求。

一、降低需求與節能是實現低碳的基礎

目前，無論人均面積還是單位面積的能耗強度和碳排放強度，我國均低于發達國家水平。如果照搬國外的建筑發展模式，能耗和碳排放都可能成倍增長。因此，我們要在目前具有中國特色的建筑用能基礎之上，在進一步滿足人們不斷提升的室內環境等各方面需求的同時，實現低碳發展。

實現低碳目標，節約能源是關鍵，通過科學合理的設計提升建筑本體性能、降低營造室內環境的能源需求是方向，減少建筑使用過程中不必要的冷熱消耗也非常重要。像航站樓這樣體型系數相對較小的建筑，外圍護結構相對較少，人員、燈光設備的發熱量跟圍護結構冬季的散熱量近似，如果能夠有效降低不必要的滲風能耗，機場航站樓這樣的建筑就有望實現近零能耗的供熱。

在降低建筑本體需求方面，目前有很多從源頭出發的新思路、新材料可以考慮。比如輻射制冷材料，對太陽輻射3μm以下的波段有很好的反射作用，在8-13μm的“大氣窗口”有較高的發射率。對于建筑需要全年制冷的場景，如制冰場館，可以通過屋頂輻射制冷涂料降低建筑表面溫度，獲得較為顯著的節能效果。如果建筑既有夏季供冷又有冬季供熱的需求，則需要進行綜合權衡。

在兼具冷熱需求的場景，熱回收也是常用的降低需求的途徑。如電子廠房，冬季需要對室外新風進行加熱，同時室內房間還需要通過干冷卻盤管DCC進行供冷。這些同時需要供冷和供熱的情況，可通過熱回收減少外部冷熱量的投入。這需要從建筑整個能源系統的角度出發，充分挖掘可回收的冷熱量的潛力。

二、全面電氣化

建筑行業當前的電氣化率大概在50%左右，未來面臨著再電氣化或者全面電氣化的挑戰。除北方采暖外，未來建筑能源系統若能實現100%由電力驅動，將有助于建筑能源系統低碳化。

提升電氣化率的途徑包括：化石燃料替代、炊事/生活熱水等實現電氣化。以前以燃料作為驅動熱源的方式，會面臨獲得清潔熱源的問題，包括蒸汽、炊事所需要用熱的電氣化設備等，這也是對機電設備系統形式提出的新要求。

三、提高機電系統效率

從7℃出水大型離心式冷水機組效率的情況，可以看出目前制冷循環性能已經非常接近于理想循環的效率，在外部工況確定的情況之下進一步提升單個制冷循環性能的空間非常有限。現在的端差，冷凝側和蒸發側都在1℃以內，甚至0.5℃。但如果改變一下外部工作條件，把水溫從之前7℃進一步提升到16℃，機組整體性能就可能由于蒸發溫度的提升而得到更大幅度的提升。

對于制冷而言，一方面要尋找比室外更優的自然冷源或者更低溫的熱匯，像冷卻塔、地表水、露點溫度、地下水等;另一方面要在滿足建筑需求的情況下提升所需要的冷源溫度，以此有效提升整個系統性能。除了在既定工況下提高機電設備系統性能之外，改變外部工作條件，例如高溫供冷低溫供熱、溫濕度獨立控制等，也會帶來整個機電設備系統效率的大幅度提升。

機電設備在建筑中運行時，并不是在滿負荷而是部分負荷的情況會占據絕大多數時間，要提高包括制冷主機、風機水泵等的部分負荷性能。從高效冷機主機到高效機房，再統籌空調箱這些末端能耗，整個系統需要精細化設計和調試，從而實現整個空調系統的高效運行。

四、柔性用能

目前建筑能耗都是指建筑整體的能源消耗，通常以一年建筑消耗能源的總量作為評價標準。未來，隨著可再生能源電力的占比加大，建筑側也可以承擔起很好的靈活用電功能，使建筑成為電力系統靈活負載，實現建筑用電和電網側的良好匹配關系。因此，除了建筑總體能耗的時間尺度之外，還需要關注逐時的時間尺度，研究這種建筑供應和需求在時間尺度上的匹配。

除了外加的蓄電池、電動車可以作為蓄能途徑外，建筑也有冰蓄冷、水蓄冷等相應的蓄冷系統，建筑本體圍護結構也具有一定的蓄能能力，因此，在柔性用電情景下，對建筑的各種蓄能能力也需要重新認識和評估。

另外，光儲直柔也是建筑實現零碳電力的重要途徑。國務院《2030年前碳達峰行動方案》已明確指出：“建設集光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的‘光儲直柔建筑”。

碳中和對建筑低碳提出了新要求，怎樣去進一步降低需求、提高能效是行業努力的方向。建筑能源結構需要全面電氣化、充分利用可再生能源、加強建筑柔性，推動能源系統的革新。