“雙碳”目標下建筑能源變革思考

戎向陽

為什么要推動建筑電氣化

我國實現碳中和目標遠難于發達國家，從2030年實現碳達峰到2060年實現碳中和，只有30年時間，時間非常短，必須通過能源變革和產業調整來實現。

建筑碳排放占全國社會總碳排放的比例接近40%，是實現“雙碳”目標非常重要的內容。其中，建材和運輸受制于工業和交通領域的脫碳，碳排放占比最大的運行過程則是建筑行業自主貢獻的部分。

建筑用能全面電氣化無疑是實現零碳、低碳運行的最佳途徑。一方面，取消化石類燃料的燃燒，可以將直接碳排放降為零，另一方面，可以依托建筑節能和電力碳排放因子下降，降低運行過程的間接碳排放。

為什么說電氣化是最佳途徑呢？首先，是適應國家未來能源總體結構轉型的需要。從現在的能源規劃來說，能源消費中的化石類能源消費要在2030年達峰，未來新增的能源都是非化石類能源，主要是核電、水電、風電、光電，這些能源都是以電力形式提供的。

其次，建筑用能電氣化有利于實現電力需求側響應。未來新能源比重越來越高，供給側可調性下降，需要我們做好需求側響應來平衡和消納可再生能源電力供應。需求側響應控制也可以降低峰值負荷，電力部門專家預測，如果做好需求側響應，整個峰值可以下降10%。另外，建筑可以通過“蓄”和“調”來適應供給側變化，“蓄”主要表現在蓄電、蓄冷、蓄熱，“調”是適應供給側變化的自動控制。通過“蓄”和“調”，容易實現建筑用電的柔性化，滿足需求側響應的需求。未來，隨著產業結構調整，建筑電力消費在整個電力消費中比重會越來越大，預計到2060年建筑用電量占總用電量40%。因此，做好建筑需求側響應控制對高可再生能源滲透比的電力供應調節將起到很大的作用。

其三，建筑用能電氣化也有利于推動建筑光伏一體化（BIPV）的發展。為了實現碳中和，風電、光電裝機容量需要達到60億kW的水平，這大概需要占600億平方米以上的安裝空間，可能會跟耕地產生一定的矛盾。而建筑表皮是很好的可利用資源，現在統計城鄉建筑的屋頂面積約為400億平方米左右，理想狀態下，城鎮建筑屋頂安裝光伏的年發電量可達1.2萬億kWh，農村建筑屋頂安裝光伏的年發電量可達2.9萬億kWh。全年來看，建筑用電基本可以實現“自給自足”狀態。推動BIPV的發展，當然需要建筑電氣化的支撐。

當然，建筑電氣化也是實現建筑零碳、低碳運行的需要。按照當前電力碳排放因子來看，各氣候區空氣源熱泵制熱的碳排放量已低于燃氣鍋爐，直接電加熱的碳排放量目前還高于燃氣，但是隨著未來非化石類燃料發電的比例加大，直接電加熱的碳排放量也會低于燃氣。所以，推動建筑全電氣化，不僅可使建筑運行的直接碳排放降為零，同時還可分享電力脫碳的“紅利”，逐步降低建筑運行過程的間接碳排放。

從現在的電力規劃來看，完全可以支撐各個階段的建筑電氣化變革。以減少需求為基礎、全面電氣化為手段，建筑運行的零碳或近零碳目標也完全可以實現。到2060年，如果能把建筑節能等各方面工作做好，建筑運行用電量可以控制在3.6萬億～4萬億kWh。為實現碳中和目標，建議從現在開始，新建公共建筑優先進行全電氣化設計，提前為零碳運行建筑進行布局。對于既有建筑，則根據電力碳排放因子變化，優先開展供暖和衛生熱水的電動熱泵替代;2030年以后，隨著電力碳排放因子的進一步降低，加快對住宅和炊事部分的全電氣化改造。

建筑電氣化替代方案以及要解決的問題

首先是替代途徑和需要解決的技術問題。現在民用建筑中主要有三個方面使用化石類燃料：一是炊事，城鎮炊事電氣化率已經較高，家家戶戶除了炒菜以外基本都有電氣化設備。電氣化炊具熱效率可得到提高，達到80%以上，遠高于燃氣灶具。但是炊具替代還需要解決一些技術問題，例如，電磁爐目前最高溫度可以達到350℃以上，但加熱均勻性問題還需要進一步解決。

二是供暖和衛生熱水，應該采用各類電動熱泵替代化石燃料燃燒設備，使能耗和碳排放強度進一步下降。極寒地區為了經濟性可采用熱泵輔助電熱的方式;零散和少量熱水，如辦公樓衛生間需要一點熱水，可以采用就地的電熱水器解決。在替代過程中需要重點關注幾個技術問題：

第一要開發適合各氣候區、各類負荷特征的高效空氣源熱泵。氣侯區不同，制熱、制冷權重不一樣，商用和住宅用的負荷特性也不一樣，單一標準的產品很難實現在各氣侯區、各用途下的真正高效運行。第二要發展二氧化碳跨臨界熱泵機組，解決極寒地區能效提升問題。第三要研發供暖、熱水、供冷一體化的戶用熱泵，未來夏熱冬冷地區家庭主要需要熱泵來解決，如果不同用途的熱泵各設一臺室外機，室外安裝面積將會是很大難題。第四要在設計方面優化冷水機組和熱泵機組的容量匹配，才能實現全年運行的協同高效。因為熱泵機組要兼顧冷和熱，制冷能效會低于冷水機組，怎么協調好冷水機組和熱泵機組的容量匹配是未來設計中需要重點關注的問題。另外，民用建筑中主要是醫療用汽和洗衣房用汽等，完全可以用電蒸汽發生器和熱泵蒸汽發生器替代，而且把蒸汽系統就地化、小型化，可減少“跑、冒、滴、漏”現象。目前，熱泵蒸汽發生器COP（性能系數）約為1.1～1.4，可產生0.7MPa以下的蒸汽壓力，未來完全可以開發COP達到3.0左右的熱泵蒸汽發生器，而且將供汽壓力進行進一步拓展。

第二需要解決的問題是能源價格調整。目前各城市執行的氣、電價格很難推動全面電氣化改革。綜合來看，只有當居住建筑氣、電價格比大于5～6倍以上，居民才能產生進行電氣化替代的動力。公共建筑也存在同樣的情況，當前大部分地區執行的商業氣、電價格，基本可以支撐生活熱水和供暖的電氣化替代，但是炊事方面電氣化替代的成本比較高，所以也需要進行價格調整。整體而言，商業氣、電價格比大于7倍以上，就能順利推動用戶進行電氣化的替代。

未來要進行電氣化改革還有很多問題要解決，只有在技術研發、產品研發和能源價格體系改革這幾個方面同步推進，才能很好地實現建筑電氣化改革。