我国城市建筑碳达峰与碳中和路径探讨

同济大学 龙惟定

住房和城乡建设部科技与产业化发展中心 梁 浩

1 背景

2020年是不寻常的一年。肆虐全球的COVID-19疫情及世界政治、经济和社会的一系列“黑天鹅”事件，使这一年成为至暗时刻而载入史册。

除COVID-19疫情外，另一个对人类产生巨大威胁的是全球气候变化。由于新冠肺炎疫情蔓延，2020年全球能源需求下降5%[1]，与能源相关的CO2排放比2019年下降约7%，由于非CO2温室气体排放受疫情影响可能较小，因此预计温室气体排放量的下降幅度较小。但是，大气中温室气体的浓度却继续上升[2]。2020年5月观测到的大气中CO2体积分数达到417×10-6，这可能是地球上300万年来的最高浓度[3]。地球温暖化仍在继续，2020年(1—10月)的全球平均温度比用作工业化前水平近似值的1850—1900年的基线高(1.2±0.1) ℃，是全球有记录以来最热的3年之一。升温导致南极和格陵兰的冰层融化，从2019年8月至2020年8月，约有1 520亿t冰从冰盖上消失，使北极海冰面积达到历史最低。气候变化引起非洲和亚洲大范围暴雨和洪灾(如影响中国南方16个省区的洪涝灾害)，引起南美洲内陆的严重干旱，引起欧洲大陆的高温酷暑，引起美国、澳大利亚的森林和亚马孙雨林的大火，引起创纪录数量的风暴登陆美国，给肆虐的疫情火上浇油。

世界气象组织(WMO)和英国气象局(Met Office)的研究人员表示，自2020年开始的未来5年中，全球年度平均温度比工业化前高出至少1.5 ℃的概率是20%，有可能提前突破《巴黎协定》争取将本世纪末温度上升幅度保持在1.5 ℃以内的目标，表明气候变化已经接近危险的程度[4]。

2018年10月，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布了《全球升温1.5 ℃》的特别报告，提出了将温度上升保持在1.5 ℃内的路径[5]：

1) 到2030年全球净人为CO2排放量从2010年的水平减少约45%，在2050年左右达到净零排放。预计到2030年，必须将全球年排放总量削减一半，即年均250亿～300亿t CO2当量(2019年总GHG(温室效应气体)排放量为591亿t，其中能源消耗的CO2排放量为380亿t[6])。

2) 能源系统是主要的碳排放源，但要实现2050年净零排放，就不仅仅是能源系统的任务。人为碳排放主要有两大来源：即化石燃料燃烧的能源利用及破坏自然循环的土地利用。因此，需要在能源、土地、城市和基础设施(包括交通和建筑)及工业系统方面进行快速而深远的转型。这些系统的转型规模是前所未有的。

3) 在能源领域，不能凭单一或简单的办法实现净零排放，能源转型需要政府所有部门、机构、企业和个人共同采取行动，利用广泛的能源政策、融资、创新和技术。节能、能源效率的提高和对可再生能源的大规模应用起到主导作用。同时，碳捕获、利用和储存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)技术，氢燃料、核能和其他能源也发挥重要作用。

所谓“净零排放”，是指通过“碳清除”的过程从大气中去除温室气体来平衡任何人为造成的温室气体排放。IPCC在其2018年的报告中指出，为了稳定全球气温，温室气体的净排放必须减少到零。把排放减少到净零的情景才能阻止气候恶化[5]。

而碳中和与净零排放的意义相近，碳中和是指通过平衡CO2的排放与CO2的清除(通常通过碳补偿)或完全消除实现净零CO2排放。可以理解为碳中和是一个目标，而净零排放是一个过程。碳中和可以用国际公认的标准(如PAS 2060，以及正在起草的ISO 14068等)进行评价和认定。

如果今后每年都能达到2020年7%的碳排放量下降幅度，那么到2030年世界能源领域的碳排放量就可以下降52%，实现IPCC年排放量下降一半的目标。但问题是，2020年的7%付出的代价极为惨重：全球有超过1亿人感染COVID-19，因新冠而不幸死亡的人数超过220万人；2020年全球经济萎缩幅度约为4.4%。世界主要经济体中，除了中国经济逆势增长2.3%以外，其余均为负增长。所以，国际机构和研究者非常担心疫情之后的经济复苏会带来能耗和碳排放的强烈反弹。国际能源组织(IEA)一直呼吁各国政府要使经济复苏尽可能地可持续和有弹性。这意味着既要立即解决全球经济衰退和失业率飙升等核心问题，也要考虑建设更清洁、更安全的能源体系[7]。

2020年中国的GDP突破100万亿元，比2019年增长2.3%。2020年中国能源消费总量增长2.2%，为49.8亿t标准煤，完成了“十三五”规划中总量控制在50亿t标准煤以下的目标。全社会用电量增长3.1%，但可再生能源发电量同比增长了8.4%[8]。此外，天然气消费增长了7.2%，煤炭消费增长了0.6%[9]。

从图1可以看出，与2019年相比，因为疫情和经济恢复，中国2020年的碳排放呈现出前少后多的趋势，2020年下半年明显反弹。

图1 中国2019—2020年(1—11月)碳排放每日监测数据比较[10]

截止到目前，尚未看到权威部门发布的2019年中国碳排放量数据。根据一些研究资料，估算2019年中国GHG总排放量为139.2亿t[11]，与能源相关的CO2排放量为98.26亿t，占世界总量的28.8%[12]。2019年人均CO2排放量为8.12 t，在世界上位居第37位[13]，但是也超过了世界平均水平。很明显，中国的碳减排对世界有举足轻重的作用。中国能不能实现碳达峰，能不能实现碳中和，在很大程度上影响《巴黎协定》争取全球温升控制在1.5 ℃(或2 ℃)的目标能不能实现。

在洛基山研究所(Rocky Mountain Institute, RMI)与能源转型委员会(Energy Transition Commission, ETC)2020年6月发表的报告[14]中，建议中国政府在考虑中国经济的绿色复苏时，应加速可再生能源领域投资，推动绿色零碳电气化，并将此项工作上升到与高铁、5G网络建设同等重要的战略高度，作为推动经济复苏的“新基建”中的重要组成。零碳电气化既有促就业、提振经济的短期效应，又有推动中国能源转型、实现可持续发展的长远利益。

2020年9月22日习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上讲话时郑重承诺，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。从那时开始到2021年1月，习主席7次在重大国际场合就“中国力争于2030年前CO2排放达到峰值”和“2060年前实现碳中和”发表重要讲话。

碳减排、碳达峰和碳中和已经成为我国的国家战略。每个行业都不能置身度外，每个人都是利益相关者。本文仅就城市建筑领域的碳达峰和碳中和的技术路径进行初步探讨。

2 城市建筑领域碳减排

2.1 城市建筑碳排放特点

IEA在其特别报告中指出：建筑将在清洁能源转型中扮演中心角色[15]。这是因为建筑在运行过程中由于耗能而产生的碳排放占排放总量的28%，其中2/3来自快速增长的用电量。自2000年以来，建筑物中的电力需求增长速度是电力部门碳排放强度降低速度的5倍。而如果考虑到建筑材料和施工过程中的碳排放，则建筑碳排放占排放总量的39%。

IEA把建筑作为碳中和与能源转型的重点领域的原因是[16]：

1) 建筑正处于高增长期。预计从现在到2050年，全球新增建筑面积将是中国现有存量的2.5倍(即1 500亿～2 000亿m2)。

2) 新增建筑主要在发展中国家，而大部分发展中国家建筑节能的标准法规体系很不完备，很可能会锁定高能耗和高碳排放的特性。到2050年会造成额外的35亿t标准煤的能耗和20亿t的碳排放。

3) 发达国家则相反，到2050年有90%以上的建筑是2020年之前建造的既有建筑。其中很大部分需要更新和改造。

4) 相对而言，建筑的节能减排技术较容易实现，同时可以改善建筑室内舒适性，并节约使用者的能源费用。而每年在节能减排上的投入仅2 700亿美元，只占每年全球建筑总投资(4.9万亿美元)的5.5%。

那么，是不是只要在建筑运行阶段继续开展建筑节能就可以了呢？建筑节能的确是碳中和的基础，但不是全部。建筑温室气体核算包括3个范围[16](Scope)：

1) Scope 1，直接碳排放。如建筑的锅炉、煤炉、燃烧灶具和燃气热水器。通过直接燃烧排放CO2。

2) Scope 2，间接碳排放。建筑用电，或利用区域供热供冷的蒸汽和冷热水。如果建筑利用了工业余热或冷热电联产的冷热量，尽管被视为节能，但相应产能的碳排放还是要记到建筑的账上。

3) Scope 3，隐含碳排放。包括建筑材料和构件在开采、制造、运输全过程中的碳排放，建筑施工、装修、改造中的碳排放，以及初期土地利用和最后建筑拆除过程中的碳排放。

直接和间接碳排放可以看作是运行碳排放。所以，必须综合考虑建筑隐含碳排放和运行碳排放，即建筑全寿命周期的碳排放。这就不是运行节能所能涵盖的。也给建筑碳中和带来复杂性和挑战。

可以看出，上述3个Scope的空间分布已经超出了建筑本体，需要在邻里、街区、社区乃至城市的广阔视角中考量。因此，建筑碳中和在本质上要与城市碳中和相结合。

城市是人口密集、各种要素集聚的场合。2020年，世界城市化率约为56%，预计到2050年将增加到68%[17]。城市能源需求占全球能源需求的2/3，占能源部门碳排放量的70%[18]。从目前到2050年，大部分新建建筑将在新兴经济体和发展中经济体的城市中建造。根据世界银行的一份报告，到2110年，发展中国家城市人口将增加50亿人。而由于经济和生活水平的提高，城市的密度也会下降。发展路径有2种：一种是现有城市的平均人口增加3倍，平均建筑面积增加6倍；另一种是保持现有城市的建筑面积不变，将再开发625个新的1 000万人口的城市，其中500个新城市满足城市人口的净增长，另外125个城市将容纳因为平均密度下降了一半而必须离开现有城市的12.5亿人口。无论哪一种增长方式，建筑面积的增长都是必要条件。因此，建筑碳中和涉及城市人口、城市形态和基础设施，需要综合研究。

2.2 中国城市建筑碳排放

2.2.1城市建筑概况

中国改革开放的40年间经历了城市化的高速增长。1978年中国城市化率仅为17.92%，而到2019年已经达到60.60%。

中国城市在管理体制上最大的特点就是每个城市都有工业，而且长时间以来重化工业的投资和产值一直是很多城市经济的重要支柱。因此，中国很多城市的能源消费和碳排放都以工业为主。在其中50个城市中，工业占总排放量的比例平均接近70%，这与发达国家的城市非常不同。这意味着中国大多数城市的高人均排放量更多是由生产而不是消费驱动的。建筑和交通部门的平均排放量分别仅为14%和12%[19]。但北上广深等人均GDP超过2万美元的超级城市，重化工业在经济中所占的份额很小，工业碳排放量近年来已经达峰并开始下降，CO2排放趋势更多地取决于交通和建筑。

但是，工业的高排放会影响建筑碳排放，尤其是隐含碳排放。由于我国的国民经济统计体系没有与国际接轨，在国内很难得到详实可靠的能源消费和碳排放数据，因此笔者从有限的、较为权威来源的数据中，按照图2的流程，对我国城市建筑领域的碳排放作了粗略测算。

图2 建筑碳排放核算范围

2018年中国建筑面积为671亿m2[20]。从表1可见，统计的都是民用建筑。

表1 2018年中国民用建筑保有量[20]

因为本文主要聚焦城市建筑，后文的技术路径设计也主要针对城市特点，因此需要对表1中的数据作适当处理。

1) 所有数据计算中均取小数点后一位小数，计算结果尽量取整。

2) 隐含碳排放计算需要使用2019年数据[21]，则在表1的2018年数据上加上2019年的竣工面积，并减去工业建筑和其他建筑的竣工面积，为34亿m2。可知2019年民用建筑的总建筑面积为705亿m2。

3)假定2019年各类建筑比例同2018年，2019年新建民用建筑竣工率为27%。调整后的2019年城市建筑面积见表2。

表2 2019年建筑面积计算值

2.2.2隐含碳排放

1) 建筑材料碳排放。建筑材料的品种、规格非常多。其中用量大且碳排放因子高的材料有钢铁、水泥、玻璃和铝材。而用量也很大的木材可以认为是碳中和材料，其生产过程可以认为是净零碳排放。其他材料，例如砖瓦、保温材料、陶瓷、塑料，以及设备电器用金属等，因为相对用量小，或者碳排放因子小等原因，本文不加考虑。只计算前述四大材料。根据2019年统计的全国耗量，按照国家标准[22]给出的碳排放因子(取最普通的典型材料品种的因子)，并乘以当年建筑的竣工率，折算成竣工建筑的单位建筑面积CO2排放量(见表3)。

表3 2019年竣工建筑的建筑材料隐含碳排放

2) 材料运输碳排放。根据国家标准中缺省物流距离和各种运输工具的平均碳排放因子102 kg/t计算，约为28 kg/m2。

3) 施工过程碳排放。根据文献[23]的详细调研测算，CO2排放约为50 kg/m2。

由上可以估算出我国建筑在物化过程中的隐含碳排放约为530 kg/m2。如果加上其他未计入的建筑材料的小量碳排放，总和在580 kg/m2左右。

4) 建筑改造和拆除中的碳排放。建筑拆除过程的碳排放包括拆除中使用机械设备的能耗，以及拆下来的废弃材料的回收、处置、运输、填埋和焚烧。这又是一个非常复杂的问题。我国有每年新建建筑面积的统计，但一直没有每年拆除建筑的数据。媒体多次批评过国内大拆大建的不良风气。有多位研究者(主要是在读研究生)分析过建筑拆除过程中的碳排放，但数字相差很大。

尝试作一个估算：根据文献[24]，2016年拆除建筑的碳排放量为778亿t，此前10年间的年均增长率是4%。以同样的增长率推算到2019年的拆除建筑碳排放量为875亿t。考虑到我国建筑拆除规模很大，某些建筑更新改造和装修工程也是几乎将原有建筑推倒重来(除了基础不动)。假定拆除建筑面积按当年建筑施工面积的10%计算，2019年为14.4亿m2。可得建筑拆除阶段碳排放强度为60 kg/m2。

可以归纳为城市建筑的平均总隐含碳排放为640 kg/m2。

2.2.3运行碳排放

运行碳排放主要来自于：1) 建筑环境能耗(供热、供冷、通风、照明)；2) 建筑公用设施能耗(电梯、供水、生活热水、供配电)；3) 功能性能耗(电器、信息系统、办公设备、电动车充电等)。其中第1)、2)项对于不同类型建筑需求相对稳定。尤其在住宅中，中国的建筑能耗相对发达国家、甚至相对经济水平相当的国家都处于很低的水平。最大不确定因素是功能性能耗。

文献[25]中对2018年我国运行能耗和碳排放作了详细分析。但其建筑面积数据小于文献[21]的数据，而建筑能耗总量数据与文献[21]是一样的。根据笔者分析，2019年中国的一次能源消耗比2018年增长了3.3%[26]，2019年的电力碳排放因子也较2018年有所增大。为保持一致性，本文采用了文献[25]中的单位建筑面积平均碳排放量(因为在计算平均值时，其分母即建筑面积较小，所以单位建筑面积的碳排放量平均值较大，可以充分顾及很多不确定因素)。笔者对数据进行了整理，见表4。

表4 2019年我国城市建筑单位面积运行碳排放强度

2.2.4城市民用建筑寿命周期碳排放

寿命周期碳排放与建筑寿命相关。GB 50352—2019《民用建筑设计统一标准》规定，普通建筑和构筑物的设计使用寿命应为50 a。而日本早些年便有人提出“200年住宅”的概念，要求将原来目标为100 a的建筑寿命延长至200 a。其中一个目的就是减碳。而我国大多数建筑平均寿命只有30 a。建筑的短命，使得隐含碳排放占比非常大，增加了城市的碳足迹。建筑寿命延长，尽管运行能源需求会不断提高，但技术进步和能源结构的转型会平衡掉这些需求，甚至使碳排放降低。最不利的情况是需求增长，但碳排放与现在持平；或前期递增，后期递减，最终持平。

表5给出了几种情景及在建筑不同寿命下的碳总排放量和隐含碳排放占比。

表5 城市建筑碳排放的几种情景

3 城市建筑碳达峰路径

3.1 我国城市建筑碳足迹分析

我国城市建筑碳排放具有以下特点。

1) 我国的能源统计以法人为对象，工业企业的建筑能耗都被算作工业能耗。因此建筑用能的统计很烦琐，不同来源的数据差别很大。除了直辖市，其他副省级以下的城市没有完整的能源统计。公布的碳排放因子也是以骨干电网为单位。因此建筑碳中和工作缺乏基础。

2) 建筑尤其是居住建筑能耗水平很低。2019年美国平均每户由于能源利用而排放7 856 kg[27](17 320磅)CO2，而美国平均每户住宅面积是175 m2，可以计算出住宅单位面积碳排放量为45 kg/m2。该值是我国无集中供暖建筑的2.6倍，却只有我国供暖建筑的82%。这显然是因为中国还有80%以上的供暖面积的建筑用燃煤供暖。2019年美国商用建筑的运行碳排放强度是86.5 kg/m2，与我国供暖公共建筑的强度相当，即使排除碳排放因子高的因素，我国公共建筑供暖的能耗和碳排放都是很高的。

3) 与建筑能耗水平低相反，建筑在寿命周期的两端——物化和拆除过程中的消耗和排放水平很高。比如建筑材料的排放，我国比日本住宅的340 kg/m2[28]高出40%。而建筑的拆除更是造成巨大浪费。在某些地方，城市更新成了拆旧建新，建筑改造也是只留基础，全部推倒重来。甚至某些绿色化改造、节能改造也成了建筑物的“脱胎换骨”，不知改造后节约的能源能补偿多少变成建筑垃圾的旧建材的碳排放？有的精装修建筑，业主常常是把建筑全部掏空，甚至改动承重结构。

4) 从表5可以看出：① 住宅中隐含碳排放占比超过50%，是主要碳排放源；② 建筑寿命越长，年化碳排放强度越低；③ 供暖碳排放占运行碳排放的近70%(居住建筑)和43%(公共建筑)，是建筑碳中和需要解决的最大问题。

5)我国建筑能耗(尤其是居住建筑能耗)低是由城市间经济发展水平差异引起的。2020年人均GDP最高的深圳市已经超过3万美元，而人均GDP最低的城市仅刚刚超过1万元人民币，显然在居住建筑能耗需求上会有很大差距。而按全国建筑面积平均的能耗量拉低了平均值。但这可能不是唯一的解释。以2020年人均GDP为2.3万美元、人均可支配收入超过7.2万元人民币的上海市为例，据测算2019年居住建筑的运行碳排放强度是30.7 kg/m2(1)上海建筑科学研究院有限公司.“十四五”上海市民用建筑能耗增长趋势分析，2020，约为全国城镇住宅的1.8倍。但文献[29]取的碳排放因子比文献[25]的大，我国的碳排放因子(尤其是电力的)一直在减小，因此二者差距可能没这么大。经济发展水平确实影响了建筑的碳排放强度，但文献[29]也发现，近些年上海的住宅运行碳排放强度起伏不定，基本上处在平稳状态。上海市的人均生活能耗、消费领域能耗总量和住宅面积都在增长，为什么用了同一碳排放因子计算的单位建筑面积运行碳排放强度却基本没有增长？只能解释为住宅面积(分母)增长过快，且有大量住宅空置，没有能耗。这反过来又会使居住建筑的隐含碳排放强度提高。

如果从现在到2030年不作任何改变，则估计城市建筑将新增220亿m2，新增碳排放约14亿t。我国城市建筑碳排放总量将达39亿t。

3.2 城市建筑碳达峰路径

根据我国城市建筑碳排放现状，笔者提出实现碳中和的路径，仅为个人观点。

3.2.1政策层面

1) 建筑碳中和政策的差异化。

我国住宅除供暖外的能耗水平很低。尽管其中有部分原因是我国长期开展建筑节能工作所取得的成果，但主要还是很大部分居民的生活水平较低，很多住宅的室内环境远未达到健康舒适的标准。所以，对居住建筑应主要研究降低隐含碳排放和延长寿命。对运行碳排放的降低则应把重点放在能耗限额设计(能耗限额作为超低能耗建筑的计算值和控制指标)；提高供暖系统效率和实现供暖系统电气化；对家用电器和用能产品实行严格的能效等级市场准入政策等。而对居民合理的用能需求(特别是今后在信息技术方面不断推陈出新的应用)不应加以限制。例如对南方城市住宅集中供暖的需求，应该用能耗限额、资源共享、高效新技术等加以引导，而不是简单地加以限制。

对公共建筑，要重点解决运行碳排放高的问题。实行能耗限额设计(通过能耗监测和分项计量系统对建筑相关的实际能耗进行限额管理)、能源和系统的优化、可再生能源的规模化应用和资源共享、运行管理的数字化和智能化。对公共建筑的功能性和业务性能耗(如办公楼插座、酒店餐厅宴会厅、医院大型医疗设备、学校实验室，以及建筑内附设的数据中心和设备机房等)要分开计量，作为独立项计入总能耗。

2) 做好碳中和的基础工作。

能源统计数据与国际通用模式接轨，即按建筑、交通、工业(包括产业化农业)三大领域统计能源消费数据，建筑领域按城市居住建筑、商用建筑、公共建筑、农村居住建筑和工业及其他建筑等子领域统计能耗强度数据。每年发布地级以上城市的各种能源品种的碳排放因子和各类建筑物化过程中的碳排放强度。如果统计工作做这样大的转型有困难，可以先研究并提供建筑能耗和碳排放核算统一和规范的方法。这方面可以借鉴发达国家的经验，例如日本的做法[28]。

3) 压缩房屋建筑规模。

经测算，2019年我国人均居住建筑面积为40.7 m2，城镇人均居住建筑面积为37.7 m2，实现了小康目标(35 m2)。在国际上比较，已经超过日本(37.3 m2/人)、英国(35.4 m2/人)和韩国(31.7 m2/人)水平，略低于欧盟(42.6 m2/人)。当然这只是平均数，还有一些人没有住房，还有一些人居住条件很差。最好能统计各收入群组家庭居住面积的中位数。到2030年，预计城市化率达到68%。到2050年，应稳定在80%左右。

研究预测，中国在2030年的总生育率将只有1.42，远低于代际更替水平(2.3)，人口将到顶峰，估计为14.42亿人[29]。2050年人口下降为13.65亿人。图3显示了这一趋势。

图3 2016—2020年我国出生人口[30]

按此数据计算，2030年城市人口应为9.8亿人，2050年城市人口应为10.9亿人。如果为2019—2030年间新增的1.3亿人口提供人均37.7 m2的居住面积，则需要49亿m2，而为2030—2050年间新增的1.1亿人口提供同样面积，则需要41.5亿m2。如果进一步把中国的人均住房面积提高到欧盟水平(43 m2/人)，到2030年需要为原有8.5亿城市人口每人增加5 m2住宅，为新增1.3亿人口提供每人43 m2住宅，则总计需新建建筑约100亿m2；从2030年到2050年需要为新增1.1亿人口提供每人43 m2住宅，则需新建建筑47.3亿m2。加上每年拆旧新建的原有住房5亿m2，到2030年每年需要竣工的居住建筑面积为10亿m2(保持小康水平)和15亿m2(达到欧盟水平)。与2019年的27亿m2居住建筑竣工面积相比，可以分别减少63%和44%。每年可减少碳排放总量11亿t和7.7亿t，对碳达峰起到重要作用。而2030—2050年，每年需要新建的城市住宅面积不到8亿m2。

4) 房子是用来住人的。

近年来我国一直坚持“房住不炒”的调控政策，不允许任何形式的投机炒房、渲染炒作，采取针对性调控措施，确保房产市场稳定。

城市要摆脱对土地财政的依赖。尽管这很难，因为中国的城市化进程在很大程度上是由特定条件下的土地财政融资支撑的。但经济总量已经超100万亿元的中国，确实到了探索新的可持续发展道路的时候了。不解决这个问题，很难在2030年实现城市建筑的碳达峰。

为解决城市化中越来越多的新市民的住房问题，要发展各种档次的租赁房、公租房和保障房，实现“居者有其屋”。发掘既有居住建筑存量房屋的资源，用“广厦千万间”来保障所有市民“俱欢颜”，从而减少建设规模。

5) 提高建筑质量，延长建筑寿命。

提高建筑质量，可以延长建筑寿命；延长建筑寿命，可以降低碳排放。美国的住宅平均寿命是75 a，日本提倡“几代人的住宅”，中国至少应达到设计标准中的50 a。商品住宅则更应该延长到70 a(合同年限)。对建筑质量要有更严格的技术标准和监控制度，结合BIM技术建立建筑的“健康档案”和“病历卡”，对住户要有清晰的使用手册和主要选材的清单。将建筑的能效标识纳入质量管理体系，并明示给用户。

对建筑装修和建筑拆除作严格规定。设定“非拆不可”建筑的评判标准，对可回收的建筑垃圾处置实行监管。

6) 建筑工业化。

以装配式建筑为代表的新型建筑工业化快速推进，建造水平和建筑品质明显提高。装配式混凝土建设项目在施工过程中相比传统方式可减少建筑垃圾排放70%，节约木材60%，节约水泥砂浆55%，减少水资源消耗25%[31]。

3.2.2技术层面

1) 碳中和从规划开始。

城市规划中要增加碳中和篇章，对新建或更新的城区作碳预算，并提出地块和规划分区的碳指标及相应的碳中和措施。一般认为，城市空间规划是三维的，即除了平面布局外还要考虑高度、景观和城市设计的元素。今后应该把城市空间规划扩展到五维，第四维是时间维度，新建城区要规定建筑的寿命(寿命期内不允许大拆大改)，城市更新要考虑建筑的历史，“让城市留住记忆，让人们记住乡愁”。第五维是内核维度，即能耗强度、建筑性能和可再生能源利用的预留空间。

2) 建筑材料的低碳化。

一直以来认为材料制造过程中的碳排放是工业部门的责任。因此建筑的隐含碳排放在很大程度上被忽视，隐含碳排放占全球碳排放的11%。对新建或更新建筑，一是可以通过选择制造过程中前期碳排放少的材料，二是在设计时考虑到建筑寿命周期中的终身碳排放。遵循4个原则[32]：① 预防。从一开始就通过考虑替代策略来实现预期的功能，从而避免隐含碳排放。② 减量和优化。对每个设计方案作前期碳排放预算。③ 为未来作规划。采取措施避免未来在寿命过程中和寿命结束时的碳排放。④ 抵消。作为最后手段，尽可能抵消项目边界内的残余隐含碳排放，必要时通过经验证的抵消方案进行抵消。

从全球来看，水泥和钢铁是建筑材料碳排放的2个最重要来源。水泥制造占全球碳排放的7%左右，钢铁碳排放也占全球总量的7%～9%，其中约一半可归因于建筑和施工。水泥和钢材在生产过程中都需要非常高的温度，这使得它们是能量密集型产品。而且其生产过程中发生的化学反应也会直接释放CO2。因此，这些材料的碳排放被认为是“难以减少”的[32]。

拆除建筑的钢材应全部回收。设计中首选电炉钢。电弧炉产生的CO2还不到转炉的一半。电弧炉炼钢相比转炉炼钢有很大优势：第一，它可以用可再生能源发出的电力，可以进一步减少CO2排放；第二，它的原料可全部利用废钢。

混凝土是世界上应用最广泛的建筑材料，占全球人为CO2排放量的6%～10%。硅酸盐水泥是混凝土的主要成分，是混凝土的主要碳排放源。在用先进工艺和提高效率减少水泥生产中的碳排放后，可以进一步通过减少单位体积混凝土的水泥使用量来减碳。用基于非化石燃料来源的补充胶凝材料(supplementary cementing materials，SCM)替代水泥。施工过程中增加混凝土养护时间，以增加SCM的使用。把追求建设速度转变为追求质量和减碳。

此外，更多地利用预制构件和装配式建筑也是减少材料消耗和碳排放的重要方法。我国建材行业也在积极推进整个行业的碳达峰和碳中和[33]，倡议我国建材行业要在2025年前全面实现碳达峰，水泥等行业要在2023年前率先实现碳达峰。建议尽快发布水泥等主要建材生产厂家产品的碳排放和能耗数据，建筑项目可以选择产品来源，作项目的碳预算。形成市场倒逼机制，推动高碳产品企业尽快减碳。

根据国外测算，通过一系列措施，建材的隐含碳排放可以降低30%。50 a寿命的住宅，年化隐含碳排放量可以降低到8 kg/m2左右。

3) 市场需求预测和能耗负荷反推。

国内有不少房地产研究院，大多数的研究是预测房价的涨跌或政策的解读。在有了大数据和人工智能技术的今天，应该有条件比较精准地建模，分析和预测几年后某个城市或某个城区需要多少保障性住房、商品住宅和公租房。然后由房产商竞标批地，提前预售。做到在竣工后一两年内入住率达到80%以上。欧洲一些发达国家住宅区就是如此。今后要做到新建小区都是精装修房，可以根据预购业主的喜好进行个性化装修，建成后业主可拎包入住，不需要“翻天覆地”重新装修，也没有冗长的销售期，不需要过度营销。更大的好处是由于很快达到规模，使得很多节能技术(如热回收、可再生能源资源共享、区域能源系统等)可以在设计工况下运行，提高运行效率。人工智能算法的最大优势在于预测(forecasting)，通过有自学习功能的深度学习算法，可以从大量数据中找出规律，也可以从纷杂的影响因素中辨识出主要因素。

另一方面，因为有能耗限额和碳排放总量控制的约束，传统的冷热电负荷预测和设计日负荷的计算方法需要演变为负荷反推(backcasting)方法。即能源系统的设计向性能化设计转型。

所谓负荷反推，就是要回答一个基本问题：“如果我们想达到某个能耗限额目标，必须采取什么措施？”通过反推，定义负荷；通过设置建筑和系统参数，以整体方式优化围护结构和系统配置，以满足这个负荷。图4给出了负荷反推的流程。

图4 负荷反推的流程示意

4) 运行碳排放的达峰。

尽管我国民用建筑的建筑节能工作取得了很大成绩，我国绿色建筑的建设也一直以节能为重点，我国的住宅能耗水平很低，但建筑运行碳排放减量还有潜力可挖。也正因为能耗水平低，我国建筑运行能耗在全国总能耗中只占21%，与发达国家相比(美国占比39%，日本占比32%，德国占比35%)，实现碳中和目标相对容易。

我国建筑领域实现运行碳中和的难点在于：① 能源结构是以煤为主的高碳结构。2019年我国一次能源消费中，燃煤占57.7%，非化石能源只占14.9%。2019年发电量中，火电占比高达69.6%[34]。这就带来了尽管建筑能耗强度不高、但碳排放量却居高不下的后果。② 在统计工作中，我国能量计量单位一般用“标准煤”作为单位，标准煤不是煤，只是能量单位(7 000 kcal/kg，折合标准煤29.307 6 GJ/t)。但长期以来按照典型煤种褐煤的含碳量(25.8 kg/GJ)计算其碳排放因子，即每t标准煤排放CO22.772 5 t，明显高估。所以也有按每t标准煤排放2.6 t计算的。③ 本文所引用的主要碳排放数据来自文献[25]。文献[25]根据能源结构的不同作了较为详细的碳排放因子核算，较接近实际。但电力在建筑能源中占比很大，电力的碳排放应该用电网平均碳排放因子(整个电网的电厂总排放除以总电量)计算。不过我国自2012年之后就没有公布过电网平均碳排放因子数据。

尽管陆续出现过2015年全国电网平均碳排放因子0.610 1 t/(MW·h)、2018年0.59 t/(MW·h)等数据，反映这一因子逐年下降的趋势。但因为这2个数据不是正式发布，知道者寥寥。很多人转而用国家发展和改革委员会每年发布的中国区域电网基准线排放因子。但有很多文献指出，基准线排放因子中的EFOM和EFBM(EFOM是电量边际排放因子，即所有火力发电厂排放因子的加权平均，而且是可以获得数据的最近3年的加权平均。EFBM是占整个电网发电容量20%的新建电厂的排放因子的加权平均，称为容量边际排放因子)实际上只反映发电侧大型化石燃料发电机组的碳排放情况，并没有考虑日益增多的并网小规模可再生能源发电，所以并不准确。

最好的解决办法是每座城市根据前一年用电量中自发电(火电、水电或可再生能源发电)量和外购电来源(火电、水电或大规模可再生能源发电)计算出本地电力的平均碳排放因子。这需要供电部门的配合。

设置城市建筑节能减排的情景。按照2030年城市人均43 m2居住建筑面积，考虑到2010—2030年间公共建筑面积增长快于居住建筑，因此按居住建筑面积的50%计算。再加上改建建筑每年约5亿m2(公共建筑也占居住建筑的50%)面积，2030年城市民用建筑总面积为580亿m2。而如果按2019年的建设速度，设每年新增城市民用建筑25亿m2，将比本文的情景多20%。应该说，本文设置情景中的建设规模并没有“断崖式”下降。

对运行碳达峰的情景作了假设，见表6。

表6 城市建筑运行碳达峰情景假设

表7给出了在表6假设的前提下计算得到的碳排放结果。到2030年的运行碳排放约为16.23亿t，与表4中的2019年16亿t持平，可以认为运行碳排放达峰。

表7 2030年建筑运行碳达峰的计算结果

5) 供暖系统的改造。

表6中困难较大的措施是集中供暖的改进。民用建筑中能耗最高的是北方集中供暖。我国建筑节能工作从1985年开始便围绕提高集中供暖效率和减少污染排放而努力。35年中有进步但不大。分户计量和按计量收费政策没有得到很好的实施。甚至连集中空调系统也倒退到按面积收费的老路上去。2019年全国集中供热总量为39.25亿GJ(折合标准煤1.34亿t)，供热面积92.5亿m2[35]。折合单位面积能耗量14.5 kg/m2。这个数值与地处北欧的瑞典相近(14.74 kg/m2)。但瑞典国土的最低纬度(55°)还要高于中国的最高纬度(漠河，53°)。根据报告[36]，中国区域集中供暖所消耗的能源约90%来自煤炭，自2010年以来，区域集中供暖所产生的碳排放增加了30%。因此，可以取较高的碳排放因子。如果取2.6 kg/kg，则可以得到近似文献[25]中的碳排放强度37.7 kg/m2。而且2019年的碳排放强度高于文献[25]中2018年的数据。说明北方城市集中供暖系统的改进和优化必须作为建筑碳达峰和碳中和的重点。这是一个重大挑战。

表8给出了假设全煤供暖、全气供暖和全电力(空气源热泵)供暖能耗的比较。

表8 3种能源集中供暖的比较(以2019年供暖量计算)

从表8可以看出：① 燃煤供暖的CO2排放量最大，但实物量在当年煤炭消费中的占比最小(仅6%左右)。② 电力驱动热泵的碳排放最少。由于我国发电以煤为主，电力的碳排放因子很高(此处取0.59 kg/(kW·h)，为2018年全国发电平均碳排放因子)，因此用热泵供暖的减排效果并不比用天然气供暖好多少。尽管有热泵能效比(本文取2.5)加持，其用电量还是占当年电力消费的10%左右，是相当可观的。③ 天然气供暖的碳排放量并不很高，与热泵电力供暖相差无几。但全天然气供暖的需求量惊人，2019年全国天然气消费总量约为3 000亿m3，假设的全天然气集中供暖用量相当于其一半以上。我国的天然气对外依存度逐年提高，2019年已达45%以上。如果大量进口天然气用于城市集中供暖，对我国能源安全无疑是巨大的威胁。欧洲一些国家近年冬季出现的气荒就是前车之鉴，欧洲国家已经开始城市去天然气化的进程。

供暖碳达峰的主要路径为：① 新建建筑实现供暖分户计量；② 末端向低温辐射方式发展，但要注意这也意味着某些地区会从间歇供暖转为连续供暖，延长供暖时间；③ 寒冷地区新建建筑向电力驱动热泵供暖方式发展，要注意热泵热源的开发利用，采用能源总线等方式实现资源共享和分布式(分户)热泵供暖；④ 大部分既有集中供暖尚不可能用电力或天然气替代，需要结合城市更新进行改造，提升锅炉效率、提高热网供回水温差，可以考虑“第四代区域供暖系统”技术[37]，将既有热网的回水作为水源热泵热源。

建筑碳达峰另一个重要因素是电力系统的减碳。我国发电以煤为主，是世界上少数几个发电燃料中煤炭比例超60%的国家之一(见表9)。

表9 2019年各国煤电比例 %

如上文中的分析，电力(热泵)供暖没有太大的减排潜力。2018年世界平均电力碳排放因子为0.475 kg/(kW·h)[39]，2019美国平均碳排放因子为0.392 kg/(kW·h)[40]。如果我国平均电力碳排放因子能达到世界平均水平，则相当于减排20%。而如果达到美国水平(在世界上还是属于高位的)，则相当于减排33%。这并不是电力一家的事情，各行业都应配合。在2030年将电力碳排放因子降低10%(至0.53 kg/(kW·h))并不是奢望。

再看总排放量。假设既有居住建筑中的50%寿命只有30 a，余下50%(近年建造的)和既有公共建筑均达到50 a寿命；而新建居住建筑和新建公共建筑都是50 a寿命，并结合建材工业的节能减排，可以得到2030年的隐含碳排放总量约为5亿t。这样，城市建筑的碳排放总量(峰值)是21亿t。而如果不控制建筑规模，不对北方集中供暖系统进行改造，则估计峰值碳排放总量会增加近1倍，即39亿t左右(见3.1节)。为2060年的碳中和目标的实现带来巨大压力。所以，城市建筑在2030年实现城市建筑碳达峰并降低峰值的主要措施是：第一，压缩建筑规模，尤其是城市居住建筑规模；第二，降低北方集中供暖系统的碳排放；第三，降低电力系统的碳排放因子。按IEA的分析，能源相关的碳排放只有从2020年开始“断崖式”下降，才有可能实现2050年碳中和。但因为中国比较快地控制住疫情，而且一度承担了为经济停摆的国家提供日常必需品的任务，所以2020年中国碳排放量有所反弹。疫情后会不会能耗和碳排放双双报复性反弹？而各地城市的土地财政经济模式的巨大惯性能不能在短期内被控制住？这些都是不确定因素。但是必须考虑到如果现在攀登的峰越高，给2030年以后挖的坑就越深。相比碳达峰而言，碳中和、净零碳排放才是真正的考验。

4 城市建筑运行碳中和路径

本文仅就建筑运行碳中和的路径进行分析，限于篇幅，今后撰文详细诠释。

图5给出了运行碳中和的5项基本措施。金字塔形状表示这些措施的优先次序，从底到顶。

图5 实现城市建筑运行碳中和的5项措施金字塔

4.1 超低能耗建筑和降低碳负荷

这一措施是实现碳中和的基础和必要条件，是图5中的金字塔底座。必须强调，节能是实质性节能、实物量节能、存量节能。具体措施包括(但不限于)：

1) 实现超低能耗建筑必须扩展到城区范围总体考量。从利用被动式技术、利用可再生能源和负荷平准化等方面来说，都需要在城区范围内协调、协同和资源共享[41]。

2) 性能化能耗限额设计。负荷反推和能源系统优化，建筑光伏一体化(BIPV)设计，城区被动技术环境分析(日照、太阳能可利用性、风环境和污染物扩散)。

3) 低隐含碳负荷设计。结合BIM选择低碳材料，对材料减量化处理，采用装配式技术，设计长寿命建筑。

4.2 建筑电气化和提高能效

建筑电气化是建筑碳中和的主要路径。根据IEA设置的情景[15]，到2050年，在建筑物内燃烧的燃料直接碳排放量将下降近75%，几乎完全取消煤炭在建筑中的使用，石油消耗减少85%，天然气总需求相对于目前将减少50%。而建筑的电力消费比例将从2017年的33%上升到2050年的近55%。与此同时，要求空调效率提高1倍、热泵效率在现有最好产品的基础上提高50%。再加上电力部门减碳90%，最终可使建筑碳排放降为现在的1/8。对中国而言，需要经过很大的努力才能实现这样的目标。提出以下具体技术路线建议及要攻克的难点。

1) 供暖电气化。即用热泵取代直接燃烧的设备供暖(煤改电，乃至气改电)。我国北方已经开始煤改电行动，南方则更早用热泵供暖。有以下问题需要解决：① 热泵的热源。最简单的当然是空气源，但空气源热泵性能受空气温度、除霜等因素制约。水源热泵则受是否有合适热源的更大限制。② 供暖品质。市场上常用的空气源热泵供暖温度不高，适合辐射末端和全时全空间的供暖方式。对于围护结构热工性能不佳的建筑，热泵热风供暖创造的空间热舒适感不能满足部分人的需求。③ 对电网的冲击。已经形成冬季电力负荷高峰，甚至高于夏季。

2) 电力脱碳。中国的煤电比例在60%以上，这是中国实现碳中和必须解决的问题。电力要脱碳，没有人对此有怀疑，但电力如何脱碳则是一个争议非常大的问题。本文不在此展开讨论，但可以看到一个事实，即中国拥有世界第一的可再生能源装机量，也有先进的特高压输电技术，已经可以通过强大的输电网输送西部可再生电力，使东部特大城市上海的煤炭消费比例降低到31%左右。关键是不能再新建燃煤电厂，以避免形成碳排放的“锁定效应”，并形成一批碳沉淀资产。今后的低碳电力系统应该是兼具可靠性和弹性的电网。可再生能源的规模化利用(城市或国家级)和分散式分布式利用(城区或单栋建筑)结合、可再生电力与核电和部分化石燃料发电结合(核电和带有碳捕集与回收的化石燃料电厂承担基荷，天然气电厂承担峰荷，可再生能源及储能为主体)的多元系统。

3) 直流供电。对电力行业而言，直流供电是对传统的回归；而对建筑业来说，直流供电是一场变革。直流供电有很多好处：可以直接利用可再生能源电力(光伏发出直流电，风力发电是交流，先转直流再转交流输电)，可以提高供电效率最高达20%，可以直接驱动大部分家用电器。但建筑直流供电存在三大问题：① 电压等级。目前直流电器的电压有多个层级，建筑里不可能为每一电压等级设专用插座，必须统一到2～3个等级。电压高，电流小，但插拔插座会造成电弧；电压低，安全性可保证，但输送电流大，配线耗铜量大。一旦定了电压等级，形成标准，会给所有家电企业的产品带来颠覆性的改变。所以，需要平衡各方利益，也需要与国际保持一致。② 建筑的所有电气标准都要改编。③ 与原有电气设备和家用电器的兼容性(也就是说，建筑里是否还要保留交流供电)。

4) 热泵效率的提高。未来在供暖电气化中用量最大的还是空气源热泵。2020年我国火力发电一次能耗是320 g/(kW·h)，可以计算出热泵的季节性能系数HSPF≥2.6时方可认为它利用了可再生热源。实际运行表明，严寒、寒冷地区的空气源热泵(尽管是低温型)，在室外气温降至-5 ℃以下时，其性能系数甚至可能降到2.0以下。按电力碳排放因子0.59 kg/(kW·h)和天然气碳排放因子56 kg/GJ测算，空气源热泵供暖的间接碳排放将会超过效率70%的天然气锅炉供暖的直接碳排放。所以，需要关注空气源热泵在极端低温下的性能和在部分负荷下的性能，而不仅仅是额定工况。

5) 能源总线系统。能源总线在欧洲被称为第5代区域供热供冷系统。与前4代区域供热供冷系统不同的是，它可以集成应用各种低品位热源，它只有一根冷管和一根热管，为分布式安装的水源热泵提供热源和热汇[37]。非常适合我国南方地区部分时间、部分空间的供暖(供冷)方式，为南方城市提供集中供暖。同时，它可以规模化利用城市的废热余热。城市里有丰富的余热废热资源。例如，有研究表明，整个伦敦市的用能所产生的废热总量大约为71 TW·h/a，而2010年伦敦总的热量需求只有66 TW·h/a[42]。能源总线在城区层面应用必须要有综合能源规划。

6) 建筑能源管理智慧化。碳中和时代的建筑能源系统将是一个多源、多载体、多主体及利益多元的复杂系统，建筑的用能更关系到人的健康、舒适和效率，因此，它的管理系统必须融合大数据和人工智能技术[43]。

4.3 现场可再生能源利用

现场可再生能源利用有以下主要方式[44]：可再生能源发电(包括太阳能光伏、小型风力、生物质发电)、供暖与供冷(包括太阳能、地热能、生物质能)。现场可再生能源利用分城区和单体建筑2个层面。由于可再生能源能量密度低、产能波动不稳定，因此主要矛盾是空间利用和与应用端的时间匹配。在建筑层面，在建筑红线内能利用的有光伏、氢燃料电池和生物质燃料锅炉；在城区范围内有条件时可以利用一部分风电，此外还可以规模化利用光伏、地热和低品位热源(包括余热和废热)。

1) 建筑-光伏一体化(BIPV)。

BIPV与目前常用的BAPV(如屋顶光伏)不同。图6给出了BIPV系统的分类。

图6 BIPV分类[45]

BIPV技术的关键是其中的“I(Integrated)”，即集成。光伏与建筑无缝结合，或者说把光伏融合进建筑，这是很难的。既要保证PV的效率，又要具备建筑组件的功能，还要保持建筑的美观。所以，BIPV技术必须解决3个问题：① 提高光伏效率。太阳能电池的发展经历了三代(见图7)，目前占据市场最大份额的是第一代，即晶硅太阳能电池，国产单晶硅电池的效率最高是(24.85±0.35)%，多晶硅电池最高效率为(22.8±0.32)%。第二代薄膜电池，国产效率最高的铜铟镓硒(玻璃表面)薄膜电池为(22.92±0.33)%，铜铟镓硒(柔性)电池为(20.56±0.1)%。而目前国内光伏价格低于国际市场，起码领先欧美的预测价格10 a。所以发展光伏(包括BIPV和BAPV)此其时矣。② 与建筑的结合。光伏用于建筑外窗和建筑遮阳系统都很适合，但可能效率较低。如果单纯用于发电，有些建筑组件寿命周期发电的效益可能还补偿不了初投资。可以通过建筑组件的构造形式综合利用光和热(BIPVT)，将光伏发电过程中产生的热量回收，用于冬季供暖或热水供应。③ 美观问题。在一定程度上，建筑美学是一个仁者见仁、智者见智的问题。未来可能会形成新的BIPV建筑美学流派。但对历史保护建筑，国外也有规范，要求在进入主入口时，看不见任何明显外露的光伏板(包括屋顶光伏)。

图7 三代光伏电池[46]

2) 可再生能源资源的共享与集成应用。

在城区层面，可以通过能源总线，共享低品位热源和可再生能源(如地热能、太阳热能)，也可以通过智能微电网，共享现场可再生电力。特别要注意能源总线的热回收及用户拥有的光伏发电的交易问题。城区中的建筑既是能源消费者(consumer)，又是能源生产者(producer)，形成了新的“产消者(prosumer)”群体。需要通过城区能源的智慧管理系统来优化系统运行，通过区块链等技术实现可再生能源自发电的交易。而最重要的是通过城区综合能源规划协调各种资源、发挥资源潜力。

4.4 为高渗透率可变可再生能源提供弹性

长期以来人们把大电网与分布式发电比喻为大象与蚂蚁的关系。总感觉蚂蚁多了大象会不堪其扰。大量不稳定的可变可再生能源电力进入电网，需要平衡供需、平准负荷、移峰填谷、稳定电网，即协调“源网荷储用”各环节，使电网适应变动的电源和变动的负荷，具备很强的应变能力(即弹性)，便成了很重要的任务。而热泵在其中扮演了重要角色。

过去的电网，通过需求侧管理，终端用户是被动提供弹性，而今后则是用户主动和被动相结合，为碳中和的目标提供弹性。区域电网将有一个聚合器(aggregator)管理者(可以是一个人，也可以是一个机构，甚至可以是一台人工智能服务器)整合城区能源资源、平衡供需。所以，碳中和的城区能源系统是综合的能源系统(见图8)。其中最重要的是3+1网络互相配合(即电网、热网、燃气网，加能源总线)。

注：PV为光伏；PVT为光伏+冷却水热回收；EV为电动汽车；CHP为热电联产；EHP为电动热泵；GHP为燃气热泵；DHP为分布式热泵；P2G为电制气。图8 综合能源系统示意

在综合能源系统中，蓄能是非常重要的环节。有3个层次：系统、建筑和用户。系统层面主要是季节性蓄能，如国内作为冷热源的地埋管、地下水、废弃矿井储水等，实际都是季节性蓄能设施。季节性蓄能还有一种方式，是利用夏季强烈的日照发出的剩余的光伏电力电解水制氢，氢与二氧化碳混合，通过甲烷化反应，生成甲烷。这一过程称为电制气(power to gas，P2G)。此种人工甲烷的热值约为天然气的90%，因此可以经纯化后注入现有的天然气管道，也可贮存在储气罐中。冬季可以用于热电联产，补充可再生能源发电的不足，并作为供暖热源，从而实现可再生电力的季节性储能。冬季热电联产燃烧释放的CO2是先前捕集的CO2，并没有增碳，所以可以认为是碳中和的。

在综合能源系统中，热泵起非常关键的作用，被视为电网友好的技术。除了提升供暖供冷效率外，热泵在智能电网中还起到平抑负荷、稳定供电频率、消耗更多自发电，以及通过蓄热间接储电的作用。

综合能源系统必须通过城区综合能源规划作出建筑运行碳预算、集成各种低碳能源资源、统筹各种能源转换过程、平衡供应与需求、协调热电气网和能源总线、整合碳源与碳汇、优化系统配置。综合能源规划应该成为城区控制性详规的一部分进入规划体系。

综合能源系统必须配备先进的能源管理系统，基于大数据和传感器监测系统，应用人工智能算法，并有物联网、云计算等技术加持。

4.5 空气中碳捕集、利用和封存(CCUS)

目前的技术还不可能使建筑摆脱水泥和钢材这两大高碳材料，而大多数城市建筑的运行能耗也不可能做到100%采用可再生能源。从2021年初美国德克萨斯州在寒潮中遭遇电网瘫痪的重大事件看来，可再生能源占比高的孤岛型电网在遇到灾害时的风险很大。考虑到中国国情，多数城市还是会以水电、核电、带有CCUS的燃气及燃煤联合循环电厂承担基础负荷，大电网的电力也不可能完全无碳。在这种情况下，建筑或城市实现碳中和需要CCUS的支持。

CCUS是指从燃烧烟气和大气中去除二氧化碳的方法和技术，并将捕获的二氧化碳回收利用，余下的二氧化碳被安全和永久地储存。IEA指出，CCUS是唯一能直接减少关键部门的排放及消除二氧化碳以平衡无法避免的排放的技术，这是实现“净”零目标的关键[47]。也就是说，无论采用何种清洁高效的能源解决方案，最终都还是会需要实施CCUS。

最理想的做法是在源头除碳，例如：在钢铁厂、水泥厂或发电厂采用CCUS。但以中国的建材品种和用量，很难做到万无一失，也很难做到隐含碳和间接碳完全“清零”。所以可以考虑在建筑所在城市或城区，建设空气直接捕碳(direct air capture，DAC)工厂。

DAC技术并不复杂，一种工艺是从环境中吸收空气，进入一个吸收塔，CO2被塔中胺溶液(氨分子NH3中的一个或多个H原子被烃基取代)吸收。浓溶液进入再生塔，通入高温蒸汽，富集在溶液中的CO2析出，纯的CO2经压缩机压缩成液体，然后储存到地下或进一步利用。另一种工艺是空气中CO2与氢氧化钾反应，生成的碳酸钾K2CO3与氢氧化钙反应，生成碳酸钙CaCO3，然后经高温煅烧释放出纯净的CO2。上述2个流程都是很普通的化工工艺，其中用到的中间溶液都可再生、可循环。所有的反应装置和设备都是标准的化工设备和通用机械，目前已建成百万吨级的工厂。但相对从烟气中捕集CO2而言，因为空气中CO2浓度低，需要花更大代价。这里有2个关键影响因素：1) 工艺过程需要耗能。当然所有能耗都可以用可再生电力(包括高温蒸汽可以用热泵生成)，需要有相应的供应条件。另外工艺过程也要消耗水资源。从空气中捕获的CO2首先要补偿自身的碳排放。2) 捕集的CO2如果没有好的应用而只是注入地下贮存，那就不会产生价值，投资建设这样一个DAC系统就没有回报。目前测算，从空气中捕集1 t CO2的成本在94～200美元之间。

发挥捕集到的CO2的价值，目前最有效的方法是将CO2与H2进行热催化反应，生成合成天然气，然后还可进一步反应生成碳氢化合物，再精炼成碳中和的和可兼容的汽油、柴油和飞机燃料。而以现有的技术，大型飞机的动力还无法用电力提供，可以通过DAC的后续产品来解决。这种合成燃料油的价格约为1美元/L。

今后政府在土地出让中可将基础设施配套费中的一部分转移支付碳中和的配套费。未来可以以城市或大型社区为单位，建设DAC工厂，完成城市建筑的完全碳中和，并开拓CO2应用的新领域，使DAC成为有效益的和吸引人的投资项目。

5 结论

1) 做好能耗统计和碳排放监测、预算、核算的方法论等基础工作，以及碳中和技术的理论和应用研究。

2) 通过技术和政策的双管齐下，可以使我国城市民用建筑碳排放峰值控制在21亿t左右。主要措施：一是控制建筑规模，实行能耗限额设计，杜绝资源浪费；二是供暖系统的电气化和效率提升。如果不改变现在的发展模式，则碳排放不可能在2030年达峰。城市的开发建设方式必须从粗放型外延式发展转向集约型内涵式发展，从增量扩张建设逐步转向存量提质改造。

3) 通过碳中和的5项基本措施，即：超低能耗建筑、降低碳负荷，建筑电气化和提高能效，现场可再生能源利用，为高渗透率可变可再生能源提供弹性，以及空气中碳捕集和碳利用(DACCU)等，推动基于我国国情的绿色碳中和建筑的科技创新。

4) 综合能源规划是城市建筑碳中和中不可缺少的环节。综合能源规划应该成为城市规划体系中重要的组成。

5) 城市建筑的碳中和是建筑业各学科、各专业和每个从业者的共同任务。对碳达峰碳中和建筑的规划、设计、施工和运营，需要从业者具有更宽广的视野、发挥更多的聪明才智。