基于“双碳”目标的城市建筑碳减排路径探讨

周霖，林臻

（中国节能环保集团有限公司，北京 100082）

1 研究背景

2020 年9 月，我国在第75 届联合国大会上郑重承诺，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。2020 年12 月，我国在气候雄心峰会上宣布，到2030 年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。

2005 年以来我国实现了高速发展，2018 年GDP总量（按2005 年价格计算）是2005 年的3.05 倍，但我国时刻坚守《巴黎协定》承诺，全力践行低碳发展之路，2018 年单位GDP 的CO2排放量比2005 年下降了45.4%，非化石能源消费比重达到14.5%[1]，累计清洁能源发电装机容量位居世界首位，为抑制气候变暖做出了重要贡献。2005—2018 年我国单位GDP 碳排放量年下降幅度见图1。

预计我国2030 年GDP（按2005 年价格计算）为2018 年的2 倍，相比2018 年水平单位GDP 的CO2排放量要降低36%以上才能实现碳达峰目标，各产业低碳发展之路仍有较大空间。根据清华大学建筑节能研究中心统计，2018 年我国建筑（含城市与农村）能耗中化石能源消耗的碳排放量为21 亿t CO2，占全社会总体碳排放量的20.2%[2]，因此建筑领域是实现“双碳”目标的重点突破领域。本文拟从城市建筑能耗影响因素出发，提出碳达峰目标下基于城市宏观视角的建筑碳减排路径。

图1 2005—2018 年我国单位GDP 碳排放量及年下降幅度

2 城市建筑运行能耗影响因素

对于建筑碳减排的研究，通常都是聚焦于建筑本身，而实际上城市形态（即城市土地利用、建设强度、空间形态、局部微气候等）对建筑能耗的水平也有重要影响。不论是建筑本体还是城市形态，都是以需求侧降低对消费端能源（电、热、冷、燃气）的消耗为目标展开分析，从而提高碳基能源的使用效率。消费端能源来源于城市建筑能源供应系统（如发电厂、集中供暖等）中一次能源的转化，减少一次能源中碳基能源的使用比例也是重点研究方向。因此全面推进建筑领域碳达峰，要先从需求侧和供给侧两个方面找到影响城市建筑能耗的因素。

2.1 需求侧影响因素

2.1.1 建筑本体

基于建筑本体的建筑能耗影响因素大致可分为3 个方面：当地气候特征、建筑物理特性、室内散热源[3]。日照强度、建筑朝向和建筑体形系数（建筑表面积与体积之比）决定了室内照明需求；气候特征、建筑本体特征、散热源决定了达到室内舒适环境下需要消耗的制冷/采暖/通风能耗。

2.1.2 城市形态

当前，欧美国家关于城市形态对城市建筑能耗的研究成果已经逐渐转化为指导低碳城市规划的基础，我国的研究正处于起步阶段[4-9]。国外的相关研究表明，城市形态的综合作用可影响10%—30%的建筑能耗[10]。能耗影响因素作用机制见图2。

城市形态对建筑能耗的影响主要呈现以下规律：

（1）间接作用机制

城市形态一般通过改变建筑本体特征、所在局部气候特征等方式间接影响建筑能耗需求。例如，伦敦政治经济学院和欧洲能源研究所[11]的联合研究表明城市密度、容积率越大，社区内单一建筑体形系数就越小，从而可起到降低建筑与外部环境之间换热量，减少制冷或采暖能耗的效果。

（2）多因素互相联动

城市形态对建筑能耗的影响是多因素复合作用的。例如，Serge Salat[12]的研究表明：在建筑总体形系数相同的情况下，不同空间布局的建筑的能耗水平有所不同，巴黎的超高层建筑相比围合庭院式建筑的单位面积能耗更高。因此，不能只关注某一个或某一个方面的城市形态。

（3）影响程度有差异

不同的城市形态因素对能耗的影响程度有所不同。例如，Nyuk Hien Wong[13]发现绿色容积率（每单位地块面积上的单面叶面积总和）对新加坡建筑制冷能耗的影响超过了建筑高度和建筑密度。同一城市形态因素对不同功能建筑的影响也有差异。例如，J.Strømann-Andersen[14]研究发现相同的城市峡谷高宽比和街道宽度对办公和住宅建筑综合能耗的影响有所不同，对办公建筑的相对影响程度最大可提升30%，对住房建筑的相对影响程度最大为19%。

城市形态对于城市建筑能耗的影响是多维度、多层次、多变量的复杂过程，需要在规划层面进行系统性的设计以控制建筑能耗水平。实现建筑领域碳达峰及碳中和目标可借鉴欧美国家已然成熟的研究方法、经验和结论，加强在城市规划层面对城市建筑节能路径的探索和实践。

图2 能耗影响因素作用机制

2.2 供给侧影响因素

供给侧影响因素主要指城市建筑能源系统对碳基能源的依赖以及生产和传输过程的能量损耗。我国火电（煤电、气电综合）热效率为47.2%，输电线路损耗在6%左右[15]；建筑系统中风机水泵的电力消耗（包括集中供热系统水泵电耗）占我国城市运行电耗的10%以上[16]。供应侧主导的城市集中供暖系统往往按照负荷需求峰值+冗余量进行设计，调节不当或不及时会导致建筑过热，造成大量能源浪费。城市能源系统采用非碳基能源替代或提高碳基能源使用效率是从能源供给角度降低城市建筑运行能耗的重要途径。

电能为高品位的二次能源，除了水力、风力、太阳能等可再生能源发电，垃圾焚烧发电也是替代常规碳基能源、实现城市污废资源循环利用的有效方式，1t生活垃圾用于发电可节省约0.15t 标煤，减少CO2排放0.35t。目前我国城市生活垃圾无害化处理率已达95%以上，其中焚烧发电处理率为45%左右，截至2019 年年底垃圾焚烧发电装机量为1200 万kW[17]，随着城镇化水平的进一步提升，发展潜力仍很巨大。

热为低品位的二次能源，当前燃煤锅炉已经逐步被淘汰，取而代之的是大规模的“煤改气”“煤改电”，但是燃气锅炉和直接电加热供热都属于“高能低用”，没有发挥能源的最大功用。供热热源应向低品位热源转型，比如电厂烟气和乏汽余热通过深度回收可在不增加天然气消耗和不减少发电量的情况下扩大40%的供热面积；低温余热供热最大热量达到5.73×105TJ/a，可供热建筑面积超过10 亿m2[18]；作为新基建的数据中心能耗密度高且其消耗的电能中有近90%会转化为热能[13]，利用这部分低温余热可覆盖的供热面积是数据中心建筑面积的10 倍左右，可作为城市供热的廉价热源。

常规空调制冷为热泵的反向利用，通过电驱动空调/冷水机组可将室内热量转移到室外，但会产生或加重城市热岛效应。田喆[19]的研究结果显示城市热岛效应会增加建筑制冷能耗，办公建筑制冷能耗平均增幅为17.5%/℃，住宅建筑制冷能耗平均增幅为10.2%/℃。如果以自然水源或污水作为介质带走热量可极大缓解城市热岛效应，同时自然水源夏季温度低于空气，可提高制冷装置电能使用效率，冬季若自然水源或污水的温度适宜（8℃以上），还可作为低温热源进行供热。但需要注意的是，由于水源能量密度低、工程造价高，更适用于大规模建筑群的集中供冷/热系统，集中供冷/热系统可通过集约效应摊薄建设及运营成本，从而实现经济性。

3 城市建筑节能系统方案

上文从需求侧的建筑本体、城市形态和供给侧的能源系统共三个角度分析了城市建筑运行能耗的影响因素并有针对性地给出了优化方向，未来城市建筑碳减排需要建立系统性的解决方案。

3.1 在城市规划层面构建低碳城市形态

参考美国麻省理工学院[20]的研究方法，对拟规划区域所在城市已有社区尺度的能源消耗与城市形态之间的关系进行分析，并提出以降低能耗为目标的规划设计导则。

首先建立当地社区城市形态和建筑能耗数据库，对不同社区的城市建筑密度、容积率、城市峡谷高宽比、建筑功能多样性等城市形态特性数据进行统筹收集，然后利用大数据分析工具研究不同城市形态特性对建筑能耗的影响比重。结合当地气候条件在城市规划阶段提出以低碳生态、能源节约为目标的规划设计导则，针对城市形态建立具有指导性意义的指标体系（见下表）。

城市形态指标体系

3.2 在建筑设计阶段综合使用节能技术

针对当地气候地理特征，对标国内外绿色建筑/低能耗建筑标准，建立适用于规划区的节能技术体系，涵盖建筑本体设计、新型围护结构节能材料、可再生能源利用、能源管理等。当前基于建筑本体的节能路径主要包括：

（1）优化建筑及供能系统设计，如应用建筑能耗模拟软件对具体的设计方案进行能耗预测及优化，使用室内排风热回收装置、温湿度独立控制装置等。

（2）使用新型建筑围护结构材料及技术，如热物理性能优异的墙体材料、智能外遮阳装置、外墙和屋顶保温隔热技术等。

（3）清洁能源替代，如户式太阳能光热光伏一体化技术替代传统电、热来源；热泵技术高效利用地温能、污水源等，从而提高能源使用效率。

（4）能效管理，利用软件平台对建筑尤其是大型公共建筑进行能耗监控与管理。

3.3 基于仿真模拟优化设计策略

结合GIS（地理信息系统软件）、Energy Plus、eQuest（能耗模拟软件）等建立融合城市形态和建筑本体的仿真模型，通过输入不同的城市形态及建筑本体特征参数组合模拟计算建筑单体及社区内所有建筑的整体能耗，用以比较不同城市形态情景的能耗表现，进而逐步优化设计参数，以获取最节能的城市形态和建筑本体相结合的情景，并最终辅助城市整体规划策略，降低需求侧能源的消耗。城市低碳规划设计框架见图3。

3.4 建立以污废资源化利用为基础的城市联合能源系统

将能源供应与环境治理相结合，统筹规划和建设能源供应基础设施和市政基础设施，充分挖掘城市污废自身蕴藏的能量及其自身处理过程中被丢弃的可利用的低品位能源，根据城市地理气候条件合理利用可再生能源。以此原则为基础按照多能互补、梯级利用的形式对电、冷、热、气等城市建筑需求侧能源的生产、传输、分配、转换等环节实施有机协调，消纳城市污废，实现生态和谐的城市联合能源系统。通过采用非碳基能源进行替代并提高碳基能源使用效率是从能源输入角度降低城市建筑运行能耗。城市联合能源系统及工艺流程见图4、图5。

图3 城市低碳规划设计框架

城市联合能源系统不同于传统强调单一能源的供能方式，也不是将各种能源进行机械式的叠加，而是根据不同能源的禀赋和需求侧的波动变化，设置三级能源使用策略：

优先消纳污废资源，充分利用垃圾发电及其余热、再生水热能、有机污废制沼气发电及其余热。污水经过处理后的衍生物包括再生水及污泥，再生水作为垃圾焚烧发电厂冷凝水源，携带发电余热后进入能源站作为热泵低温热源，在能源站将能量“卸载”后作为城市景观水系补充水源，促进城市水系统循环，净化城市生态环境，污泥经脱水干化后直接送入垃圾焚烧锅炉燃烧。城市有机垃圾（餐厨垃圾、粪便等）通过厌氧发酵产生的沼气纳入市政天然气管网，衍生的沼液再回送至再生水厂集中处理。城市生活垃圾及生物质垃圾通过焚烧发电循环利用，所发电力纳入市政电网。

图4 城市联合能源系统

图5 城市联合能源系统工艺流程

在此基础上，充分利用属地可再生能源，包括太阳能、风能、地温能、浅表热能等。最大化利用太阳能及风能发电，与垃圾焚烧发电一起优先用于能源站动力系统，电力剩余时则优先用于城市基础设施（如再生水厂等）动力系统，多余部分上网。当太阳能发电、风能发电及垃圾焚烧发电三种电力不能满足需求时再从市政电网补充。地温能、浅表热能、再生水等通过能源总线[21]集中输送至能源站，在能源站内利用热泵提升转化为城市用户所需热源。

属地所有能源不能满足需求的情况下，通过输入区域外部电力、天然气进行补充。天然气通过燃气三联供技术进行高效利用，燃气三联供系统发电驱动能源站热泵运行，同时在有峰谷电价区域结合储能技术，使系统经济效益最大化。

以25 万人口、1000 万m2建筑面积的城镇为例，按照低能耗建筑设计要求热负荷≤10W/m2、冷负荷≤20W/m2、采暖及制冷需求低于15kW·h/m2计算，每年一次能源总需求≤120kW·h/m2。按每日产生生活垃圾250t、生活污水5 万t 计算，如果对能源进行充分利用可实现垃圾焚烧发电装机约6MW，每年可发电约5000 万kW·h；再生水作为低品位热源代替天然气服务100 万m2建筑冬季供暖，每年可代替一次化石能源使用量16kW·h/m2。通过城市污废能源化利用可实现15%左右的能源自足，即建筑自身能源需求在已经达到低能耗标准的前提下通过城市污废能源化利用可进一步降低15%的碳排放。

3.5 建立智慧能源管理系统

智慧能源管理系统是以BIM 和GIS 为基础建立的与城市联合能源系统全过程（开发—转化—输配—末端）相匹配且物理坐标相一致的虚拟仿真机理模型。基于智能穿戴设备将人体舒适度相关参数动态反馈至云端数据平台，结合室外气候条件即时调整建筑室内空调器对温度、湿度及风速的设定，根据实时负荷需求制订能源配置、主机荷载、管网输配、换热站流量调节等优化控制策略，并发送给自控系统进行物理调节。实时运行数据和全过程优化调度数据均存储在云端数据库中，平台通过自适应模拟滚动学习，不断优化能源开发、转化、输配、消费等环节的调节控制。通过建立智慧能源管理系统对用户动态变化的能源需求进行及时响应和瞬时调节，做到用能定制化、输配精准化、产能智慧化，实现供需动态平衡、优化能源配置、显著提高能源使用效率。城市联合能源系统智慧管理框架见图6。

4 结语

图6 城市联合能源系统智慧管理框架

（1）在需求侧，首先在城市规划层面构建低碳城市形态并建立具有指导性意义的指标体系，在建筑设计层面对标国内外绿色建筑/低能耗建筑标准，建立适用于规划区的节能技术体系，然后建立融合城市形态和建筑本体的能耗模型，逐步优化设计参数，以获取最节能的城市形态和建筑本体相结合的情景，最终辅助城市整体规划策略，降低需求侧能源的消耗。

（2）在供给侧，建立以污废能源化利用为基础的城市联合能源系统，按照多能互补、梯级利用的形式对电、冷、热、气等城市建筑需求侧能源的生产、传输、分配、转换等环节实施有机协调，消纳城市污废，全面实施非碳基能源替代。在能源系统运行期间，通过智慧能源管理实现用能定制化、输配精准化、产能智慧化，实现供需动态平衡，保障能源高效利用。

我国未来城市化进程仍将不断推进，全面系统化的建筑节能方案将释放巨大节能减碳潜力，助力碳达峰、碳中和目标如期实现。