中国建筑业碳排放现状及“光储直柔”碳中和路径

范丽佳Fan Lijia

（1中国建筑第四工程局有限公司，广东广州 510000；2中国建筑第四工程局有限公司工程技术研究院，广东广州 510000）

1 “碳达峰、碳中和”国内外现状

根据联合国政府间气候变化专门委员会定义，碳达峰是指全球、国家、城市、企业等不同主体碳排放由升转降的过程，碳达峰最高点即碳峰值。碳中和是指全球、国家、城市、企业等不同主体的碳零排放，主要通过产业调整、节能减排、植树造林、碳捕集与封存技术等方式，实现碳排放、碳吸收平衡。

气候变化是人类面临的重大全球性挑战，积极应对气候变化是当今世界大势所趋，越来越多的国家通过碳中和等气候行动加大减碳力度，并制定针对碳达峰与碳中和的目标。

如表1所示，根据世界资源研究所统计，目前全球已有54个国家实现碳达峰，占全球主权国家的27.7%。1990年、2000年、2010年、2020年碳达峰国家数量分别为19个、33个、49个、54个，包括几乎所有发达国家、大部分东欧及苏联国家。哥斯达黎加作为唯一发展中国家，2007年已实现碳达峰。

表1 全球已碳达峰国家统计表

另外，根据英国能源与气候智能小组统计，目前126个国家分别以立法、法律提案、政策文件等形式提及碳中和目标。如表2所示，大多数国家碳中和目标以2050年为时限，少数国家把目标提前至2035—2045年，我国是唯一提出2060年前实现碳中和的国家。其中，欧盟委员会制定《欧洲气候法》，确保欧洲到2050年成为首个“气候中性”大陆。美国承诺，到2035年，通过向可再生能源过渡实现无碳发电，到2050年，让美国实现碳中和。2020年9月22日，我国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布：“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，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。”

表2 全球部分国家碳中和目标统计表

我国产业体系庞大，是全球唯一拥有联合国产业分类中所有工业门类国家。我国提出的“2030碳达峰、2060碳中和”，从达峰到中和时限仅30年，远低于美国（43年）、欧盟（60年）。国家主席习近平在北京同法国总统马克龙、德国总理默克尔举行中法德领导人视频峰会时指出，“中国作为世界上最大的发展中国家，将完成全球最高碳排放强度降幅，用全球历史上最短的时间实现从碳达峰到碳中和”。根据清华大学气候变化和可持续发展研究院统计，2019年，我国二氧化碳排放量98.3亿吨，占全球二氧化碳排放量的28.8%，中国二氧化碳排放量连续15年位居全球首位，是排量第二国家——美国的1.98倍。其中，能源、交通、工业和建筑是碳排放的大户。

2 中国建筑业碳排放现状及碳中和路径

我国是全球最大二氧化碳排放国，建筑业是我国二氧化碳排放大户。中国建筑节能协会在2020年按照建筑生产、施工、运行、拆除全生命周期四个阶段统计了2018年中国建筑的建筑能耗和碳排放（其中，施工能耗包括施工和拆除两个阶段的能耗），发布了《中国建筑能耗研究报告（2020）》。

根据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告（2020）》，2018年全国建筑全过程能耗总量为21.47亿tce，占全国能源消费总量比重为46.5%。其中，建材生产阶段、施工阶段、运行阶段能耗占全国能耗的比例分别为23.8%、1.0%、21.7%。另外，2018年，我国建筑全过程碳排放总量49.3亿吨，占全国碳排放的比例为51.3%，其中，建材生产阶段、施工阶段、运行阶段碳排放占全国碳排放的比例分别为28.3%、1.0%和22.0%。

建材生产阶段碳中和的途径为调整建材生产耗能结构，推进建筑材料创新，大力发展环保型墙材、工业废渣混凝土、高性能混凝土技术、建筑垃圾回收利用、固碳材料。建材运输阶段碳中和的途径为施工运输车辆电动化，集采平台碳计量。建筑施工阶段碳中和的途径是发展装配式建筑、智能建造、建筑工业化、智能建造、绿色建造、高效施工装备、新能源施工设备。建筑运行阶段碳中和的途径是发展建筑终端电气化、直流建筑、柔性建筑、超低能耗建筑、被动式建筑、太阳能建筑、既有建筑节能改造。建筑拆除阶段碳中和的途径是以技术驱动建筑废料全生命周期内循环发展，大力推广建筑垃圾资源化及高效拆除施工装备。

碳中和目标下，建筑电气化成为必然趋势。其中，“光储直柔”新型能源系统是建筑运行阶段实现2060碳中和的一个可能的路径，也是目前建筑节能领域讨论较多的一个新方向，本文着重对“光储直柔”碳中和路径进行介绍和探讨。

3 光储直柔新能能源系统

尽管我国从上世纪八十年代即开始大力推行建筑节能工作，但建筑运行阶段的能耗及碳排放仍是中国建筑能耗及碳排放的重要组成部分。在低碳发展的背景下，为适应高比例的可再生能源结构，建筑电气化已经成为未来的发展趋势[1-2]。

3.1 光储直柔新能能源系统的组成

为实现碳中和的目标，建筑电气化用电最好都来自于零碳电力。零碳电力主要包括水电、核电、风电、光电，其中，受各种自然环境条件的约束，水电和核电具有发展上限，风电及光电具有可长久持续发展的特点，可以很好地满足建筑应用，所以风电和光电是建筑用零碳电力的较好选择。近年来，随着光伏发电装置的广泛应用，在建筑当中实现“光伏发电、储能蓄电、直流供电、柔性用电”成为可能。“光储直柔”新型能源系统是建筑运行阶段实现2060碳中和目标的一个重要路径，同时，该系统也可助力建筑成为灵活消纳可再生能源电力的重要组成部分。“光储直柔”新型能源系统中，“光”是充分利用建筑表面发展光伏发电；“储”就是蓄电池，包括电动汽车内的蓄电池和建筑内部的蓄电池，为建筑形成比较大的蓄电能力，来解决移峰调节问题；“直”是指建筑内部的直流配电系统，通过对直流电压的控制，调节建筑内部用电设备的用电功率，从而实现“柔”；“柔”是柔性用电，使建筑用电成为弹性负载，电网取电曲线和建筑用电曲线解耦，让建筑用电不再是刚性负载。建筑取电量随外网风电光电情况变化，建筑用电负荷和外网发电量的差值依靠建筑内及电动汽车蓄电装置和直流负载调节维持建筑的运行，即做到需求侧响应，从而具备与城市电网互动的能力，并有效消纳外来的风电光电[3]。

3.2 光储直柔新能能源系统的运行原理

“光储直柔”新型能源系统的运行原理如图1所示。首先，需在某建筑群附近或百公里范围内设置风光电基地。然后，每晚各“光储直柔”建筑将第二天的用电总量和用电变化曲线报告给光电风电基地的控制中心。接下来，控制中心根据气象预报得到风光电发电曲线。最后，控制中心根据各建筑申报的用电曲线进行优化调度，给出各建筑次日的实际取电曲线，该曲线使各建筑的蓄能调节量最小。这样，各建筑的瞬时用电总量均等于风电光电的瞬时发电总量，当没有风电光电供应时，各“光储直柔”建筑不从电网取电，而仅依靠建筑储能系统运行。尽管“光储直柔”建筑形式上依然利用电网，而电网的电力也不完全来自于零碳电力，但是，建筑用电的变化都严格按照实际风光电的变化而变化，所以“光储直柔”建筑的运行能源均来自于风电和光电零碳电力。可见，“光储直柔”新型能源系统既可解决风电光电消纳的问题，也可以解决建筑零碳运行的问题[4]。

图1 光储直柔能源系统原理图

3.3 光储直柔新能能源系统的示范项目

《中国“光储直柔”建筑研究项目》是由能源基金会支持的国际合作智库性质研究项目，于2021年3月启动，为期1年。项目定位于对中国“光储直柔”的基础性、前瞻性政策分析研究与工程实践探索，成果报告将在国内外公开发表，并向政府有关部门提交政策咨询建议。项目由清华大学建筑节能研究中心牵头，组织国内著名研究机构和智库合作开展研究与示范。包含深圳建科院未来大厦光储直柔示范、浙江电网湖州鲁能宾馆示范项目、青岛奥帆中心建筑光储直柔更新示范、西宁机场三期工程光储直柔示范项目[5]。

就单项技术而言，光、储、直、柔已有大量研究，其中与建筑场景相结合的探索也不少，例如光伏与建筑相结合的设计、采用低压直流配用电系统的建筑等都能在国内找到不少示范工程。将“光储直柔”各项技术有机融合并集成示范的项目还不多，但这必然是未来的发展趋势。位于深圳市的未来大厦R3模块就是 “光储直柔”集成示范建筑之一，其建筑面积6259m2，是 典 型 的办公场景，配有办公环境所必需的直流空调多联机系统、LED照明系统、直流多媒体、直流办公设备、直流充电桩等，以及智能化控制系统（图2）。 该 楼 于2019年年底完工，目前已投入科研使用[6]。青岛奥帆中心零碳社区项目也正在紧张施工中（图3）。项目将通过合理利用海水源热泵、太阳能光伏光热、风力发电、污水源热泵、工业余热等清洁能源技术，对区域范围内10座建筑开展能源站设备更换、能效系统提升、光储直柔应用等升级改造工作[7]。

图2 深圳市未来大厦

图3 青岛奥帆中心

4 结语

为兑现我国对世界作出的“碳达峰、碳中和”的承诺，能耗大户建筑业必须加快改革步伐。尽管我国从上世纪八十年代就开始大力推行建筑节能工作，但建筑运行阶段的能耗及碳排放仍然是中国建筑能耗及碳排放的重要组成部分。在低碳发展的背景下，为适应高比例的可再生能源结构，建筑电气化已经成为未来的发展趋势。近年来，随着光伏发电装置的广泛应用，在建筑当中实现“光伏发电、储能蓄电、直流供电、柔性用电”成为可能，“光储直柔”新型能源系统是建筑运行阶段实现2060碳中和目标的一个重要路径，同时，该系统也可助力建筑成为灵活消纳可再生能源电力的重要场所。

因此，为了能够符合“双碳”的发展趋势，构建以“开源节流、合理配置”为基础的建筑能源高效利用技术体系，减少建筑及建筑内系统的能耗，今后应基于“光、储、直、柔”等节能绿色技术的理论基础，加强建筑内可再生能源的存储、利用以及可再生能源与传统能源的高效配置原则的研究，进而构建高能效的绿色建筑能源系统，并探究该系统智能化的建筑能源优化调控策略，为绿色低碳建筑建造-运维提供重要的技术基础，打造双碳背景下柔性能源低碳建筑新技术，开拓高效建筑运维内核研发新领域。光储直柔新型能源系统的研究成果将为面向未来的低碳建筑咨询-设计-运维提供一站式解决方案，为建筑运维、调试等阶段的业务领域提供技术支撑，助力建筑业在碳中和领域形成技术储备。