碳中和目标下建筑能源系统再认识

刘晓华

《中国建筑节能年度发展报告2022》的数据显示，我国建筑运行的年碳排放量达到21.8亿吨，民用建筑建造相关碳排放量15亿吨，二者相加，已经超过了全社会碳排放的三分之一。未来，我国建筑面积还将进一步增加，服务质量也将进一步提升，建筑领域面临巨大减碳压力。

未来，风电、光电将成为电力系统的主力，预计占到总装机容量的80%，年发电量的60%。可再生能源发电会因气侯条件而具有非常大的波动性，这使得调蓄成为非常重要的环节，对建筑侧的功能要求也会从原来的单纯能源消耗变成集能源的生产、消费和调蓄三位于一体。

面对这种新的要求，由于光伏发电等可再生电力需要非常大的面积，建筑屋顶就变成了非常好的可再生能源利用场景。所以，需要在满足建筑美观的前提下，利用建筑的屋面与外立面，尽可能地发展光伏资源，使建筑成为能源的产消者。

以前的建筑能源系统主要是从需求侧，即建筑的冷热电需求来配置相应的能源系统方案，未来供给侧将是风电、光电为主的低碳、波动型电力供给，能源系统会从原来的根据建筑需求确定供给转向以供给引导需求。

一、降低需求与节能是实现低碳的基础

目前，无论人均面积还是单位面积的能耗强度和碳排放强度，我国均低于发达国家水平。如果照搬国外的建筑发展模式，能耗和碳排放都可能成倍增长。因此，我们要在目前具有中国特色的建筑用能基础之上，在进一步满足人们不断提升的室内环境等各方面需求的同时，实现低碳发展。

实现低碳目标，节约能源是关键，通过科学合理的设计提升建筑本体性能、降低营造室内环境的能源需求是方向，减少建筑使用过程中不必要的冷热消耗也非常重要。像航站楼这样体型系数相对较小的建筑，外围护结构相对较少，人员、灯光设备的发热量跟围护结构冬季的散热量近似，如果能够有效降低不必要的渗风能耗，机场航站楼这样的建筑就有望实现近零能耗的供热。

在降低建筑本体需求方面，目前有很多从源头出发的新思路、新材料可以考虑。比如辐射制冷材料，对太阳辐射3μm以下的波段有很好的反射作用，在8-13μm的“大气窗口”有较高的发射率。对于建筑需要全年制冷的场景，如制冰场馆，可以通过屋顶辐射制冷涂料降低建筑表面温度，获得较为显著的节能效果。如果建筑既有夏季供冷又有冬季供热的需求，则需要进行综合权衡。

在兼具冷热需求的场景，热回收也是常用的降低需求的途径。如电子厂房，冬季需要对室外新风进行加热，同时室内房间还需要通过干冷却盘管DCC进行供冷。这些同时需要供冷和供热的情况，可通过热回收减少外部冷热量的投入。这需要从建筑整个能源系统的角度出发，充分挖掘可回收的冷热量的潜力。

二、全面电气化

建筑行业当前的电气化率大概在50%左右，未来面临着再电气化或者全面电气化的挑战。除北方采暖外，未来建筑能源系统若能实现100%由电力驱动，将有助于建筑能源系统低碳化。

提升电气化率的途径包括：化石燃料替代、炊事/生活热水等实现电气化。以前以燃料作为驱动热源的方式，会面临获得清洁热源的问题，包括蒸汽、炊事所需要用热的电气化设备等，这也是对机电设备系统形式提出的新要求。

三、提高机电系统效率

从7℃出水大型离心式冷水机组效率的情况，可以看出目前制冷循环性能已经非常接近于理想循环的效率，在外部工況确定的情况之下进一步提升单个制冷循环性能的空间非常有限。现在的端差，冷凝侧和蒸发侧都在1℃以内，甚至0.5℃。但如果改变一下外部工作条件，把水温从之前7℃进一步提升到16℃，机组整体性能就可能由于蒸发温度的提升而得到更大幅度的提升。

对于制冷而言，一方面要寻找比室外更优的自然冷源或者更低温的热汇，像冷却塔、地表水、露点温度、地下水等;另一方面要在满足建筑需求的情况下提升所需要的冷源温度，以此有效提升整个系统性能。除了在既定工况下提高机电设备系统性能之外，改变外部工作条件，例如高温供冷低温供热、温湿度独立控制等，也会带来整个机电设备系统效率的大幅度提升。

机电设备在建筑中运行时，并不是在满负荷而是部分负荷的情况会占据绝大多数时间，要提高包括制冷主机、风机水泵等的部分负荷性能。从高效冷机主机到高效机房，再统筹空调箱这些末端能耗，整个系统需要精细化设计和调试，从而实现整个空调系统的高效运行。

四、柔性用能

目前建筑能耗都是指建筑整体的能源消耗，通常以一年建筑消耗能源的总量作为评价标准。未来，随着可再生能源电力的占比加大，建筑侧也可以承担起很好的灵活用电功能，使建筑成为电力系统灵活负载，实现建筑用电和电网侧的良好匹配关系。因此，除了建筑总体能耗的时间尺度之外，还需要关注逐时的时间尺度，研究这种建筑供应和需求在时间尺度上的匹配。

除了外加的蓄电池、电动车可以作为蓄能途径外，建筑也有冰蓄冷、水蓄冷等相应的蓄冷系统，建筑本体围护结构也具有一定的蓄能能力，因此，在柔性用电情景下，对建筑的各种蓄能能力也需要重新认识和评估。

另外，光储直柔也是建筑实现零碳电力的重要途径。国务院《2030年前碳达峰行动方案》已明确指出：“建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的‘光储直柔建筑”。

碳中和对建筑低碳提出了新要求，怎样去进一步降低需求、提高能效是行业努力的方向。建筑能源结构需要全面电气化、充分利用可再生能源、加强建筑柔性，推动能源系统的革新。