夏热冬冷地区建筑领域碳达峰的基本条件及实施路径分析

2022-07-12龚延风牛晓峰

南京工业大学学报(自然科学版) 2022年4期

龚延风,牛晓峰

(南京工业大学城市建设学院, 江苏南京 211800)

尽管我国碳达峰的时间定为2030年,按照“双碳”目标全国一盘棋的思想,并不要求每个行业都同步实现碳达峰。但建筑领域何时能够实现碳达峰仍然是需要回答的问题,不弄清楚这个问题,建筑行业节能减排工作会陷入盲目境地。有学者较为乐观地认为,只要新建建筑的能效稳步提升,大量推广超低能耗建筑,就可实现2030年碳达峰目标[1]。但也有学者认为,我国目前还处于发展阶段,随着城市化进程和经济的持续发展,我国建筑运行碳排放总量和占比都存在较大的提升动力,单位面积能耗强度仍然增加的情景下还将持续增长,如果不采取积极应对措施,实现2030年碳达峰困难较大[2-4]。本文通过分析建筑碳达峰的基本条件,分析实现建筑碳达峰的可能性及实施途径。

1 建筑领域碳达峰基本概况

1.1 建筑领域碳排放的计算边界

本文所指建筑为城镇民用建筑,不包括农村建筑。建筑领域的碳排放指建筑活动所造成的碳排放。广义的建筑活动包括建筑材料生产、建筑材料运输与二次加工、建筑建造、建筑运行、建筑拆除5大过程。在计算建筑的碳排放时,后4个阶段的碳排放纳入建筑碳排放计算的界定十分清晰,没有异议,因为这都与建筑活动直接相关,而关于建筑材料生产过程的碳排放尚有不同看法[5]。本文认为建筑材料生产过程的碳排放不宜纳入建筑碳排放范围,因为本质上其属于工业生产,不属于建筑活动的直接管理范围,并不受建筑过程的控制,建筑活动过程中应尽量选择低碳排放的绿色建材。而如果把建筑材料生产过程的碳排放纳入建筑碳排放计算范围,则从行政管理角度出发,在碳排放约束下会选择尽可能少建建筑,这将抑制建筑业的发展,由于建筑业依然是国民经济的支柱产业之一,抑制建筑业发展并不符合国家“双碳”政策提出的初衷。

建筑材料运输与二次加工、建筑建造、建筑运行及建筑拆除各环节都有碳排放。根据我国现行的建筑碳排放计算标准[6],这些环节中的碳排放来源:所有电动设备、电热设备的耗电;运输车辆和施工设备的燃气、燃油消耗，即,这些过程中燃气、燃油等化石能源消耗形成的直接碳排放和电力消耗带来的间接碳排放两大类；另外,还有一些建筑中制冷空调设备制冷剂泄露产生的温室气体排放。

就建筑碳排放的组成成分来看,无论是直接碳排放还是间接碳排放,碳排放都主要来自建筑活动中的化石能源消耗。在建筑材料运输与二次加工、建筑建造、建筑运行及建筑拆除各环节中,来自运行阶段的化石能源消耗产生的碳排放是建筑全生命周期碳排放总量的主体部分[7]。

1.2 建筑领域碳达峰的基本条件

建筑领域碳达峰意味着碳排放总量的增加值为零,即碳排放增长速度为零。建筑领域碳排放的变化速度由建筑能耗增长速度与能源脱碳速度共同决定[8-9]。两者之间的相对强弱关系,是决定建筑领域碳排放变化趋势的核心因素,其相互关系如图1和2所示。

图1 建筑能耗、非化石能源使用与碳排放的关系Fig.1 Relationship of carbon emission between building energy consumption and non fossil energy application

图2 建筑能耗增长速度降低时非化石能源替代速度与碳达峰的关系Fig.2 Relationship between non fossil energy substitution rate and carbon emission peaking when the growth rate of building energy consumption decreases

由图1可知:当建筑能耗与能源脱碳的增长速度相等时,碳排放总量将不再增长,即保持原有排放量,意味着可实现碳达峰,对应AB线。当建筑能耗增长速度高于能源脱碳速度时,碳排放量将继续增长,对应AB线的左侧。当建筑能耗增长速度低于能源脱碳速度时,碳排放量将持续下降,直至达到碳中和,对应AB线右侧的情形。图1和2中的C点代表非化石能源增长速度的拐点,经过此点后,建筑碳排放量已接近中和点,非化石能源的增长速度可以有所减缓。

1.3 建筑领域能耗与非化石能源应用现状

选取江苏省建筑能耗为代表进行分析,江苏省长期处于城镇化快速发展阶段,大量人口进入城市工作和生活,江苏省城镇化率从改革开放初期的13.70%提高到2019年的70.60%[10],据最新统计数据,2021年末江苏省常住人口城镇化率达73.94%[11]。高速的城镇化伴随着人民生活水平的日益提高,这也是推高江苏省建筑能耗的重要因素之一。

1.3.1 江苏省建筑能耗及其增长速度情况

根据江苏省历年的统计年鉴可以得到近年来的建筑能耗数据[11],包括公共建筑用电、城镇居住建筑用电和城镇居住建筑天然气消耗,并可计算出年度增长速度和三年期滑动平均增长速度,结果如表1所示。

表1 江苏省2014—2020年建筑能耗情况[11]

2020年,由于新冠肺炎疫情的影响,公共建筑中信息服务类建筑的能耗增长速度较快,但商业服务建筑的能耗下降较大,公共建筑能耗的数据有其特殊性。近年来,城镇居民生活用电量持续增长,但增幅有所回落;而天然气耗量增幅较大,一直保持在10%以上,其原因在于居民供暖能耗的快速增加。

1.3.2 江苏省建筑能耗强度情况

根据江苏省统计年鉴给出的能耗基础数据以及江苏省建筑业统计报表公布的建筑面积,可以获得江苏省近年来单位面积建筑能耗这一能耗强度指标,结果如表2和3所示,其中2019年居住建筑能耗强度有所下降，这是由于该年度建筑面积统计数据大幅跳跃增加所致。

表2 江苏省公共建筑能耗强度指标[11]

表3 江苏省城镇居住建筑能耗强度指标[11]

2 建筑领域碳排放的增长因素及能耗增长速度预测

2.1 夏热冬冷地区居住建筑能耗强度增长动力分析与增长趋势

2.1.1 居住建筑能耗强度增长动力分析

居住建筑能耗强度增长的动力来自人民对美好生活的追求,来自生活水平的提高。美好生活的主要标志:①室内温湿度舒适状态的保障时间接近100%;②室内空气健康;③室内衣着轻便化;④热水洗浴常态化。具体主要体现为以下几个方面:①冬季家庭供暖加速发展;②室内温湿度范围扩大;③供暖空调使用时间逐步延长;④室内供应新风;⑤生活热水用量加大。

江苏省属于典型的夏热冬冷地区,经济发展水平较高,随着人民生活水平的提升,在城镇居住建筑中,冬季家庭户式供暖已经非常普遍。通常有以下3种方式:家用分体式空调制取热风、家用壁挂式燃气锅炉制取热水供应地板辐射采暖、家用空气源热泵制取热水供应地板辐射采暖,在这3种方式中,分体式空调制取热风运行调节方便,且能够兼顾夏季供冷,在江苏省冬季家庭户式供暖中占比最大,但是由于其功率按照夏季制冷配置,冬季供热量不足,往往室内温度较低,寒潮低温时难以达到20 ℃的室内温度。地板辐射采暖方式无吹风感,人体舒适度高,近年来安装量增长较快,尤其在新建居住建筑中更是成为居民的首选。为地板辐射采暖提供热水的热源目前以壁挂式燃气锅炉居多,有少量采用空气源热泵热水器制取热水,但是这种方式大幅提高了供暖能耗,以燃气锅炉为代表的地板供暖将带来较高的建筑能耗增长动力。

居民生活水平提升的另一个特点是冬季居家时衣着越来越轻量化,这会使室内温湿度范围扩大、供暖空调使用时间逐步延长,冬季室内温度设定值普遍高于20 ℃。在舒适温度范围内,夏热冬冷地区空调温度每降低1 ℃(夏季工况)或升高1 ℃(冬季工况)会导致空调能耗增高约8%～11%[12],因此室内温湿度调控范围的拓宽必然会带来较高的能源消耗。

此外,夏热冬冷地区居民家庭供暖空调使用时间也呈现逐步延长趋势[13-14],从宏观供冷、供暖时间来看,目前供冷季从5月初到9月底,长达5个月左右;供暖季从12月初到2月中下旬,持续约3个月,即一年中2/3时间需要使用空调供冷、供暖。从微观来看,每天使用空调供暖设备的时间普遍较长,尤其是冬季供暖采用地板辐射供暖的住宅,居民普遍采用24 h连续供暖方式,带来了较大的能耗。

另外,居民生活热水的消耗量也大幅增长,目前江苏省约有1/3城镇居民家庭常年不间断采用电加热方式制取洗浴、厨房、卫生用生活热水,成为居住建筑能耗持续增长的动力因素之一。

2.1.2 居住建筑能耗强度增长趋势

目前,建筑提供的条件水平距美好生活标准尚有不小差距,特别是冬季供暖效果不够理想,新风系统才刚刚开始进入家庭。如果高标准解决冬季供暖和新风供应,非节能居住建筑的能耗将上升40%～60%,节能建筑的能耗将上升30%～50%,如表4所示。人们追求美好生活一直在路上,因此居住建筑能耗以年均3%～6%增长速度的趋势延续。这个增长过程将会超过10年以上,延续到2030年以后。预期到2030年,单位面积建筑能耗为7.9～9.6 kg/m2。

表4 不同类型城镇居住建筑能耗水平

2.2 公共建筑能耗强度增长动力分析与增长趋势

公共建筑的类型较多,不同类型公共建筑的能耗强度增长水平不一。一般而言,公共建筑能耗强度增长的两大影响因素为室内用能设备数量的增加和用能人数的增加。

办公类建筑中,主要是办公用能设备数量有小幅增加。中小学校建筑中,正在普及供暖空调设备,并将在5～10年内完成这一过程,这将导致近年能耗明显增加。医院建筑主要是就医人数增加带来的医用设备能耗和空调能耗的增加。因此,公共建筑能耗强度的自然增长动力依旧存在。因此,公共建筑中的数据中心是耗能大户，但数据中心能耗不属于建筑能耗的范围,故不考虑数据中心的能耗影响。

公共建筑的节能改造和能效提升开展得卓有成效。随着建筑节能管理等工作的开展,建筑能耗强度上升势头得到明显抑制。未来十年内公共建筑的整体能耗强度将通过能耗定额制度得以控制,从而保持稳定,预计保持为14～15 kg/m2。

2.3 建筑面积增长速度预测

2.3.1 城镇人口增长预测

人口增长带动建筑面积的增加,建筑又由于人的使用而产生能耗。建筑面积的预测离不开对人口变化的预测。

近年来,年轻人的生育意愿显著降低,国家人口增长缓慢,而老龄人口快速增加,国家于2016年放开了二孩政策,又于2020年放开了三孩政策,同时也出台了相关鼓励政策,但人口出生率提高的目标能否达到还有待观察。欧美国家的先例表明,现代青年人的生育愿望总体是偏低的。

文献[15]研究认为,人口总和生育率(TFR)为1.60～1.90,当TFR为1.78时,人口大概率在2030年前后达到高峰,约为14.56亿,然后开始下降。文献[16]以二孩政策实施以来的数据为依据,预测了到2030年江苏省人口变化(图3),预计江苏省人口在2023年左右即将达到高峰(图4)。

图3 江苏省人口增长率预测[16]Fig.3 Prediction of population growth rate in Jiangsu province[16]

图4 江苏省人口变化预测[16]Fig.4 Prediction of population change in Jiangsu province[16]

2.3.2 城镇新增建筑面积预测

人口的下降使得对于建筑面积的需求也会下降,对建筑能耗增长速度的下降显然是有利的。但另一方面,江苏省的城镇化还在继续,城镇化率仍然按照1%的速度在发展，因此城镇的建筑面积仍会继续增长。在人口不再增长的条件下,建筑面积也会继续增加。目前，欧美国家房地产的GDP仍占国家总GDP的4.0%～5.0%左右,略低于我国的6.0%，可见建筑业对国民经济的影响较大,建筑业还会继续发展。根据江苏省统计数据,目前江苏省每年新建建筑面积约1.5 亿m2,不可否认,目前公共建筑特别是办公类建筑空置率较高,而医院等服务设施数量又偏低;居住建筑的空置率和低品质的居住建筑面积比例较高。由于空置率的存在,新建建筑面积的预测不能采用实际建造的建筑面积,而需要根据新增城镇化人口来预测。

根据江苏省统计数据,城镇化率每提高1%,将新增100万人进入城镇生活。按照中等发达国家平均水平,城镇人口人均居住建筑面积为40～70 m2,人均公共建筑面积为15～25 m2,取中间值计算,则江苏省新增城镇人口居住建筑面积可达6 500万m2/a, 公共建筑面积可按2 000万m2/a进行预测。

3 建筑领域碳达峰的路径与措施分析

3.1 碳达峰的基本路径

从2017年至2021年建筑领域的能源消耗得出,三年期滑动平均增长速度整体下降,2021年为6%左右。但非化石能源应用方面的现实状况是“十三五”期间,江苏省非化石能源的利用率(与电力系统脱碳率正相关)从2016年的10%提高到2021年的15%,年均增长速度约为1%。

未来国家非化石能源的发展在2021年10月发布的《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》[17]中已有明确目标,到2025年,国家总体非化石能源应用比重达到20%；2030年达到25%；2060年达到80%。在2021年至2030年的时间段内,非化石能源的应用率保持年均约1.0%的增长速度；2030年至2060年，年均增长速度为1.5%,这说明非化石能源的替代难度较大,是一个长期的艰巨任务。对于大部分华东、华中夏热冬冷地区的电网而言,在全国六大区域电网中,电力碳排放因子已经处于最低,进一步降低的潜力不大,即夏热冬冷地区电力能源脱碳率近期内难有重大突破。

由于非化石能源的应用比例提升需要较长时间的基础积累,如果国家非化石能源的大幅提升,而建筑能耗增长速度依旧不断增长,建筑碳达峰的时间将会比较遥远。因此,目前应将建筑领域能耗增长速度从6.0%降为1.5%左右。

3.2 碳达峰的主要措施

建筑减碳的主要策略有3个:①提高新建建筑的能效标准,减少能耗新增量;②开展既有建筑节能改造,抑制大量既有建筑的潜在能耗增长冲动;③建筑自身的可再生能源利用,对国家清洁能源的应用进行补充。

3.2.1 新建建筑节能

从2022年起,江苏省新建建筑开始全面执行《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015—2021),同时还将执行江苏省《绿色建筑设计标准》(DB 32/3962—2020)、江苏省《民用建筑热环境与建筑节能设计标准》(DB 32/478—2021)3个新标准，鼓励执行《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350—2019)。通过提高围护结构热工性能,利用高效建筑设备,优化系统设计,提升系统运行效率以及充分利用太阳能、浅层地热能等可再生能源等,全面提高建筑节能水平和可再生能源应用水平。理论上,新建公共建筑的平均节能率为72%;居住建筑执行75%节能设计标准,耗电量指标为22.4 kW·h/m2。

“双碳”工作以实际碳排放控制作为落脚点，然而实际的建筑能耗与理论设计能耗总是存在一定差距。根据既有公共建筑能耗调查审计结果,围护结构热工性能执行65%节能设计标准后,除玻璃幕墙外，对公共建筑的节能贡献率不再显著。而新建建筑的用能设备不断增加,故其实际能耗只是略低于现有公共建筑的平均水平。居住建筑的实际能耗受到供暖空调模式的影响出现更大范围的变化。

3.2.2 既有建筑节能改造

在既有建筑中,从2005年起,江苏省开始执行50%节能设计标准;从2014年起，开始执行65%节能设计标准,居住建筑中节能建筑的比例约占建筑总量的61.3%。非节能建筑的热工性能较差,都需要进行改造。但既有居住建筑由于涉及众多的业主和私人产权关系,改造过程的管理难度大,对居民生活影响大,可实施改造的数量较少。

既有公共建筑由于建筑设备众多,日常设备管理对能耗影响非常大,即使是节能建筑也依然需要进行节能改造或能效提升。由于公共建筑的产权通常较为单一,还有许多是国有投资项目,从管理角度出发,既有公共建筑节能改造宜予推广。江苏省各地市都制定了建筑能耗定额标准,为推广公共建筑节能改造提供了良好的政策条件。

公共建筑的节能改造或能效提升,一般是对照明、供暖空调、冷热源设备、热水、能源自动管理等系统进行节能改造。南京市公共建筑能效提升示范城市建设的成果显示,对公共建筑的节能改造通常可达到15%～25%的节能效果。

3.2.3 可再生能源建筑应用

江苏省地处夏热冬冷地区，最为便利的可再生能源是浅层地热能，几乎可以在每幢建筑中使用,也可不受时间与气候的限制随时使用。

在新建建筑中,均要求安装可再生能源系统。居住建筑要求在建筑屋顶上安装太阳能热水系统。由于太阳能光伏系统的性价比快速提升,未来可以通过推广在小区的屋顶安装太阳能光伏系统,实现光伏系统的区域集中使用和管理。公共建筑要求太阳能热水、太阳能光伏、浅层地热能利用至少选择应用其中一项。对于既有公共建筑,安装太阳能光伏系统仍然是目前的首选技术[18-19]。

文献[20]计算了上海地区可再生能源应用的贡献率:当67%的住户选择太阳能热水时,居住建筑常规能源替代率为6%;当在屋顶设置太阳能光伏时,办公建筑常规能源替代率为6%;酒店建筑采用地埋管利用地热,仅冬天有节能效益,替代率接近6%;对于建筑面积大于10万m2的商业建筑,太阳能光伏的替代率可达1.2%～2.2%;当大型医疗建筑应用太阳能热水和太阳能光伏时,常规能源替代率约为0.7%～1.7%。上述结果可以作为江苏省节能减排的参照,现有可再生能源应用技术对减碳的贡献还比较有限,建筑可再生能源应用期待技术的突破性进展。

3.3 建筑能耗增长速度控制

3.3.1 建筑能耗增长速度的计算

建筑能耗的增量来自年度新建建筑能耗的增加以及既有建筑能耗的变化两大部分。因此，区域性建筑能耗增长速度可用式(1)进行计算。

(1)

式中:ΔE为建筑能耗总量的增长速度;q1和q2分别为新建公共建筑和居住建筑单位面积能耗;Δq1和Δq2分别为公共建筑和居住建筑单位面积能耗变化;ΔFp和ΔFr分别为年度新增公共建筑和居住建筑面积,Fpi和Fri分别为第i年度公共建筑居住建筑总面积;qpi和qri分别为第i年度公共建筑和居住建筑单位面积能耗。

3.3.2 抑制建筑能耗增长速度小于1.5%的模式

建筑碳排放控制的基本策略是清晰和明确的,值得关注的问题是要明确何种措施才能将建筑能耗增长速度控制在1.5%以内。

年度新增公共建筑和居住建筑面积分别取为2 000和6 400万m2，采用城镇化人口预测数量来计算，并考虑空置率等因素,其值小于实际新增的建筑面积。

新增公共建筑和新增居住建筑的单位面积能耗即为新建建筑的实际能耗水平,公共建筑的能耗有逐年缓慢下降的趋势,乐观预测每年下降1%,从2020年的16.0 kg/m2下降为2030年的14.0 kg/m2。居住建筑单位面积能耗在供暖的带动下将逐年增加,从2020年的5.9 kg/m2将上升到2030年的7.9 kg/m2。公共建筑改造的节能率一般为10%～25%,计算时取为15%。

经过测算,保持建筑能耗增长速度小于1.5%有3种实现模式(表5):①建筑面积小幅增长,居住建筑和公共建筑能耗强度均不再增加。②建筑面积小幅增长,居住建筑能耗强度增加,其增加量通过公共建筑能效提升进行弥补得到平衡。当居住建筑能耗强度增加2%时,对应的公共建筑能效提升面积需达到公共建筑总面积的15%；当居住建筑能耗强度增加1%时,对应的公共建筑能效提升面积需达到公共建筑总面积的10%。③建筑面积零增长,居住建筑能耗强度小幅增加(≤2%)。

前2种模式的具体实现都需要相当大的公共建筑能效提升面积,任务十分艰巨,短期内难以完成。

以上分析说明,既有居住建筑能耗上升对建筑整体能耗影响大,只有第1或2种模式才可能保持能耗增长速度小于1.5%。公共建筑能耗强度可以实施人为管控,而居住建筑能耗近乎自由增长,当居住建筑能耗强度不再增加或建筑面积不再增加时,建筑能耗增幅即可达到要求,建筑领域碳达峰即会实现。