双碳目标下建筑能源应用学科融合发展路径研究

苑翔 陈伟娇 乔春珍

摘 要：双碳目标提出后，多学科的交互融合是学科发展的必然趋势。建筑能源应用学科在双碳目标下，具有目标归一化、技术多元化和能源管理智能化的特点，提出了建筑能源应用学科的发展路径，即以碳排放学科为基础，与能源动力类、电气类、金融管理等学科相交叉，融合可再生能源、储能、人工智能、物联网、数字化等前沿技术，形成以智慧能源规划设计为理论基础，低碳建筑设计建造为载体，分布式可再生能源技术与新设备为手段的新型低碳学科。

关键词：双碳目标；建筑能源应用；学科融合；发展路径

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.09.089

0 前言

2020年，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣示：中国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。习近平总书记多次强调，实现“双碳”是一场广泛而深刻的经济、社会系统性变革，要将其纳入生态文明建设整体布局。实现双碳目标，不仅是技术和工程性问题，而且要将推动“双碳”和提高人民生活为中心的发展思想紧密结合，以工程科技服务平台的行业发展新模式，将科技自立自强作为国家发展的战略支撑，塑造以人民为中心的生态绿色低碳宜居环境。

自“双碳”目标提出后，我国“双碳”政策体系建设呈现出多角度、全方位推进局面，为深化推进各行业、各领域“双碳”实践积累政策基础。我国是全球建筑保有量和新建量最大的国家，当前我国建筑领域的碳排放占全社会碳排放高达40%左右。中国建筑节能协会《中国建筑能耗研究报告（2020）》显示，2018年全国建筑全过程能耗总量21.47亿吨标准煤，占全国能源消费总量的46.5%，2018年全国建筑全过程碳排放总量49.3亿吨二氧化碳，占全国碳排放比重的51.3%。实现建筑领域的碳中和，对我国完成双碳目标至关重要。

“双碳目标”提出以来，按照党中央、国务院关于碳达峰、碳中和重大决策部署，住房和城乡建设部及有关部门深入开展城乡建设领域碳达峰、碳中和实施路径和相关政策研究，同时将相关内容纳入建筑节能与绿色建筑“十四五”规划的指标和任务中，加强顶层设计，积极推动建筑领域节能低碳技术应用，促进可再生能源与建筑节能减排融合发展，推动建筑领域终端用能绿色低碳转型。

“双碳目标”提出以来，教育部高度重视环境保护教育，将节能减排教育纳入环境保护教育中，提升大中小学生节能减排意识和能力。引导高校根据经济社会发展需要和办学能力，加大建筑领域碳减排相关专业设置；发布《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号），加快推动建筑领域碳减排课程建设；成立新一届土木类和能源动力类专业教学指导委员会，启动一流专业建设“双万计划”，组织企业实施产学合作协同育人项目，优化相关本科专业结构，推动高校人才培养。

因此，在双碳目标的大背景下，建筑领域整合可再生能源与建筑节能减排相关学科融合发展，教育部门也适应时代发展需求，在建筑领域碳减排的学科及课程建设方面，及时调整相关学科及课程体系，紧密结合相关政策和需求，落实人才培养策略。

1 双碳目标下的建筑能源应用学科特点

双碳目标向建筑能源应用领域提出了更高的技术要求，建筑能源应用相关学科因此呈现了新的发展趋势。建筑能源应用的相关学科包括建筑环境与能源应用、建筑技术、可再生能源、储能技术、智慧能源、建筑电气等多个学科，其中，建筑环境与能源应用是建筑能源领域的核心学科，该学科在双碳目标下，将根据我国当下发展规划中对绿色低碳发展的整体要求，以人工环境和热科学知识体系为基础，将可再生能源利用和智慧能源作为发展重点方向，在建筑新能源应用、低碳建筑能源供应系统规划、设计、施工及智慧化运营管理等技术领域应有创新性发展。建筑能源应用相关学科与碳排放基础学科的关系如图1所示。

国外已有专门针对碳排放的（温室气体排放与核减）相关学科，针对碳排放的产生原理、碳排放核减、碳交易等内容，设置了专门的基础理论，如图1所示的“碳排放基础”的内容。碳排放基础理论的整体框架是依据碳排放产生原理、减碳原理、减碳技術体系、碳计量和碳核算、碳汇和碳捕捉、碳金融等逻辑思路设置的。图1中的碳排放基础内容是面向建筑、工业、交通三大领域的基础理论，建筑能源应用相关学科中，已经涉及了建筑领域碳排放基础理论的大部分内容，其逻辑思路大致与碳基础学科的设置内容相对应。

双碳目标下，建筑能源应用相关学科将呈现以下特点。

1.1 学科目标归一化

双碳目标提出之前，大多数能源相关学科的研究方向主要集中在能源高效和能源利用技术上，在双碳目标提出后，其研究目标更加明确。如图1所示的关系图中，建筑用能领域相关的能源应用、建筑技术、储能技术、智能电网、建筑电气等学科，已经把学科的科研和人才培养目标逐渐向适应低碳发展的方向进行调整。

1.2 技术形式多元化

未来，建筑能源应用领域将会呈现变革性的发展，城市碳中和的路径从“源、网、储、荷、用”等环节考虑，建筑领域属于“荷、用”技术环节，属于能源应用链条中的末端环节，但是，建筑自身有其特殊性，利用分布式能源技术，建筑既可以作为能源的生产者，也可以作为能源的消费者。另外，由于建筑用能需求的多样性，建筑能源也可以作为城市能源系统的负荷调节角色。建筑能源技术形式的多元化体现在能源系统的多元化。

1.2.1 分布式能源

分布式能源系统与传统的集中式供给能源系统不同，分布式能源将能源系统安装在户侧，并根据用户需求进行冷、热、电供给。建筑的分布式能源系统可改变城市一次能源供给的模式，不仅能够引导城市能源结构低碳化发展，支持城市能源日常管理终端化、精细化。

1.2.2 能源多元化

建筑可再生能源的大规模应用必须考虑多种能源的系统融合，以风、光资源作为发电和供能的主力资源，以地热能、生物质能和其他综合互补的非化石能源为“稳定电源”，通过可再生能源功率预测技术、电力系统稳定控制技术、电力系统灵活互动技术等构建新型电力系统管理和运行体系。

1.3 能源管理智能化

能源管理系统不但要实现检测、感知、计算、优化等功能，还要实现控制、人机融合和检测点之间的通信功能，是一个典型的信息物理系统，能源管理系统和通常的信息系统是同构的。数字化/智能化能源系统的构建，将云计算、人工智能、5G通信等新一代数字化、智能化技术与现代能源体系的构建相融合，加速推进能量流、物质流与信息流的融合，实现系统优化，推动以绿色、数字化、高质量为核心的能源领域创新发展。

2 建筑能源应用学科融合发展路径

双碳目标的提出，必然会催生出与双碳相关的广泛需求，建筑能源领域如何针对未来的碳排放领域进行提前布局就显得尤为重要。碳排放几乎涉及建筑各个学科领域，从建材生产、建筑规划设计、施工建造、运营管理等全产业链，涵盖建筑材料、规划设计、建筑学、建筑环境和能源应用、建筑电气、建筑给排水等所有专业，以及与能源相关的城市电网、储能、新能源、新材料、智能控制、金融管理等学科，各学科和专业如何针对双碳目标，适应低碳减碳的需求，是必须考虑的问题。

根据新形势下建筑能源领域学科发展的特点，未来建筑能源应用领域的学科发展势必会综合所有碳排放相关专业知识，以交叉、融合和优化为提升路径，产生新型的建筑能源应用学科模式。建筑能源应用学科发展的要求如下。

2.1 夯实理论基础

国外已有专门针对碳排放的（温室气体排放与核减）相关专业，专业针对碳排放产生原理、碳排放核减、碳交易等内容，设置了专门的课程，如图1所示的“碳排放基础学科”的内容。与碳排放相关的理论首先要理清气候变化与碳排放的关系，即双碳目标的由来与实质，然后需要搞清楚碳排放的产生机理，这两个理论是所有与碳排放相关的学科的基础。

在减碳方面，主要以减少化石能源的应用为主要减碳方向。在能源系统中主要从“源、网、储、荷”四个环节中实现。

（1）“源”指能源网络中能源的来源，减少碳排放“源”的环节中，应用非化石能源特别是可再生能源来代替化石能源，是必然的选择，有关新能源的理论学科是“源”环节的基础学科。在现有的能源结构中，扩大新能源的占比，减少煤、天然气和石油等化石能源的比例，需要加强新能源的基础理论研究。

（2）能源系统中“网”和“储”是相辅相成的，从能源系统低碳转型视角出发，“网”和“储”相关的基础内容即是考虑可再生能源、储能等发电和储能功能，建立智能化的可灵活运行调度的智慧电网系统，以及智慧热网系统，因此，数字化技术和人工智能科学将是能源应用专业的必需的基础学科。

（3）能源系统中的“荷”本质含义是能源需求，需求减少，碳排放自然地就减少了。建筑能源应用领域中，建筑负荷的方法就是采用需求侧管理模式，通过被动式设计技术和超低能耗建筑设计思路，最大限度减少建筑的冷、热、电设计负荷，因此，建筑设计学科就需要综合建筑物理学、建筑环境学和能源管理的学科，通过学科交叉，形成低碳建筑设计理论。

（4）碳金融产品是建立在碳排放权交易的基础上，服务于减少温室气体排放或者增加碳汇能力的商业活动，以碳配额和碳信用等碳排放权益为媒介或标的资金融通活动载体，因此，有了减碳量，需要进行碳交易的情况下，还需要有金融管理学科作为理论基础。

2.2 整合技术体系

面向建筑双碳目标，建筑能源应用学科要形成可再生能源网格化技术应用体系，即以技术需求为导向，以产品研发为依托，以技术产业化为目标，面向低碳建筑电气化、可再生能源建筑一体化和清洁化供暖等领域，在太阳能、地热能、生物质能和空气源热泵等领域已形成一系列的技术产品和技术体系。

2.3 明确学科研究方向

双碳目标提出后，建筑能源应用学科应加强与能源动力类、电气类学科的交叉融合，把互联网、大数据分析、人工智能、数字经济等赋能技术与专业教学紧密结合。结合学科交叉优势和技术研发体系，学科应在以下4个方面形成新的研究方向。

（1）智慧能源系统：以需求侧管理理论为基础，进行智慧能源系统的规划设计研究，结合人工智能技术、物联网技术和数字化技术，形成可再生能源可利用量核算及碳替代量评估、社区规划层面衔接城市智慧能源的低碳能源系统设计理论和技术措施。

（2）基于数据指导建筑低碳优化设计：以产品研发为驱动，以应用效果为反馈，在技术和产品大规模应用实践的基础上，监测建筑和产品运行数据，建立建筑和产品的物理及数据模型，总结和凝练具有广泛适应性的技术理论。

（3）分布式可再生能源技术与新设备研发：研究太阳能、地热能和生物质能源等可再生能源应用技术，可再生能源高效应用设备及系统，以及应用技术和设备进行建筑低碳改造的理论方法和技术体系。

3 结论

针对国家双碳目标和“十四五”規划发展战略，需要积极响应“双碳目标”下我国能源结构新布局，建筑能源应用学科也应根据当下发展规划中对绿色低碳发展的整体要求，融合相关学科理论和技术，调整学科的研究方向和科学课程设置，建筑能源应用学科应基于碳排放基础学科，与能源动力类、电气类、金融管理等学科相交叉，融合可再生能源、储能技术、人工智能技术、物联网技术、数字化技术等前沿技术，形成以智慧能源规划设计为理论基础，低碳建筑设计建造为载体，分布式可再生能源技术与新设备为手段的新型低碳学科，为实现“双碳”目标提供坚强的人才保障和智力支持。

参考文献

［1］中国建筑节能协会能耗统计专委会.中国建筑能耗研究报告[R/OL].[20210302].https：//www.cabee.org/site/content/24020.html.

[2]中华人民共和国中央人民政府.教育部关于一流本科课程建设的实施意见（教高[2019]8号）.http：//www.gov.cn/gongbao/content/2020/content_5480494.htm？ivk_sa=1023197a.

[3]Rattic，Baker N，Steemers K. Energy consumption and urban texture[J].Energy and buildings.2005，37：762776.

[4]龍惟定，梁浩.我国城市建筑碳达峰与碳中和路径探讨[J].暖通空调，2021，51（4）：117.

[5]WWF，DENA.中国城市大规模推广建筑领域可再生能源利用研究报告[R/OL].北京：世界自然基金会（瑞士）北京代表处，2022[20210302].https：//www.dx2025.com/archives/124062.html.

[6]IEA.Global energy & CO2 Status report 2019，the latest trends in energy & emissions in 2018[R/OL].Paris： International Energy Agency，2019 [20210302]. https：//www.iea.org/reports/global energy CO2 status report 2019.

[7]西安交通大学，中机生产力促进中心，中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，等.微电网第1部分：微电网规划设计导则：NB/T101482019[S].北京：中国标准出版社，2019：910.

[8]中国证券监督管理委员会.碳金融产品JR/T02442022.中华人民共和国金融行业标准2022.4.

[9]中华人民共和国教育部.加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案（教高函[2022]3号）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202205/t20220506_625229.html.

[10]国网北京经济技术研究院.电网规划设计手册[M].北京：中国电力出版社，2015：308309.