建筑领域碳中和相关定义、目标及技术路线概览*

董建锴 高 游 孙德宇 姜益强 黄 帅

(1.哈尔滨工业大学,哈尔滨;2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,哈尔滨; 3.中国建筑科学研究院有限公司,北京)

0 引言

近年来,全球气候变暖趋势加剧,联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第六次评估报告指出,由于温室气体的大量排放,2006—2015年这10年间全球的平均温度比工业化前的全球平均温度上升了约0.87 ℃[1]。其中,二氧化碳的影响最为严重。据统计,每万亿t的二氧化碳排放会导致(1.7±0.4) ℃的全球平均温升,且部分地区的温升会更加极端[2]。由此可见,降低目前的碳排放强度直至达到碳中和,对于解决全球变暖问题尤为重要。因此,各国在《巴黎协定》中既定承诺的基础上,先后提出了碳达峰、碳中和的目标。据现有报道,已有127个国家和地区通过制定法规、行政命令、政策宣示、提交自主贡献文件等方式确定了碳中和(或者类似概念)的目标[3]。

我国将在2030年完成碳达峰,并在2060年实现碳中和[4]。相比于部分发达国家的2050年碳中和目标,我国设定的碳中和目标的实现时间虽然较晚,但是考虑到这些发达国家大都已实现了碳达峰,而我国则需在10年内实现碳达峰的基础上,用30年的时间实现碳中和,需要比发达国家更快的碳排放量下降速度,这是巨大的挑战。因此,这一艰巨目标的实现需要社会各界的共同努力,以及科学研究的支撑。

同时,建筑领域的碳排放量占比居高不下,清华大学建筑节能研究中心的数据显示, 2018年我国建筑建造和运行相关的二氧化碳排放量约占我国总二氧化碳排放量的42%[5]。因此,建筑领域的减排工作对于全球碳达峰、碳中和目标的实现至关重要,部分国家也对其建筑领域的减排工作进行了规范、管理和引导。而国内的相关工作还有所欠缺,亟需更多更具体的规范、目标、政策等来引导和推进相关工作[6]。本文重点梳理建筑领域相关的碳中和与碳达峰的概念,分析和总结发达国家已有的建筑领域碳中和目标及路线,旨在为我国建筑领域碳达峰、碳中和技术路线的制定提供参考,助力我国建筑领域尽早实现碳中和及碳达峰的目标。

1 建筑领域碳达峰与碳中和相关概念

碳达峰与碳中和作为新生概念,明确其定义与相关定义的含义对行业乃至全社会推动目标的实现具有重要意义。

1.1 碳达峰及碳中和

碳中和是如今世界各国应对气候变化的终极目标之一,《生态经济建设大辞典(上册)》中给出了碳中和的定义:“碳中和指总释放碳量为零,排放多少碳就作多少碳抵消措施来达到平衡”[7]。碳中和需建立在总碳排放量下降到一定程度的前提下,但由于人类的生产生活,碳排放量不可能下降到零,余下的这部分可通过以下几种手段进行碳抵消:一是利用碳吸收或碳捕获、利用与封存(CCUS)去除排放到大气中的二氧化碳;二是通过生产可再生能源,使本身的碳排放量得到补偿;三是通过碳交易购买一定的碳排放权,当碳抵消的总量大于或等于碳排放量时,即可称为达到碳中和。

碳达峰是实现碳中和的先决条件,虽然在碳中和定义的描述中,可用碳捕获、碳封存、生产可再生能源等方式抵消已产生的碳排放量,但考虑到该技术的局限性,无法用于抵消过多的碳排放量,因此需将总体的碳排放量降至一个足够低的数值,再运用抵消的方式实现碳中和。碳达峰指碳排放量在某一时期达到总量峰值,但在之后会进入平台期并有一定波动(一般要求平台期不会出现超过峰值的波动值),最后进入平稳下降阶段。一些已有的规定对碳达峰提出了更高的要求。世界资源研究所要求将提交的峰值目标与之后的碳排放清单进行比较,以保证碳达峰的可靠性[8]。联合国环境署则要求在碳达峰后5年,其碳排放量需较峰值减少10%以上,并无条件承诺会进一步减少碳排放量[9]。

在建筑领域中,碳排放主要来自于建筑建造和运行2个阶段,又可进一步细分为土地利用过程中释放固化的二氧化碳带来的直接排放、建材生产和建筑建造过程中的直接/间接二氧化碳排放、运行阶段能源使用带来的直接二氧化碳排放和用电带来的间接二氧化碳排放[4]。各国建筑领域应分别从这些角度入手,采取合理且有效的措施,有效控制和减少碳排放。

目前,大多数国家建筑领域的碳达峰、碳中和工作仍处在起步阶段,中国相较于大部分发达国家,面临着更为严峻的挑战。我国当下最为紧迫的任务是制定相关的政策、法律和规范,实现以碳排放量来衡量和评估建筑。因此,本文对建筑领域的低碳建筑、零碳建筑等有关概念进行了整理、归纳总结。

1.2 低碳建筑

目前,我国建筑节能领域主要聚焦于降低建筑能耗,对其作了大量研究并制定了一系列关于绿色建筑、低能耗建筑等的规范和标准。诚然,对实现《巴黎协定》所需的碳减排而言,利用可再生能源并实现建筑高能效是重要的目标。但将能源利用作为唯一的评价指标,无法确定排放物对环境的全部影响,通常以温室气体排放量(以碳当量衡量)来表示建筑排放物对环境的影响。随着碳达峰、碳中和目标的提出,建筑领域势必要向低碳建筑方向转型。但目前在建筑碳排放领域中,低碳建筑仍是一个较为模糊的概念,在现有的各国标准中尚无明确的定量标准,且各国有关部门、研究机构提出的定性标准也有一定的区别。

芬兰赫尔辛基省环境部在《低碳建筑采购标准》中定义低碳建筑为关注全寿命周期,在能源、材料和技术等方面进行创新,以减少碳排放的建筑[10]。Frank等人提出低碳建筑的目标是在确保有效的室内舒适性的同时,产生的二氧化碳排放量远低于普通建筑[11]。Luo等人描述低碳建筑为通过使用低碳材料、低碳技术和可再生能源等手段,在建筑全寿命周期内减少碳排放量并提高能源性能的建筑[12]。Jones强调,低碳建筑应以降低建筑产品的能源需求为基础,充分利用可再生能源[13]。在国家发展和改革委员会组织编写的《生态经济建设大辞典(上册)》中,对低碳建筑进行了如下定义:低碳建筑指在建筑的全寿命周期内,以低能耗、低污染、低排放为基础,最大限度地减少碳排放,为人们提供具有合理舒适度使用空间的建筑模式[7]。因此,低碳建筑的实现需建立在绿色建筑的基础上,而不能为减少碳排放而影响建筑的环境效益,以及人的健康与舒适。

综合以上的描述和定义,低碳建筑应做到在建筑全寿命周期内,保证健康和舒适性的基础上,在材料、能源、技术等方面进行改进,降低建筑碳排放。而与目前大力推行的低能耗建筑相比,二者都是建立在绿色建筑的基础上,但他们聚焦的角度和衡量建筑的方式不同,低能耗建筑以建筑能源的种类和消耗量为评判标准,而低碳建筑以碳排放量作为主要评估标准;另一方面,低碳建筑是一个涉及建筑全寿命周期的概念。为实现该目标,从业者和研究人员应聚焦建材生产、建造、建筑运行乃至拆除等阶段,努力降低全过程中的建筑碳排放量。

低碳建筑是建筑领域在碳中和大背景下的努力方向,为更好地推进和建设低碳建筑,需要有关政策、规范及评估体系的指引。如建筑直接、间接碳排放量的划分,以及低碳建筑排放量的限额和目标等问题都需要进一步的研究。

1.3 零碳建筑

参照《生态经济建设大辞典(下册)》[14]、《生态文明建设大辞典(第一册)》[15]中低碳城市和零碳建筑的定义,零碳建筑可视为在低碳建筑基础上提出的更为激进的目标,是指在建筑的全寿命周期内,以低能耗、低污染、低排放为基础,通过清洁能源利用、植物净化等手段,最大限度地减少碳排放,直至实现零排放。

建筑实现零碳排放的方式有减碳和碳中和。常见的手段包括:提高能效、提高能源利用效率、现场或场地外生产清洁可再生能源、购买场地外清洁可再生能源等。在一些定义中只允许使用部分手段,一些定义给出了这些技术策略使用的优先顺序。如世界绿色建筑委员会(WGBC)规定了实现零碳建筑允许采用的技术的优先级[16],如表1所示。

表1 WGBC对于实现零碳建筑手段优先级的规定

目前,零碳建筑的定义并不完全统一,不同国家、不同研究机构和学者给出的定义在允许采用的碳中和技术、涵盖的寿命周期、涵盖的能源使用范围等方面有所区别。如英国零碳中心对零碳建筑的定义中包含常规的能源使用(包括供暖、制冷、热水、照明)导致的碳排放,而非常规的能源使用(包括烹饪和插座系统)导致的碳排放则不在考虑范围内[17]。考虑到零碳建筑标准较为严苛,导致短期内无法实现,挪威设立了5个等级以适用于不同的建筑类型和当地条件[18],如表2所示,通过限定碳补偿可抵消的排放类型,给出了实现难度由高到低的零碳建筑等级,构成了一个较为完善的体系,以规范不同区域和不同条件下建筑的减排工作。

表2 挪威各等级的零碳建筑

1.4 其他有关概念

零碳建筑作为建筑领域碳减排工作的终极目标之一,是一个较为严苛的概念,实现难度较大。完善低碳建筑的体系,还需要概念的支撑,如净零排放建筑、净零碳建筑等,为建筑部门和相关从业者提供一条较为可行的发展路径。

Torcellini等人在研究中给出了净零排放建筑的概念:建筑物所产生的可再生能源能量应等于或多于其二氧化碳排放量所对应的一次能源能量[19]。

挪威有关机构对净零排放建筑的定义为:建筑产生的可再生能源对应的二氧化碳当量多于或等于二氧化碳排放量,同时规定了净零排放建筑的碳排放量不能通过碳交易的手段来抵消,但可以通过现场可再生能源的生产进行碳补偿[20]。

英国有关机构给出的全寿命周期净零碳建筑的定义为:通过抵消或现场可再生能源补偿等方式使其全寿命周期碳排放量为零或负值的建筑。同时,在该定义的界定中,不承认通过碳交易手段进行的抵消,可通过现场及场地外可再生能源进行碳补偿,同时遵循世界绿色建筑委员会给定的优先级[21]。

1.5 低碳建筑领域概念比较

低碳建筑及相关概念的关系如表3所示。低碳建筑是碳中和大背景下建筑领域发展的必经之路,是一个较为广泛的概念,是建筑领域未来发展的大框架之一;零碳建筑是在低碳建筑基础上较为激进的目标,相应地,其实现难度也较大,可作为建筑减排工作的终极目标之一,但短期内难以达到,需更多的目标来指引短期的减排工作;净零排放建筑、净零碳建筑等一些相关概念的要求相较于零碳建筑低,且可通过更多的方式达到,可以作为低碳建筑体系的重要补充,可作为短期建筑减排的目标。

表3 低碳建筑及其相关概念简介、比较

应根据我国的具体情况,对于地理位置不同、减排难度不同的建筑,给出具体的定义和界定,形成科学合理的低碳建筑评价体系,为我国建筑领域的减排工作提供方向和指引。

2 主要国家建筑领域碳中和目标及技术路线

在目前已提出碳中和承诺的国家中,部分国家出台了相关的政策和法律,给定了各个行业在实现碳中和道路上应肩负的责任和对应的目标。一些国家也针对建筑领域的碳排放制定了目标和政策,可为我国建筑领域碳达峰和碳中和的实现提供参考。

2.1 英国

英国作为世界上最早以法律形式确定减排目标的国家之一,在2019年发布了修订版的《气候变化法案》[22],正式确立了2050年实现碳中和的目标,并在后续发布的一系列文件和政策中给出了各行业的碳中和目标路线。

英国减排进展报告及Climate Watch的研究展示了目前英国建筑碳排放的水平和减排进度[23-25],如图1所示,在提出第一版《气候变化法案》后的7年间(即2008—2015年),英国的建筑碳排放量下降了17%,但随后,其建筑减排工作陷入了瓶颈,甚至出现了反弹。同时,以2017年的数据为例,英国建筑的总耗电量占到全国总耗电量的66%,相当于4 800万t的间接碳排放量。由以上数据可见,英国建筑领域目前的减排形势不容乐观。

图1 英国建筑领域历史碳排放量趋势

针对这一情形,为顺利在2050年实现碳中和的目标,英国气候变化委员会为建筑领域减排目标的制定提出了如下建议:到2030年,将居住建筑的碳排放总量(二氧化碳当量)降低到6 200万t,非居住建筑的碳排放总量降低到110万t;到2050年,通过运用清洁能源、采用节能和低碳的供暖措施、改善照明和电器效率等途径,将居住建筑的碳排放总量降低到400万t,公共建筑的碳排放总量降低到60万t[26]。后续出台的一系列文件和政策给出了更具体的目标和措施,如表4所示。

表4 英国建筑领域减排有关政策、目标

由以上分析可知,英国目前的建筑减排政策主要针对未来的新建建筑,从建筑能源使用及建筑性能入手,以求在短时间内用较低的成本取得更好的成效。

2.2 加拿大

加拿大总理特鲁多在其连任时的施政纲要中宣示了加拿大2050年实现净零碳排放的目标[33]。在后续的一系列法律和政策中对于各部门、各行业的碳排放现状进行了分析,并给出了后续的工作方向和努力目标。

加拿大住建部的数据表明,加拿大住宅领域的碳排放在1990—2014年间下降了11%[34]。同时,加拿大环境和气候变化署及Climate Watch[35-36]的数据展示了加拿大建筑领域近10年来的温室气体排放量,如图2所示。其中,2018年的建筑运行阶段直接碳排放量占全国总排放量的9.8%,若加上耗电量折合的间接碳排放,该数值将达到18.0%。由此可见,合理控制并有效减少建筑领域的碳排放,是加拿大实现2050年净零排放目标的必经之路。

图2 加拿大近年来建筑运行阶段碳排放情况

并且,类似于英国,加拿大近年来的碳排放量也出现了波动甚至反弹的情况。该情况可能是近年来居民对建筑舒适性等要求越来越高,但清洁能源发展停滞、新技术难以实现突破等原因导致的。

各个企业每一项制度的实施无不存在着风险，而企业在发展过程中，对于可能出现的风险现象，应当考虑周全。企业在实施制度的时候，首先，应当正确认识其可能存在的各种风险，从而制定出相应地正确地解决对策，为企业获得更大利益。其次，企业应当完善管理制度，建立应收账款的完整体系，如建立信用评价制度、建立完善的合同管理制度、建立应收账款的责任制度、建立合理的奖罚制度，通过这些制度的建立与完善，来有效防止不良应收账款现象的发生，为企业谋求更大的利益。最后，应当组织专业的力量来规避风险，对已完成的应收账款进行管理，实时督促应收账款的动向，从而保障应收账款能够按期归还，给企业带来极大的经济效益。

在这一情形下,加拿大环境和气候变化署也给出了到2030年建筑碳排放量下降到8 200万t的目标。同时,为达成该目标,加拿大在后续的政策文件中给出了更具体的目标和举措,如表5所示。

表5 加拿大建筑领域减排有关政策、目标

加拿大目前的建筑领域碳中和及净零排放工作尚在起步阶段,从目前已出台的政策中可看出,其工作重心集中在后续更具体的目标、政策、规范的提出上。措施方面,除建筑运行、能源方面以外,加拿大也更多地聚焦在建材生产选择、建筑施工、改造乃至拆除方面。

2.3 新加坡

新加坡作为亚洲重要的发达国家,其在环境保护方面的工作和成果一直处于世界领先地位,同时,其气候条件和地理条件与我国东南地区较为相似,其建筑碳中和的实现途径值得我国有关部门参考和借鉴。

新加坡在其提交的国家自主贡献文档中提出了到2030年达到6 500万t的碳排放峰值的目标,该峰值相对于新加坡2005年的碳排放水平下降了36%。并在之后的长期减排发展战略中提出:到2050年,将碳排放量从峰值下降一半,至3 300万t,并期望在本世纪下半叶实现净零排放[40]。

根据Climate Watch的数据[36],新加坡近年来制造业和建筑领域的碳排放量数据和变化情况如图3所示。与英国等发达国家相比,新加坡建筑领域的碳排放量仍在随其经济的发展而不断增长,因此,其建筑领域的减排工作面临更大的挑战。新加坡政府和有关部门为解决这一问题进行了大量的工作和研究,并由此提出了一系列的目标和政策,为建筑领域的减排工作提供目标和指导。

图3 新加坡近年来建筑及制造业碳排放量变化情况

新加坡房屋和建筑监督局(BCA)于2005年出台了针对其亚热带气候的绿色建筑评级体系Green Mark Buildings(绿色标志建筑)[41],并于2018提出了一系列更为激进的目标[42],如:Super Low Energy Buildings(即能耗在2005年标准的40%以下的建筑)、Zero Energy Buildings(所有能耗均由可再生能源提供的建筑)及Positive Energy Buildings(仅由可再生能源供能,并可以向外界提供多余能量的建筑)。新加坡将上述内容作为建筑节能减排工作的目标,并通过各种补贴鼓励从业者进行建设和改造。同时,在后续政策文件中,新加坡也给出了建筑减排工作的具体路径、目标、时间节点等,如表6所示。

2.4 其他国家

除上述有完善的建筑减碳体系的国家外,一些国家在建筑领域也提出了减少碳排放的政策和要求。

美国政府在NDC计划[46]中给出了建筑领域脱碳战略,将通过提高建筑能效和电气化程度等措施减少建筑相关的碳排放;各任总统先后在行政令中提出,提高建筑能源效率、测量和减少温室气体排放;增加可再生能源使用;进行建筑电气化和建筑脱碳改造[47]。

日本政府设定了到2030年建筑领域减排46%及2050年实现碳中和的目标,规划将为超过60%的新建建筑引入太阳能[48];其建筑领域提出,将通过提高围护结构隔热、遮阳性能、利用自然能源、提高能效等方法改善建筑排放,同时指出通过改进建材生产工艺以降低建筑材料生产环节的碳排放[49]。

德国政府规定,到2030年其建筑领域温室气体排放量(二氧化碳当量)降至6 700 t以下[50],提出将为建筑翻新、改造提供资助,以帮助建筑物具有最优的能效和供暖性能,将进一步完善建筑评级体系和能源咨询制度[51]。

3 建议

我国建筑领域碳中和工作面临着当前排放强度大、目标周期短的问题,任务极为艰巨。回顾现有减排的工作,有关部门对建筑领域的碳达峰、碳中和提供了相应的指引,如表7所示。

表7 我国现有建筑领域减排工作的有关政策

相较于前面介绍的发达国家,我国建筑领域减排工作尚处于起步阶段,存在缺少定量、具体的政策和指引,没有分时间节点制定的行动目标等问题。在后续进一步推进减排工作时,应广泛吸取各国经验。本文参考上述国家的减排行动,结合我国的现状,为我国建筑领域碳中和的路径提出如下建议:

1) 对建筑减排工作应有全局意识,关注建筑全寿命周期的碳排放量,为此,建筑部门应加强和能源、工业等部门的沟通,广泛调研、统计建筑全寿命周期各阶段的碳排放情况,并进行合作,制定合理有效的监控、减排计划。

2) 有关部门需尽快引领从业人员转变有关观念,普及建筑减排不完全等于建筑节能的理念,避免工作重心的偏离,给出权威的低碳建筑等概念,以给出明确的工作目标,同时尽可能加强建筑碳排放强度与卫生、健康、舒适及节能等目标的协同。

3) 建立权威的碳排放量及碳排放强度监控、计量体系,并在此基础上计算减排量,给予减排成果突出的企业和单位以奖励和宣传,有关部门也应对成功的减排案例进行资料的搜集、总结,以为后续的工作提供参考和借鉴,并尽可能为从业者的建筑减排工作提供具体的指引。

4) 在减排工作推进过程中,应尽快制定分时间节点的减排目标和量化评估标准,在现有的重庆市、北京市等低碳建筑标准中仍是以评分的形式来衡量,应尽快给出以碳排放量为衡量的低碳建筑标准;在全建筑领域,制定目标政策时应更多地加上恰当的时间节点,以推动减排工作稳步有序地开展。

5) 对于减排对象,不能仅关注新建建筑的减排工作,应同样重视既有建筑,在对其进行节能等方面的改造时,辅以对其碳排放性能的改进;对于各类型的建筑,碳排放量较大的商业、工业建筑可作为优先减排的对象,其减排行动也可为居住建筑的减排工作提供借鉴。

6) 在具体行动方面,可充分借鉴国外已有的减排行为,通过改革结构、采用低碳建材等措施减少建设阶段碳排放;通过推行建筑电气化、采用高效热泵技术、利用可再生能源、规范用户行为、改善围护结构性能等方式减少运行阶段碳排放;也可通过垂直、屋顶绿化,可再生能源生产等手段中和建筑产生的碳排放量。

4 结论

本文通过分析建筑减排的必要性,介绍了建筑领域碳达峰、碳中和的有关概念,总结并分析了一些发达国家的建筑减排目标、措施政策等,旨在为我国建筑领域减排措施及碳中和技术路线的制定提供参考和借鉴,得到以下结论:

1) 目前,建筑领域全过程碳排放量占我国总碳排放量的42%,合理制定建筑领域碳达峰、碳中和的目标节点,规划其技术路径,对于我国2060年碳中和目标的实现至关重要。但建立减排目标的同时,需要我国社会各界对低碳建筑的概念、界定条件、评估阶段等有清晰且统一的认识。因此,应充分了解、参考国内外的有关资料,给出标准的定义,并在此基础上提出更具体的碳减排措施及标准。

2) 国外部分发达国家在提出碳达峰、碳中和目标之余,也给出了建筑领域减排的目标和技术路线,对我国有关部门的政策制定有参考意义。我国有关部门应充分吸取发达国家的经验教训,避免出现建筑领域减排工作停滞甚至反弹的情况,制定相关目标时应落在实处,并充分考虑未来发展趋势,以在未来切实做到建筑领域碳达峰、碳中和。

3) 因气候类型、地理条件、民俗习惯、经济水平及目前排放量等因素的不同,各国建筑减排目标和技术路径存有差异。在制定相关政策时,有关部门也应充分考虑上述条件,借鉴各国路径的可取之处,如划分不同阶段的工作重点,使某一类型或某一地区的建筑优先实现碳中和,最终制定合理且符合我国现状的目标、规范及政策等。

4) 建筑的减排工作应由各部门共同努力,关注建筑全寿命周期的情况;建筑的碳排放强度应力求和建筑能耗各项性能协同;应尽快建立起成熟的建筑碳排放量计量、监控体系;减排工作的对象应兼顾新建建筑与既有建筑,其中,大型公共建筑碳排放量较大,减排优先级较高;需充分借鉴已有建筑减排案例,选取合理有效的减排手段。