暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２１年第５１卷第５期１［引用本文］江亿，胡姗．中国建筑部门实现碳中和的路径［Ｊ］．暖通空调，２０２１，５１（５）：１－１３中国建筑部门实现碳中和的路径清华大学江亿☆胡姗摘要建筑部门是能源消费的三大领域（工业、交通、建筑）之一，也是造成直接和间接碳排放的主要责任领域之一。在２０３０年之前力争实现碳达峰，２０６０年实现碳中和，这是中央对我国低碳发展给出的明确目标和时间表。中国建筑部门实现碳中和意味着零排放，指的是建筑部门相关活动导致的二氧化碳排放量和同样影响气候变化的其他温室气体的排放量都为零。针对我国建筑部门的运行直接碳排放、运行间接碳排放、建造和维修导致的间接碳排放及运行导致的非二氧化碳类温室气体排放进行了分析，指出了我国建筑领域碳排放的现状水平、主要来源、减排关键问题和实现零排放的路径与关键技术。指出“生态文明的发展理念是实现碳中和的基础”，并给出了我国实现建筑部门碳中和的四个主要任务：取消直接碳排放，协助减少电力和热力使用导致的间接碳排放，减少建造和维修用材的生产和运输导致的碳排放，以及避免建筑空调制冷系统使用中非二氧化碳类温室气体的排放，应该促进这四个领域的革命性变化和关键低碳技术的应用，通过碳中和目标的实现来推动我国建筑行业的技术进步和跨越式发展。关键词建筑部门碳中和生态文明直接碳排放间接碳排放温室气体排放ＰａｔｈｓｔｏｃａｒｂｏｎｎｅｕｔｒａｌｉｔｙｉｎＣｈｉｎａ’ｓｂｕｉｌｄｉｎｇｓｅｃｔｏｒＢｙＪｉａｎｇＹｉ★ａｎｄＨｕＳｈａｎＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓｅｃｔｏｒｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｍａｊｏｒｓｅｃｔｏｒｓｏｆｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ（ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄｂｕｉｌｄｉｎｇ），ａｎｄｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎａｒｅａｓｏｆｒｅｓｐｏｎｓｉｂｉｌｉｔｙｆｏｒｄｉｒｅｃｔａｎｄｉｎｄｉｒｅｃｔｃａｒｂｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｓ．Ｓｔｒｉｖｅｔｏａｃｈｉｅｖｅｃａｒｂｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｐｅａｋｓｂｙ２０３０ａｎｄｃａｒｂｏｎｎｅｕｔｒａｌｉｔｙｂｙ２０６０，ｔｈｉｓｉｓａｃｌｅａｒｇｏａｌａｎｄｔｉｍｅｔａｂｌｅｓｅｔｂｙＣｈｉｎｅｓｅｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔｏｎｌｏｗｃａｒｂｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｃａｒｂｏｎｎｅｕｔｒａｌｉｔｙｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇｓｅｃｔｏｒｍｅａｎｓｚｅｒｏｅｍｉｓｓｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈｍｅａｎｓｔｈａｔｔｈｅｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｅｍｉｓｓｉｏｎｓａｎｄｏｔｈｅｒｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｇａｓｅｍｉｓｓｉｏｎｓｃａｕｓｅｄｂｙａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇｓｅｃｔｏｒｅｑｕａｌｔｏｚｅｒｏ．Ａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｄｉｒｅｃｔｅｍｉｓｓｉｏｎｓｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｈａｓｅ，ｉｎｄｉｒｅｃｔｅｍｉｓｓｉｏｎｓｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｈａｓｅ，ｉｎｄｉｒｅｃｔｅｍｉｓｓｉｏｎｓｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｐｈａｓｅａｎｄｎｏｎ－ＣＯ２ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｇａｓｅｍｉｓｓｉｏｎｓｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｈａｓｅｉｎＣｈｉｎａ．Ｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓ，ｍａｉｎｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｋｅｙｉｓｓｕｅｓｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｓｅｃｔｏｒ’ｓｅｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｐｒｏｖｉｄｅｓｐａｔｈｓａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｚｅｒｏｃａｒｂｏｎｉｎＣｈｉｎａ’ｓｂｕｉｌｄｉｎｇｓｅｃｔｏｒ．Ｅｍｐｈａｓｉｚｅｓｔｈａｔ“ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｎｃｅｐｔｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｃｉｖｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒａｃｈｉｅｖｉｎｇｃａｒｂｏｎｎｅｕｔｒａｌｉｔｙ”，ａｎｄｉｎｄｉｃａｔｅｓｆｏｕｒｍａｊｏｒｔａｓｋｓｆｏｒＣｈｉｎａｔｏａｃｈｉｅｖｅｃａｒｂｏｎｎｅｕｔｒａｌｉｔｙｉｎｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓｅｃｔｏｒ：ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄｉｒｅｃｔｃａｒｂｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｓ，ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｔｏｒｅｄｕｃｅｉｎｄｉｒｅｃｔｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙａｎｄｈｅａｔｓｕｐｐｌｙ，ｒｅｄｕｃｅｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｌｅａｋａｇｅｆｒｏｍｂｕｉｌｄｉｎｇｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｓｅｆｏｕｒｆｉｅｌｄｓａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｋｅｙｌｏｗ－ｃａｒｂｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｓｈｏｕｌｄｂｅｐｒｏｍｏｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｌｅａｐｆｒｏｇｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａ’ｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｄｕｓｔｒｙｓｈｏｕｌｄｂｅｐｒｏｍｏｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｎｅｕｔｒａｌｉｔｙｇｏａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｂｕｉｌｄｉｎｇｓｅｃｔｏｒ，ｃａｒｂｏｎｎｅｕｔｒａｌｉｔｙ，ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｃｉｖｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｄｉｒｅｃｔｃａｒｂｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎ，ｉｎｄｉｒｅｃｔｃａｒｂｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎ，ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｇａｓｅｍｉｓｓｉｏｎ★ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ☆江亿，男，１９５２年４月生，博士研究生，教授，中国工程院院士１０００８４北京市海淀区清华大学建筑学院建筑节能研究中心Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｙｉ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０２１－０４－０８０引言在２０３０年之前力争实现碳达峰，２０６０年实现碳中和，这是中央对我国低碳发展给出的明确目标和时间表。低碳发展不仅仅是能源领域的任务，而是涉及各行业、各部门的各项工作，将对我国今后４０年的社会经济发展带来巨大和深远的影响。建筑部门是能源消费的三大领域（工业、交通、建筑）之２暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２１年第５１卷第５期本刊特稿一，从而也是造成直接和间接碳排放的主要责任领域之一。大力减少建筑部门相关过程中的碳排放，将极大地改变建筑建造、运行、维护维修各个环节的理念和方法，使整个行业产生巨大的革命性变化。碳达峰年份是指在这一年之后的碳排放将逐年下降。碳排放总量是单位ＧＤＰ的碳排放量与ＧＤＰ的乘积，随着我国社会经济发展，ＧＤＰ总量一定会持续增长，而随着节能减排的不断深入，单位ＧＤＰ对应的碳排放量应该不断下降。当ＧＤＰ的增长速度高于单位ＧＤＰ碳排放量的下降速度时，碳排放总量就出现增长，而单位ＧＤＰ碳排放量的下降速度高于ＧＤＰ的增长速度时，碳排放总量就会下降。单位ＧＤＰ碳排放量的下降速度与ＧＤＰ的增长速度相平衡时，就应该是碳达峰的时间。因此碳达峰年份表明了发展模式的转变，由追求ＧＤＰ增长总量的高速发展模式转为更追求发展质量、追求节能减碳的高质量发展模式。我国目前ＧＤＰ年增长率已降低到６％左右，未来很难再出现超过１０％的高速增长。而单位ＧＤＰ能耗则持续下降，从２０１４年以来每年下降５％～７％（见图１）。随着能源革命的不断深入，零碳能源（核电、风电、水电、光电）在能源总量中的占比不断提高，而单位ＧＤＰ碳排放量等于单位ＧＤＰ能耗与单位能耗的碳排放量的乘积，由此可得到碳达峰指标为：碳达峰指标＝ＧＤＰ增速×单位ＧＤＰ能耗的降低×单位能耗碳排放量的降低。碳达峰指标大于０，则碳排放总量持续增长；碳达峰指标等于０，则碳排放达峰；而当碳达峰指标小于０时，则碳排放总量将持续下降。图１给出了我国自２０１０年以来每年ＧＤＰ、单位ＧＤＰ能耗和单位能耗碳排放量的变化，可以看到，碳达峰指标正在逐年降低。随着能源结构的调整，单位能耗碳排放量不断降低，碳达峰指标将很快达到０甚至小于０。然而，碳中和是指碳排放总量要等于或小于碳汇所吸附的总量。研究表明，我国未来可实现的碳汇很难超过１５亿ｔ二氧化碳，这只相当于我国近年来二氧化碳排放总量的１／７。由于有些基础工业需要燃烧过程，不可避免地要排放二氧化碳，所以碳汇指标最多用于中和这些无法实现零排放的工业过程。对大多数部门来说，实现碳中和就意味着零排放。对于建筑部门，应该把零排放作为实现碳中和的基本目标。所以与碳达峰相比，实现零碳图１我国单位ＧＤＰ能耗和单位能耗碳排放量的变化［１］排放更是巨大的挑战。因此，研究实现碳达峰、碳中和的路径，应该先根据社会、经济和科技的发展，设计出未来在满足社会发展、经济富足和人民生活满意条件下的零碳场景，然后再研究从目前的状态怎样走向这一零碳目标的过程，得到实现碳达峰、碳中和的合理路径。什么是建筑部门的零碳？就是建筑部门相关活动导致的二氧化碳排放量和同样影响气候变化的其他温室气体的排放量都为零。那么什么是建筑部门相关活动导致的排放量呢？按照对碳排放的研究和定义，可以分为以下４种类型：１）建筑运行过程中的直接碳排放；２）建筑运行过程中的间接碳排放；３）建筑建造和维修导致的间接碳排放；４）建筑运行过程中的非二氧化碳类温室气体排放。下面分别讨论这４类碳排放的现状、减排途径２０２１（５）江亿，等：建筑部门实现碳中和的路径３和最终目标。１建筑运行过程中的直接碳排放这主要指建筑运行中直接通过燃烧方式使用燃煤、燃油和燃气等化石能源所排放的二氧化碳。从外界输入到建筑内的电力、热力也是建筑消耗的主要能源，但由于其发生排放的位置不在建筑内，所以建筑用电力、热力属于间接碳排放，不属于建筑的直接碳排放。我国目前城乡共有６４４亿ｍ２建筑，如果以建筑外边界为界线，考察这一界限内发生的由于使用化石燃料而造成的二氧化碳排放，可发现主要是以下几种活动通过燃烧造成的碳排放：１）炊事。我国城市居民、单位食堂和餐饮业多数采用燃气灶具，农村则使用燃气、燃煤和柴灶。柴灶使用生物质能源，其排放的二氧化碳不属于碳排放范围。燃煤每释放１ＧＪ热量就要排放约９２ｋｇ的二氧化碳，而燃气释放同样热量也要排放约５０ｋｇ二氧化碳，目前我国由于炊事排放的二氧化碳约为每年２亿ｔ，约占全国二氧化碳排放总量的２％。用电力替代炊事，实现炊事电气化，是炊事实现零碳的最可行途径。近年来随着新一轮的全面电气化行动，各类电炊事设备不断出现，从家用小型的蒸蛋器到大食堂的电蒸锅、炒锅，在技术上完全可以实现炊事的电能全覆盖，同样可以保证中国菜肴的色香味。而按照热值计算，如果电价为０．５０元／（ｋＷ·ｈ），相当于燃气的价格为５元／ｍ３。由于电炊事设备的热效率一般可达到８０％以上，远高于燃气炊具４０％～６０％的热效率，所以按照目前的价格体系，燃气炊具改为电炊具后，燃料成本基本不变。因此，实现炊事电气化，取消燃煤、燃气的关键是烹调文化。通过电炊具的不断创新和电气化对实现低碳重要性的全民教育，我国炊事实现零直接碳排放应无大障碍。２）生活热水。我国目前城镇基本上已普及生活热水。除少数太阳能生活热水外，采用燃气和电驱动制备生活热水大致相等。目前全国制备生活热水大约造成全年二氧化碳排放０．８亿ｔ，接近全国碳排放总量的１％。用电热水器替代燃气热水器，应该是未来低碳发展的必然趋势。电驱动制备生活热水分电直热型和电动热泵型。目前国内已有不少厂家生产相当可靠的热泵热水器，全年平均ＣＯＰ可达３以上。这样，当电价为０．５０元／（ｋＷ·ｈ）时，采用热泵热水器获取１ＧＪ热量的电费为４８元，而燃气价格为３元／ｍ３时获取１ＧＪ热量的燃气费用为８６元。所以采用电动热泵制备生活热水以实现“气改电”在运行费上已经可以得到回报。即使是电直热方式，加热费用也仅为燃气的１．６倍。但对于分散的即热式电热水器，可以即开即用，避免放冷水的过程，也可减少热水管道的热损失，所以电热水器的综合成本也不高于燃气热水器。通过文化宣传和电热水器的推广，电热水器替代燃气热水器也是指日可待。３）供暖用分户壁挂燃气炉和农村与近郊区的分户燃煤供暖。北方城镇居住建筑约５％采用燃气壁挂炉，近几年华北农村清洁取暖改造也使燃气供暖炉进入了部分农户。此外就是目前７０％以上的北方农村及部分城乡结合部的居住建筑冬季仍采用燃煤炉具取暖。这些取暖设施导致每年超过３亿ｔ的二氧化碳排放，应该是全面取消建筑内二氧化碳直接排放工作的重点。除了室外温度可低到－２０℃以下的极寒冷地区，我国绝大多数地区都可以在冬季采用分散的空气源热泵供暖，近２０年来企业和研究部门合作的持续努力，使空气源热泵技术有了巨大的进步，可以满足绝大多数情况下的供暖要求。选择了合适的末端散热装置后，空气源热泵供暖可以获得不低于燃气壁挂炉的室内舒适性，而运行费、初投资又都不高于燃气系统。对于少数不适合采用空气源热泵的极寒冷地区，采用直接电热的供暖方式，运行费是采用燃气炉的１．５～２．０倍，这可能需要有关部门从减少碳排放的角度对部分低收入群体的“气改电”进行适当的补贴。４）医院、商业建筑、公共建筑使用的燃气驱动的蒸汽锅炉和热水锅炉。在多数场合下，燃气热水锅炉可以由空气源热泵替代，并可以降低运行费用。而很多蒸汽锅炉提供的蒸汽仅有很少部分用于消毒、干衣、炊事等必须采用蒸汽的场合，多数又被交换为热水，服务于其他生活热水需求。对于这种情况，应尽可能减少对蒸汽的需求，用热泵制取热水满足需求。个别需要蒸汽的场合，可以用小型电热式蒸汽发生器制备蒸汽。当蒸汽制备小型化、分散化之后，蒸汽传输、泄漏等造成的损失就可以大大减少，这样，尽管电制备蒸汽的燃料费用为燃气的１．５～２．０倍，但由于蒸汽泄漏损失的减少，实际的运行费用并不会增加。５）由于历史上某些地区电力供应不足的原因，我国部分公共建筑目前仍采用燃气型吸收式制４暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２１年第５１卷第５期本刊特稿冷机。这不仅导致二氧化碳的直接排放，其运行费也远高于电动制冷机。由于直燃型燃气吸收式制冷机的ＣＯＰ不超过１．３，当燃气价格为３元／ｍ３时，每ｋＷ·ｈ冷量的燃气成本为０．２３元，而当电价为０．８０元／（ｋＷ·ｈ）时，每ｋＷ·ｈ冷量的电费成本也不超过０．１５元。尽早把直燃型吸收式制冷机换成电驱动制冷机，在减少直接碳排放、降低运行费用等各方面都有很大效益。以上就是我国目前建筑内的二氧化碳直接排放，总量约为６亿ｔ。根据上面的分析，可以看出实现建筑内二氧化碳的直接排放为零排放，目前没有任何技术和经济问题，并且在多数情况下还可以降低运行成本，获得经济效益。实施的关键应该是理念和认识上的转变及炊事文化的变化。通过各级宣传部门、各种渠道使大家认识到，使用天然气也有碳排放，只有实现“气改电”才能实现建筑零碳，在政策机制上全面推广“气改电”，应该是实现建筑零直接碳排放的最重要途径。２使用电力、热力导致的间接碳排放目前建筑运行最主要的能源是外界输入的电力。我国２０１９年建筑运行用电量为１．８９万亿ｋＷ·ｈ。我国目前发电量中３０％为核电、水电、风电和光电，这些属于零碳电力，其余都是以燃煤、燃气为动力的“碳排放”电力。２０１９年我国每ｋＷ·ｈ电力平均排放０．５７７ｋｇ二氧化碳，因此建筑用电对应的间接碳排放为１１亿ｔ二氧化碳。再就是北方城镇广泛使用的集中供热系统，由热电联产或集中燃煤、燃气锅炉提供热源。燃煤、燃气锅炉的二氧化碳排放完全归于为了供暖导致的建筑间接碳排放；热电联产电厂的碳排放则按照其产出的电力和热力的来分摊。由此可得到我国目前城镇集中供热导致的二氧化碳间接排放量为４．５亿ｔ二氧化碳。这样，建筑用电和建筑供暖用热力这两项就构成每年１５．５亿ｔ的二氧化碳间接排放，占我国目前二氧化碳排放总量的１６％。随着建筑实现全面电气化，其他各类直接的燃料应用也将转为电力，这将使建筑用电量进一步增加。按照分析预测，２０４０年以后我国人口稳定在１４亿，其中城市人口１０亿，农村人口４亿；城乡建筑总规模为７５０亿ｍ２，其中北方城镇需要供暖的建筑面积达到２００亿ｍ２。这就使得建筑运行需要的电力、热力进一步增加，从而使得建筑用电、用热造成很大的二氧化碳间接排放。由于建筑的电力、热力供应造成的间接碳排放是建筑相关碳排放中最主要的部分，所以降低这部分碳排放，并进一步实现零碳或碳中和，成为建筑减排和实现碳中和最主要的任务。为此，必须改变电力和热力的生产方式，努力实现电力、热力生产的零碳或碳中和。核电、水电、风电、光电及以生物质为燃料的火电都属于零碳电力，如果使这些电力成为我国的主要电源，而只用少量的燃煤、燃气电力作为补充，再依靠一些二氧化碳捕捉和贮存的技术回收燃煤、燃气火电排放的二氧化碳，就有可能实现电力生产的碳中和。２．１零碳电力的布局和节能的重要性目前我国已有的核电装机容量约为０．５亿ｋＷ，主要布局在东部沿海。按照核电发展规划，从广东阳江、大亚湾直到大连红沿河，即使整个沿海地区可能的位置都规划布局核电，我国的沿海核电装机容量也仅能发展到２亿ｋＷ，年发电量为１．５万亿ｋＷ·ｈ。而内地的核电发展受到地理条件、水资源保障等多种因素限制，目前还没有下决心布局。我国水力资源丰富，但除青藏高原外，水力资源已经基本开发完毕。目前已建成和即将建成的水电装机容量为４亿ｋＷ，年发电量为１．６万亿ｋＷ·ｈ；未来可开发利用的装机容量上限为５亿ｋＷ，年发电量为２万亿ｋＷ·ｈ。生物质燃料发电。我国目前生物质燃料开发利用程度还很差，每年商品形式的生物质能仅几千万ｔ（以标准煤计）。根据分析，我国各类生物质资源总量可达８亿ｔ（以标准煤计），这是唯一的零碳燃料，需要优先满足一些必须使用燃料的工业生产需要。这样，生物质能最多可为电力生产提供２亿ｔ（以标准煤计），每年发电０．６万亿ｋＷ·ｈ。这样，可以可靠获得并有效利用的核电、水电上限为７亿ｋＷ，年发电量为３．５万亿ｋＷ·ｈ。再加上未来可能的生物质发电，我国未来可以调控的零碳电力为８亿ｋＷ，每年可提供４万亿ｋＷ·ｈ电力。２０１９年我国电力供应总量为７．５万亿ｋＷ·ｈ。如果按照以上的分配，有４万亿ｋＷ·ｈ的零碳电力，那么不足的３．５万亿ｋＷ·ｈ电力就可以通过发展风电（包括海上风电）、光电来补足。我国目前风电、光电的装机容量都突破了２亿ｋＷ，风电、光电的年发电小时数在１２００～１５００ｈ之间，所以２０２１（５）江亿，等：建筑部门实现碳中和的路径５目前风电、光电发电总量约为５５００亿ｋＷ·ｈ。要满足上述３．５万亿ｋＷ·ｈ的零碳电力缺口，需要的风电、光电装机容量应在２４亿ｋＷ以上。发展风电、光电面临最大的问题是峰谷调节问题。如果按照目前的电力系统架构和调控模式，需要有风电、光电装机容量７０％以上的可调节电力与其匹配，才能适应风电、光电随天气的随机变化，在每个瞬间使发电功率与用电功率匹配。这样，２４亿ｋＷ的风电、水电需要１６亿ｋＷ的调峰电源。核电用于调峰经济性很差，因此只应作为基础电源。水电是非常好的调峰电厂，但仅有５亿ｋＷ。如果再利用各种可能的地理条件发展１亿ｋＷ抽水蓄能电站，那么还需要生物质燃料火电厂承担６亿ｋＷ调峰任务，年发电２０００ｈ，消耗４亿ｔ（以标准煤计）生物质燃料。按照上述分析，针对全国目前的７．５万亿ｋＷ·ｈ的用电总量，如果充分开发利用核电、水电、抽水蓄能电站，以及风电、光电和生物质能电站，可以实现电力系统零碳。但是如果进一步增加总的电量需求，就面临诸多困难。由于核电、水电和生物质燃料的火电都已经达到其发展上限，增加部分就只能通过风电、光电来满足。而进一步发展风电、光电面临如下困难：风电、光电的安装空间问题。风电、光电都属于低密度能源，视地理条件不同，其能源密度仅在１００Ｗ／ｍ２左右。如果未来需要每年８万亿ｋＷ·ｈ风电、光电，需要装机容量６０亿ｋＷ以上，需要的安装空间为６００亿ｍ２，也就需要至少６万ｋｍ２的土地。这样规模的土地在西北荒漠地区并不难找，但在这样的边远地区发展大规模风电、光电，再集中长途输电到东部负荷密集区，就必须有相应容量的可调电源来平衡其变化。然而如上所述，我国可挖掘的集中式零碳调峰电源的规模仅为１０亿ｋＷ，不可能解决６０亿ｋＷ风电、光电的调峰问题。这就使得此方向目前尚无解决问题的技术路线。只在西北安排５亿～１０亿ｋＷ的风电、光电，利用那里丰富的水力资源和部分生物质燃料的火电为其调峰，而沿海地区尽最大可能，发展５亿ｋＷ左右的海上风电。利用建筑屋顶和其表面发展光伏，利用中东部地区零星空地发展风电、光电。我国城乡建筑可利用屋顶空间约为２５０亿ｍ２，这样就要再利用各类零星空地２５０亿ｍ２，也就是２．５万ｋｍ２，发展不同形式的风电、光电。在建筑屋顶和零星空地发展分布式风电、光电，就有可能发展分布式蓄电和需求侧响应的柔性用电负载来平衡风电、光电的随机变化，解决电源与用电侧变化的不匹配问题。这时如果改变目前的集中式发电、统一输配电的方式，发展分布式发电、自发自用、分散调节，再加上一天内光伏发电的变化与用电负荷的变化的部分重合性，就可以把风电、光电配套的调峰功率从７０％降低到４０％～５０％，或者具有相当于风电、光电日发电量７０％的日储能能力就可以应对。如果在中东部发展分布式风电、光电５０亿ｋＷ，年发电量７．５万亿ｋＷ·ｈ，则采用分布式方式需要的调节能力为２５亿～３０亿ｋＷ，蓄能容量为２００亿ｋＷ·ｈ／ｄ就可以解决这样规模的风电、光电的调节问题。我国未来大力发展电动汽车，如果有２亿辆电动小汽车，其电池的平均容量为５０ｋＷ·ｈ，则就相当于有了每天储电能力１００亿ｋＷ·ｈ、充放电功率２０亿ｋＷ的蓄能装置。如果有４００亿ｍ２建筑通过安装分布式蓄电池和“光储直柔”配电改造为柔性用电方式，则也可以形成６亿ｋＷ左右的调峰能力。再努力发展一批可中断方式用电的工厂，就基本可以满足５０亿ｋＷ分布式风电、光电的调峰需求。以上是当风电、光电装机容量达６０亿ｋＷ（西部地区１０亿ｋＷ，中东部地区５０亿ｋＷ），每年提供风电、光电８万亿ｋＷ·ｈ时的情景。再加上核电、水电和生物质火电，电力总量为每年１３万亿ｋＷ·ｈ。可以看到，这已经属于非常困难的情况，各种资源全部调度，发展利用至极致，任何一个环节如果不能达到上述设想的最大程度，就难以实现总电量１３万亿ｋＷ·ｈ的目标。如果未来要求的总电量进一步增加，就会使零碳电力的目标很难实现。因为缺少足够的水力资源进行调峰，也缺少足够的生物质能源供给调峰火电。依靠更多的化学储能，或通过电解水制氢、用储氢的方式储能，可以解决一天内的风电、光电变化和几天内天气变化导致的风电、光电不足，但光电和水电都存在冬季短缺的问题，要求冬季有足够的调峰电源来平衡冬季的电力不足。生物质火电是解决电力季节差问题、充当季节调峰功能最合适的方式。而通过储能方式进行跨季节调峰，所需要的储能容量为日调峰需要容量的几十倍，所以无论是大规模蓄电池还是储氢，都不适宜作跨季节调峰。而同样受资源条件所６暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２１年第５１卷第５期本刊特稿限，我国也很难分出更多的生物质能源用于电力调峰，前面给出的每年用于调峰火电４亿ｔ的生物质能源已经是最大可能的上限。如果要求每年提供风电、光电１０万亿ｋＷ·ｈ，总的电量消费超过１５万亿ｋＷ·ｈ时，就很难破解上述诸多矛盾。此时可能的解决途径是挖掘更多的空间安装风力和光伏发电，来满足冬季用电的功率需求，而春、夏、秋季可能就有大量的弃风、弃电。这样增加的这部分风电、光电仅为了满足冬季需求，投资回报率就会很低。再一个可能的方式是保留部分火电，采用较大规模的ＣＣＳ（碳捕获与封存）或ＣＣＵＳ（碳捕获、利用与封存）回收这些火电排放的二氧化碳。这不仅需要大量投资，而且目前并没有找到真正可以把巨量的二氧化碳长期封存于地下或固化于建筑材料等大体量构造物中的可能的储存方式。火电＋ＣＣＳ和弃风、弃光这两条路径都对应着回报很低的巨大投资，都属于没有其他办法时不得已而为之的最后办法。然而如果能通过深度节能的方式，根据我国的水能、核能和生物质能资源条件，把年用电总量控制在１２万亿～１３万亿ｋＷ·ｈ以内，就不需要这些高投资而无回报的措施。而下大功夫节能，改变生产方式、生活方式，完全可以在每年１２万亿ｋＷ·ｈ电量的前提下，实现我国社会、经济和人民生活水平进入到现代化强国之列。此方面的深入研究和规划将另文详细讨论。建筑作为工业、交通、建筑这三大用能部门之一，节能将是实现碳中和的最重要的前提条件。在节能模式下，１２万亿ｋＷ·ｈ的电力消费总量可分配到城乡建筑运行领域３．５万亿ｋＷ·ｈ。相对于２０１９年建筑运行的１．８９万亿ｋＷ·ｈ用电量，尚有８０％的增长空间，这将服务于除了北方城镇冬季供暖之外的建筑用电的全面电气化，以及城镇化导致城镇人口从目前的８亿增长到１０亿所导致的城镇房屋进一步增加所需要的用电（２５％）、“气改电”所增加的用电（３０％），以及建筑服务水平和人民生活水平提高导致用电量的增长（２５％）。对应于未来的１４亿人口，３．５万亿ｋＷ·ｈ电力相当于人均建筑运行用电量２５００ｋＷ·ｈ／人，如果将其分配到居住建筑和公共建筑各一半，则居住建筑户均电耗３５００ｋＷ·ｈ／户，各类公共建筑平均用电６０ｋＷ·ｈ／ｍ２。这些指标都远低于美国、日本、西欧、北欧国家的目前状况，但远高于我国目前的建筑用电状况。从生态文明的发展理念出发，科学和理性地规划我国建筑用能的未来，坚持“部分时间、部分空间”的节约型建筑用能模式，不使欧美国家在建筑用能上奢侈浪费的现象在我国出现，这应该作为我国今后现代化建设的一个基本原则。２．２建筑从能源系统单纯的消费者转为支持大规模风电光电接入的积极贡献者上节已经说明，建筑本身已成为发展光电的重要资源。充分利用城乡建筑的屋顶空间和其他可接受太阳辐射的外表面安装光伏电池，通过这种分布式光伏发电的形式，可在很大程度上解决大规模发展光电时空间资源不足的问题，尽可能充分利用建筑表面安装光伏，应该成为建筑设计的重要追求，外表面的光伏利用率也应成为今后评价绿色建筑或节能建筑的重要指标。除了光伏发电，在零碳能源系统中，建筑还承担另一重要使命，协助消纳风电、光电。建筑自身光伏电力的特点是一天内根据太阳辐射的变化而变化。中东部地区和海上的风电、光电基地的发电量也是在一天内根据天气条件随时变化。这些变化与用电侧的需求变化并不匹配，从而就需要有蓄能装置平衡电源和需求的变化。建筑与周边的停车场和电动车结合，完全可以构成容量巨大的分布式虚拟蓄能系统，从而在未来零碳电力中发挥巨大作用，实现一天内可再生电力与用电侧需求间的匹配。这就要通过“光储直柔”新型配电系统实现。“光储直柔”的基本原理见图２，配电系统与外电网通过ＡＣ／ＤＣ整流变换器连接。依靠系统内配置的蓄电池、与系统通过智能充电桩连接的电动汽车电池，以及建筑内各种用电装置，ＡＣ／ＤＣ整流变换器可以通过调整其输出到建筑内部直流母线的电压来改变每个瞬间系统从交流外网引入的外电功率。当所连接的电动汽车足够多，且自身也配置了足够的蓄电池时，任何一个瞬间从外接的交流网取电的功率都有可能根据要求实现零到最大功率之间的任意调节，而与当时建筑内实际的用电量无直接关系。这样，各个采用了“光储直柔”配电方式的建筑就可以直接接受风电、光电基地的统一调度，每个瞬间根据风电、光电基地当时的功率分配各座建筑从外网的取电功率，调度各“光储直柔”建筑的ＡＣ／ＤＣ整流变换器，按照这一要求的功率从外电网取电。如果“光储直柔”建筑具有足够的蓄２０２１（５）江亿，等：建筑部门实现碳中和的路径７能能力及可调节能力，完全按照风电、光电基地调度分配的瞬态功率来从外电网取电，则可以认为这座建筑消费的电力完全来自于风电、光电，而与外电网电力中风电、光电的占比无关。图２“光储直柔”建筑配电系统未来我国将至少拥有３亿辆以上的电动小汽车（不包括出租车）。按照目前的配置，这些车辆每辆配置５０～７０ｋＷ·ｈ蓄电池。按照研究分析和统计，任何时刻这些车辆的８０％都停靠在停车场，处在行驶状态的小汽车不超过２０％。如果这些停靠的车辆都与充电桩连接，而这些充电桩又接入邻近建筑的“光储直柔”配电系统，则就拥有每天１５０亿ｋＷ·ｈ的蓄电能力。如果我国未来拥有４００亿ｍ２“光储直柔”建筑，每１００ｍ２设置１０ｋＷ·ｈ的蓄电池，则又具有每天３０亿ｋＷ·ｈ的蓄电能力。这些建筑和充电桩配合，具有３０亿ｋＷ的最大充电能力，可以每天在平均６ｈ内完成充电任务，满足３亿辆小汽车和４００亿ｍ２建筑的用电需要。３亿辆小汽车全年用电约６０００亿ｋＷ·ｈ，４００亿ｍ２建筑全年用电２万亿ｋＷ·ｈ，合计全年约２．６万亿ｋＷ·ｈ电力，约为未来风电、光电总量的３５％～４０％。如果未来风电、光电的３０％安排在我国西北戈壁，除满足当地用电需求外，通过那里的水电资源协调，西电东送供电；７０％的风电、光电为中东部负荷密集区内的分布式发电，则“光储直柔”建筑和停车场的电动汽车就可以消纳一半分布式风电、光电，基本解决大比例风电、光电后的消纳问题。我国未来城乡将有７５０亿ｍ２左右的建筑，其中城镇居住建筑３５０亿ｍ２，农村建筑２００亿ｍ２，办公和学校建筑１２０亿ｍ２，其他商业、交通、文化体育建筑８０亿ｍ２。居住建筑、办公与学校建筑都适宜采用“光储直柔”方式。如果这些建筑的６０％改造成“光储直柔”方式，则总量即为４００亿ｍ２。上述分析的前提仍然是大电网仅仅下行送电，作为电网终端的建筑并不向电网送电。“光储直柔”建筑和电动汽车只是通过蓄能，在电网上风电、光电富足时接收这些风电、光电，满足建筑和电动汽车的运行用电，这就不需要对电网作双向送电的大规模改造，不会对目前的电网系统带来太大的影响，而且在增加了３亿辆小汽车、２０亿～４０亿ｋＷ的充电功率后，并不要求电网相应地增加配电容量。对于个别的连阴天或静风天气，３亿辆小汽车还可以起很大的电力移峰作用，再通过５亿～６亿ｋＷ火电的短期运行补充电力的不足，依靠ＣＣＳ回收其所释放的二氧化碳。我国已建成规模庞大的火电发电能力，保留部分火电用于在这种情况下调峰，是经济上最合理的方案。而实际上我国水电、光电都存在夏季高、冬季低的季节差，解决冬夏间电源的季节差，最经济的方式也是依靠调峰火电。同时，冬季运行的调峰火电的余热又可以作为北方城镇建筑冬季供暖的热源。２．３获得零碳和低碳热力的途径我国目前北方城镇建筑有约１５０亿ｍ２冬季需要供暖，随着城镇化进一步发展和居民对建筑环境需求的不断提高，未来北方城镇冬季供暖面积将达到２００亿ｍ２。目前北方城镇供暖建筑的冬季平均耗热量为０．３ＧＪ／ｍ２，这就需要每年６０亿ＧＪ的热量来满足供暖需求。目前这些热量中约有４０％由各种规模的燃煤、燃气锅炉提供，５０％则由热电联产电厂提供，其余１０％主要通过不同的电动热泵从空气、污水、地下水及地下土壤等各种低品位热源提取。目前燃煤、燃气锅炉造成约１０亿ｔ二氧化碳的排放，热电联产和电动热泵供热也需要分摊电厂所排放二氧化碳的一部分责任。在未来要大幅度减少这部分碳排放，就要减少供暖需求的热量。现在的１５０亿ｍ２供暖建筑中，约３０亿ｍ２是２０世纪８０—９０年代建造的不节能建筑，其热耗是同一地区节能建筑的２～３倍，这是目前北方城镇建筑供暖热耗平均值为０．３ＧＪ／ｍ２，远高于节能建筑所要求的低于０．２ＧＪ／ｍ２的主要原因。此外，就是普遍出现的过热现象。很多供暖建筑冬季室内温度高达２５℃，远高于要求的２０℃的舒适供暖温度。当室外温度为０℃时，室温为２５℃的房间供暖能耗比室温为２０℃的房间高２５％。改造目前这３０亿ｍ２的不节能建筑，通过改进调节手段和政策机制尽可能消除室温过高的现象，未来可以把供８暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２１年第５１卷第５期本刊特稿暖平均热耗从０．３ＧＪ／ｍ２降低到０．２ＧＪ／ｍ２。这样，未来北方城镇需要供暖的２００亿ｍ２建筑需要的供热量为４０亿ＧＪ，低于目前１５０亿ｍ２４５亿ＧＪ的耗热量。由此可见，通过节能改造和节能运行降低实际需求，是实现低碳的首要条件。改革开放４０年来，我国北方城镇基本上建成了完善的集中供热管网，约８０％的城镇建筑具备与城镇集中供热热网连接的条件。我国目前已成为世界上集中供热管网最普及的国家。充分利用现有的管网条件，采集热电厂和工业生产过程的余热资源，是否可以满足供热热源需求呢？核电是未来零碳电力系统中的重要电源。我国目前已在沿海建成并运行０．５亿ｋＷ核电厂，年发电量接近４０００亿ｋＷ·ｈ。按照规划，未来将在东部沿海建设２亿ｋＷ的核电。其中至少有１亿ｋＷ建于从连云港至大连的北方沿海。１亿ｋＷ的核电需要排出低品位余热１．５亿ｋＷ。目前这些余热都排入海中，这是为什么要把核电厂建在海边的重要原因。而有效回收这部分热量，即使每ｋＷ发电功率回收１．２ｋＷ的余热，在冬季３０００ｈ也可得到３．６亿ＭＷ·ｈ，也就是１２．９亿ＧＪ的热量。如果采用跨季节蓄热，使核电全年都按照热电联产的方式运行，而在非供暖季将热量储存，则每年可获得３２亿ＧＪ的余热，几乎可满足８０％的北方地区供热需求。所以核能具有巨大的深度开发利用潜力。可以采用的技术路径是用核电余热通过蒸馏法进行海水淡化，制备温度为９５℃的热淡水。通过单管向需要热量和淡水的人口密集区输送热淡水，其经济性输送距离可达１５０～２００ｋｍ。在接近城市负荷区的首站可以通过换热方式把输送的淡水冷却到１０～１５℃，成为城市的淡水水源，而换出的热量则成为城市集中供热热源。如果海水温度为０℃，采用这种方式时８０％的余热成为城市集中供热热源，１５％的热量进入城市自来水系统或在输送过程中损失，５％随浓海水回到大海，这样北方核电余热冬季即可提供１０亿ＧＪ的热量用于城镇供热，同时每个冬季还可提供３０亿ｔ淡水，接近目前已完成的南水北调中线工程的年调水量。这对缓解北方沿海地区水资源短缺现象也可以起到很大作用。这一方式消耗的核电余热８０％都成为城市供暖热源，所以可认为是“零能耗海水淡化”，输送用水泵能耗仅为目前双管循环水方式的一半，所以经济输送距离可从目前的７０～１００ｋｍ增加到１５０～２００ｋｍ。而淡水是搭载在热量输送中，于是就实现了“淡水的免费输送”。研究海水淡化的流程又可以得到，制备热淡水的装置由于需要的换热能力减少了约３０％，所以装置的初投资比常规的蒸馏法海水淡化装置至少低１５％以上。这就使得这种利用余热“水热联产、水热同送和水热分离”的方式的初投资仅为利用余热分别进行海水淡化和热电联产的方式的５０％以下，输出等量的热与淡水产品所消耗的余热减少３０％。如果在城市附近利用湖泊或池塘等自然条件建设大规模的跨季节储热系统，则可以使核电全年排出的余热都得到有效利用。图３显示了带有跨季节蓄热的系统原理。非供暖季利用核电排出的余热制备热淡水，经长途输送后，进入大型蓄热水池顶层，置换出１０～１５℃的冷淡水从下部排出，经管道Ｂ、Ｃ送入自来水厂。在冬季供暖结束时蓄水池内全部为冷水，经过春、夏、秋季的持续置换，到开始供热时蓄水池内已经全部置换为９０℃的热水。供热季开始，从核电厂制备的热淡水继续进入蓄水池顶层，同时还从顶层流出更大流量的热水经过管道Ａ进入换热器，在水热分离装置中把热量释放给另一侧的热网循环水，自身冷却为１０～１５℃的冷水，一部分经管道Ｂ返回到蓄水池，一部分经管道Ｃ送入自来水厂。由于核电站一般全年运行７５００～８０００ｈ，这种带有跨季节蓄能的全年运行方式可以提供的淡水量和热量为前述仅冬季运行方式的２．５倍。如果有１亿ｋＷ的核电站，全年可提供２５亿ＧＪ的热量和７５亿ｔ淡水，可以满足沿海岸线法线方向２００ｋｍ以内地域的城镇２亿人口的全部建筑的供暖需求和一半的淡水需求。图３带有跨季节蓄热的海水淡化、水热联产系统对于远离海岸线的北方内陆地区，则可以采用用于冬季调峰的火电厂以热电联产模式运行所输出的余热。１ｋＷ发电能力可在发电的同时产生１．３ｋＷ以上的热量。这样，北方有３亿ｋＷ调峰火电就可以输出４亿ｋＷ热量，冬季平均运行２０００ｈ就可提供２８亿ＧＪ的热量，其７０％即可完全可以满足北２０２１（５）江亿，等：建筑部门实现碳中和的路径９方内陆１００亿ｍ２供暖建筑的热源需求。对于难以连接集中供热管网的部分城镇建筑，未来可能占城镇建筑总量的２０％，可以采用各类电动热泵热源方式，包括空气源、地源、污水源及２０００～３０００ｍ深的中深层套管换热型热泵方式。如果这些热泵方式的平均ＣＯＰ为２．５，则２０％的北方城镇建筑，也就是４０亿ｍ２建筑需要的８亿ＧＪ热量需要耗电９００亿ｋＷ·ｈ。这占我国３万亿ｋＷ·ｈ左右的冬季用电总量的３％，不会对电力系统的冬夏平衡带来太大的问题。３建筑的建造和维修耗材的生产和运输导致的碳排放我国制造业用能占全国能源消费总量的６５％，制造业用能导致的碳排放成为我国最主要的碳排放。而制造业用能中，８０％为钢铁、有色、化工和建材这４个产业用能。而化工产业的部分用能是以能源作为生产原料，并不构成碳排放。因此钢铁、有色、建材三大产业是我国制造业主要的碳排放产业。我国的这３个产业具有巨大的产能，２０１９年我国钢产量超过１０亿ｔ，为世界第一，而世界钢产量第二至第十的国家钢产量之和也没有达到１０亿ｔ。我国水泥、平板玻璃等的产量更是超过世界总产量的５０％以上。巨大的产量形成巨大的碳排放。而之所以具有这样的产量又是由于旺盛的市场需求所导致。进入２１世纪以来，我国经济发展的主要驱动力是快速城镇化带来的城镇建设和大规模基础设施建设。２０１９年城镇房屋总量几乎为２０００年的４倍，高速公路、高速铁路则从零起步，２０年的时间使我国的高速公路、高速铁路的总里程都位居世界第一。２０年建筑业和基础设施建造的飞速发展，极大地改变了我国土地的面貌，为实现美丽中国奠定了重要基础。然而，这样的建设速度就导致对钢铁、建材和有色金属产品的极旺盛需求。我国钢铁产品的７０％、建材产品的９０％、有色产品的２０％都用于房屋建造和基础设施建造，其中一半以上用于房屋建造。而这些产品的生产、运输又形成巨大的碳排放。我国民用建筑建造由于建材生产、运输和施工过程导致的二氧化碳排放量已达１６亿ｔ，接近建筑运行的２２亿ｔ的二氧化碳排放量。二者之和几乎达到我国碳排放总量的４０％，成为全社会二氧化碳排放占比最大的部门。尽管这１６亿ｔ建材生产运输的碳排放被计入工业生产和交通运输的碳排放中，但是如果没有旺盛的建筑市场需求，工业和交通部门就不会这样大规模生产和运输这些建材。所以这部分碳排放也应由建筑部门分担其减排责任。这样的房屋建设速度是否一直要持续下去呢？目前，我国城乡建筑建成面积已超过６００亿ｍ２，尚有超过１００亿ｍ２的建筑处于施工阶段。全部完工后，我国将拥有超过７００亿ｍ２建筑，人均建筑面积达５０ｍ２，其中城镇居住建筑人均将超过３５ｍ２，农村居住建筑面积更高，而公共建筑和商业建筑人均也将超过１０ｍ２。这样的指标已经超过目前日本、韩国、新加坡这３个亚洲发达国家的水平，并接近法国、意大利等欧洲国家水平。我国土地资源相对匮乏，中高层的居住建筑模式也使得居住单元面积小于欧美单体或双拼型住宅。据一些调查统计研究，我国目前城镇住房的空置率已超过２０％［２］，考虑三四年后将陆续竣工的１００亿ｍ２建筑（其中有６０％以上为居住建筑），即使进一步城镇化，城镇居民再增加２５％，从目前的８亿人口增加到１０亿人口，住房总量也基本满足需求。部分居民的住房问题完全是房屋分配问题，而不再是总量不足的供给问题。按照“房屋是用来住的，不是用来炒的”这一精神，再进一步增大房屋规模只能增加空置率，产生出更多的“鬼城”。图４显示了近年来我国城乡建筑的竣工量和拆除量［３］。可以看出，初期年竣工量远大于年拆除量，由此形成建筑总量的净增长，满足对建筑的刚性需求。而近几年，尽管每年的城镇住宅和公共建筑竣工面积仍然维持在３０亿～４０亿ｍ２之间，但每年拆除的建筑面积也已经达到将近２０亿ｍ２。这也表明我国房屋建造已经从增加房屋供给以满足刚需转为拆旧盖新以改善建筑性能和功能。“大拆大建”已成为建筑业的主要模式。然而根据统计，拆除的建筑平均寿命仅为三十几年，远没有达到建筑结构寿命。大拆大建的主要目的是提升建筑性能和功能，优化土地利用。其背后巨大的驱动力为高额的土地价格。然而，如果持续这样的大拆大建，就会使建造房屋不再是一段历史时期的行为，而成为持续的产业。那么由此导致的对钢铁、建材的旺盛需求也将持续下去，钢铁和建材的生产也将持续地旺盛下去，由此形成的碳排放就很难降下来了。与大拆大建相比，建筑的加固、维修和改造也１０暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２１年第５１卷第５期本刊特稿图４我国城镇建筑竣工量和拆除量（２００７—２０１９年）［３］可以满足功能提升的需要，但如果不涉及结构主体，就不需要大量钢材水泥，由此导致的碳排放要远小于大拆大建。改变既有建筑改造和升级换代模式，由大拆大建改为维修和改造，可以大幅度降低建材的用量，从而减少建材生产过程的碳排放。建筑产业应实行转型，从造新房转为修旧房。这一转型将大大减少房屋建设对钢铁、水泥等建材的大量需求，从而实现这些行业的减产和转型。为什么宁可拆了重建也不愿维修改造呢？调查表明，尽管大拆大建需要大量的建筑材料，但所需人工费却远低于维修改造。并且大拆大建还可以在原有土地上增加建筑面积，从而带来巨大的商业利益。因此，必须从生态文明的理念出发，制定科学合理的政策机制，杜绝大拆大建现象，鼓励劳动力密集型而不是材料和碳排放密集型的房屋改造模式。无论是新建还是改造，目前的建筑业还在很大程度上依赖水泥。而水泥生产过程又要排放大量二氧化碳。这一问题的彻底解决需要改变目前的房屋建造方式和建材形式。在工业革命以前我国５０００年的房屋建造史中并没有水泥，利用传统工艺也可以建造出万里长城、巨型宫殿，也可以出现屹立千年的建筑。水泥仅是近２００年发展出来的建筑材料并形成以其为基础的建造方式。低碳发展很可能需要建造行业的革命，而其根本出发点就是用新型的低碳、零碳建筑材料替代高碳排放的水泥，并围绕新的建筑材料的特点发展出新型建筑结构和房屋建造方式。未来的能源系统很难完全避免使用化石能源。通过燃烧来使用少量的化石能源，并从燃烧过程排放的烟气中分离出二氧化碳，将其固化和贮存，也就是ＣＣＳ，将是一种重要的实现碳中和的方式。但在何处贮存固化或液化的二氧化碳，却是ＣＣＳ这一碳中和路径中最难以解决的问题。如果通过某种方式，把二氧化碳合成为新的建筑材料，使建筑物结构体成为碳的贮存空间，则既可解决建材生产过程的二氧化碳排放，又使建筑成为固碳的载体，这将对未来实现碳中和目标作出重大贡献。上述讨论说明：目前我国的大兴土木，是钢铁建材产量居高不下的主要原因，而钢铁建材生产过程的碳排放又在工业生产过程碳排放总量中占主要部分。避免大拆大建，使建筑的维修改造成为建筑业的主要任务，减少对钢铁建材的需求，将有效减少工业生产过程的碳排放。研究新型的低碳建材和与其相配套的结构体系和建造方式，是未来建筑业实现低碳的重要任务。利用从烟气中分离出的二氧化碳生产新型建材，从而使建筑成为固碳的载体，还可以进一步使建筑业从目前的高碳行业转为负碳行业，为碳中和事业作出贡献。４解决非二氧化碳类温室气体排放问题除了二氧化碳导致气候变暖，还有很多非二氧化碳气体排放到大气后也会造成温室效应。取这些气体中一个碳原子与二氧化碳气体中一个碳原子所产生的温室效应之比称为全球变暖潜能（ｇｌｏｂａｌｗａｒｍｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ＧＷＰ），这些非二氧化碳气体的ＧＷＰ可高达几十到几千。表１给出了目前常用的几种制冷工质的ＧＷＰ值［４］。因此尽管这些气体排放量远小于二氧化碳，但其对气候变化的影响不容轻视。根据有关机构的初步分析，我国排放的非二氧化碳温室气体按照ＧＷＰ的方法看，相当于使用化石能源所排放的二氧化碳量的２０％～３０％。其中，建筑中采用气体压缩方式进行空调制冷所普遍使用的氢氟烃、氢氯氟烃类制冷剂就是主要的非二氧化碳类温室气体。我国由于建筑相关制冷剂泄漏造成的温室气体相当于１亿ｔ二氧化碳当量。表１几种常见制冷剂的ＧＷＰ值［４］制冷剂类型制冷剂名称蒙特利尔协定标准ＧＷＰ值ＨＦＣｓ氢氟碳化物ＨＦＣ－１３４ａ１４３０ＨＦＣ－２２７ｅａ３２２０ＨＦＣ氢氟烃混合物Ｒ４０４Ａ３９２２Ｒ４１０Ａ２０８８ＨＣＦＣｓ含氢氯氟烃ＨＣＦＣ－２２１８１０ＨＣＦＣ－１４１ｂ７２５含氟制冷工质只有排放到大气中才会产生温室效应。如果通过改进密封工艺，实现空调制冷运行过程中的无泄漏，就可以实现运行过程中的零排放。近年来我国制冷空调技术水平有了长足的进步，空调、冰箱等各类使用氟类工质的制冷系统运行泄漏量显著减少。只要继续改进密封工艺，并严格管控，杜绝非移动设备运行过程中的泄漏是完全２０２１（５）江亿，等：建筑部门实现碳中和的路径１１可以实现的。而对于车辆空调，由于其长期处于剧烈振动中，做到无泄漏有一定困难，应该根据车辆的特点，发展新型的无氟空调制冷方式。目前制冷工质实际的大量排放出现在维修和拆除过程中。尤其是居住建筑分散型空调，当移机或废弃时，往往直接把系统放空，制冷工质直接排到大气。在集中空调大型制冷机组及各类中型、大型热泵的维修中，也有向大气排出系统中制冷工质的现象。通过合理的政策机制，形成严格的制冷工质回收制度，禁止各种场合下的制冷工质排放，可有效地消除这部分非二氧化碳温室气体排放。近年来，一些机构研发回收和再利用从系统中取出的制冷工质的技术。再利用技术有一定的困难，且成本较高，这就使得很多情况下放弃了对这些制冷工质的回收。如果改变思路，不是从回收利用的角度，而是从避免排放的角度，按照大气和水污染管理的方法，强化制冷工质的回收和处理，结果就会有所不同。当回收的工质难以处理和再利用时，可以烧掉，使其转变为二氧化碳排放，ＧＷＰ降为１。学习环境治理领域的成功经验和方法制定对制冷工质有效的管理方法，可以避免空调制冷工质导致的非二氧化碳气体排放。再进一步的路径就是发展新的无氟制冷技术，在一些不能避免泄漏、不易管理的场合避免使用无氟制冷工质。目前已经有大量的新技术来实现无氟制冷。在干燥地区采用间接式蒸发冷却技术，可以获得低于大气湿球温度的冷水，满足舒适性空调和数据中心冷却的需要且大幅度降低制冷用电量；利用工业排出的１００℃左右的低品位热量，通过吸收式制冷，也可以获得舒适性空调和工业生产环境空调所要求的冷源，且由于使用的是余热，还可以产生节能效益。而目前涌现出来的新型制冷技术，如热声制冷、磁制冷，以及技术上又有所突破的半导体制冷等，则可以完全不用制冷工质，用电或热驱动制冷。以前这些新型制冷方式功率小、效率低，仅用于特殊需求条件下。近年来这些方式在理论、技术上都出现了重大突破，制冷容量增加，效率提高，可应用范围也在逐步向建筑部门渗透。采用无氟制冷工质则是又一条解决非二氧化碳温室气体排放的技术路径。二氧化碳就是可选择的制冷工质。由于它的三相临界点温度为３１．２℃，所以其热泵工况是变温地释放热量，而不是像其他类型工质那样以相变状态的温度放热，这就使得工质与载热媒体有可能匹配换热，从而提高热泵效率。近２０年来，采用二氧化碳工质的热泵产品获得了巨大成功。由于二氧化碳工质工作压力高，对压缩机和系统的承压能力提出了很高要求，而我国在此方面的制造技术还有所欠缺。需要将其作为解决非二氧化碳温室气体排放的一个重要任务，组织多方面合作攻关，尽早发展出自己的成套技术和产品。再一个重要方向是转向传统的氨制冷剂。这是人类最初采用气体压缩制冷时就使用的制冷剂。后来由于安全性等问题，逐渐退出其制冷应用。在考虑氟系的制冷剂替代中，氨又重新回到历史舞台。通过多项创新技术，可以克服氨系统原来的一些问题，未来在冷藏冷冻、空调制冷领域氨很可能会占有一定的市场。非二氧化碳温室气体问题是与二氧化碳同样重要的影响气候变化的重要问题，需要建筑部门认真对待。非二氧化碳类温室气体排放问题的解决，会导致建筑中冷冻冷藏、空调制冷技术的革命性变化，实现技术的创新性突破，值得业内关注。５生态文明的发展理念是实现碳中和的基础以上围绕实现碳中和的目标，从技术的角度讨论了建筑部门的发展路径。而真正能够按照这一路径实现最终的碳中和目标不仅需要技术革命，更需要在建筑与使用者关系这一基本问题上坚持生态文明的发展观，从人与自然的关系、从可持续发展的角度确定建筑环境营造方式的基本理念。从工业革命开始形成的工业文明，其本质是充分挖掘自然界的一切资源以满足人类的需求。工业文明理念促进了人类社会的极大发展。然而，人的欲望是无穷尽的，有限的自然资源无法满足无穷尽的需求，这是这些年来出现的资源枯竭、环境恶化、气候变暖的根本原因。而生态文明的发展理念，就是追求人类的发展与自然界生态环境之间的平衡，在不改变自然生态环境的前提下实现人类的可持续发展。从这一基本理念出发，就可以回答上述涉及的很多争论问题：未来到底还要建造多少房屋？是满足生活与社会、文化和经济活动的基本需求，还是非要追求奢侈型居住和社会活动的建筑环境？关于居住单元的规模，办公空间的规模，学校的规模，商业、交通、文体设施建筑的规模，这些年来出现过多次争１２暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２１年第５１卷第５期本刊特稿论。从居住健康、幸福、社会繁荣的角度，从资本运作的需要，很难给出规模的上限。但是考虑土地资源、碳排放空间等自然资源的约束，却存在制约建筑规模无限扩张的上限。严格控制建筑总量，在科学确定的规模总量之下合理地规划各类建筑的规模，避免无节制的扩张，是生态文明发展观的基本原则和要求，更是实现未来碳中和的基础。按照什么方式营造建筑室内环境？这是如何实现生态文明发展的又一个基本问题。我国城市建筑运行的人均能耗目前仅为美国的１／５～１／４，单位面积的运行能耗也仅为美国的约４０％。这样大的差别主要是由于不同的室内环境营造理念所造成的。我国传统的建筑使用习惯是“部分时间、部分空间”的室内环境营造模式。也就是有人的房间开启照明、空调和其他需要的用能设备，而无人时关闭一切用能设备。这就不同于美国的“全时间、全空间”，无论有人与否，室内环境在全天２４ｈ内都维持于要求的状态。这种方式无疑会给使用者带来很大的便捷，但由于每个建筑空间的实际使用率仅为１０％～６０％，全天候的室内环境营造就导致了对能源的巨大需求，为建筑运行实现零碳带来极大的困难。此外，建筑的通风方式是完全依靠机械通风还是尽可能优先采用自然通风，室内热湿环境水平是维持在满足舒适需求的下边界（冬天维持在温度下限、夏天维持在温度上限）还是维持在舒适性的上边界（冬季维持在温度上限、夏季则维持在温度下限）或过量供冷过量供热，这都会造成建筑运行用能需求的巨大差别。从生态文明理念出发，坚持我国传统的节约型建筑运行模式，在这种较低的建筑运行能耗强度水平上，可以实现建筑运行零碳目标。而一旦这种传统的运行模式被打破，出现建筑运行能耗强度在目前水平上增加二三倍甚至更多的现象，则前面提出的各种零碳思路就不能奏效了。同样，按照前面的讨论，要实现建筑设备的“需求侧响应”模式运行，也要在不影响使用者基本需求的前提下，根据供给侧可再生电力的变化适当调整室内用电状况，这也会在一定程度上影响使用者的舒适性和所接受服务的便捷性。但这种较小的不适与不便换来的是避免使用化石能源，从而实现零碳。这就是在零碳和高标准享受之间的平衡。实际上，随着零碳理念的深入人心，发达国家也开始反思，开始倡导节约低碳的运行模式。从生态文明的理念出发，由追求极致的享受到追求人类需求与自然环境的平衡，是人类文明发展和进步的表现，也应该是我们应恪守的发展理念。６通向零碳的路径我国目前建筑运行每年还排放２０亿ｔ以上的二氧化碳，建筑建造每年还间接地导致钢铁建材等制造领域的１６亿～１８亿ｔ的二氧化碳排放。实现２０６０年的碳中和目标距今还有４０年时间。建筑部门在这４０年内应该通过怎样的发展路径来实现未来目标？清晰地定义了４０年后的目标，就可以科学规划这４０年的发展路径，使其在满足实现社会经济文化发展需要的前提下，逐步向未来情景逼近。避免“摸着石头过河”，减少重复建设，少走弯路。面对现实的大量问题、需求，可以有多种解决方案，但有些方案是通向未来碳中和场景的中间过程，有些却是与未来碳中和的场景背道而驰。那么，是否就应该尽可能选取那些与未来目标相一致的方案呢？例如，目前北方地区的取消散煤、实现清洁能源供暖的行动，可以是“煤改气”方式，也可以是“煤改电”、煤改电动热泵。从当前看，“煤改气”可以完成取消散煤、实现清洁供暖的任务。但是，从前述讨论看，天然气也属于化石能源，天然气燃烧排放的二氧化碳约为产生相同热量所需要的燃煤燃烧的一半，未来也属于被替换的范围。那么，是否就应该坚持“煤改电”，尤其是煤改电动热泵，而不是先改燃气，然后再“气改电”呢？自２０００年以来，世界上开始推广燃气驱动的冷热电三联供系统，将其作为分布式能源的主要形式，实现节能和低碳。然而这种方式仍然是由作为化石能源的天然气驱动，不可避免地要排放二氧化碳。并且，既然是冷热电三联供，仅仅当热与电或冷与电的需求相匹配时，才可实现最高的效率。而对于一座建筑或一个建筑群来说，电的需求和冷热需求很难同步匹配。按照“以电定热”运行，就会使无热量需求时大量的余热被排放；而“以热定电”又会出现气电顶替风电、光电的现象，干扰未来风电、光电为主的电力系统的运行。冷热电三联供的更大问题是促成了区域供冷方式。而实际上从供冷特点看，建筑对供冷的需求在大多数情况下都是“部分时间、部分空间”，集中促使了“全时间、全空２０２１（５）江亿，等：建筑部门实现碳中和的路径１３间”的供冷服务，导致终端消费量成倍增加。２０年来，国内也建成了不少冷热电三联供系统，但在实际运行中尚未发现真正降低了运行能耗、获得节能效果的案例。接受历史的教训，从未来碳中和目标规划，是否应坚决停止再上这类项目呢？反之，发展建筑表面的光伏发电，这是未来大势所趋。目前光伏组件的成本越来越低，光伏发电成本已低于煤电。发展光伏又不会对建筑带来负面影响，那么为什么不能尽早地在新建建筑中推广，在既有建筑中追加？发展光伏的主要困难是接入和消纳，在建筑内没有实现“光储直柔”改造、形成良好的光伏接入与消纳条件时，在电网未进行深入改造、形成可再生电力分布式接入的条件时，大规模的建筑光伏可能会对电网带来一定冲击。那么，就可以先建设建筑周边停车场的光伏直流充电桩，由电动汽车通过慢充方式消纳光伏电力。这既有利于电动车的推广，又与未来建筑的“光储直柔”配电改造相一致，是通向建筑碳中和路径中间的重要节点。这就是把长远方向与近期任务有机结合的发展方式。坚持绿色建筑发展方向，通过绿色技术和方式提升建筑的功能和服务水平，这是建筑永远不变的发展方向。在设计和营造中，通过被动化技术，使建筑对机械系统提供的冷、热、光的需求降到最小；再通过供能系统的最优化技术，使其供能效率得到最大的提高。这仍然应该是建筑和机电系统未来发展的基本要求。在此基础上，再发展储能和灵活用能的技术与措施，就可以逐步逼近和实现未来的碳中和目标。７结语本文介绍了减缓气候变化、实现碳中和的目标和建筑部门的４个主要任务：取消直接碳排放，协助减少电力和热力应用导致的间接碳排放，减少建造和维修用材的生产和运输导致的碳排放，以及避免建筑空调制冷系统使用中非二氧化碳类温室气体的排放。生态文明理念是完成这４项任务的基础。为了实现碳中和的目标，这４个方面都必须出现革命性变革，改变用能种类，改变用能方式，改变建筑材料和结构，改变空调制冷方法。只有通过这些根本的改变才有可能实现消除或中和建筑相关的温室气体排放。与此同时，这些革命性变化又反过来促进整个建筑行业的技术进步。因此碳减排、碳中和并不是制约了经济发展，而是打破了技术和经济发展的僵局，开发出新的疆土，从而哺育出颠覆性技术，促进全行业出现跨越式发展。这应该是碳减排、碳中和为我们带来的发展机遇。抓住这个机遇，从新的角度去看行业的发展，可以使我们对许多问题看得更清楚，从而也就会有完全不同的解决思路，促使事物出现革命性变化。参考文献：［１］王庆一．２０１９能源数据［Ｍ］．北京：绿色创新发展中心，２０１９：１－２０［２］甘犁．２０１７中国城镇住房空置分析［Ｍ］．成都：中国家庭金融调查与研究中心，２０１８：５－９［３］清华大学建筑节能研究中心．中国建筑节能年度发展研究报告２０２０［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２０２０：１－５０［４］ＵＮＥＰ．ＯｚｏｎＡｃｔｉｏｎＫｉｇａｌｉＦａｃｔＳｈｅｅｔ３：ＧＷＰ，ＣＯ２（ｅ）ａｎｄｔｈｅｂａｓｋｅｔｏｆＨＦＣｓ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０２１－０３－０１］．ｈｔｔｐｓ：∥ｗｅｄｏｃｓ．ｕｎｅｐ．ｏｒｇ／ｂｉｔｓｔｒｅａｍ／ｈａｎｄｌｅ／２０．５００．１１８２２／２６８６６／７８７８ＦＳ０３ＧＷＰＣＯ＿ＥＮ．ｐｄｆ？ｓｅｑｕｅｎｃｅ＝１＆ｉｓＡｌｌｏｗｅｄ＝檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴ｙ（上接第３０页）计及运行调控的智能化水平尤为关键。３）运行阶段，采用可靠的自控化控制系统，是分布式供热输配系统实现的重要条件，根据室外温度及热负荷变化，以及管网水力运行工况，自动调整水泵工作点，满足用户需求。４）临汾市热力公司经过３年的全网分布式供热输配系统改造运行，有效解决了局部热网调节困难、管网运行压力过高的问题。此外，一次网分布式供热输配系统及数据平台改造完成后，改善了一次网水力工况，缩短了冷热不均时间，降低了能耗，本案例运行电耗减少３０％，热耗率降低１１％。参考文献：［１］石兆玉，李德英，王红霞．供热系统循环水泵传统设计思想亟待更新［Ｍ］∥石兆玉教授论文集———供热技术研究．北京：中国建筑工业出版社，２０１５：２３８－２４５［２］石兆玉．供热系统分布式变频循环水泵的设计［Ｍ］∥石兆玉教授论文集———供热技术研究．北京：中国建筑工业出版社，２０１５：２４６－２５４［３］王芃，邹平化，雷翠红．分布式水泵供热系统零压差点与输送功率的关系［Ｊ］．暖通空调，２０１１，４１（１０）：９５－１０８［４］王玮．分布式输配供热系统扩展设计研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１７：３４－４８［５］陈亚芹．分布式变频热网的运行调节方案［Ｄ］．北京：清华大学，２００５：２９－６０