1、 中国中国建筑节能年度发展研究报告建筑节能年度发展研究报告 2 2021021 2021 Annual Report on China Building Energy Efficiency (城镇住宅专题) 中国城市科学研究系列报告 中国城市科学研究会 主编 中国工程院咨询项目 清华大学清华大学建筑节能研究中心建筑节能研究中心 著著 前前 言言 2020 年是人类历史上不可忘记的一年。太多太多的大事在这一年发生了，这些事改变了人类的进程，改变了世界。作为建筑节能年度发展研究报告 ，今年的主题是城镇住宅建筑节能，2020 年发生的多件大事也涉及到这一主题。 第一件大事是与新冠疫情的决战。经过一年
2、的反复，中国人民率先取得了胜利，在全世界大多数国家还在与新冠进行又一轮的殊死决战时， 我国已经连续一个月国内零感染， 已经完全避免了新冠在中国大地上的传播。 这是人类几百年来抵制自然界各种病毒传播所做努力中取得的重大成果， 对未来处理解决类似的突发事件和自然灾害都有重要的借鉴作用。 实现这一胜利的诸多因素中很重要的一条是我们的社会制度， 是怎样行之有效地把所有居民都组织好，管理好。通过这种组织管理方式，既可按照疫情变化有效切断一切可能的传播途径，又能使各种社会活动、 经济活动和民生保障能够有条不紊地进行， 从而既保障人民的生活的稳定，又保证生产和各种经济活动的正常进行，还使得文化、科技、教育等
3、各方面社会活动少受干扰。 当西方社会在人员流动管制与恢复社会活动二者之间反复权衡， 总也找不到两全其美的解决方式时，我们却在全面战胜了疫情的同时实现了社会、经济、民生三方面应有的发展。 在这一成功的背后， 是与世界上大多数其它国家不同的我国城镇居住模式和组织管理模式。伴随我国住房的商品化改革，城镇初步形成了以住宅小区为基本单元的居住模式，从而也初步构成以住宅小区为单元的对居民的组织与管理模式。 正是这一组织和管理模式， 得以有效地通过管控人流流动来避免疫情传播； 通过自治式有组织的救援， 有效保障了各种隔离区内居民的正常生活。 我国城市居住小区的建设模式目前已有超过二十年的历史， 这种居住管理
4、方式已经逐渐成为城镇中的主导模式。居住小区的建设、管理、运行模式在战胜新冠疫情这种突如其来的社会事件中起到重要作用， 也在很大程度上决定城镇居民的 “美好生活”水平。怎样进一步理顺居住小区的管理模式，总结抗疫期间的经验，系统地建立现代化新型居住小区的管理模式？为此， 本书特别邀请了清华大学建筑学院住宅与社区研究所撰写了一章来分析、讨论和总结这一问题。 习近平主席在 2020 年 9 月 22 日的联合国大会上郑重宣示了中国政府在减缓气候变化2 前 言 方面的战略部署：要在 2030 年之前实现碳排放达峰，力争 2060 年实现碳中和。此次会议之后， 习主席又先后在六次国际会议上重申了这一战略目
5、标， 党的十九大五中全会和最近的经济工作会议上也强调了这一战略目标。2030 和 2060 的愿景为我国以能源转型为目的的能源革命给出了清晰的目标和具体的时间表。 这一战略行动不仅仅是能源领域转型， 而将对我国未来四十年的社会、经济、文化发展产生深远影响，建筑部门作为工业、交通和建筑这三大用能部门之一， 与能源消费和碳排放密切相关， 能源转型和碳中和也必然会对这个部门的发展带来巨大影响。 如何实现这个部门的碳达峰和碳中和， 既是相关政府领导部门面临的必须要回答的任务， 也是相关领域从业者密切关注的大事。 为此本报告专门安排了第一章对建筑部门实现碳中和的目标进行了较深入的研讨， 并在此基础上讨论
6、了实施路径和对整个建筑行业的影响。 能源转型就是从以化石能源为基础的碳基能源系统转为以可再生能源为基础的零碳能源系统。能源结构的变化将导致能源转换、输送和服务方式的变化，也将导致终端用能方式的彻底变化。对于建筑部门来说，就是要放弃以前一些曾积极推广的模式，如煤改气，以燃气为主要能源的热电冷三联供， 等依赖于化石能源的方法； 而加大对在发展零碳能源系统中重点和关键问题的研究与推广力度， 如与建筑光伏应用， 建筑蓄能， 建筑柔性用电， 等。在零碳能源系统下建筑的功能将从单纯地用能转为用能、 产能和蓄能三位一体。 这将给未来建筑的营造、改造、运行、维护等都带来巨大的变化。 2020 年还是十三五计划
7、的完成年。作为十三五重大科研项目，科技部组织的与绿色建筑和建筑节能相关的系列课题都相继结题。 与居住建筑相关的重大科研项目中已顺利结题的有两个项目： 由天津大学主持的居住建筑通风策略研究； 由重庆大学主持长江流域居住建筑冬夏室内热环境营造方式研究。为了反映这些项目的研究成果，本报告专门安排了第五、第六两章来汇集这些成果。 感谢天津大学刘俊杰等和重庆大学李百战等老师的积极支持和热心撰稿。 建筑电气化是实现未来零碳建筑的重大举措， 是碳中和这一战略目标对建筑用能提出的新要求。 为此， 特别邀请了深圳建筑科学研究院的郝斌副总工程师撰写了建筑电气化一章，这是在零碳愿景下建筑能源系统将出现的新变化。 配
8、合这一变化， 国家相继出台了各种建筑电器的节能评估标准，力图通过这些标准促进相关产品的高效节能、健康发展。为此也邀请了中国标准化研究院的李鹏程、 刘猛等撰写了相关章节对电器能耗标准进行介绍和评论。 这本节能发展研究报告是在全国同行们积极支持和协助下完成， 感谢这些作者对本书的大力支持。 本书作为住宅节能专论，是在由燕达、胡姗老师和杨子艺、张洋等研究生组成的住宅专辑编写小组负责组织、 编辑完成。 他们完成了前三章的主要内容， 并负责后面各章节的组稿、 编辑、校对等大量工作。疫情管控对工作带来很大不便，但他们积极克服了一个个困难，较好地按时完成了整书任务。 两会期间国家颁布了十四五发展规划， 建筑
9、节能与低碳发展将是十四五期间的重要任务。配合这一任务，本书将持续编写、出版。感谢广大读者对本书的多年持续支持，让我们共同努力，使这本书为全面实现建筑部门的碳中和的伟大目标发挥其应有的作用。 江 亿 2021 年 3 月于清华荷清苑 目目 录录 第1篇 中国建筑能耗与温室气体排放现状分析 第1章 建筑部门实现碳中和的路径 1.1 建筑运行过程中的直接碳排放 1.2 使用电力、热力导致的间接碳排放 1.3 建筑的建造和维修耗材的生产和运输导致的碳排放 1.4 解决非二氧化碳类温室气体排放问题 1.5 生态文明的发展理念是实现碳中和的基础 1.6 通向零碳的路径 1.7 总结 第2章 中国建筑能耗与
10、温室气体排放 2.1 中国建筑领域基本现状 2.2 全球建筑领域能源消耗与温室气体排放 2.3 中国建筑领域能源消耗 2.4 建筑领域温室气体排放 第2篇 城镇住宅建筑节能专题 第3章 城镇住宅建筑用能状况 3.1 城镇住宅建筑 3.2 北方居住建筑围护结构改造 3.3 城镇住宅建筑用气 目 录 5 3.4 城镇住宅建筑用电 3.5 城镇住宅多联机的讨论 3.6 城镇住宅能效标准与政策 第4章 新时期城镇社区治理现代化与住区节能优化 4.1 城镇住区与社区建设的演变与现状 4.2 当前城镇老旧小区改造与绿色健康住区建设中节能典型问题分析 4.3 社区治理现代化过程中的低碳节能策略建议 第5章
11、第五章长江中下游居住建筑室内热环境营造模式 5.1 长江中下游居住建筑人员热舒适需求及用能行为特征 5.2 长江流域气候特征和居住建筑供暖空调整体技术方案 5.3 高效供暖供冷设备和舒适末端 5.4 长江流域住宅示范建筑实测案例 第6章 居住建筑通风换气方式 6.1 我国居民住宅通风的现状和问题 6.2 自然通风的使用状况分析 6.3 机械新风的使用状况分析 6.4 我国未来如何发展住宅通风 6.5 住宅内预防传染病传播措施 第7章 住宅建筑的用电模式畅想 7.1 住宅建筑用能电气化 7.2 建筑外表面资源化光伏利用 7.3 社区充电桩全面普及 7.4 住宅用电直流化 7.5 住宅节能两个问题
12、的探讨 第 1 篇 中国建筑能耗与温室气体排放现状分析 第第1章章 建筑部门实现碳中和的路径建筑部门实现碳中和的路径 力争在 2030 年之前实现碳达峰，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，还要涉及各行业、各部门的各项工作， 将对我国今后四十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）之一，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，使整个行业产生革命性变化。 碳达峰年份是指在这一年之后的碳排
13、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 对应的碳排放量也应该不断下降。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 的碳排放量下降率高于 GDP增长速度时， 碳排放总量就会下降。 单位 GDP 碳排放下降速度与 GDP 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
14、，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，由此就得到 碳达峰指标： 碳达峰指标碳达峰指标=GDP 增速增速单位单位 GDP 能耗的降低能耗的降低单位能耗碳排放量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；碳排放指标等于 0，则碳排放达峰；而当碳排放指标小于 0， 则碳排放总量将持续下降。 图 1-1 中给出我国自 20
15、10 年以来每年 GDP，单位 GDP 能耗和单位能耗的碳排放的变化，可以看到，碳达峰指标正在逐年降低。随着能源结构的调整， 单位能源消耗对应的碳排放的不断降低， 碳达峰指标达到零和小于零将很快达到。 2 第 1 章 建筑部门实现碳中和的路径 图 1-1 我国的单位 GDP 能耗和单位能耗的碳排放变化 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 tco2，这只相当于我国近年来二氧化碳排放总量的七分之一。由于有些基础工业需要燃烧过程，不可避免的要排放二氧化碳。 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
16、实现碳中和就意味着零排放。 对于建筑部门，应该把零排放作为其实现碳中和的基本目标。所以与碳达峰相比，实现零碳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它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这些排放量呢？按照对碳排放的研究和定义，可以分为这四种类型： 1. 建筑运行过程中的直接碳排放； 2.
17、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。 0.000.020.040.060.080.102010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019单位GDP能耗（kgce/元）0204060801001202010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019x 10000GDP（万亿元）-15%-10%-5%0%5%10%15%20%2011201220132014201520162017单位GDP能耗下降率GDP增长率单位能耗碳排放
18、下降率碳达峰指标0.00.51.01.52.02.520102011201220132014201520162017单位能耗碳排放(kgCO2/kgce) 1.1 建筑部门实现碳中和的路径 3 下面分别讨论这四类碳排放的现状、减排途径和最终目标。 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、 燃油和燃气这些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种类，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 600 亿平米建筑， 如果以建筑外边界为界线， 考察这一界限内发生的
19、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： a) 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 亿吨，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的途径。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
20、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/kWh 的话，相当于燃气的价格为 5 元/Nm3。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。因以，实现炊事电气化，取消燃煤燃气的关键是烹调文化。 通过电动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。 b) 生活热水。目前我国城镇基本上已普及生活热水。除少数太阳能生活热水外，燃气和电驱动大致上平分天下。 目前全国制备生活热水大约造成全年二氧化碳排放0.
21、8亿吨左右，也接近全国碳排放总量的 1%。用电力替代燃气热水器，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。 目前国内已经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/kWh，采用热泵热水器获取1GJ 热量的电费是 48 元/GJ，而燃气价格为 3 元/Nm3 时获取 1GJ 热量的燃气费用为 86 元/GJ。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4 第 1 章 建筑部门实现碳中和的路径 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
22、，避免放冷水的过程，也节省热水管道的热损失，所以电热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。 c) 采暖用分户壁挂燃气炉和农村与近郊区的分户燃煤采暖。北方城镇住宅建筑约 5%为燃气壁挂炉， 近几年华北农村清洁取暖改造也使燃气采暖炉进入了部分农户。 此外就是目前 70%以上的北方农村以及部分城乡结合部的居住建筑冬季仍采用燃煤炉具取暖。这些采暖设施导致每年超过 3 亿吨的二氧化碳排放，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采暖， 近二十年
23、来经过企业和研究部门合作的持续努力， 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采暖要求。 选择了合适的末端散热装置后，空气源热泵采暖可以获得完全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，采用直接电热的采暖方式，运行费是采用燃气炉的 1.52 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。 d) 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
24、消毒、干衣、炊事等必须采用蒸汽的应用，多数又被交换为热水，服务于其它生活热水需求。对于这种情况，应尽可能减少对蒸汽的需求，能用热水就用热水，用热泵制取热水满足需求。个别需要蒸汽的应用，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、泄露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 1.52 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。 e) 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还是用燃气型吸收式制冷机。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.
25、3，当燃气价格为 3 元/Nm3，每 kWh 冷量的燃气成本为0.23 元/kWh，而当电价为 0.80 元/kWh 时，每 kWh 冷量的电费成本不超过 0.15 元/kWh。尽早把直燃型吸收式制冷机换成电驱动冷机， 在减少直接碳排放、 降低运行费用等各方面都很大效益。 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 亿吨二氧化碳。 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， 1.2 建筑部门实现碳中和的路径 5 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以及炊事文化的变化。 通过各级宣传
26、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的途径。 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 kWh。我国目前发电量中 30%为核电、水电、风电和光电，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 kWh 电力平均排放 0.577 kg CO2，因此建筑用电对应的间接碳排放为 11 亿 t CO2。再就是北方城镇广泛使用的集中供热系统，由热电联产或集中的燃煤燃气锅炉提供
27、热源。 燃煤燃气锅炉房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。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，其它各类直接的燃料应用也将转为电力，这就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 亿时，城市人口 10亿，农村人口 4 亿，城乡建筑总规模为 750 亿平米，其中北方城镇需要供暖的建筑面积达到200 亿平米。这
28、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、用热导致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，就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、光电以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。 下面先来看看我国未来实现零碳电力的可行性
29、。 6 第 1 章 建筑部门实现碳中和的路径 1.2.1 零碳电力的布局和节能的重要性零碳电力的布局和节能的重要性 目前我国已有的核电约 0.6 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，年发电量在 1.5 万亿 kWh。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 4 亿 kW，年发电量 2 万亿 kWh；未来可开发利用的装机容量上限
30、在 5亿 kW，年发电量 2.5 万亿 kWh。 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 tce。根据分析，我国各类生物质资源总量可达 10 亿 tce，这是唯一的零碳燃料，需要首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34 亿 tce，每年发电 1 万亿 kWh。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 4 万亿 kWh。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在 910 亿 kW，每年可提供 5 万亿 kWh 电力。 2019 年我国电力供应总量为 7.2 万亿 kWh
31、。如果按照以上的分配，有 5 万亿 kWh 的零碳电力， 那么不足的 2.2 万亿 kWh 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分别突破了 2 亿 kW，风电光电的年发电小时数在 1200 到1500 之间，所以目前风电光电发电总量约为 6000 亿 kWh。要满足上述 2.2 万亿的零碳电力缺口，需要的风电光电装机容量应在 15 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功率 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
32、用电功率匹配。这样，15 亿 kW 的风电光电需要 10 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源，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，就还需要生物质燃料的火电厂承担 4 亿 kW 调峰任务，年发电 2000 小时。 按照上述分析，针对全国目前的 7.2 万亿 kWh 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。但是如果再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
33、、光电来满足。而进一步发展风电光电面临着 1.2 建筑部门实现碳中和的路径 7 如下困难： 首先是风电光电的安装空间。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 kWh 风电光电，需要装机容量 60 亿 kW以上，需要的安装空间为 600 亿平米，也就需要至少 6 万平方公里土地。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
34、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； 只安排 510 亿 kW 的风电光电在西北，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。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 亿平米，这样就要再利用各类零星空地 250 亿平米，也就是 2.5 万平方公里，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
35、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相重合性， 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 kWh，则采用分布式方式需要的调节能力为 2530 亿 kW，蓄能容量为 200 亿 kWh/日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 50kWh，则就相当于有了储电能力 100 亿 kWh/天，充放电功
36、率 20 亿 kW 的蓄能装置。如果有 300 亿平米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 kWh 时的情景。再加上核电、水电和生物质热电，电力总量为每年 13 万亿 kWh。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
37、电量 13 万亿 kWh 的目标。如果未来要求的总电量进一步增加，就使得零碳电力的目标很难实现。因为我们缺少8 第 1 章 建筑部门实现碳中和的路径 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天的电力不足。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， 所需要的的储能容量为日内调峰需要容量的几十倍， 所以无论大规模蓄电池还是储氢，都不适宜
38、作跨季节调峰。而同样受资源条件所限制，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 tce 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 kWh， 总的电量消费超过 15万亿 kWh 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，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。 再一个可能的方式就是保留部分火电，安排较大规模的 CCS 或 CCUS 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
39、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招法。 然而如果能通过深度节能的方式，根据我们的水能、核能和生物质能资源条件，把年用电消费总量控制在 1213 万亿kWh 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 kWh 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在本中心稍后出版的报告中进行详细讨论，建筑作为工业、 交通、 建筑这三大用能部
40、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kWh的电力消费总量可分配到城乡建筑运行领域3.5万亿kWh。相对于 2019 年建筑运行的 1.9 万亿 kWh 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 亿导致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 kWh 电力相当于人均建筑运行用电量 2500kWh/人，如果将
41、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 3500kWh/户，各类公共建筑平均用电 60kWh/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， 1.2 建筑部门实现碳中和的路径 9 这应该作为我国今后现代化建设的一个基本原则。 1.2.2 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
42、上一节已经说明， 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它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， 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，建筑还承担又一重要使命，协助消纳风电光电。建筑自身的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
43、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 1-2，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的需求侧响应用电方式，AC/DC 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
44、交流网取电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， 每个瞬间根据风光电基地当时的风电光电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，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。 10 第 1 章 建筑部门实现碳中和的路径 图 1-2 光储直柔建筑配电系
45、统 未来我国将至少拥有 2 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 50kWh70kWh 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 100 亿 kWh 的蓄电能力。如果我国未来拥有 450 亿平米“光储直柔”建筑，每 100 平米设置 10kWh 蓄电池，则又具有每天 45 亿 kWh 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 6 小时的时间
46、内完成充电任务， 满足 2 亿辆汽车和 450 亿平米的用电需要。2 亿辆小汽车全年用电约 4000 亿 kWh，450 亿平米建筑全年用电 2 万亿 kWh，合计全年约 2.5 万亿 kWh 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 亿平米左右的建筑，其中城镇住宅建筑 350 亿平米，农村建筑 200 亿平
47、米，办公和学校建筑 120 亿平米，其它商业、交通、文化体育建筑 80 亿平米。其中居住建筑、农村建筑和办公与学校建筑都适宜采用“光储直柔”方式。如果这些建筑的三分之二改造成光储直柔方式，则总量为 450 亿平米。 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， 这就不需要对电网做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 2 亿辆小汽车、2040 亿 kW 的充电功率后，并不要求电网相应地增加配电容量。对于出现个别的连阴天或
48、静风天气时，2 亿辆小汽车可以起很 1.2 建筑部门实现碳中和的路径 11 大的电力移峰作用，再通过 56 亿 kW 火电的短期运行补充电力的不足，再依靠 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、 光电都存在夏天高、 冬天低的季节差，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为北方城镇建筑充当冬季供暖热源。 1.2.3 获得零碳和低碳热力的途径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 亿平米冬季需要供暖，随着城镇化进一步发
49、展和居民对建筑环境的需求的不断提高， 未来北方城镇冬季供暖面积将达到 200 亿平米。 目前北方城镇采暖建筑的冬季平均耗热量为 0.3GJ/m2， 这就需要每年 42 亿GJ 的热量来满足供暖需求。目前这些热量中约有 40%是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%主要是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热量来满足供热需求。目前燃煤、燃气锅炉造成约 10 亿吨二氧化碳的排放，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， 首先就要减少供暖需求的热量。 现在的 150 亿平米采
50、暖建筑中，约 30 亿平米是上世纪 80 年代到 90 年代建造的不节能建筑，其热耗是同一地区的节能建筑的 23 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。很多采暖建筑冬季室内温度高达 25，远高于要求的 20的舒适采暖温度。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%。改造这 30 亿平米的不节能建筑，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， 就能够在未来实现将供暖平均热耗从 0.3GJ/m2降低到 0.2GJ/m2的目标。这样，未来北方城镇需
