同濟(jì)大學(xué) 龍惟定

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心 梁 浩

1 背景

2020年是不尋常的一年。肆虐全球的COVID-19疫情及世界政治、經(jīng)濟(jì)和社會的一系列“黑天鵝”事件，使這一年成為至暗時刻而載入史冊。

除COVID-19疫情外，另一個對人類產(chǎn)生巨大威脅的是全球氣候變化。由于新冠肺炎疫情蔓延，2020年全球能源需求下降5%[1]，與能源相關(guān)的CO2排放比2019年下降約7%，由于非CO2溫室氣體排放受疫情影響可能較小，因此預(yù)計溫室氣體排放量的下降幅度較小。但是，大氣中溫室氣體的濃度卻繼續(xù)上升[2]。2020年5月觀測到的大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到417×10-6，這可能是地球上300萬年來的最高濃度[3]。地球溫暖化仍在繼續(xù)，2020年(1—10月)的全球平均溫度比用作工業(yè)化前水平近似值的1850—1900年的基線高(1.2±0.1) ℃，是全球有記錄以來最熱的3年之一。升溫導(dǎo)致南極和格陵蘭的冰層融化，從2019年8月至2020年8月，約有1 520億t冰從冰蓋上消失，使北極海冰面積達(dá)到歷史最低。氣候變化引起非洲和亞洲大范圍暴雨和洪災(zāi)(如影響中國南方16個省區(qū)的洪澇災(zāi)害)，引起南美洲內(nèi)陸的嚴(yán)重干旱，引起歐洲大陸的高溫酷暑，引起美國、澳大利亞的森林和亞馬孫雨林的大火，引起創(chuàng)紀(jì)錄數(shù)量的風(fēng)暴登陸美國，給肆虐的疫情火上澆油。

世界氣象組織(WMO)和英國氣象局(Met Office)的研究人員表示，自2020年開始的未來5年中，全球年度平均溫度比工業(yè)化前高出至少1.5 ℃的概率是20%，有可能提前突破《巴黎協(xié)定》爭取將本世紀(jì)末溫度上升幅度保持在1.5 ℃以內(nèi)的目標(biāo)，表明氣候變化已經(jīng)接近危險的程度[4]。

2018年10月，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布了《全球升溫1.5 ℃》的特別報告，提出了將溫度上升保持在1.5 ℃內(nèi)的路徑[5]：

1) 到2030年全球凈人為CO2排放量從2010年的水平減少約45%，在2050年左右達(dá)到凈零排放。預(yù)計到2030年，必須將全球年排放總量削減一半，即年均250億～300億t CO2當(dāng)量(2019年總GHG(溫室效應(yīng)氣體)排放量為591億t，其中能源消耗的CO2排放量為380億t[6])。

2) 能源系統(tǒng)是主要的碳排放源，但要實現(xiàn)2050年凈零排放，就不僅僅是能源系統(tǒng)的任務(wù)。人為碳排放主要有兩大來源：即化石燃料燃燒的能源利用及破壞自然循環(huán)的土地利用。因此，需要在能源、土地、城市和基礎(chǔ)設(shè)施(包括交通和建筑)及工業(yè)系統(tǒng)方面進(jìn)行快速而深遠(yuǎn)的轉(zhuǎn)型。這些系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型規(guī)模是前所未有的。

3) 在能源領(lǐng)域，不能憑單一或簡單的辦法實現(xiàn)凈零排放，能源轉(zhuǎn)型需要政府所有部門、機(jī)構(gòu)、企業(yè)和個人共同采取行動，利用廣泛的能源政策、融資、創(chuàng)新和技術(shù)。節(jié)能、能源效率的提高和對可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用起到主導(dǎo)作用。同時，碳捕獲、利用和儲存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)技術(shù)，氫燃料、核能和其他能源也發(fā)揮重要作用。

所謂“凈零排放”，是指通過“碳清除”的過程從大氣中去除溫室氣體來平衡任何人為造成的溫室氣體排放。IPCC在其2018年的報告中指出，為了穩(wěn)定全球氣溫，溫室氣體的凈排放必須減少到零。把排放減少到凈零的情景才能阻止氣候惡化[5]。

而碳中和與凈零排放的意義相近，碳中和是指通過平衡CO2的排放與CO2的清除(通常通過碳補(bǔ)償)或完全消除實現(xiàn)凈零CO2排放?？梢岳斫鉃樘贾泻褪且粋€目標(biāo)，而凈零排放是一個過程。碳中和可以用國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)(如PAS 2060，以及正在起草的ISO 14068等)進(jìn)行評價和認(rèn)定。

如果今后每年都能達(dá)到2020年7%的碳排放量下降幅度，那么到2030年世界能源領(lǐng)域的碳排放量就可以下降52%，實現(xiàn)IPCC年排放量下降一半的目標(biāo)。但問題是，2020年的7%付出的代價極為慘重：全球有超過1億人感染COVID-19，因新冠而不幸死亡的人數(shù)超過220萬人；2020年全球經(jīng)濟(jì)萎縮幅度約為4.4%。世界主要經(jīng)濟(jì)體中，除了中國經(jīng)濟(jì)逆勢增長2.3%以外，其余均為負(fù)增長。所以，國際機(jī)構(gòu)和研究者非常擔(dān)心疫情之后的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇會帶來能耗和碳排放的強(qiáng)烈反彈。國際能源組織(IEA)一直呼吁各國政府要使經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇盡可能地可持續(xù)和有彈性。這意味著既要立即解決全球經(jīng)濟(jì)衰退和失業(yè)率飆升等核心問題，也要考慮建設(shè)更清潔、更安全的能源體系[7]。

2020年中國的GDP突破100萬億元，比2019年增長2.3%。2020年中國能源消費總量增長2.2%，為49.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤，完成了“十三五”規(guī)劃中總量控制在50億t標(biāo)準(zhǔn)煤以下的目標(biāo)。全社會用電量增長3.1%，但可再生能源發(fā)電量同比增長了8.4%[8]。此外，天然氣消費增長了7.2%，煤炭消費增長了0.6%[9]。

從圖1可以看出，與2019年相比，因為疫情和經(jīng)濟(jì)恢復(fù)，中國2020年的碳排放呈現(xiàn)出前少后多的趨勢，2020年下半年明顯反彈。

圖1 中國2019—2020年(1—11月)碳排放每日監(jiān)測數(shù)據(jù)比較[10]

截止到目前，尚未看到權(quán)威部門發(fā)布的2019年中國碳排放量數(shù)據(jù)。根據(jù)一些研究資料，估算2019年中國GHG總排放量為139.2億t[11]，與能源相關(guān)的CO2排放量為98.26億t，占世界總量的28.8%[12]。2019年人均CO2排放量為8.12 t，在世界上位居第37位[13]，但是也超過了世界平均水平。很明顯，中國的碳減排對世界有舉足輕重的作用。中國能不能實現(xiàn)碳達(dá)峰，能不能實現(xiàn)碳中和，在很大程度上影響《巴黎協(xié)定》爭取全球溫升控制在1.5 ℃(或2 ℃)的目標(biāo)能不能實現(xiàn)。

在洛基山研究所(Rocky Mountain Institute, RMI)與能源轉(zhuǎn)型委員會(Energy Transition Commission, ETC)2020年6月發(fā)表的報告[14]中，建議中國政府在考慮中國經(jīng)濟(jì)的綠色復(fù)蘇時，應(yīng)加速可再生能源領(lǐng)域投資，推動綠色零碳電氣化，并將此項工作上升到與高鐵、5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)同等重要的戰(zhàn)略高度，作為推動經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的“新基建”中的重要組成。零碳電氣化既有促就業(yè)、提振經(jīng)濟(jì)的短期效應(yīng)，又有推動中國能源轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)利益。

2020年9月22日習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上講話時鄭重承諾，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。從那時開始到2021年1月，習(xí)主席7次在重大國際場合就“中國力爭于2030年前CO2排放達(dá)到峰值”和“2060年前實現(xiàn)碳中和”發(fā)表重要講話。

碳減排、碳達(dá)峰和碳中和已經(jīng)成為我國的國家戰(zhàn)略。每個行業(yè)都不能置身度外，每個人都是利益相關(guān)者。本文僅就城市建筑領(lǐng)域的碳達(dá)峰和碳中和的技術(shù)路徑進(jìn)行初步探討。

2 城市建筑領(lǐng)域碳減排

2.1 城市建筑碳排放特點

IEA在其特別報告中指出：建筑將在清潔能源轉(zhuǎn)型中扮演中心角色[15]。這是因為建筑在運行過程中由于耗能而產(chǎn)生的碳排放占排放總量的28%，其中2/3來自快速增長的用電量。自2000年以來，建筑物中的電力需求增長速度是電力部門碳排放強(qiáng)度降低速度的5倍。而如果考慮到建筑材料和施工過程中的碳排放，則建筑碳排放占排放總量的39%。

IEA把建筑作為碳中和與能源轉(zhuǎn)型的重點領(lǐng)域的原因是[16]：

1) 建筑正處于高增長期。預(yù)計從現(xiàn)在到2050年，全球新增建筑面積將是中國現(xiàn)有存量的2.5倍(即1 500億～2 000億m2)。

2) 新增建筑主要在發(fā)展中國家，而大部分發(fā)展中國家建筑節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系很不完備，很可能會鎖定高能耗和高碳排放的特性。到2050年會造成額外的35億t標(biāo)準(zhǔn)煤的能耗和20億t的碳排放。

3) 發(fā)達(dá)國家則相反，到2050年有90%以上的建筑是2020年之前建造的既有建筑。其中很大部分需要更新和改造。

4) 相對而言，建筑的節(jié)能減排技術(shù)較容易實現(xiàn)，同時可以改善建筑室內(nèi)舒適性，并節(jié)約使用者的能源費用。而每年在節(jié)能減排上的投入僅2 700億美元，只占每年全球建筑總投資(4.9萬億美元)的5.5%。

那么，是不是只要在建筑運行階段繼續(xù)開展建筑節(jié)能就可以了呢？建筑節(jié)能的確是碳中和的基礎(chǔ)，但不是全部。建筑溫室氣體核算包括3個范圍[16](Scope)：

1) Scope 1，直接碳排放。如建筑的鍋爐、煤爐、燃燒灶具和燃?xì)鉄崴?。通過直接燃燒排放CO2。

2) Scope 2，間接碳排放。建筑用電，或利用區(qū)域供熱供冷的蒸汽和冷熱水。如果建筑利用了工業(yè)余熱或冷熱電聯(lián)產(chǎn)的冷熱量，盡管被視為節(jié)能，但相應(yīng)產(chǎn)能的碳排放還是要記到建筑的賬上。

3) Scope 3，隱含碳排放。包括建筑材料和構(gòu)件在開采、制造、運輸全過程中的碳排放，建筑施工、裝修、改造中的碳排放，以及初期土地利用和最后建筑拆除過程中的碳排放。

直接和間接碳排放可以看作是運行碳排放。所以，必須綜合考慮建筑隱含碳排放和運行碳排放，即建筑全壽命周期的碳排放。這就不是運行節(jié)能所能涵蓋的。也給建筑碳中和帶來復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。

可以看出，上述3個Scope的空間分布已經(jīng)超出了建筑本體，需要在鄰里、街區(qū)、社區(qū)乃至城市的廣闊視角中考量。因此，建筑碳中和在本質(zhì)上要與城市碳中和相結(jié)合。

城市是人口密集、各種要素集聚的場合。2020年，世界城市化率約為56%，預(yù)計到2050年將增加到68%[17]。城市能源需求占全球能源需求的2/3，占能源部門碳排放量的70%[18]。從目前到2050年，大部分新建建筑將在新興經(jīng)濟(jì)體和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體的城市中建造。根據(jù)世界銀行的一份報告，到2110年，發(fā)展中國家城市人口將增加50億人。而由于經(jīng)濟(jì)和生活水平的提高，城市的密度也會下降。發(fā)展路徑有2種：一種是現(xiàn)有城市的平均人口增加3倍，平均建筑面積增加6倍；另一種是保持現(xiàn)有城市的建筑面積不變，將再開發(fā)625個新的1 000萬人口的城市，其中500個新城市滿足城市人口的凈增長，另外125個城市將容納因為平均密度下降了一半而必須離開現(xiàn)有城市的12.5億人口。無論哪一種增長方式，建筑面積的增長都是必要條件。因此，建筑碳中和涉及城市人口、城市形態(tài)和基礎(chǔ)設(shè)施，需要綜合研究。

2.2 中國城市建筑碳排放

2.2.1城市建筑概況

中國改革開放的40年間經(jīng)歷了城市化的高速增長。1978年中國城市化率僅為17.92%，而到2019年已經(jīng)達(dá)到60.60%。

中國城市在管理體制上最大的特點就是每個城市都有工業(yè)，而且長時間以來重化工業(yè)的投資和產(chǎn)值一直是很多城市經(jīng)濟(jì)的重要支柱。因此，中國很多城市的能源消費和碳排放都以工業(yè)為主。在其中50個城市中，工業(yè)占總排放量的比例平均接近70%，這與發(fā)達(dá)國家的城市非常不同。這意味著中國大多數(shù)城市的高人均排放量更多是由生產(chǎn)而不是消費驅(qū)動的。建筑和交通部門的平均排放量分別僅為14%和12%[19]。但北上廣深等人均GDP超過2萬美元的超級城市，重化工業(yè)在經(jīng)濟(jì)中所占的份額很小，工業(yè)碳排放量近年來已經(jīng)達(dá)峰并開始下降，CO2排放趨勢更多地取決于交通和建筑。

但是，工業(yè)的高排放會影響建筑碳排放，尤其是隱含碳排放。由于我國的國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計體系沒有與國際接軌，在國內(nèi)很難得到詳實可靠的能源消費和碳排放數(shù)據(jù)，因此筆者從有限的、較為權(quán)威來源的數(shù)據(jù)中，按照圖2的流程，對我國城市建筑領(lǐng)域的碳排放作了粗略測算。

圖2 建筑碳排放核算范圍

2018年中國建筑面積為671億m2[20]。從表1可見，統(tǒng)計的都是民用建筑。

表1 2018年中國民用建筑保有量[20]

因為本文主要聚焦城市建筑，后文的技術(shù)路徑設(shè)計也主要針對城市特點，因此需要對表1中的數(shù)據(jù)作適當(dāng)處理。

1) 所有數(shù)據(jù)計算中均取小數(shù)點后一位小數(shù)，計算結(jié)果盡量取整。

2) 隱含碳排放計算需要使用2019年數(shù)據(jù)[21]，則在表1的2018年數(shù)據(jù)上加上2019年的竣工面積，并減去工業(yè)建筑和其他建筑的竣工面積，為34億m2?？芍?019年民用建筑的總建筑面積為705億m2。

3)假定2019年各類建筑比例同2018年，2019年新建民用建筑竣工率為27%。調(diào)整后的2019年城市建筑面積見表2。

表2 2019年建筑面積計算值

2.2.2隱含碳排放

1) 建筑材料碳排放。建筑材料的品種、規(guī)格非常多。其中用量大且碳排放因子高的材料有鋼鐵、水泥、玻璃和鋁材。而用量也很大的木材可以認(rèn)為是碳中和材料，其生產(chǎn)過程可以認(rèn)為是凈零碳排放。其他材料，例如磚瓦、保溫材料、陶瓷、塑料，以及設(shè)備電器用金屬等，因為相對用量小，或者碳排放因子小等原因，本文不加考慮。只計算前述四大材料。根據(jù)2019年統(tǒng)計的全國耗量，按照國家標(biāo)準(zhǔn)[22]給出的碳排放因子(取最普通的典型材料品種的因子)，并乘以當(dāng)年建筑的竣工率，折算成竣工建筑的單位建筑面積CO2排放量(見表3)。

表3 2019年竣工建筑的建筑材料隱含碳排放

2) 材料運輸碳排放。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中缺省物流距離和各種運輸工具的平均碳排放因子102 kg/t計算，約為28 kg/m2。

3) 施工過程碳排放。根據(jù)文獻(xiàn)[23]的詳細(xì)調(diào)研測算，CO2排放約為50 kg/m2。

由上可以估算出我國建筑在物化過程中的隱含碳排放約為530 kg/m2。如果加上其他未計入的建筑材料的小量碳排放，總和在580 kg/m2左右。

4) 建筑改造和拆除中的碳排放。建筑拆除過程的碳排放包括拆除中使用機(jī)械設(shè)備的能耗，以及拆下來的廢棄材料的回收、處置、運輸、填埋和焚燒。這又是一個非常復(fù)雜的問題。我國有每年新建建筑面積的統(tǒng)計，但一直沒有每年拆除建筑的數(shù)據(jù)。媒體多次批評過國內(nèi)大拆大建的不良風(fēng)氣。有多位研究者(主要是在讀研究生)分析過建筑拆除過程中的碳排放，但數(shù)字相差很大。

嘗試作一個估算：根據(jù)文獻(xiàn)[24]，2016年拆除建筑的碳排放量為778億t，此前10年間的年均增長率是4%。以同樣的增長率推算到2019年的拆除建筑碳排放量為875億t?？紤]到我國建筑拆除規(guī)模很大，某些建筑更新改造和裝修工程也是幾乎將原有建筑推倒重來(除了基礎(chǔ)不動)。假定拆除建筑面積按當(dāng)年建筑施工面積的10%計算，2019年為14.4億m2?？傻媒ㄖ鸪A段碳排放強(qiáng)度為60 kg/m2。

可以歸納為城市建筑的平均總隱含碳排放為640 kg/m2。

2.2.3運行碳排放

運行碳排放主要來自于：1) 建筑環(huán)境能耗(供熱、供冷、通風(fēng)、照明)；2) 建筑公用設(shè)施能耗(電梯、供水、生活熱水、供配電)；3) 功能性能耗(電器、信息系統(tǒng)、辦公設(shè)備、電動車充電等)。其中第1)、2)項對于不同類型建筑需求相對穩(wěn)定。尤其在住宅中，中國的建筑能耗相對發(fā)達(dá)國家、甚至相對經(jīng)濟(jì)水平相當(dāng)?shù)膰叶继幱诤艿偷乃健Ｗ畲蟛淮_定因素是功能性能耗。

文獻(xiàn)[25]中對2018年我國運行能耗和碳排放作了詳細(xì)分析。但其建筑面積數(shù)據(jù)小于文獻(xiàn)[21]的數(shù)據(jù)，而建筑能耗總量數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[21]是一樣的。根據(jù)筆者分析，2019年中國的一次能源消耗比2018年增長了3.3%[26]，2019年的電力碳排放因子也較2018年有所增大。為保持一致性，本文采用了文獻(xiàn)[25]中的單位建筑面積平均碳排放量(因為在計算平均值時，其分母即建筑面積較小，所以單位建筑面積的碳排放量平均值較大，可以充分顧及很多不確定因素)。筆者對數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，見表4。

表4 2019年我國城市建筑單位面積運行碳排放強(qiáng)度

2.2.4城市民用建筑壽命周期碳排放

壽命周期碳排放與建筑壽命相關(guān)。GB 50352—2019《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，普通建筑和構(gòu)筑物的設(shè)計使用壽命應(yīng)為50 a。而日本早些年便有人提出“200年住宅”的概念，要求將原來目標(biāo)為100 a的建筑壽命延長至200 a。其中一個目的就是減碳。而我國大多數(shù)建筑平均壽命只有30 a。建筑的短命，使得隱含碳排放占比非常大，增加了城市的碳足跡。建筑壽命延長，盡管運行能源需求會不斷提高，但技術(shù)進(jìn)步和能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型會平衡掉這些需求，甚至使碳排放降低。最不利的情況是需求增長，但碳排放與現(xiàn)在持平；或前期遞增，后期遞減，最終持平。

表5給出了幾種情景及在建筑不同壽命下的碳總排放量和隱含碳排放占比。

表5 城市建筑碳排放的幾種情景

3 城市建筑碳達(dá)峰路徑

3.1 我國城市建筑碳足跡分析

我國城市建筑碳排放具有以下特點。

1) 我國的能源統(tǒng)計以法人為對象，工業(yè)企業(yè)的建筑能耗都被算作工業(yè)能耗。因此建筑用能的統(tǒng)計很煩瑣，不同來源的數(shù)據(jù)差別很大。除了直轄市，其他副省級以下的城市沒有完整的能源統(tǒng)計。公布的碳排放因子也是以骨干電網(wǎng)為單位。因此建筑碳中和工作缺乏基礎(chǔ)。

2) 建筑尤其是居住建筑能耗水平很低。2019年美國平均每戶由于能源利用而排放7 856 kg[27](17 320磅)CO2，而美國平均每戶住宅面積是175 m2，可以計算出住宅單位面積碳排放量為45 kg/m2。該值是我國無集中供暖建筑的2.6倍，卻只有我國供暖建筑的82%。這顯然是因為中國還有80%以上的供暖面積的建筑用燃煤供暖。2019年美國商用建筑的運行碳排放強(qiáng)度是86.5 kg/m2，與我國供暖公共建筑的強(qiáng)度相當(dāng)，即使排除碳排放因子高的因素，我國公共建筑供暖的能耗和碳排放都是很高的。

3) 與建筑能耗水平低相反，建筑在壽命周期的兩端——物化和拆除過程中的消耗和排放水平很高。比如建筑材料的排放，我國比日本住宅的340 kg/m2[28]高出40%。而建筑的拆除更是造成巨大浪費。在某些地方，城市更新成了拆舊建新，建筑改造也是只留基礎(chǔ)，全部推倒重來。甚至某些綠色化改造、節(jié)能改造也成了建筑物的“脫胎換骨”，不知改造后節(jié)約的能源能補(bǔ)償多少變成建筑垃圾的舊建材的碳排放？有的精裝修建筑，業(yè)主常常是把建筑全部掏空，甚至改動承重結(jié)構(gòu)。

4) 從表5可以看出：① 住宅中隱含碳排放占比超過50%，是主要碳排放源；② 建筑壽命越長，年化碳排放強(qiáng)度越低；③ 供暖碳排放占運行碳排放的近70%(居住建筑)和43%(公共建筑)，是建筑碳中和需要解決的最大問題。

5)我國建筑能耗(尤其是居住建筑能耗)低是由城市間經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異引起的。2020年人均GDP最高的深圳市已經(jīng)超過3萬美元，而人均GDP最低的城市僅剛剛超過1萬元人民幣，顯然在居住建筑能耗需求上會有很大差距。而按全國建筑面積平均的能耗量拉低了平均值。但這可能不是唯一的解釋。以2020年人均GDP為2.3萬美元、人均可支配收入超過7.2萬元人民幣的上海市為例，據(jù)測算2019年居住建筑的運行碳排放強(qiáng)度是30.7 kg/m2(1)上海建筑科學(xué)研究院有限公司.“十四五”上海市民用建筑能耗增長趨勢分析，2020，約為全國城鎮(zhèn)住宅的1.8倍。但文獻(xiàn)[29]取的碳排放因子比文獻(xiàn)[25]的大，我國的碳排放因子(尤其是電力的)一直在減小，因此二者差距可能沒這么大。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平確實影響了建筑的碳排放強(qiáng)度，但文獻(xiàn)[29]也發(fā)現(xiàn)，近些年上海的住宅運行碳排放強(qiáng)度起伏不定，基本上處在平穩(wěn)狀態(tài)。上海市的人均生活能耗、消費領(lǐng)域能耗總量和住宅面積都在增長，為什么用了同一碳排放因子計算的單位建筑面積運行碳排放強(qiáng)度卻基本沒有增長？只能解釋為住宅面積(分母)增長過快，且有大量住宅空置，沒有能耗。這反過來又會使居住建筑的隱含碳排放強(qiáng)度提高。

如果從現(xiàn)在到2030年不作任何改變，則估計城市建筑將新增220億m2，新增碳排放約14億t。我國城市建筑碳排放總量將達(dá)39億t。

3.2 城市建筑碳達(dá)峰路徑

根據(jù)我國城市建筑碳排放現(xiàn)狀，筆者提出實現(xiàn)碳中和的路徑，僅為個人觀點。

3.2.1政策層面

1) 建筑碳中和政策的差異化。

我國住宅除供暖外的能耗水平很低。盡管其中有部分原因是我國長期開展建筑節(jié)能工作所取得的成果，但主要還是很大部分居民的生活水平較低，很多住宅的室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)未達(dá)到健康舒適的標(biāo)準(zhǔn)。所以，對居住建筑應(yīng)主要研究降低隱含碳排放和延長壽命。對運行碳排放的降低則應(yīng)把重點放在能耗限額設(shè)計(能耗限額作為超低能耗建筑的計算值和控制指標(biāo))；提高供暖系統(tǒng)效率和實現(xiàn)供暖系統(tǒng)電氣化；對家用電器和用能產(chǎn)品實行嚴(yán)格的能效等級市場準(zhǔn)入政策等。而對居民合理的用能需求(特別是今后在信息技術(shù)方面不斷推陳出新的應(yīng)用)不應(yīng)加以限制。例如對南方城市住宅集中供暖的需求，應(yīng)該用能耗限額、資源共享、高效新技術(shù)等加以引導(dǎo)，而不是簡單地加以限制。

對公共建筑，要重點解決運行碳排放高的問題。實行能耗限額設(shè)計(通過能耗監(jiān)測和分項計量系統(tǒng)對建筑相關(guān)的實際能耗進(jìn)行限額管理)、能源和系統(tǒng)的優(yōu)化、可再生能源的規(guī)模化應(yīng)用和資源共享、運行管理的數(shù)字化和智能化。對公共建筑的功能性和業(yè)務(wù)性能耗(如辦公樓插座、酒店餐廳宴會廳、醫(yī)院大型醫(yī)療設(shè)備、學(xué)校實驗室，以及建筑內(nèi)附設(shè)的數(shù)據(jù)中心和設(shè)備機(jī)房等)要分開計量，作為獨立項計入總能耗。

2) 做好碳中和的基礎(chǔ)工作。

能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)與國際通用模式接軌，即按建筑、交通、工業(yè)(包括產(chǎn)業(yè)化農(nóng)業(yè))三大領(lǐng)域統(tǒng)計能源消費數(shù)據(jù)，建筑領(lǐng)域按城市居住建筑、商用建筑、公共建筑、農(nóng)村居住建筑和工業(yè)及其他建筑等子領(lǐng)域統(tǒng)計能耗強(qiáng)度數(shù)據(jù)。每年發(fā)布地級以上城市的各種能源品種的碳排放因子和各類建筑物化過程中的碳排放強(qiáng)度。如果統(tǒng)計工作做這樣大的轉(zhuǎn)型有困難，可以先研究并提供建筑能耗和碳排放核算統(tǒng)一和規(guī)范的方法。這方面可以借鑒發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗，例如日本的做法[28]。

3) 壓縮房屋建筑規(guī)模。

經(jīng)測算，2019年我國人均居住建筑面積為40.7 m2，城鎮(zhèn)人均居住建筑面積為37.7 m2，實現(xiàn)了小康目標(biāo)(35 m2)。在國際上比較，已經(jīng)超過日本(37.3 m2/人)、英國(35.4 m2/人)和韓國(31.7 m2/人)水平，略低于歐盟(42.6 m2/人)。當(dāng)然這只是平均數(shù)，還有一些人沒有住房，還有一些人居住條件很差。最好能統(tǒng)計各收入群組家庭居住面積的中位數(shù)。到2030年，預(yù)計城市化率達(dá)到68%。到2050年，應(yīng)穩(wěn)定在80%左右。

研究預(yù)測，中國在2030年的總生育率將只有1.42，遠(yuǎn)低于代際更替水平(2.3)，人口將到頂峰，估計為14.42億人[29]。2050年人口下降為13.65億人。圖3顯示了這一趨勢。

圖3 2016—2020年我國出生人口[30]

按此數(shù)據(jù)計算，2030年城市人口應(yīng)為9.8億人，2050年城市人口應(yīng)為10.9億人。如果為2019—2030年間新增的1.3億人口提供人均37.7 m2的居住面積，則需要49億m2，而為2030—2050年間新增的1.1億人口提供同樣面積，則需要41.5億m2。如果進(jìn)一步把中國的人均住房面積提高到歐盟水平(43 m2/人)，到2030年需要為原有8.5億城市人口每人增加5 m2住宅，為新增1.3億人口提供每人43 m2住宅，則總計需新建建筑約100億m2；從2030年到2050年需要為新增1.1億人口提供每人43 m2住宅，則需新建建筑47.3億m2。加上每年拆舊新建的原有住房5億m2，到2030年每年需要竣工的居住建筑面積為10億m2(保持小康水平)和15億m2(達(dá)到歐盟水平)。與2019年的27億m2居住建筑竣工面積相比，可以分別減少63%和44%。每年可減少碳排放總量11億t和7.7億t，對碳達(dá)峰起到重要作用。而2030—2050年，每年需要新建的城市住宅面積不到8億m2。

4) 房子是用來住人的。

近年來我國一直堅持“房住不炒”的調(diào)控政策，不允許任何形式的投機(jī)炒房、渲染炒作，采取針對性調(diào)控措施，確保房產(chǎn)市場穩(wěn)定。

城市要擺脫對土地財政的依賴。盡管這很難，因為中國的城市化進(jìn)程在很大程度上是由特定條件下的土地財政融資支撐的。但經(jīng)濟(jì)總量已經(jīng)超100萬億元的中國，確實到了探索新的可持續(xù)發(fā)展道路的時候了。不解決這個問題，很難在2030年實現(xiàn)城市建筑的碳達(dá)峰。

為解決城市化中越來越多的新市民的住房問題，要發(fā)展各種檔次的租賃房、公租房和保障房，實現(xiàn)“居者有其屋”。發(fā)掘既有居住建筑存量房屋的資源，用“廣廈千萬間”來保障所有市民“俱歡顏”，從而減少建設(shè)規(guī)模。

5) 提高建筑質(zhì)量，延長建筑壽命。

提高建筑質(zhì)量，可以延長建筑壽命；延長建筑壽命，可以降低碳排放。美國的住宅平均壽命是75 a，日本提倡“幾代人的住宅”，中國至少應(yīng)達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的50 a。商品住宅則更應(yīng)該延長到70 a(合同年限)。對建筑質(zhì)量要有更嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)控制度，結(jié)合BIM技術(shù)建立建筑的“健康檔案”和“病歷卡”，對住戶要有清晰的使用手冊和主要選材的清單。將建筑的能效標(biāo)識納入質(zhì)量管理體系，并明示給用戶。

對建筑裝修和建筑拆除作嚴(yán)格規(guī)定。設(shè)定“非拆不可”建筑的評判標(biāo)準(zhǔn)，對可回收的建筑垃圾處置實行監(jiān)管。

6) 建筑工業(yè)化。

以裝配式建筑為代表的新型建筑工業(yè)化快速推進(jìn)，建造水平和建筑品質(zhì)明顯提高。裝配式混凝土建設(shè)項目在施工過程中相比傳統(tǒng)方式可減少建筑垃圾排放70%，節(jié)約木材60%，節(jié)約水泥砂漿55%，減少水資源消耗25%[31]。

3.2.2技術(shù)層面

1) 碳中和從規(guī)劃開始。

城市規(guī)劃中要增加碳中和篇章，對新建或更新的城區(qū)作碳預(yù)算，并提出地塊和規(guī)劃分區(qū)的碳指標(biāo)及相應(yīng)的碳中和措施。一般認(rèn)為，城市空間規(guī)劃是三維的，即除了平面布局外還要考慮高度、景觀和城市設(shè)計的元素。今后應(yīng)該把城市空間規(guī)劃擴(kuò)展到五維，第四維是時間維度，新建城區(qū)要規(guī)定建筑的壽命(壽命期內(nèi)不允許大拆大改)，城市更新要考慮建筑的歷史，“讓城市留住記憶，讓人們記住鄉(xiāng)愁”。第五維是內(nèi)核維度，即能耗強(qiáng)度、建筑性能和可再生能源利用的預(yù)留空間。

2) 建筑材料的低碳化。

一直以來認(rèn)為材料制造過程中的碳排放是工業(yè)部門的責(zé)任。因此建筑的隱含碳排放在很大程度上被忽視，隱含碳排放占全球碳排放的11%。對新建或更新建筑，一是可以通過選擇制造過程中前期碳排放少的材料，二是在設(shè)計時考慮到建筑壽命周期中的終身碳排放。遵循4個原則[32]：① 預(yù)防。從一開始就通過考慮替代策略來實現(xiàn)預(yù)期的功能，從而避免隱含碳排放。② 減量和優(yōu)化。對每個設(shè)計方案作前期碳排放預(yù)算。③ 為未來作規(guī)劃。采取措施避免未來在壽命過程中和壽命結(jié)束時的碳排放。④ 抵消。作為最后手段，盡可能抵消項目邊界內(nèi)的殘余隱含碳排放，必要時通過經(jīng)驗證的抵消方案進(jìn)行抵消。

從全球來看，水泥和鋼鐵是建筑材料碳排放的2個最重要來源。水泥制造占全球碳排放的7%左右，鋼鐵碳排放也占全球總量的7%～9%，其中約一半可歸因于建筑和施工。水泥和鋼材在生產(chǎn)過程中都需要非常高的溫度，這使得它們是能量密集型產(chǎn)品。而且其生產(chǎn)過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也會直接釋放CO2。因此，這些材料的碳排放被認(rèn)為是“難以減少”的[32]。

拆除建筑的鋼材應(yīng)全部回收。設(shè)計中首選電爐鋼。電弧爐產(chǎn)生的CO2還不到轉(zhuǎn)爐的一半。電弧爐煉鋼相比轉(zhuǎn)爐煉鋼有很大優(yōu)勢：第一，它可以用可再生能源發(fā)出的電力，可以進(jìn)一步減少CO2排放；第二，它的原料可全部利用廢鋼。

混凝土是世界上應(yīng)用最廣泛的建筑材料，占全球人為CO2排放量的6%～10%。硅酸鹽水泥是混凝土的主要成分，是混凝土的主要碳排放源。在用先進(jìn)工藝和提高效率減少水泥生產(chǎn)中的碳排放后，可以進(jìn)一步通過減少單位體積混凝土的水泥使用量來減碳。用基于非化石燃料來源的補(bǔ)充膠凝材料(supplementary cementing materials，SCM)替代水泥。施工過程中增加混凝土養(yǎng)護(hù)時間，以增加SCM的使用。把追求建設(shè)速度轉(zhuǎn)變?yōu)樽非筚|(zhì)量和減碳。

此外，更多地利用預(yù)制構(gòu)件和裝配式建筑也是減少材料消耗和碳排放的重要方法。我國建材行業(yè)也在積極推進(jìn)整個行業(yè)的碳達(dá)峰和碳中和[33]，倡議我國建材行業(yè)要在2025年前全面實現(xiàn)碳達(dá)峰，水泥等行業(yè)要在2023年前率先實現(xiàn)碳達(dá)峰。建議盡快發(fā)布水泥等主要建材生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的碳排放和能耗數(shù)據(jù)，建筑項目可以選擇產(chǎn)品來源，作項目的碳預(yù)算。形成市場倒逼機(jī)制，推動高碳產(chǎn)品企業(yè)盡快減碳。

根據(jù)國外測算，通過一系列措施，建材的隱含碳排放可以降低30%。50 a壽命的住宅，年化隱含碳排放量可以降低到8 kg/m2左右。

3) 市場需求預(yù)測和能耗負(fù)荷反推。

國內(nèi)有不少房地產(chǎn)研究院，大多數(shù)的研究是預(yù)測房價的漲跌或政策的解讀。在有了大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的今天，應(yīng)該有條件比較精準(zhǔn)地建模，分析和預(yù)測幾年后某個城市或某個城區(qū)需要多少保障性住房、商品住宅和公租房。然后由房產(chǎn)商競標(biāo)批地，提前預(yù)售。做到在竣工后一兩年內(nèi)入住率達(dá)到80%以上。歐洲一些發(fā)達(dá)國家住宅區(qū)就是如此。今后要做到新建小區(qū)都是精裝修房，可以根據(jù)預(yù)購業(yè)主的喜好進(jìn)行個性化裝修，建成后業(yè)主可拎包入住，不需要“翻天覆地”重新裝修，也沒有冗長的銷售期，不需要過度營銷。更大的好處是由于很快達(dá)到規(guī)模，使得很多節(jié)能技術(shù)(如熱回收、可再生能源資源共享、區(qū)域能源系統(tǒng)等)可以在設(shè)計工況下運行，提高運行效率。人工智能算法的最大優(yōu)勢在于預(yù)測(forecasting)，通過有自學(xué)習(xí)功能的深度學(xué)習(xí)算法，可以從大量數(shù)據(jù)中找出規(guī)律，也可以從紛雜的影響因素中辨識出主要因素。

另一方面，因為有能耗限額和碳排放總量控制的約束，傳統(tǒng)的冷熱電負(fù)荷預(yù)測和設(shè)計日負(fù)荷的計算方法需要演變?yōu)樨?fù)荷反推(backcasting)方法。即能源系統(tǒng)的設(shè)計向性能化設(shè)計轉(zhuǎn)型。

所謂負(fù)荷反推，就是要回答一個基本問題：“如果我們想達(dá)到某個能耗限額目標(biāo)，必須采取什么措施？”通過反推，定義負(fù)荷；通過設(shè)置建筑和系統(tǒng)參數(shù)，以整體方式優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置，以滿足這個負(fù)荷。圖4給出了負(fù)荷反推的流程。

圖4 負(fù)荷反推的流程示意

4) 運行碳排放的達(dá)峰。

盡管我國民用建筑的建筑節(jié)能工作取得了很大成績，我國綠色建筑的建設(shè)也一直以節(jié)能為重點，我國的住宅能耗水平很低，但建筑運行碳排放減量還有潛力可挖。也正因為能耗水平低，我國建筑運行能耗在全國總能耗中只占21%，與發(fā)達(dá)國家相比(美國占比39%，日本占比32%，德國占比35%)，實現(xiàn)碳中和目標(biāo)相對容易。

我國建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)運行碳中和的難點在于：① 能源結(jié)構(gòu)是以煤為主的高碳結(jié)構(gòu)。2019年我國一次能源消費中，燃煤占57.7%，非化石能源只占14.9%。2019年發(fā)電量中，火電占比高達(dá)69.6%[34]。這就帶來了盡管建筑能耗強(qiáng)度不高、但碳排放量卻居高不下的后果。② 在統(tǒng)計工作中，我國能量計量單位一般用“標(biāo)準(zhǔn)煤”作為單位，標(biāo)準(zhǔn)煤不是煤，只是能量單位(7 000 kcal/kg，折合標(biāo)準(zhǔn)煤29.307 6 GJ/t)。但長期以來按照典型煤種褐煤的含碳量(25.8 kg/GJ)計算其碳排放因子，即每t標(biāo)準(zhǔn)煤排放CO22.772 5 t，明顯高估。所以也有按每t標(biāo)準(zhǔn)煤排放2.6 t計算的。③ 本文所引用的主要碳排放數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[25]。文獻(xiàn)[25]根據(jù)能源結(jié)構(gòu)的不同作了較為詳細(xì)的碳排放因子核算，較接近實際。但電力在建筑能源中占比很大，電力的碳排放應(yīng)該用電網(wǎng)平均碳排放因子(整個電網(wǎng)的電廠總排放除以總電量)計算。不過我國自2012年之后就沒有公布過電網(wǎng)平均碳排放因子數(shù)據(jù)。

盡管陸續(xù)出現(xiàn)過2015年全國電網(wǎng)平均碳排放因子0.610 1 t/(MW·h)、2018年0.59 t/(MW·h)等數(shù)據(jù)，反映這一因子逐年下降的趨勢。但因為這2個數(shù)據(jù)不是正式發(fā)布，知道者寥寥。很多人轉(zhuǎn)而用國家發(fā)展和改革委員會每年發(fā)布的中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子。但有很多文獻(xiàn)指出，基準(zhǔn)線排放因子中的EFOM和EFBM(EFOM是電量邊際排放因子，即所有火力發(fā)電廠排放因子的加權(quán)平均，而且是可以獲得數(shù)據(jù)的最近3年的加權(quán)平均。EFBM是占整個電網(wǎng)發(fā)電容量20%的新建電廠的排放因子的加權(quán)平均，稱為容量邊際排放因子)實際上只反映發(fā)電側(cè)大型化石燃料發(fā)電機(jī)組的碳排放情況，并沒有考慮日益增多的并網(wǎng)小規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電，所以并不準(zhǔn)確。

最好的解決辦法是每座城市根據(jù)前一年用電量中自發(fā)電(火電、水電或可再生能源發(fā)電)量和外購電來源(火電、水電或大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電)計算出本地電力的平均碳排放因子。這需要供電部門的配合。

設(shè)置城市建筑節(jié)能減排的情景。按照2030年城市人均43 m2居住建筑面積，考慮到2010—2030年間公共建筑面積增長快于居住建筑，因此按居住建筑面積的50%計算。再加上改建建筑每年約5億m2(公共建筑也占居住建筑的50%)面積，2030年城市民用建筑總面積為580億m2。而如果按2019年的建設(shè)速度，設(shè)每年新增城市民用建筑25億m2，將比本文的情景多20%。應(yīng)該說，本文設(shè)置情景中的建設(shè)規(guī)模并沒有“斷崖式”下降。

對運行碳達(dá)峰的情景作了假設(shè)，見表6。

表6 城市建筑運行碳達(dá)峰情景假設(shè)

表7給出了在表6假設(shè)的前提下計算得到的碳排放結(jié)果。到2030年的運行碳排放約為16.23億t，與表4中的2019年16億t持平，可以認(rèn)為運行碳排放達(dá)峰。

表7 2030年建筑運行碳達(dá)峰的計算結(jié)果

5) 供暖系統(tǒng)的改造。

表6中困難較大的措施是集中供暖的改進(jìn)。民用建筑中能耗最高的是北方集中供暖。我國建筑節(jié)能工作從1985年開始便圍繞提高集中供暖效率和減少污染排放而努力。35年中有進(jìn)步但不大。分戶計量和按計量收費政策沒有得到很好的實施。甚至連集中空調(diào)系統(tǒng)也倒退到按面積收費的老路上去。2019年全國集中供熱總量為39.25億GJ(折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.34億t)，供熱面積92.5億m2[35]。折合單位面積能耗量14.5 kg/m2。這個數(shù)值與地處北歐的瑞典相近(14.74 kg/m2)。但瑞典國土的最低緯度(55°)還要高于中國的最高緯度(漠河，53°)。根據(jù)報告[36]，中國區(qū)域集中供暖所消耗的能源約90%來自煤炭，自2010年以來，區(qū)域集中供暖所產(chǎn)生的碳排放增加了30%。因此，可以取較高的碳排放因子。如果取2.6 kg/kg，則可以得到近似文獻(xiàn)[25]中的碳排放強(qiáng)度37.7 kg/m2。而且2019年的碳排放強(qiáng)度高于文獻(xiàn)[25]中2018年的數(shù)據(jù)。說明北方城市集中供暖系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化必須作為建筑碳達(dá)峰和碳中和的重點。這是一個重大挑戰(zhàn)。

表8給出了假設(shè)全煤供暖、全氣供暖和全電力(空氣源熱泵)供暖能耗的比較。

表8 3種能源集中供暖的比較(以2019年供暖量計算)

從表8可以看出：① 燃煤供暖的CO2排放量最大，但實物量在當(dāng)年煤炭消費中的占比最小(僅6%左右)。② 電力驅(qū)動熱泵的碳排放最少。由于我國發(fā)電以煤為主，電力的碳排放因子很高(此處取0.59 kg/(kW·h)，為2018年全國發(fā)電平均碳排放因子)，因此用熱泵供暖的減排效果并不比用天然氣供暖好多少。盡管有熱泵能效比(本文取2.5)加持，其用電量還是占當(dāng)年電力消費的10%左右，是相當(dāng)可觀的。③ 天然氣供暖的碳排放量并不很高，與熱泵電力供暖相差無幾。但全天然氣供暖的需求量驚人，2019年全國天然氣消費總量約為3 000億m3，假設(shè)的全天然氣集中供暖用量相當(dāng)于其一半以上。我國的天然氣對外依存度逐年提高，2019年已達(dá)45%以上。如果大量進(jìn)口天然氣用于城市集中供暖，對我國能源安全無疑是巨大的威脅。歐洲一些國家近年冬季出現(xiàn)的氣荒就是前車之鑒，歐洲國家已經(jīng)開始城市去天然氣化的進(jìn)程。

供暖碳達(dá)峰的主要路徑為：① 新建建筑實現(xiàn)供暖分戶計量；② 末端向低溫輻射方式發(fā)展，但要注意這也意味著某些地區(qū)會從間歇供暖轉(zhuǎn)為連續(xù)供暖，延長供暖時間；③ 寒冷地區(qū)新建建筑向電力驅(qū)動熱泵供暖方式發(fā)展，要注意熱泵熱源的開發(fā)利用，采用能源總線等方式實現(xiàn)資源共享和分布式(分戶)熱泵供暖；④ 大部分既有集中供暖尚不可能用電力或天然氣替代，需要結(jié)合城市更新進(jìn)行改造，提升鍋爐效率、提高熱網(wǎng)供回水溫差，可以考慮“第四代區(qū)域供暖系統(tǒng)”技術(shù)[37]，將既有熱網(wǎng)的回水作為水源熱泵熱源。

建筑碳達(dá)峰另一個重要因素是電力系統(tǒng)的減碳。我國發(fā)電以煤為主，是世界上少數(shù)幾個發(fā)電燃料中煤炭比例超60%的國家之一(見表9)。

表9 2019年各國煤電比例 %

如上文中的分析，電力(熱泵)供暖沒有太大的減排潛力。2018年世界平均電力碳排放因子為0.475 kg/(kW·h)[39]，2019美國平均碳排放因子為0.392 kg/(kW·h)[40]。如果我國平均電力碳排放因子能達(dá)到世界平均水平，則相當(dāng)于減排20%。而如果達(dá)到美國水平(在世界上還是屬于高位的)，則相當(dāng)于減排33%。這并不是電力一家的事情，各行業(yè)都應(yīng)配合。在2030年將電力碳排放因子降低10%(至0.53 kg/(kW·h))并不是奢望。

再看總排放量。假設(shè)既有居住建筑中的50%壽命只有30 a，余下50%(近年建造的)和既有公共建筑均達(dá)到50 a壽命；而新建居住建筑和新建公共建筑都是50 a壽命，并結(jié)合建材工業(yè)的節(jié)能減排，可以得到2030年的隱含碳排放總量約為5億t。這樣，城市建筑的碳排放總量(峰值)是21億t。而如果不控制建筑規(guī)模，不對北方集中供暖系統(tǒng)進(jìn)行改造，則估計峰值碳排放總量會增加近1倍，即39億t左右(見3.1節(jié))。為2060年的碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)帶來巨大壓力。所以，城市建筑在2030年實現(xiàn)城市建筑碳達(dá)峰并降低峰值的主要措施是：第一，壓縮建筑規(guī)模，尤其是城市居住建筑規(guī)模；第二，降低北方集中供暖系統(tǒng)的碳排放；第三，降低電力系統(tǒng)的碳排放因子。按IEA的分析，能源相關(guān)的碳排放只有從2020年開始“斷崖式”下降，才有可能實現(xiàn)2050年碳中和。但因為中國比較快地控制住疫情，而且一度承擔(dān)了為經(jīng)濟(jì)停擺的國家提供日常必需品的任務(wù)，所以2020年中國碳排放量有所反彈。疫情后會不會能耗和碳排放雙雙報復(fù)性反彈？而各地城市的土地財政經(jīng)濟(jì)模式的巨大慣性能不能在短期內(nèi)被控制??？這些都是不確定因素。但是必須考慮到如果現(xiàn)在攀登的峰越高，給2030年以后挖的坑就越深。相比碳達(dá)峰而言，碳中和、凈零碳排放才是真正的考驗。

4 城市建筑運行碳中和路徑

本文僅就建筑運行碳中和的路徑進(jìn)行分析，限于篇幅，今后撰文詳細(xì)詮釋。

圖5給出了運行碳中和的5項基本措施。金字塔形狀表示這些措施的優(yōu)先次序，從底到頂。

圖5 實現(xiàn)城市建筑運行碳中和的5項措施金字塔

4.1 超低能耗建筑和降低碳負(fù)荷

這一措施是實現(xiàn)碳中和的基礎(chǔ)和必要條件，是圖5中的金字塔底座。必須強(qiáng)調(diào)，節(jié)能是實質(zhì)性節(jié)能、實物量節(jié)能、存量節(jié)能。具體措施包括(但不限于)：

1) 實現(xiàn)超低能耗建筑必須擴(kuò)展到城區(qū)范圍總體考量。從利用被動式技術(shù)、利用可再生能源和負(fù)荷平準(zhǔn)化等方面來說，都需要在城區(qū)范圍內(nèi)協(xié)調(diào)、協(xié)同和資源共享[41]。

2) 性能化能耗限額設(shè)計。負(fù)荷反推和能源系統(tǒng)優(yōu)化，建筑光伏一體化(BIPV)設(shè)計，城區(qū)被動技術(shù)環(huán)境分析(日照、太陽能可利用性、風(fēng)環(huán)境和污染物擴(kuò)散)。

3) 低隱含碳負(fù)荷設(shè)計。結(jié)合BIM選擇低碳材料，對材料減量化處理，采用裝配式技術(shù)，設(shè)計長壽命建筑。

4.2 建筑電氣化和提高能效

建筑電氣化是建筑碳中和的主要路徑。根據(jù)IEA設(shè)置的情景[15]，到2050年，在建筑物內(nèi)燃燒的燃料直接碳排放量將下降近75%，幾乎完全取消煤炭在建筑中的使用，石油消耗減少85%，天然氣總需求相對于目前將減少50%。而建筑的電力消費比例將從2017年的33%上升到2050年的近55%。與此同時，要求空調(diào)效率提高1倍、熱泵效率在現(xiàn)有最好產(chǎn)品的基礎(chǔ)上提高50%。再加上電力部門減碳90%，最終可使建筑碳排放降為現(xiàn)在的1/8。對中國而言，需要經(jīng)過很大的努力才能實現(xiàn)這樣的目標(biāo)。提出以下具體技術(shù)路線建議及要攻克的難點。

1) 供暖電氣化。即用熱泵取代直接燃燒的設(shè)備供暖(煤改電，乃至氣改電)。我國北方已經(jīng)開始煤改電行動，南方則更早用熱泵供暖。有以下問題需要解決：① 熱泵的熱源。最簡單的當(dāng)然是空氣源，但空氣源熱泵性能受空氣溫度、除霜等因素制約。水源熱泵則受是否有合適熱源的更大限制。② 供暖品質(zhì)。市場上常用的空氣源熱泵供暖溫度不高，適合輻射末端和全時全空間的供暖方式。對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能不佳的建筑，熱泵熱風(fēng)供暖創(chuàng)造的空間熱舒適感不能滿足部分人的需求。③ 對電網(wǎng)的沖擊。已經(jīng)形成冬季電力負(fù)荷高峰，甚至高于夏季。

2) 電力脫碳。中國的煤電比例在60%以上，這是中國實現(xiàn)碳中和必須解決的問題。電力要脫碳，沒有人對此有懷疑，但電力如何脫碳則是一個爭議非常大的問題。本文不在此展開討論，但可以看到一個事實，即中國擁有世界第一的可再生能源裝機(jī)量，也有先進(jìn)的特高壓輸電技術(shù)，已經(jīng)可以通過強(qiáng)大的輸電網(wǎng)輸送西部可再生電力，使東部特大城市上海的煤炭消費比例降低到31%左右。關(guān)鍵是不能再新建燃煤電廠，以避免形成碳排放的“鎖定效應(yīng)”，并形成一批碳沉淀資產(chǎn)。今后的低碳電力系統(tǒng)應(yīng)該是兼具可靠性和彈性的電網(wǎng)?？稍偕茉吹囊?guī)模化利用(城市或國家級)和分散式分布式利用(城區(qū)或單棟建筑)結(jié)合、可再生電力與核電和部分化石燃料發(fā)電結(jié)合(核電和帶有碳捕集與回收的化石燃料電廠承擔(dān)基荷，天然氣電廠承擔(dān)峰荷，可再生能源及儲能為主體)的多元系統(tǒng)。

3) 直流供電。對電力行業(yè)而言，直流供電是對傳統(tǒng)的回歸；而對建筑業(yè)來說，直流供電是一場變革。直流供電有很多好處：可以直接利用可再生能源電力(光伏發(fā)出直流電，風(fēng)力發(fā)電是交流，先轉(zhuǎn)直流再轉(zhuǎn)交流輸電)，可以提高供電效率最高達(dá)20%，可以直接驅(qū)動大部分家用電器。但建筑直流供電存在三大問題：① 電壓等級。目前直流電器的電壓有多個層級，建筑里不可能為每一電壓等級設(shè)專用插座，必須統(tǒng)一到2～3個等級。電壓高，電流小，但插拔插座會造成電??；電壓低，安全性可保證，但輸送電流大，配線耗銅量大。一旦定了電壓等級，形成標(biāo)準(zhǔn)，會給所有家電企業(yè)的產(chǎn)品帶來顛覆性的改變。所以，需要平衡各方利益，也需要與國際保持一致。② 建筑的所有電氣標(biāo)準(zhǔn)都要改編。③ 與原有電氣設(shè)備和家用電器的兼容性(也就是說，建筑里是否還要保留交流供電)。

4) 熱泵效率的提高。未來在供暖電氣化中用量最大的還是空氣源熱泵。2020年我國火力發(fā)電一次能耗是320 g/(kW·h)，可以計算出熱泵的季節(jié)性能系數(shù)HSPF≥2.6時方可認(rèn)為它利用了可再生熱源。實際運行表明，嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的空氣源熱泵(盡管是低溫型)，在室外氣溫降至-5 ℃以下時，其性能系數(shù)甚至可能降到2.0以下。按電力碳排放因子0.59 kg/(kW·h)和天然氣碳排放因子56 kg/GJ測算，空氣源熱泵供暖的間接碳排放將會超過效率70%的天然氣鍋爐供暖的直接碳排放。所以，需要關(guān)注空氣源熱泵在極端低溫下的性能和在部分負(fù)荷下的性能，而不僅僅是額定工況。

5) 能源總線系統(tǒng)。能源總線在歐洲被稱為第5代區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)。與前4代區(qū)域供熱供冷系統(tǒng)不同的是，它可以集成應(yīng)用各種低品位熱源，它只有一根冷管和一根熱管，為分布式安裝的水源熱泵提供熱源和熱匯[37]。非常適合我國南方地區(qū)部分時間、部分空間的供暖(供冷)方式，為南方城市提供集中供暖。同時，它可以規(guī)模化利用城市的廢熱余熱。城市里有豐富的余熱廢熱資源。例如，有研究表明，整個倫敦市的用能所產(chǎn)生的廢熱總量大約為71 TW·h/a，而2010年倫敦總的熱量需求只有66 TW·h/a[42]。能源總線在城區(qū)層面應(yīng)用必須要有綜合能源規(guī)劃。

6) 建筑能源管理智慧化。碳中和時代的建筑能源系統(tǒng)將是一個多源、多載體、多主體及利益多元的復(fù)雜系統(tǒng)，建筑的用能更關(guān)系到人的健康、舒適和效率，因此，它的管理系統(tǒng)必須融合大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)[43]。

4.3 現(xiàn)場可再生能源利用

現(xiàn)場可再生能源利用有以下主要方式[44]：可再生能源發(fā)電(包括太陽能光伏、小型風(fēng)力、生物質(zhì)發(fā)電)、供暖與供冷(包括太陽能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能)?，F(xiàn)場可再生能源利用分城區(qū)和單體建筑2個層面。由于可再生能源能量密度低、產(chǎn)能波動不穩(wěn)定，因此主要矛盾是空間利用和與應(yīng)用端的時間匹配。在建筑層面，在建筑紅線內(nèi)能利用的有光伏、氫燃料電池和生物質(zhì)燃料鍋爐；在城區(qū)范圍內(nèi)有條件時可以利用一部分風(fēng)電，此外還可以規(guī)模化利用光伏、地?zé)岷偷推肺粺嵩?包括余熱和廢熱)。

1) 建筑-光伏一體化(BIPV)。

BIPV與目前常用的BAPV(如屋頂光伏)不同。圖6給出了BIPV系統(tǒng)的分類。

圖6 BIPV分類[45]

BIPV技術(shù)的關(guān)鍵是其中的“I(Integrated)”，即集成。光伏與建筑無縫結(jié)合，或者說把光伏融合進(jìn)建筑，這是很難的。既要保證PV的效率，又要具備建筑組件的功能，還要保持建筑的美觀。所以，BIPV技術(shù)必須解決3個問題：① 提高光伏效率。太陽能電池的發(fā)展經(jīng)歷了三代(見圖7)，目前占據(jù)市場最大份額的是第一代，即晶硅太陽能電池，國產(chǎn)單晶硅電池的效率最高是(24.85±0.35)%，多晶硅電池最高效率為(22.8±0.32)%。第二代薄膜電池，國產(chǎn)效率最高的銅銦鎵硒(玻璃表面)薄膜電池為(22.92±0.33)%，銅銦鎵硒(柔性)電池為(20.56±0.1)%。而目前國內(nèi)光伏價格低于國際市場，起碼領(lǐng)先歐美的預(yù)測價格10 a。所以發(fā)展光伏(包括BIPV和BAPV)此其時矣。② 與建筑的結(jié)合。光伏用于建筑外窗和建筑遮陽系統(tǒng)都很適合，但可能效率較低。如果單純用于發(fā)電，有些建筑組件壽命周期發(fā)電的效益可能還補(bǔ)償不了初投資?？梢酝ㄟ^建筑組件的構(gòu)造形式綜合利用光和熱(BIPVT)，將光伏發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量回收，用于冬季供暖或熱水供應(yīng)。③ 美觀問題。在一定程度上，建筑美學(xué)是一個仁者見仁、智者見智的問題。未來可能會形成新的BIPV建筑美學(xué)流派。但對歷史保護(hù)建筑，國外也有規(guī)范，要求在進(jìn)入主入口時，看不見任何明顯外露的光伏板(包括屋頂光伏)。

圖7 三代光伏電池[46]

2) 可再生能源資源的共享與集成應(yīng)用。

在城區(qū)層面，可以通過能源總線，共享低品位熱源和可再生能源(如地?zé)崮?、太陽熱?，也可以通過智能微電網(wǎng)，共享現(xiàn)場可再生電力。特別要注意能源總線的熱回收及用戶擁有的光伏發(fā)電的交易問題。城區(qū)中的建筑既是能源消費者(consumer)，又是能源生產(chǎn)者(producer)，形成了新的“產(chǎn)消者(prosumer)”群體。需要通過城區(qū)能源的智慧管理系統(tǒng)來優(yōu)化系統(tǒng)運行，通過區(qū)塊鏈等技術(shù)實現(xiàn)可再生能源自發(fā)電的交易。而最重要的是通過城區(qū)綜合能源規(guī)劃協(xié)調(diào)各種資源、發(fā)揮資源潛力。

4.4 為高滲透率可變可再生能源提供彈性

長期以來人們把大電網(wǎng)與分布式發(fā)電比喻為大象與螞蟻的關(guān)系?？偢杏X螞蟻多了大象會不堪其擾。大量不穩(wěn)定的可變可再生能源電力進(jìn)入電網(wǎng)，需要平衡供需、平準(zhǔn)負(fù)荷、移峰填谷、穩(wěn)定電網(wǎng)，即協(xié)調(diào)“源網(wǎng)荷儲用”各環(huán)節(jié)，使電網(wǎng)適應(yīng)變動的電源和變動的負(fù)荷，具備很強(qiáng)的應(yīng)變能力(即彈性)，便成了很重要的任務(wù)。而熱泵在其中扮演了重要角色。

過去的電網(wǎng)，通過需求側(cè)管理，終端用戶是被動提供彈性，而今后則是用戶主動和被動相結(jié)合，為碳中和的目標(biāo)提供彈性。區(qū)域電網(wǎng)將有一個聚合器(aggregator)管理者(可以是一個人，也可以是一個機(jī)構(gòu)，甚至可以是一臺人工智能服務(wù)器)整合城區(qū)能源資源、平衡供需。所以，碳中和的城區(qū)能源系統(tǒng)是綜合的能源系統(tǒng)(見圖8)。其中最重要的是3+1網(wǎng)絡(luò)互相配合(即電網(wǎng)、熱網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)，加能源總線)。

注：PV為光伏；PVT為光伏+冷卻水熱回收；EV為電動汽車；CHP為熱電聯(lián)產(chǎn)；EHP為電動熱泵；GHP為燃?xì)鉄岜?；DHP為分布式熱泵；P2G為電制氣。圖8 綜合能源系統(tǒng)示意

在綜合能源系統(tǒng)中，蓄能是非常重要的環(huán)節(jié)。有3個層次：系統(tǒng)、建筑和用戶。系統(tǒng)層面主要是季節(jié)性蓄能，如國內(nèi)作為冷熱源的地埋管、地下水、廢棄礦井儲水等，實際都是季節(jié)性蓄能設(shè)施。季節(jié)性蓄能還有一種方式，是利用夏季強(qiáng)烈的日照發(fā)出的剩余的光伏電力電解水制氫，氫與二氧化碳混合，通過甲烷化反應(yīng)，生成甲烷。這一過程稱為電制氣(power to gas，P2G)。此種人工甲烷的熱值約為天然氣的90%，因此可以經(jīng)純化后注入現(xiàn)有的天然氣管道，也可貯存在儲氣罐中。冬季可以用于熱電聯(lián)產(chǎn)，補(bǔ)充可再生能源發(fā)電的不足，并作為供暖熱源，從而實現(xiàn)可再生電力的季節(jié)性儲能。冬季熱電聯(lián)產(chǎn)燃燒釋放的CO2是先前捕集的CO2，并沒有增碳，所以可以認(rèn)為是碳中和的。

在綜合能源系統(tǒng)中，熱泵起非常關(guān)鍵的作用，被視為電網(wǎng)友好的技術(shù)。除了提升供暖供冷效率外，熱泵在智能電網(wǎng)中還起到平抑負(fù)荷、穩(wěn)定供電頻率、消耗更多自發(fā)電，以及通過蓄熱間接儲電的作用。

綜合能源系統(tǒng)必須通過城區(qū)綜合能源規(guī)劃作出建筑運行碳預(yù)算、集成各種低碳能源資源、統(tǒng)籌各種能源轉(zhuǎn)換過程、平衡供應(yīng)與需求、協(xié)調(diào)熱電氣網(wǎng)和能源總線、整合碳源與碳匯、優(yōu)化系統(tǒng)配置。綜合能源規(guī)劃應(yīng)該成為城區(qū)控制性詳規(guī)的一部分進(jìn)入規(guī)劃體系。

綜合能源系統(tǒng)必須配備先進(jìn)的能源管理系統(tǒng)，基于大數(shù)據(jù)和傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用人工智能算法，并有物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)加持。

4.5 空氣中碳捕集、利用和封存(CCUS)

目前的技術(shù)還不可能使建筑擺脫水泥和鋼材這兩大高碳材料，而大多數(shù)城市建筑的運行能耗也不可能做到100%采用可再生能源。從2021年初美國德克薩斯州在寒潮中遭遇電網(wǎng)癱瘓的重大事件看來，可再生能源占比高的孤島型電網(wǎng)在遇到災(zāi)害時的風(fēng)險很大?？紤]到中國國情，多數(shù)城市還是會以水電、核電、帶有CCUS的燃?xì)饧叭济郝?lián)合循環(huán)電廠承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，大電網(wǎng)的電力也不可能完全無碳。在這種情況下，建筑或城市實現(xiàn)碳中和需要CCUS的支持。

CCUS是指從燃燒煙氣和大氣中去除二氧化碳的方法和技術(shù)，并將捕獲的二氧化碳回收利用，余下的二氧化碳被安全和永久地儲存。IEA指出，CCUS是唯一能直接減少關(guān)鍵部門的排放及消除二氧化碳以平衡無法避免的排放的技術(shù)，這是實現(xiàn)“凈”零目標(biāo)的關(guān)鍵[47]。也就是說，無論采用何種清潔高效的能源解決方案，最終都還是會需要實施CCUS。

最理想的做法是在源頭除碳，例如：在鋼鐵廠、水泥廠或發(fā)電廠采用CCUS。但以中國的建材品種和用量，很難做到萬無一失，也很難做到隱含碳和間接碳完全“清零”。所以可以考慮在建筑所在城市或城區(qū)，建設(shè)空氣直接捕碳(direct air capture，DAC)工廠。

DAC技術(shù)并不復(fù)雜，一種工藝是從環(huán)境中吸收空氣，進(jìn)入一個吸收塔，CO2被塔中胺溶液(氨分子NH3中的一個或多個H原子被烴基取代)吸收。濃溶液進(jìn)入再生塔，通入高溫蒸汽，富集在溶液中的CO2析出，純的CO2經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成液體，然后儲存到地下或進(jìn)一步利用。另一種工藝是空氣中CO2與氫氧化鉀反應(yīng)，生成的碳酸鉀K2CO3與氫氧化鈣反應(yīng)，生成碳酸鈣CaCO3，然后經(jīng)高溫煅燒釋放出純凈的CO2。上述2個流程都是很普通的化工工藝，其中用到的中間溶液都可再生、可循環(huán)。所有的反應(yīng)裝置和設(shè)備都是標(biāo)準(zhǔn)的化工設(shè)備和通用機(jī)械，目前已建成百萬噸級的工廠。但相對從煙氣中捕集CO2而言，因為空氣中CO2濃度低，需要花更大代價。這里有2個關(guān)鍵影響因素：1) 工藝過程需要耗能。當(dāng)然所有能耗都可以用可再生電力(包括高溫蒸汽可以用熱泵生成)，需要有相應(yīng)的供應(yīng)條件。另外工藝過程也要消耗水資源。從空氣中捕獲的CO2首先要補(bǔ)償自身的碳排放。2) 捕集的CO2如果沒有好的應(yīng)用而只是注入地下貯存，那就不會產(chǎn)生價值，投資建設(shè)這樣一個DAC系統(tǒng)就沒有回報。目前測算，從空氣中捕集1 t CO2的成本在94～200美元之間。

發(fā)揮捕集到的CO2的價值，目前最有效的方法是將CO2與H2進(jìn)行熱催化反應(yīng)，生成合成天然氣，然后還可進(jìn)一步反應(yīng)生成碳?xì)浠衔?，再精煉成碳中和的和可兼容的汽油、柴油和飛機(jī)燃料。而以現(xiàn)有的技術(shù)，大型飛機(jī)的動力還無法用電力提供，可以通過DAC的后續(xù)產(chǎn)品來解決。這種合成燃料油的價格約為1美元/L。

今后政府在土地出讓中可將基礎(chǔ)設(shè)施配套費中的一部分轉(zhuǎn)移支付碳中和的配套費。未來可以以城市或大型社區(qū)為單位，建設(shè)DAC工廠，完成城市建筑的完全碳中和，并開拓CO2應(yīng)用的新領(lǐng)域，使DAC成為有效益的和吸引人的投資項目。

5 結(jié)論

1) 做好能耗統(tǒng)計和碳排放監(jiān)測、預(yù)算、核算的方法論等基礎(chǔ)工作，以及碳中和技術(shù)的理論和應(yīng)用研究。

2) 通過技術(shù)和政策的雙管齊下，可以使我國城市民用建筑碳排放峰值控制在21億t左右。主要措施：一是控制建筑規(guī)模，實行能耗限額設(shè)計，杜絕資源浪費；二是供暖系統(tǒng)的電氣化和效率提升。如果不改變現(xiàn)在的發(fā)展模式，則碳排放不可能在2030年達(dá)峰。城市的開發(fā)建設(shè)方式必須從粗放型外延式發(fā)展轉(zhuǎn)向集約型內(nèi)涵式發(fā)展，從增量擴(kuò)張建設(shè)逐步轉(zhuǎn)向存量提質(zhì)改造。

3) 通過碳中和的5項基本措施，即：超低能耗建筑、降低碳負(fù)荷，建筑電氣化和提高能效，現(xiàn)場可再生能源利用，為高滲透率可變可再生能源提供彈性，以及空氣中碳捕集和碳利用(DACCU)等，推動基于我國國情的綠色碳中和建筑的科技創(chuàng)新。

4) 綜合能源規(guī)劃是城市建筑碳中和中不可缺少的環(huán)節(jié)。綜合能源規(guī)劃應(yīng)該成為城市規(guī)劃體系中重要的組成。

5) 城市建筑的碳中和是建筑業(yè)各學(xué)科、各專業(yè)和每個從業(yè)者的共同任務(wù)。對碳達(dá)峰碳中和建筑的規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營，需要從業(yè)者具有更寬廣的視野、發(fā)揮更多的聰明才智。