周霖，林臻

（中國(guó)節(jié)能環(huán)保集團(tuán)有限公司，北京 100082）

1 研究背景

2020 年9 月，我國(guó)在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上鄭重承諾，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2020 年12 月，我國(guó)在氣候雄心峰會(huì)上宣布，到2030 年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右。

2005 年以來(lái)我國(guó)實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展，2018 年GDP總量（按2005 年價(jià)格計(jì)算）是2005 年的3.05 倍，但我國(guó)時(shí)刻堅(jiān)守《巴黎協(xié)定》承諾，全力踐行低碳發(fā)展之路，2018 年單位GDP 的CO2排放量比2005 年下降了45.4%，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到14.5%[1]，累計(jì)清潔能源發(fā)電裝機(jī)容量位居世界首位，為抑制氣候變暖做出了重要貢獻(xiàn)。2005—2018 年我國(guó)單位GDP 碳排放量年下降幅度見(jiàn)圖1。

預(yù)計(jì)我國(guó)2030 年GDP（按2005 年價(jià)格計(jì)算）為2018 年的2 倍，相比2018 年水平單位GDP 的CO2排放量要降低36%以上才能實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，各產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展之路仍有較大空間。根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心統(tǒng)計(jì)，2018 年我國(guó)建筑（含城市與農(nóng)村）能耗中化石能源消耗的碳排放量為21 億t CO2，占全社會(huì)總體碳排放量的20.2%[2]，因此建筑領(lǐng)域是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重點(diǎn)突破領(lǐng)域。本文擬從城市建筑能耗影響因素出發(fā)，提出碳達(dá)峰目標(biāo)下基于城市宏觀視角的建筑碳減排路徑。

圖1 2005—2018 年我國(guó)單位GDP 碳排放量及年下降幅度

2 城市建筑運(yùn)行能耗影響因素

對(duì)于建筑碳減排的研究，通常都是聚焦于建筑本身，而實(shí)際上城市形態(tài)（即城市土地利用、建設(shè)強(qiáng)度、空間形態(tài)、局部微氣候等）對(duì)建筑能耗的水平也有重要影響。不論是建筑本體還是城市形態(tài)，都是以需求側(cè)降低對(duì)消費(fèi)端能源（電、熱、冷、燃?xì)猓┑南臑槟繕?biāo)展開(kāi)分析，從而提高碳基能源的使用效率。消費(fèi)端能源來(lái)源于城市建筑能源供應(yīng)系統(tǒng)（如發(fā)電廠、集中供暖等）中一次能源的轉(zhuǎn)化，減少一次能源中碳基能源的使用比例也是重點(diǎn)研究方向。因此全面推進(jìn)建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰，要先從需求側(cè)和供給側(cè)兩個(gè)方面找到影響城市建筑能耗的因素。

2.1 需求側(cè)影響因素

2.1.1 建筑本體

基于建筑本體的建筑能耗影響因素大致可分為3 個(gè)方面：當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?、建筑物理特性、室?nèi)散熱源[3]。日照強(qiáng)度、建筑朝向和建筑體形系數(shù)（建筑表面積與體積之比）決定了室內(nèi)照明需求；氣候特征、建筑本體特征、散熱源決定了達(dá)到室內(nèi)舒適環(huán)境下需要消耗的制冷/采暖/通風(fēng)能耗。

2.1.2 城市形態(tài)

當(dāng)前，歐美國(guó)家關(guān)于城市形態(tài)對(duì)城市建筑能耗的研究成果已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)化為指導(dǎo)低碳城市規(guī)劃的基礎(chǔ)，我國(guó)的研究正處于起步階段[4-9]。國(guó)外的相關(guān)研究表明，城市形態(tài)的綜合作用可影響10%—30%的建筑能耗[10]。能耗影響因素作用機(jī)制見(jiàn)圖2。

城市形態(tài)對(duì)建筑能耗的影響主要呈現(xiàn)以下規(guī)律：

（1）間接作用機(jī)制

城市形態(tài)一般通過(guò)改變建筑本體特征、所在局部氣候特征等方式間接影響建筑能耗需求。例如，倫敦政治經(jīng)濟(jì)學(xué)院和歐洲能源研究所[11]的聯(lián)合研究表明城市密度、容積率越大，社區(qū)內(nèi)單一建筑體形系數(shù)就越小，從而可起到降低建筑與外部環(huán)境之間換熱量，減少制冷或采暖能耗的效果。

（2）多因素互相聯(lián)動(dòng)

城市形態(tài)對(duì)建筑能耗的影響是多因素復(fù)合作用的。例如，Serge Salat[12]的研究表明：在建筑總體形系數(shù)相同的情況下，不同空間布局的建筑的能耗水平有所不同，巴黎的超高層建筑相比圍合庭院式建筑的單位面積能耗更高。因此，不能只關(guān)注某一個(gè)或某一個(gè)方面的城市形態(tài)。

（3）影響程度有差異

不同的城市形態(tài)因素對(duì)能耗的影響程度有所不同。例如，Nyuk Hien Wong[13]發(fā)現(xiàn)綠色容積率（每單位地塊面積上的單面葉面積總和）對(duì)新加坡建筑制冷能耗的影響超過(guò)了建筑高度和建筑密度。同一城市形態(tài)因素對(duì)不同功能建筑的影響也有差異。例如，J.Str?mann-Andersen[14]研究發(fā)現(xiàn)相同的城市峽谷高寬比和街道寬度對(duì)辦公和住宅建筑綜合能耗的影響有所不同，對(duì)辦公建筑的相對(duì)影響程度最大可提升30%，對(duì)住房建筑的相對(duì)影響程度最大為19%。

城市形態(tài)對(duì)于城市建筑能耗的影響是多維度、多層次、多變量的復(fù)雜過(guò)程，需要在規(guī)劃層面進(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)以控制建筑能耗水平。實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰及碳中和目標(biāo)可借鑒歐美國(guó)家已然成熟的研究方法、經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論，加強(qiáng)在城市規(guī)劃層面對(duì)城市建筑節(jié)能路徑的探索和實(shí)踐。

圖2 能耗影響因素作用機(jī)制

2.2 供給側(cè)影響因素

供給側(cè)影響因素主要指城市建筑能源系統(tǒng)對(duì)碳基能源的依賴以及生產(chǎn)和傳輸過(guò)程的能量損耗。我國(guó)火電（煤電、氣電綜合）熱效率為47.2%，輸電線路損耗在6%左右[15]；建筑系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)水泵的電力消耗（包括集中供熱系統(tǒng)水泵電耗）占我國(guó)城市運(yùn)行電耗的10%以上[16]。供應(yīng)側(cè)主導(dǎo)的城市集中供暖系統(tǒng)往往按照負(fù)荷需求峰值+冗余量進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)不當(dāng)或不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑過(guò)熱，造成大量能源浪費(fèi)。城市能源系統(tǒng)采用非碳基能源替代或提高碳基能源使用效率是從能源供給角度降低城市建筑運(yùn)行能耗的重要途徑。

電能為高品位的二次能源，除了水力、風(fēng)力、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電，垃圾焚燒發(fā)電也是替代常規(guī)碳基能源、實(shí)現(xiàn)城市污廢資源循環(huán)利用的有效方式，1t生活垃圾用于發(fā)電可節(jié)省約0.15t 標(biāo)煤，減少CO2排放0.35t。目前我國(guó)城市生活垃圾無(wú)害化處理率已達(dá)95%以上，其中焚燒發(fā)電處理率為45%左右，截至2019 年年底垃圾焚燒發(fā)電裝機(jī)量為1200 萬(wàn)kW[17]，隨著城鎮(zhèn)化水平的進(jìn)一步提升，發(fā)展?jié)摿θ院芫薮蟆?/p>

熱為低品位的二次能源，當(dāng)前燃煤鍋爐已經(jīng)逐步被淘汰，取而代之的是大規(guī)模的“煤改氣”“煤改電”，但是燃?xì)忮仩t和直接電加熱供熱都屬于“高能低用”，沒(méi)有發(fā)揮能源的最大功用。供熱熱源應(yīng)向低品位熱源轉(zhuǎn)型，比如電廠煙氣和乏汽余熱通過(guò)深度回收可在不增加天然氣消耗和不減少發(fā)電量的情況下擴(kuò)大40%的供熱面積；低溫余熱供熱最大熱量達(dá)到5.73×105TJ/a，可供熱建筑面積超過(guò)10 億m2[18]；作為新基建的數(shù)據(jù)中心能耗密度高且其消耗的電能中有近90%會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能[13]，利用這部分低溫余熱可覆蓋的供熱面積是數(shù)據(jù)中心建筑面積的10 倍左右，可作為城市供熱的廉價(jià)熱源。

常規(guī)空調(diào)制冷為熱泵的反向利用，通過(guò)電驅(qū)動(dòng)空調(diào)/冷水機(jī)組可將室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到室外，但會(huì)產(chǎn)生或加重城市熱島效應(yīng)。田喆[19]的研究結(jié)果顯示城市熱島效應(yīng)會(huì)增加建筑制冷能耗，辦公建筑制冷能耗平均增幅為17.5%/℃，住宅建筑制冷能耗平均增幅為10.2%/℃。如果以自然水源或污水作為介質(zhì)帶走熱量可極大緩解城市熱島效應(yīng)，同時(shí)自然水源夏季溫度低于空氣，可提高制冷裝置電能使用效率，冬季若自然水源或污水的溫度適宜（8℃以上），還可作為低溫?zé)嵩催M(jìn)行供熱。但需要注意的是，由于水源能量密度低、工程造價(jià)高，更適用于大規(guī)模建筑群的集中供冷/熱系統(tǒng)，集中供冷/熱系統(tǒng)可通過(guò)集約效應(yīng)攤薄建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

3 城市建筑節(jié)能系統(tǒng)方案

上文從需求側(cè)的建筑本體、城市形態(tài)和供給側(cè)的能源系統(tǒng)共三個(gè)角度分析了城市建筑運(yùn)行能耗的影響因素并有針對(duì)性地給出了優(yōu)化方向，未來(lái)城市建筑碳減排需要建立系統(tǒng)性的解決方案。

3.1 在城市規(guī)劃層面構(gòu)建低碳城市形態(tài)

參考美國(guó)麻省理工學(xué)院[20]的研究方法，對(duì)擬規(guī)劃區(qū)域所在城市已有社區(qū)尺度的能源消耗與城市形態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，并提出以降低能耗為目標(biāo)的規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則。

首先建立當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)城市形態(tài)和建筑能耗數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)不同社區(qū)的城市建筑密度、容積率、城市峽谷高寬比、建筑功能多樣性等城市形態(tài)特性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)籌收集，然后利用大數(shù)據(jù)分析工具研究不同城市形態(tài)特性對(duì)建筑能耗的影響比重。結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件在城市規(guī)劃階段提出以低碳生態(tài)、能源節(jié)約為目標(biāo)的規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則，針對(duì)城市形態(tài)建立具有指導(dǎo)性意義的指標(biāo)體系（見(jiàn)下表）。

城市形態(tài)指標(biāo)體系

3.2 在建筑設(shè)計(jì)階段綜合使用節(jié)能技術(shù)

針對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻乩硖卣?，?duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)外綠色建筑/低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)，建立適用于規(guī)劃區(qū)的節(jié)能技術(shù)體系，涵蓋建筑本體設(shè)計(jì)、新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能材料、可再生能源利用、能源管理等。當(dāng)前基于建筑本體的節(jié)能路徑主要包括：

（1）優(yōu)化建筑及供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如應(yīng)用建筑能耗模擬軟件對(duì)具體的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行能耗預(yù)測(cè)及優(yōu)化，使用室內(nèi)排風(fēng)熱回收裝置、溫濕度獨(dú)立控制裝置等。

（2）使用新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)，如熱物理性能優(yōu)異的墻體材料、智能外遮陽(yáng)裝置、外墻和屋頂保溫隔熱技術(shù)等。

（3）清潔能源替代，如戶式太陽(yáng)能光熱光伏一體化技術(shù)替代傳統(tǒng)電、熱來(lái)源；熱泵技術(shù)高效利用地溫能、污水源等，從而提高能源使用效率。

（4）能效管理，利用軟件平臺(tái)對(duì)建筑尤其是大型公共建筑進(jìn)行能耗監(jiān)控與管理。

3.3 基于仿真模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

結(jié)合GIS（地理信息系統(tǒng)軟件）、Energy Plus、eQuest（能耗模擬軟件）等建立融合城市形態(tài)和建筑本體的仿真模型，通過(guò)輸入不同的城市形態(tài)及建筑本體特征參數(shù)組合模擬計(jì)算建筑單體及社區(qū)內(nèi)所有建筑的整體能耗，用以比較不同城市形態(tài)情景的能耗表現(xiàn)，進(jìn)而逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以獲取最節(jié)能的城市形態(tài)和建筑本體相結(jié)合的情景，并最終輔助城市整體規(guī)劃策略，降低需求側(cè)能源的消耗。城市低碳規(guī)劃設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖3。

3.4 建立以污廢資源化利用為基礎(chǔ)的城市聯(lián)合能源系統(tǒng)

將能源供應(yīng)與環(huán)境治理相結(jié)合，統(tǒng)籌規(guī)劃和建設(shè)能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施和市政基礎(chǔ)設(shè)施，充分挖掘城市污廢自身蘊(yùn)藏的能量及其自身處理過(guò)程中被丟棄的可利用的低品位能源，根據(jù)城市地理氣候條件合理利用可再生能源。以此原則為基礎(chǔ)按照多能互補(bǔ)、梯級(jí)利用的形式對(duì)電、冷、熱、氣等城市建筑需求側(cè)能源的生產(chǎn)、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)實(shí)施有機(jī)協(xié)調(diào)，消納城市污廢，實(shí)現(xiàn)生態(tài)和諧的城市聯(lián)合能源系統(tǒng)。通過(guò)采用非碳基能源進(jìn)行替代并提高碳基能源使用效率是從能源輸入角度降低城市建筑運(yùn)行能耗。城市聯(lián)合能源系統(tǒng)及工藝流程見(jiàn)圖4、圖5。

圖3 城市低碳規(guī)劃設(shè)計(jì)框架

城市聯(lián)合能源系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)強(qiáng)調(diào)單一能源的供能方式，也不是將各種能源進(jìn)行機(jī)械式的疊加，而是根據(jù)不同能源的稟賦和需求側(cè)的波動(dòng)變化，設(shè)置三級(jí)能源使用策略：

優(yōu)先消納污廢資源，充分利用垃圾發(fā)電及其余熱、再生水熱能、有機(jī)污廢制沼氣發(fā)電及其余熱。污水經(jīng)過(guò)處理后的衍生物包括再生水及污泥，再生水作為垃圾焚燒發(fā)電廠冷凝水源，攜帶發(fā)電余熱后進(jìn)入能源站作為熱泵低溫?zé)嵩矗谀茉凑緦⒛芰俊靶遁d”后作為城市景觀水系補(bǔ)充水源，促進(jìn)城市水系統(tǒng)循環(huán)，凈化城市生態(tài)環(huán)境，污泥經(jīng)脫水干化后直接送入垃圾焚燒鍋爐燃燒。城市有機(jī)垃圾（餐廚垃圾、糞便等）通過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣納入市政天然氣管網(wǎng)，衍生的沼液再回送至再生水廠集中處理。城市生活垃圾及生物質(zhì)垃圾通過(guò)焚燒發(fā)電循環(huán)利用，所發(fā)電力納入市政電網(wǎng)。

圖4 城市聯(lián)合能源系統(tǒng)

圖5 城市聯(lián)合能源系統(tǒng)工藝流程

在此基礎(chǔ)上，充分利用屬地可再生能源，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、地溫能、淺表熱能等。最大化利用太陽(yáng)能及風(fēng)能發(fā)電，與垃圾焚燒發(fā)電一起優(yōu)先用于能源站動(dòng)力系統(tǒng)，電力剩余時(shí)則優(yōu)先用于城市基礎(chǔ)設(shè)施（如再生水廠等）動(dòng)力系統(tǒng)，多余部分上網(wǎng)。當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電及垃圾焚燒發(fā)電三種電力不能滿足需求時(shí)再?gòu)氖姓娋W(wǎng)補(bǔ)充。地溫能、淺表熱能、再生水等通過(guò)能源總線[21]集中輸送至能源站，在能源站內(nèi)利用熱泵提升轉(zhuǎn)化為城市用戶所需熱源。

屬地所有能源不能滿足需求的情況下，通過(guò)輸入?yún)^(qū)域外部電力、天然氣進(jìn)行補(bǔ)充。天然氣通過(guò)燃?xì)馊?lián)供技術(shù)進(jìn)行高效利用，燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)發(fā)電驅(qū)動(dòng)能源站熱泵運(yùn)行，同時(shí)在有峰谷電價(jià)區(qū)域結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)，使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

以25 萬(wàn)人口、1000 萬(wàn)m2建筑面積的城鎮(zhèn)為例，按照低能耗建筑設(shè)計(jì)要求熱負(fù)荷≤10W/m2、冷負(fù)荷≤20W/m2、采暖及制冷需求低于15kW·h/m2計(jì)算，每年一次能源總需求≤120kW·h/m2。按每日產(chǎn)生生活垃圾250t、生活污水5 萬(wàn)t 計(jì)算，如果對(duì)能源進(jìn)行充分利用可實(shí)現(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電裝機(jī)約6MW，每年可發(fā)電約5000 萬(wàn)kW·h；再生水作為低品位熱源代替天然氣服務(wù)100 萬(wàn)m2建筑冬季供暖，每年可代替一次化石能源使用量16kW·h/m2。通過(guò)城市污廢能源化利用可實(shí)現(xiàn)15%左右的能源自足，即建筑自身能源需求在已經(jīng)達(dá)到低能耗標(biāo)準(zhǔn)的前提下通過(guò)城市污廢能源化利用可進(jìn)一步降低15%的碳排放。

3.5 建立智慧能源管理系統(tǒng)

智慧能源管理系統(tǒng)是以BIM 和GIS 為基礎(chǔ)建立的與城市聯(lián)合能源系統(tǒng)全過(guò)程（開(kāi)發(fā)—轉(zhuǎn)化—輸配—末端）相匹配且物理坐標(biāo)相一致的虛擬仿真機(jī)理模型?；谥悄艽┐髟O(shè)備將人體舒適度相關(guān)參數(shù)動(dòng)態(tài)反饋至云端數(shù)據(jù)平臺(tái)，結(jié)合室外氣候條件即時(shí)調(diào)整建筑室內(nèi)空調(diào)器對(duì)溫度、濕度及風(fēng)速的設(shè)定，根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷需求制訂能源配置、主機(jī)荷載、管網(wǎng)輸配、換熱站流量調(diào)節(jié)等優(yōu)化控制策略，并發(fā)送給自控系統(tǒng)進(jìn)行物理調(diào)節(jié)。實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和全過(guò)程優(yōu)化調(diào)度數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在云端數(shù)據(jù)庫(kù)中，平臺(tái)通過(guò)自適應(yīng)模擬滾動(dòng)學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化能源開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)化、輸配、消費(fèi)等環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)控制。通過(guò)建立智慧能源管理系統(tǒng)對(duì)用戶動(dòng)態(tài)變化的能源需求進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)和瞬時(shí)調(diào)節(jié)，做到用能定制化、輸配精準(zhǔn)化、產(chǎn)能智慧化，實(shí)現(xiàn)供需動(dòng)態(tài)平衡、優(yōu)化能源配置、顯著提高能源使用效率。城市聯(lián)合能源系統(tǒng)智慧管理框架見(jiàn)圖6。

4 結(jié)語(yǔ)

圖6 城市聯(lián)合能源系統(tǒng)智慧管理框架

（1）在需求側(cè)，首先在城市規(guī)劃層面構(gòu)建低碳城市形態(tài)并建立具有指導(dǎo)性意義的指標(biāo)體系，在建筑設(shè)計(jì)層面對(duì)標(biāo)國(guó)內(nèi)外綠色建筑/低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)，建立適用于規(guī)劃區(qū)的節(jié)能技術(shù)體系，然后建立融合城市形態(tài)和建筑本體的能耗模型，逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以獲取最節(jié)能的城市形態(tài)和建筑本體相結(jié)合的情景，最終輔助城市整體規(guī)劃策略，降低需求側(cè)能源的消耗。

（2）在供給側(cè)，建立以污廢能源化利用為基礎(chǔ)的城市聯(lián)合能源系統(tǒng)，按照多能互補(bǔ)、梯級(jí)利用的形式對(duì)電、冷、熱、氣等城市建筑需求側(cè)能源的生產(chǎn)、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)實(shí)施有機(jī)協(xié)調(diào)，消納城市污廢，全面實(shí)施非碳基能源替代。在能源系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過(guò)智慧能源管理實(shí)現(xiàn)用能定制化、輸配精準(zhǔn)化、產(chǎn)能智慧化，實(shí)現(xiàn)供需動(dòng)態(tài)平衡，保障能源高效利用。

我國(guó)未來(lái)城市化進(jìn)程仍將不斷推進(jìn)，全面系統(tǒng)化的建筑節(jié)能方案將釋放巨大節(jié)能減碳潛力，助力碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)。