苑翔 陳偉嬌 喬春珍

摘?要：雙碳目標提出后，多學科的交互融合是學科發(fā)展的必然趨勢。建筑能源應用學科在雙碳目標下，具有目標歸一化、技術多元化和能源管理智能化的特點，提出了建筑能源應用學科的發(fā)展路徑，即以碳排放學科為基礎，與能源動力類、電氣類、金融管理等學科相交叉，融合可再生能源、儲能、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化等前沿技術，形成以智慧能源規(guī)劃設計為理論基礎，低碳建筑設計建造為載體，分布式可再生能源技術與新設備為手段的新型低碳學科。

關鍵詞：雙碳目標；建筑能源應用；學科融合；發(fā)展路徑

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.09.089

0?前言

2020年，習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重宣示：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。習近平總書記多次強調，實現(xiàn)“雙碳”是一場廣泛而深刻的經濟、社會系統(tǒng)性變革，要將其納入生態(tài)文明建設整體布局。實現(xiàn)雙碳目標，不僅是技術和工程性問題，而且要將推動“雙碳”和提高人民生活為中心的發(fā)展思想緊密結合，以工程科技服務平臺的行業(yè)發(fā)展新模式，將科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐，塑造以人民為中心的生態(tài)綠色低碳宜居環(huán)境。

自“雙碳”目標提出后，我國“雙碳”政策體系建設呈現(xiàn)出多角度、全方位推進局面，為深化推進各行業(yè)、各領域“雙碳”實踐積累政策基礎。我國是全球建筑保有量和新建量最大的國家，當前我國建筑領域的碳排放占全社會碳排放高達40%左右。中國建筑節(jié)能協(xié)會《中國建筑能耗研究報告（2020）》顯示，2018年全國建筑全過程能耗總量21.47億噸標準煤，占全國能源消費總量的46.5%，2018年全國建筑全過程碳排放總量49.3億噸二氧化碳，占全國碳排放比重的51.3%。實現(xiàn)建筑領域的碳中和，對我國完成雙碳目標至關重要。

“雙碳目標”提出以來，按照黨中央、國務院關于碳達峰、碳中和重大決策部署，住房和城鄉(xiāng)建設部及有關部門深入開展城鄉(xiāng)建設領域碳達峰、碳中和實施路徑和相關政策研究，同時將相關內容納入建筑節(jié)能與綠色建筑“十四五”規(guī)劃的指標和任務中，加強頂層設計，積極推動建筑領域節(jié)能低碳技術應用，促進可再生能源與建筑節(jié)能減排融合發(fā)展，推動建筑領域終端用能綠色低碳轉型。

“雙碳目標”提出以來，教育部高度重視環(huán)境保護教育，將節(jié)能減排教育納入環(huán)境保護教育中，提升大中小學生節(jié)能減排意識和能力。引導高校根據(jù)經濟社會發(fā)展需要和辦學能力，加大建筑領域碳減排相關專業(yè)設置；發(fā)布《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號），加快推動建筑領域碳減排課程建設；成立新一屆土木類和能源動力類專業(yè)教學指導委員會，啟動一流專業(yè)建設“雙萬計劃”，組織企業(yè)實施產學合作協(xié)同育人項目，優(yōu)化相關本科專業(yè)結構，推動高校人才培養(yǎng)。

因此，在雙碳目標的大背景下，建筑領域整合可再生能源與建筑節(jié)能減排相關學科融合發(fā)展，教育部門也適應時代發(fā)展需求，在建筑領域碳減排的學科及課程建設方面，及時調整相關學科及課程體系，緊密結合相關政策和需求，落實人才培養(yǎng)策略。

1?雙碳目標下的建筑能源應用學科特點

雙碳目標向建筑能源應用領域提出了更高的技術要求，建筑能源應用相關學科因此呈現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢。建筑能源應用的相關學科包括建筑環(huán)境與能源應用、建筑技術、可再生能源、儲能技術、智慧能源、建筑電氣等多個學科，其中，建筑環(huán)境與能源應用是建筑能源領域的核心學科，該學科在雙碳目標下，將根據(jù)我國當下發(fā)展規(guī)劃中對綠色低碳發(fā)展的整體要求，以人工環(huán)境和熱科學知識體系為基礎，將可再生能源利用和智慧能源作為發(fā)展重點方向，在建筑新能源應用、低碳建筑能源供應系統(tǒng)規(guī)劃、設計、施工及智慧化運營管理等技術領域應有創(chuàng)新性發(fā)展。建筑能源應用相關學科與碳排放基礎學科的關系如圖1所示。

國外已有專門針對碳排放的（溫室氣體排放與核減）相關學科，針對碳排放的產生原理、碳排放核減、碳交易等內容，設置了專門的基礎理論，如圖1所示的“碳排放基礎”的內容。碳排放基礎理論的整體框架是依據(jù)碳排放產生原理、減碳原理、減碳技術體系、碳計量和碳核算、碳匯和碳捕捉、碳金融等邏輯思路設置的。圖1中的碳排放基礎內容是面向建筑、工業(yè)、交通三大領域的基礎理論，建筑能源應用相關學科中，已經涉及了建筑領域碳排放基礎理論的大部分內容，其邏輯思路大致與碳基礎學科的設置內容相對應。

雙碳目標下，建筑能源應用相關學科將呈現(xiàn)以下特點。

1.1?學科目標歸一化

雙碳目標提出之前，大多數(shù)能源相關學科的研究方向主要集中在能源高效和能源利用技術上，在雙碳目標提出后，其研究目標更加明確。如圖1所示的關系圖中，建筑用能領域相關的能源應用、建筑技術、儲能技術、智能電網(wǎng)、建筑電氣等學科，已經把學科的科研和人才培養(yǎng)目標逐漸向適應低碳發(fā)展的方向進行調整。

1.2?技術形式多元化

未來，建筑能源應用領域將會呈現(xiàn)變革性的發(fā)展，城市碳中和的路徑從“源、網(wǎng)、儲、荷、用”等環(huán)節(jié)考慮，建筑領域屬于“荷、用”技術環(huán)節(jié)，屬于能源應用鏈條中的末端環(huán)節(jié)，但是，建筑自身有其特殊性，利用分布式能源技術，建筑既可以作為能源的生產者，也可以作為能源的消費者。另外，由于建筑用能需求的多樣性，建筑能源也可以作為城市能源系統(tǒng)的負荷調節(jié)角色。建筑能源技術形式的多元化體現(xiàn)在能源系統(tǒng)的多元化。

1.2.1?分布式能源

分布式能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)的集中式供給能源系統(tǒng)不同，分布式能源將能源系統(tǒng)安裝在戶側，并根據(jù)用戶需求進行冷、熱、電供給。建筑的分布式能源系統(tǒng)可改變城市一次能源供給的模式，不僅能夠引導城市能源結構低碳化發(fā)展，支持城市能源日常管理終端化、精細化。

1.2.2?能源多元化

建筑可再生能源的大規(guī)模應用必須考慮多種能源的系統(tǒng)融合，以風、光資源作為發(fā)電和供能的主力資源，以地熱能、生物質能和其他綜合互補的非化石能源為“穩(wěn)定電源”，通過可再生能源功率預測技術、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術、電力系統(tǒng)靈活互動技術等構建新型電力系統(tǒng)管理和運行體系。

1.3?能源管理智能化

能源管理系統(tǒng)不但要實現(xiàn)檢測、感知、計算、優(yōu)化等功能，還要實現(xiàn)控制、人機融合和檢測點之間的通信功能，是一個典型的信息物理系統(tǒng)，能源管理系統(tǒng)和通常的信息系統(tǒng)是同構的。數(shù)字化/智能化能源系統(tǒng)的構建，將云計算、人工智能、5G通信等新一代數(shù)字化、智能化技術與現(xiàn)代能源體系的構建相融合，加速推進能量流、物質流與信息流的融合，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，推動以綠色、數(shù)字化、高質量為核心的能源領域創(chuàng)新發(fā)展。

2?建筑能源應用學科融合發(fā)展路徑

雙碳目標的提出，必然會催生出與雙碳相關的廣泛需求，建筑能源領域如何針對未來的碳排放領域進行提前布局就顯得尤為重要。碳排放幾乎涉及建筑各個學科領域，從建材生產、建筑規(guī)劃設計、施工建造、運營管理等全產業(yè)鏈，涵蓋建筑材料、規(guī)劃設計、建筑學、建筑環(huán)境和能源應用、建筑電氣、建筑給排水等所有專業(yè)，以及與能源相關的城市電網(wǎng)、儲能、新能源、新材料、智能控制、金融管理等學科，各學科和專業(yè)如何針對雙碳目標，適應低碳減碳的需求，是必須考慮的問題。

根據(jù)新形勢下建筑能源領域學科發(fā)展的特點，未來建筑能源應用領域的學科發(fā)展勢必會綜合所有碳排放相關專業(yè)知識，以交叉、融合和優(yōu)化為提升路徑，產生新型的建筑能源應用學科模式。建筑能源應用學科發(fā)展的要求如下。

2.1?夯實理論基礎

國外已有專門針對碳排放的（溫室氣體排放與核減）相關專業(yè)，專業(yè)針對碳排放產生原理、碳排放核減、碳交易等內容，設置了專門的課程，如圖1所示的“碳排放基礎學科”的內容。與碳排放相關的理論首先要理清氣候變化與碳排放的關系，即雙碳目標的由來與實質，然后需要搞清楚碳排放的產生機理，這兩個理論是所有與碳排放相關的學科的基礎。

在減碳方面，主要以減少化石能源的應用為主要減碳方向。在能源系統(tǒng)中主要從“源、網(wǎng)、儲、荷”四個環(huán)節(jié)中實現(xiàn)。

（1）“源”指能源網(wǎng)絡中能源的來源，減少碳排放“源”的環(huán)節(jié)中，應用非化石能源特別是可再生能源來代替化石能源，是必然的選擇，有關新能源的理論學科是“源”環(huán)節(jié)的基礎學科。在現(xiàn)有的能源結構中，擴大新能源的占比，減少煤、天然氣和石油等化石能源的比例，需要加強新能源的基礎理論研究。

（2）能源系統(tǒng)中“網(wǎng)”和“儲”是相輔相成的，從能源系統(tǒng)低碳轉型視角出發(fā)，“網(wǎng)”和“儲”相關的基礎內容即是考慮可再生能源、儲能等發(fā)電和儲能功能，建立智能化的可靈活運行調度的智慧電網(wǎng)系統(tǒng)，以及智慧熱網(wǎng)系統(tǒng)，因此，數(shù)字化技術和人工智能科學將是能源應用專業(yè)的必需的基礎學科。

（3）能源系統(tǒng)中的“荷”本質含義是能源需求，需求減少，碳排放自然地就減少了。建筑能源應用領域中，建筑負荷的方法就是采用需求側管理模式，通過被動式設計技術和超低能耗建筑設計思路，最大限度減少建筑的冷、熱、電設計負荷，因此，建筑設計學科就需要綜合建筑物理學、建筑環(huán)境學和能源管理的學科，通過學科交叉，形成低碳建筑設計理論。

（4）碳金融產品是建立在碳排放權交易的基礎上，服務于減少溫室氣體排放或者增加碳匯能力的商業(yè)活動，以碳配額和碳信用等碳排放權益為媒介或標的資金融通活動載體，因此，有了減碳量，需要進行碳交易的情況下，還需要有金融管理學科作為理論基礎。

2.2?整合技術體系

面向建筑雙碳目標，建筑能源應用學科要形成可再生能源網(wǎng)格化技術應用體系，即以技術需求為導向，以產品研發(fā)為依托，以技術產業(yè)化為目標，面向低碳建筑電氣化、可再生能源建筑一體化和清潔化供暖等領域，在太陽能、地熱能、生物質能和空氣源熱泵等領域已形成一系列的技術產品和技術體系。

2.3?明確學科研究方向

雙碳目標提出后，建筑能源應用學科應加強與能源動力類、電氣類學科的交叉融合，把互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、數(shù)字經濟等賦能技術與專業(yè)教學緊密結合。結合學科交叉優(yōu)勢和技術研發(fā)體系，學科應在以下4個方面形成新的研究方向。

（1）智慧能源系統(tǒng)：以需求側管理理論為基礎，進行智慧能源系統(tǒng)的規(guī)劃設計研究，結合人工智能技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和數(shù)字化技術，形成可再生能源可利用量核算及碳替代量評估、社區(qū)規(guī)劃層面銜接城市智慧能源的低碳能源系統(tǒng)設計理論和技術措施。

（2）基于數(shù)據(jù)指導建筑低碳優(yōu)化設計：以產品研發(fā)為驅動，以應用效果為反饋，在技術和產品大規(guī)模應用實踐的基礎上，監(jiān)測建筑和產品運行數(shù)據(jù)，建立建筑和產品的物理及數(shù)據(jù)模型，總結和凝練具有廣泛適應性的技術理論。

（3）分布式可再生能源技術與新設備研發(fā)：研究太陽能、地熱能和生物質能源等可再生能源應用技術，可再生能源高效應用設備及系統(tǒng)，以及應用技術和設備進行建筑低碳改造的理論方法和技術體系。

3?結論

針對國家雙碳目標和“十四五”規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略，需要積極響應“雙碳目標”下我國能源結構新布局，建筑能源應用學科也應根據(jù)當下發(fā)展規(guī)劃中對綠色低碳發(fā)展的整體要求，融合相關學科理論和技術，調整學科的研究方向和科學課程設置，建筑能源應用學科應基于碳排放基礎學科，與能源動力類、電氣類、金融管理等學科相交叉，融合可再生能源、儲能技術、人工智能技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、數(shù)字化技術等前沿技術，形成以智慧能源規(guī)劃設計為理論基礎，低碳建筑設計建造為載體，分布式可再生能源技術與新設備為手段的新型低碳學科，為實現(xiàn)“雙碳”目標提供堅強的人才保障和智力支持。

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