建筑領(lǐng)域“雙碳”技術(shù)路徑探析

　　中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司湯小亮 陳焰華 邱雅凡 於仲義

　　2020年9月22日，習(xí)近平主席在出席聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上鄭重承諾：我國二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。此后，習(xí)近平主席先后在聯(lián)合國生物多樣性峰會(huì)、巴黎和平論壇、氣候雄心峰會(huì)等20余次的國際會(huì)議上重申了這一宏偉目標(biāo)，并在中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議、中央政治局會(huì)議等重要會(huì)議上多次強(qiáng)調(diào)這一戰(zhàn)略目標(biāo)。當(dāng)前，碳達(dá)峰碳中和工作已納入我國生態(tài)文明建設(shè)總體布局，將成為促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型、推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。

　　建筑作為人們工作和生活的主要空間載體，建材的生產(chǎn)運(yùn)輸、建筑的建造以及建筑的運(yùn)行均產(chǎn)生大量的能源資源消耗，是我國能源消耗的三大來源之一[2]。近年來，我國城市建設(shè)快速發(fā)展，大規(guī)模新建建筑的建設(shè)及巨大存量既有建筑的運(yùn)行，產(chǎn)生了大量的二氧化碳排放。根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2021》，2019年我國建筑面積總量約644億平方米，每年還在以超過40億平方米的速度增加。建筑建造和運(yùn)行相關(guān)二氧化碳排放占中國全社會(huì)總二氧化碳排放量的比例約38%，其中，建筑建造占比為16%、建筑運(yùn)行占比為22%[3]。隨著我國城鎮(zhèn)化水平和人們生活水平的不斷提高，我國建筑的運(yùn)行能耗在今后5–10年仍將保持增長，建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的任務(wù)十分艱巨。本文基于建筑能源資源消耗特點(diǎn)及建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢，探討建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的技術(shù)路徑，以期為我國建筑領(lǐng)域早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)提供技術(shù)參考和借鑒。

　　我國建筑領(lǐng)域碳排放現(xiàn)狀

　　建筑行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

　　快速城鎮(zhèn)化帶動(dòng)了建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，我國建筑業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。2007年–2019年，我國建筑建設(shè)的速度增長迅速，新增凈建筑面積從7億平方米快速增長至當(dāng)前的每年17億平方米左右。每年大量建筑的竣工使得我國建筑面積的存量不斷高速增長，2019年我國建筑面積總量約646億平方米，其中，城鎮(zhèn)住宅建筑面積為282億平方米、農(nóng)村住宅建筑面積228億平方米、公共建筑面積136億平方米。

　　建筑領(lǐng)域能耗現(xiàn)狀

　　建筑領(lǐng)域能耗主要分為建造階段能耗和運(yùn)行階段能耗，根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2021》，2019年我國建筑領(lǐng)域建造能耗為5.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國能源消費(fèi)總量的11%，高于全球5%的比例，其中，城鎮(zhèn)住宅、農(nóng)村住宅、公共建筑分別占比為69%、7%和23%。近年來，民用建筑總竣工面積趨穩(wěn)并緩慢下降，民用建筑建造能耗自2016年起逐漸穩(wěn)定并緩慢下降。2019年建筑運(yùn)行的總商品能耗為10.2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國能源消費(fèi)總量的22%，低于全球平均水平30%。建筑商品能耗和生物質(zhì)能共計(jì)11.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中，生物質(zhì)能耗約0.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。從用能總量來看，呈四分天下的局勢，四類用能（公共建筑、北方供暖、農(nóng)村住宅、城鎮(zhèn)住宅）各占建筑能耗的1/4左右[3]。隨著公共建筑規(guī)模的增長及平均能耗強(qiáng)度的增加，公共建筑能耗已經(jīng)成為我國建筑能耗中比例最大的一部分。

　　建筑領(lǐng)域碳排放現(xiàn)狀

　　根據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51366–2019），建筑的碳排放包含運(yùn)行階段、建造及拆除階段、建材生產(chǎn)及運(yùn)輸階段[4]。2019年我國建筑運(yùn)行的化石能源消耗相關(guān)的碳排放約22億噸二氧化碳，其中，直接碳排放約29%、電力相關(guān)的間接碳排放占50%、熱力相關(guān)的間接碳排放占21%；建筑建設(shè)階段碳排放約16億噸二氧化碳，建材生產(chǎn)運(yùn)輸階段用能相關(guān)的碳排放以及水泥生產(chǎn)工藝過程碳排放是主要部分，分別占比77%和20%；建筑施工階段碳排放約0.95億噸二氧化碳，其中，2014年之前建筑施工階段碳排放一直快速增長，2014年后因建筑施工面積趨于穩(wěn)定和施工水平的提升而緩慢下降并趨于平穩(wěn)。從全社會(huì)碳排放總量的角度而言，2019年中國建筑建造和運(yùn)行相關(guān)二氧化碳排放約占中國全社會(huì)總二氧化碳排放量的38%，其中，建筑建造占比為16%、建筑運(yùn)行占比為22%。

　　隨著建筑需求的不斷攀升、城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，我國每年新增建筑面積約20億平方米，加之在南方供暖市場逐漸擴(kuò)大、人們對(duì)美好生活追求不斷增長的情況下，我國建筑領(lǐng)域的碳排放量在未來10年內(nèi)仍會(huì)持續(xù)攀升。若維持現(xiàn)有建筑節(jié)能政策標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)不變，建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰時(shí)間預(yù)計(jì)在2038年左右，平臺(tái)期將集中在2038至2040年，屆時(shí)碳排放峰值約將達(dá)到25.4億噸二氧化碳，這將明顯滯后全國碳排放總量的達(dá)峰時(shí)間，無疑對(duì)我國兌現(xiàn)“2030年碳達(dá)峰”的目標(biāo)構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。因此，面對(duì)嚴(yán)峻的碳排放攀升形勢，把綠色低碳理念融入建筑全過程，堅(jiān)持發(fā)展超低能耗建筑、星級(jí)綠色建筑、電力替代、可再生能源建筑應(yīng)用等綜合技術(shù)措施，將是實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域節(jié)能減碳的基本途徑。

　　建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰技術(shù)路徑

　　提升新建建筑能效水平

　　為盡快實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)，提升新建建筑能效水平是首要任務(wù)。據(jù)測算，如我國新建建筑能效按照“低能耗建筑→超低能耗建筑→近零能耗建筑→零能耗建筑”的路徑穩(wěn)步推進(jìn)，我國建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰時(shí)間預(yù)計(jì)將提前到2030年；如新建建筑能效按照“超低能耗建筑右→近零能耗建筑→零能耗建筑”的路徑快速推進(jìn)，我國建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰時(shí)間則有望提前至2027年。

　　隨著近年來建筑節(jié)能、綠色建筑和超低能耗公共建筑工作的不斷推進(jìn)，提升新建建筑的能效水平發(fā)展出了一套“被動(dòng)式技術(shù)降需求+主動(dòng)式技術(shù)降消耗”的技術(shù)路徑：通過自然通風(fēng)、自然采光、遮陽、保溫隔熱等被動(dòng)式技術(shù)，降低建筑的能源需求；通過高能效空調(diào)機(jī)組、節(jié)能燈具、節(jié)水器具等主動(dòng)式技術(shù)，降低建筑能源資源消耗；以熱、電、氣等能源資源的綜合互補(bǔ)式利用，提升能源系統(tǒng)效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)新建建筑顯著的能效提升和碳排放降低。

　　綠色建筑提質(zhì)增效

　　綠色建筑工作歷經(jīng)十余年的發(fā)展，已逐步從理念普及、試點(diǎn)項(xiàng)目推進(jìn)走向全面推廣、提質(zhì)增效的階段。2022年3月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》，提出要提升綠色建筑發(fā)展質(zhì)量，通過推進(jìn)綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，加強(qiáng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理；到2025年，城鎮(zhèn)新建建筑全面執(zhí)行綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，建成一批高質(zhì)量綠色建筑項(xiàng)目；采取“強(qiáng)制+自愿”推廣模式，適當(dāng)提高政府投資公益性建筑、大型公共建筑以及重點(diǎn)功能區(qū)內(nèi)新建建筑中星級(jí)綠色建筑建設(shè)比例[5]。

　　全面推進(jìn)執(zhí)行綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，并大力推廣高星級(jí)、高品質(zhì)的綠色建筑，可有效通過綠色建筑中安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節(jié)約、環(huán)境宜居五大技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)建筑壽命提升降碳、低碳出行降碳、能源資源節(jié)約降碳、景觀綠化吸碳，在全面提升建筑品質(zhì)的同時(shí)助力碳達(dá)峰碳中和。

　　既有建筑綠色節(jié)能改造

　　既有建筑相對(duì)于新建建筑而言，最為關(guān)鍵的問題是其節(jié)能水平低、規(guī)模體量大。近年來，國家大力推行城市更新和老舊小區(qū)改造工作，故可以此為契機(jī)不斷推進(jìn)既有建筑綠色節(jié)能改造和公共建筑節(jié)能管理工作，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模既有建筑的運(yùn)行碳排放降低。具體路徑和措施包括：一是在城市更新和老舊小區(qū)改造工作的基礎(chǔ)上同步推進(jìn)既有建筑綠色節(jié)能改造；二是持續(xù)推動(dòng)高校、醫(yī)院、科研院所等重點(diǎn)公共建筑和公共機(jī)構(gòu)開展綠色節(jié)能改造；三是深入推進(jìn)公共建筑能耗統(tǒng)計(jì)、能源審計(jì)工作，建立健全能耗信息公示機(jī)制；四是加強(qiáng)建筑能耗動(dòng)態(tài)監(jiān)測平臺(tái)建設(shè)管理，以能耗后評(píng)估推動(dòng)建筑能源系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行；五是逐步推動(dòng)既有建筑能耗限額管理制度，以合同能源管理、綠色金融等手段支持和鼓勵(lì)既有建筑節(jié)能改造。

　　可再生能源建筑應(yīng)用

　　建筑存在大量的供冷、供熱、衛(wèi)生熱水及用電需求，不同的能源供應(yīng)方式產(chǎn)生不同的能耗強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度。太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)等自然、可再生的能源因其具有明顯的節(jié)能減碳效益，越來越受到我國乃至全世界的關(guān)注，并不斷加以推廣應(yīng)用。

　　自“十二五”以來，我國已在不斷深入推進(jìn)可再生能源建筑應(yīng)用工作，截至2018年底，我國累計(jì)太陽能光熱應(yīng)用集熱面積達(dá)到5億平方米、累計(jì)太陽能光電建筑應(yīng)用裝機(jī)約為30吉瓦、累計(jì)淺層地?zé)崮芙ㄖ?yīng)用面積約為6.2億平方米、累計(jì)空氣源熱泵熱水應(yīng)用建筑面積約達(dá)5億平方米[6]。

　　建筑領(lǐng)域的可再生能源應(yīng)用主要包括生產(chǎn)電力和生產(chǎn)熱力兩種形式。在可再生能源生產(chǎn)電力方面，建筑領(lǐng)域主要可通過太陽能光伏與建筑一體化（光伏屋面、光伏幕墻、光伏瓦、光伏遮陽板等）、風(fēng)力發(fā)電與建筑/場地一體化（建筑屋頂小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、場地風(fēng)光互補(bǔ)路燈等）、農(nóng)村建筑的生物質(zhì)發(fā)電（如沼氣發(fā)電）獲取低碳/零碳電力，并盡量就地使用；在可再生能源生產(chǎn)熱力方面，可充分利用各種熱泵技術(shù)將低品位的熱能（淺層地?zé)崮?、空氣能等）提升為建筑可直接利用的熱能（如空調(diào)供冷/供暖、衛(wèi)生熱水），利用太陽能熱水與建筑一體化（光熱屋面、光熱墻面、光熱陽臺(tái)等）為建筑提供衛(wèi)生熱水，實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效、節(jié)能、低碳應(yīng)用。

　　可再生能源的兩類建筑應(yīng)用，一方面可通過生產(chǎn)電力替代燃煤電廠排放的污染物，間接降低了建筑的碳排放；另一方面可通過生產(chǎn)熱力替代燃煤/燃油/燃?xì)忮仩t、燃?xì)鉄崴鞯冉ㄖa(chǎn)生的直接碳排放，對(duì)建筑領(lǐng)域盡早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和具有重大意義。根據(jù)徐偉[7]等人的研究，隨著可再生能源的推廣使用，建筑碳減排量逐年增加，2030年可再生能源應(yīng)用可減少碳排放0.54億噸二氧化碳，2060年減排2.04億噸二氧化碳，減碳效果顯著。因此，建筑領(lǐng)域應(yīng)堅(jiān)持?jǐn)U大可再生能源建筑應(yīng)用規(guī)模和提升可再生能源建筑應(yīng)用質(zhì)量兩手抓，通過各種管理、技術(shù)措施不斷加強(qiáng)推進(jìn)可再生能源建筑應(yīng)用工作。

　　建筑電氣化及電力脫碳

　　對(duì)于建筑領(lǐng)域而言，其直接碳排放主要源自燃油或燃?xì)忮仩t供暖、燃?xì)鉄崴鞴┬l(wèi)生熱水和炊事用燃?xì)庠罹?，推?dòng)建筑電氣化，用各類熱泵替代鍋爐或燃?xì)鉄崴鳌⑹褂秒姎饣癄t灶，可有效減少建筑的直接碳排放；通過大力發(fā)展低碳甚至零碳的可再生能源電力，降低電力供應(yīng)的碳排放因子，可進(jìn)一步減少建筑的間接碳排放。

　　因此，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展可再生能源，推行建筑電氣化是我國建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰碳中和的重要舉措[6]。

　　建筑領(lǐng)域碳中和技術(shù)路徑

　　基于自然的碳中和路徑主要體現(xiàn)在“保護(hù)森林、改進(jìn)農(nóng)田管理辦法、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)辦法以及保護(hù)和再造濕地”三個(gè)方面[8]，因此，利用生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收抵消生活生產(chǎn)中的碳排放，通過基于自然途徑吸收或進(jìn)行減排是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)不可或缺的，也是高效快速的途徑之一。

　　在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，引入人工濕地，使建筑與自然和諧共生，建設(shè)項(xiàng)目的“碳匯”及固碳能力將顯著提升。同時(shí)，對(duì)于建筑單體或單個(gè)建筑項(xiàng)目而言，除了場地景觀綠化外，還可進(jìn)一步考慮屋面綠化、垂直綠化、陽臺(tái)綠化以及室內(nèi)綠植等措施，以提升碳匯能力。比如，成都聚億•天府錦城項(xiàng)目以“城市森林住宅”為特色，每戶均設(shè)計(jì)6米挑高的空中花園，高層住宅營造親近自然環(huán)境的生態(tài)景觀的同時(shí)，為建筑增加碳匯和每戶實(shí)現(xiàn)碳中和提供了可能。

　　建筑材料吸附固碳

　　建筑在建造和使用的過程中通常會(huì)產(chǎn)生能源資源消耗和碳排放，但如采用木結(jié)構(gòu)建材或帶吸附二氧化碳功能的建材，也可實(shí)現(xiàn)建筑的吸附固碳，為建筑領(lǐng)域的碳中和作出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。

　　森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的貯碳庫，木材產(chǎn)品作為這一碳庫的主要組成部分，對(duì)提升林業(yè)碳匯能力發(fā)揮了重要作用[9]。根據(jù)生命周期理論，相較于混凝土和鋼材，木材不僅在生產(chǎn)加工的過程中能耗低、碳排放少，其生長也是發(fā)揮固碳作用的過程[10]。因此，木結(jié)構(gòu)建材的使用在直接減少建筑建設(shè)過程中碳排放的同時(shí)，也間接使建筑成為了一個(gè)固碳的載體，特別是木材作為一種便于可再循環(huán)使用的綠色建材可長久循環(huán)使用下去，進(jìn)一步提升了其固碳能力。

　　建筑全過程碳排放中建材生產(chǎn)階段碳排放占比較高，因此，如能從建筑材料生產(chǎn)階段加以減碳固碳方面的考慮，將對(duì)我國建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)起到巨大的推動(dòng)作用。根據(jù)王崢、郭振偉[11]的調(diào)查研究，當(dāng)前具備量產(chǎn)和規(guī)?；墓烫冀ú募夹g(shù)包括以下幾種：

　　一是混凝土固碳技術(shù)。混凝土固碳技術(shù)是利用二氧化碳礦化養(yǎng)護(hù)生產(chǎn)低碳混凝土，將二氧化碳精確注入混凝土中后可有效提升其抗壓強(qiáng)度，耐久性也能得到一定的提高。經(jīng)試驗(yàn)，預(yù)制混凝土固碳量為14.83千克二氧化碳/立方米，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)件為14.83–23.73千克二氧化碳/立方米，混凝土墻體砌塊0.45千克二氧化碳/30標(biāo)準(zhǔn)塊[12]。

　　二是混凝土添加劑技術(shù)（二氧化鈦）?；炷林刑砑由倭考{米二氧化鈦，便可增強(qiáng)混凝土對(duì)溫室氣體的吸收。

　　三是鎂質(zhì)水泥。鎂硅酸鹽制成的鎂質(zhì)水泥漿硬化體在空氣中放置后，會(huì)較大量地吸收空氣中的二氧化碳形成碳酸鎂等水化物，當(dāng)鎂質(zhì)水泥與水混合用于建筑時(shí)，每噸水泥能吸收0.4噸二氧化碳。

　　結(jié)語

　　在當(dāng)前建筑行業(yè)仍然處于快速發(fā)展和人們對(duì)生活水平要求越來越高的背景下，建筑領(lǐng)域在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和任重而道遠(yuǎn)，需要廣大建筑從業(yè)人員一起努力，從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段源頭控制到建造運(yùn)行環(huán)節(jié)提升管理水平來實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的具體技術(shù)路徑及發(fā)展建議如下：

　　一是實(shí)施源頭碳減排行動(dòng)計(jì)劃，推行建筑電氣化，同時(shí)通過提升綠色電力的比例，實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域的直接碳排放降低、消除和間接碳排放因子的降低。

　　二是大力推進(jìn)建筑能效提升計(jì)劃，通過提升新建建筑能效標(biāo)準(zhǔn)及水平、綠色建筑提質(zhì)增效、既有建筑綠色節(jié)能改造等，在保證建筑品質(zhì)的前提下不斷提高建筑建造和運(yùn)行階段能效水平，降低建筑運(yùn)行能耗及碳排放。

　　三是實(shí)行建筑總量控制，推動(dòng)城市更新和綠色建筑提質(zhì)計(jì)劃，提升建筑的安全耐久性能，增加建筑壽命，避免大拆大建過程中大量的能源資源消耗和二氧化碳排放。

　　四是探索建筑領(lǐng)域碳中和技術(shù)手段，除立體綠化及綠化碳匯外，加強(qiáng)固碳混凝土、鎂質(zhì)水泥、固碳涂料等吸附固碳相關(guān)新型建筑材料的研發(fā)，將大規(guī)模碳排放建筑本體發(fā)展成為固碳載體。

　　五是建立全面完善的政策支持和保障機(jī)制，通過碳達(dá)峰碳中和頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)到建筑碳排放限額性能化設(shè)計(jì)、從建筑前期的規(guī)劃設(shè)計(jì)測算到后期的建筑碳排放監(jiān)測、從碳排放約束性指標(biāo)要求到碳排放核算和交易等各方面，制定全面的政策支持文件，并建立相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)、激勵(lì)及市場化保障機(jī)制。