建筑行业碳中和挑战与实现路径探讨

林波荣

2020年9月22日，习近平主席在联合国大会上提出，中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。当前我国建筑行业运行碳排放（含直接碳排放和间接碳排放）约为21亿吨二氧化碳，占全国总量的20%左右。建筑行业如何快速实现碳排放达峰并实现深度减排，不影响人居环境品质的改善和人民群众的幸福感和获得感，是我国应对气候变化目标中的重要议题。为此，本文对建筑行业实现碳中和面临的相关挑战和可能的实现路径进行讨论和分析。

一、明确建筑行业碳排放定义和内涵

建筑行业的碳排放可以分为直接碳排放和间接碳排放，前者指的是在建筑行业发生的化石燃料燃烧过程中导致的二氧化碳排放，主要包括建筑内的直接供暖、炊事、生活热水、医院或酒店蒸汽等导致的燃料排放;后者指外界输入建筑的电力、热力包含的碳排放。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）体系下，一般将直接碳排放的部门划分为工业、电力、建筑和交通四个行业。这种语境下的建筑行业碳排放一般只包含直接碳排放。而我国大部分研究和讨论中涉及的碳排放则包括了直接与间接碳排放，甚至部分研究和讨论中还涉及了建材（如钢铁、水泥、玻璃等）在生产过程中产生的碳排放。在IPCC体系下，这部分排放应该算在工业领域，但排放量的多少和未来房屋建设发展趋势直接相关。此外，建筑运行阶段使用制冷产品，由于可能产生制冷剂泄露，也会产生非二氧化碳温室气体排放，因此未来非二氧化碳的排放控制也会逐渐成为减排重点。只有明确了统一的建筑行业碳排放语境和定义，才可能讨论形成统一的行业碳减排实现路径。

二、把握我国建筑行业碳排放趋势和特点

从全球看，建筑行业运行用能导致的碳排放占比28%，全球建筑相关用能碳排放占比40%（包含建筑建造）。以2017年为例，中国和美国建筑运行用能相关的碳排放占比分别是20%和36%。根据发达国家经验，伴随我国城镇化和经济水平的不断提升，建筑行业的运行碳排放比重越来越大。

根据《中国建筑节能年度发展研究报告2020》，我国建筑碳排放总量整体呈现出持续增长趋势， 2019年达到约21亿吨，占总碳排放的21%（其中直接碳排放约占总碳排放的13%）， 较2000年6.68亿吨增长了约3.14倍，年均增长6.96%。如图1所示，其中北方供暖约排放5.5亿吨CO2（排放强度约37kgCO2/m2），城镇住宅（除北方采暖）约4.4亿 吨CO2（排放强度约18kgCO2/m2），公共建筑（除北方采暖）约6.5亿 吨CO2（排放强度约51 kgCO2/m2），农村住宅商品能碳排放约5.5亿 吨CO2（排放强度约24kgCO2/m2）。若考虑建筑相关行业（包括建材生产、运输和工艺过程）碳排放，碳排放比例已超过35%，如图2所示。

初步研究表明，对于我国建筑行业的总碳排放（直接+间接），其达峰时间很大程度上取决于电力系统碳排放达峰时间，并且建筑行业的碳排放达峰必然先于电力系统碳排放达峰时间。随着电力系统的零碳化，间接排放量随之减为0，能否实现碳中和目标取决于直接碳排放的情况。

三、建筑行业碳中和路径的几个判断

1.全面电气化是趋势

建筑行业用能全面电气化是降低直接碳排放的关键。这里面主要处理好非集中采暖地区建筑供暖、炊事、生活热水和特殊建筑蒸汽用能的全电气化问题。

建筑供暖导致的直接碳排放部分主要是指长江中下游地区的城镇居民供暖或者是部分公共建筑的供暖。公共建筑的供暖，基本上可以通过采用高效空气源热泵或地源水源热泵解决。关键在于长江流域（夏热冬冷地区）住宅和小型办公室、学校建筑的供暖。未来的碳排放增长趋势，取决于这一地区选用什么途径解决：如果以家用热泵空调为主，那么直接碳排放量不會持续增长;如果改用燃气锅炉或者照搬北方地区的采暖方式，则会带来化石燃料需求的大幅度上升。国家重点研发计划成果和市场上很多厂家产品应用表明，目前已经有足够成熟的空调产品，解决了气流组织、除霜等问题，能够满足居民冬季室内供暖和舒适需求，且全年空调供暖能耗低于30kWh/平米·年。如果未来继续在这方面进行技术创新和推广，不刻意引导居民采用壁挂炉或者大规模兴建集中供暖设施，长江流域住宅供暖直接碳排放不会持续增加。

我国城镇炊事的发展需求已基本稳定，随着炊事电气化率的提升，炊事领域的化石燃料需求已经呈现下降趋势，这与欧洲趋势基本一致。炊事领域要实现碳中和，主要考虑如何改变居民长期以来“无火不成灶，无灶不成厨，无厨不成家”的明火烹饪习惯，推进全电气化炉灶技术创新，实现零排放。目前市场上已经出现一些智能变频电气灶，做菜效率高、速度快、方便快捷，完全可以担当起厨房主流灶具的大任，关键是以后要依靠政策标准加以推进。

城镇生活热水方面，总体来看需求还在增长，但是燃气热水器的占比已呈现下降趋势，越来越多的家庭倾向选用电热水器和电动热泵热水器。热泵热水器具有高效节能的特点，制造相同的热水量是一般电热水器的4-6倍，其年平均热效比是电加热的4倍，能源利用效率高。

对于医院、酒店的蒸汽等特殊用途，可以考虑通过电驱动热泵或者采用直接电热来替代分散的和集中的燃气锅炉。实践表明，即使采用分散的电热方式制取热水或蒸汽，由于减少了输送过程中的热损失，其能耗也低于集中的燃气锅炉（按照1m3天然气折合5kWh电力计算）。

2.标准政策提升是关键

无论是建筑行业直接碳排放还是间接碳排放，通过提升节能减排标准来合理引导用能方式、降低用能需求，或者通过政策设计加快高效减碳技术产品的推广，都是实现建筑行业综合碳减排、实现碳中和的关键。2018年，我国建筑运行用电量为1.7万亿kWh;未来如果认真推进建筑节能，耗电量可以控制在3.5万亿kWh左右;如果不控制用电量，则可能增长到约5万亿kWh。这部分碳排放什么时候达峰，取决于用电量增长和电力碳排放因子下降的相对速度。

如前所述，我国完全可以在长江流域居民供暖、炊事和生活热水方面推行全面电气化，关键是标准和政策的提升。为此，需要建立完备的低碳、碳中和导向下的建筑节能和绿色建筑标准体系，实现各气候区、各类型全过程全覆盖，合理降低用能需求。

此外，我国农村地区要满足采暖、炊事以及生活热水需求，目前主要还在采用传统的生物质和散煤。如果农村地区不再推广“煤改气”，而是发展煤改可再生能源，那么这部分碳排放可以进一步降低。事实上，我国农村地区具有大量的可再生零碳能源：一是农村具有足够的空间，可以大规模发展光伏电力;二是农村具有充足的生物质资源，通过一定的加工后可以被高效清洁地利用。这两类能源目前也都有成熟的技术，关键是需要通过标准和政策进行合理替代和引导推广，甚至可能率先实现零碳村镇的示范建设。

3.技术创新是根本

建筑用能全面电气化只是把13%的直接碳排放转移到电力行业。要实现2060年碳中和，仍需技术创新解决热力间接碳排放和电力间接碳排放问题。

首先，需要通过技术创新，大力发展新型低碳北方供暖系统，包括充分利用核电、火电、工业生产余热，区域联网、集中供热，解决70%～80%的北方地区供暖需求。由于工业余热产地与需要供热的建筑地理位置的不匹配，工业余热生产变化与建筑供热需求的变化不一致，如何保证供热可靠保民生，都需要技术创新。可能的解决方案是，开发跨区域联网，多热源联合供热，末端燃气调峰新技术。目前推进大温差大容量区域联网供热技术已经在多个地区实现，其实现成本低于燃气供热新模式的推广。

其次，我国黄渤海周边地区传统上属严重缺水区，单独依靠南水北调、引黄济冀等工程不能完全解决缺水问题。而沿海地区有大量的核电站、火电站和钢铁企业，每年排放1.5亿kW热量。在我国北方东部沿海长达1500公里的海岸线上，目前已建成装机容量为8000万千瓦的核电和火电。根据规划，未来将建成约1亿千瓦的核电和调峰火电。如果全部按照水热联供技术创新的方式回收这些电厂的发电余热，则可形成1.2亿千瓦的供热能力和日产淡水2246万吨/日的海水淡化能力，实现零能耗海水淡化。同时单管送热水到沿海核电和火电厂150公里半径区域，实现“水热同送”，在周边城市入口实现“水热分离”，同时为城市提供淡水和供热热源。

第三，建筑领域除集中供暖之外的用能降低和实现碳中和，更需要技术创新。首先，由于建筑设计是引导建筑用能行为的关键，为此需要通过技术创新，推动以建筑设计为主导的技术方法创新，推进空间节能和设备系统节能的融合，大幅降低供暖、空调、照明、电梯等用能需求，促进部分时间、部分空间的低碳用能理念落实。其次，需要开发高性能围护结构新材料和新产品，同时根据各地气候特点确定不同围护结构优化方向，打造适应气候的建筑，合理降低用能需求。再次，要基于“部分时间、部分空间”的室内环境营造和用能方式，营造低碳健康的室内环境空间，为此需要研发新型围护结构和环境控制系统一体化新技术新产品，实现空间可变、环境可调，落实机制用能的个性化、自然化、健康化，以推进供暖、空调、照明、通风系统和建筑相关产品的全面变革，为建筑用能低碳化和碳中和作出貢献。