长沙市公共建筑“碳中和”路径探索

朱青松 马琦

长沙市城市建设科学研究院

0 引言

2020 年9 月，国家领导人在联合国大会上提出“碳达峰”和“碳中和”的远景目标。2021 年3 月党中央将碳达峰和碳中和纳入生态文明建设整体布局，并且明确“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，要求建筑领域要重点提升节能标准，加大节能力度。

由于人口的快速增长，对舒适环境的要求以及生活水平的提高，建筑能耗急剧增加。目前，我国建筑全过程能耗占全国能耗总量比重超过40%，建筑全过程碳排放量全国占总碳排放量的50%以上[1]。建筑节能是解决各国能源问题、实现可持续发展的重要途径。公共建筑能耗在建筑能耗中占有较大的比重，公共建筑每平方米总能耗是我国住宅建筑的2 倍以上[1]。因此，相关学者针对公共建筑进行能耗数据统计，对用能特点、能耗影响因素和能耗定额等方面进行了研究和分析[3-10]。长沙市处于夏热冬冷地区，既要考虑夏季制冷又要兼顾冬季采暖，了解长沙市公共建筑能耗现状，对发掘公共建筑节能潜力具有重要意义。

长沙市从2010 年开始建设公共建筑节能监管体系，在全市推动建筑能耗监测工作，经过十年积累，收集了大量公共建筑能耗数据，本文以近四年监测数据为基础，通过大数据分析，研究的主要目的如下：1）分析长沙市公共建筑能耗现状。2）分析比较不同功能公共建筑的能源消耗水平和特点。3）探讨长沙市节能改造现状，提出下一步节能减排建议，为公共建筑实现“碳中和”目标提供方向。

1 研究方法

1.1 长沙市公共建筑能耗监测平台

长沙市是我国首批国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系建设示范城市，更是最早一批建成建筑能耗监测平台的示范城市。长沙市于2010 年和2017 年分别出台了加强公共建筑节能监管工作的政策文件，得°C于政策的有效执行，能耗监测平台自2010 建成至今，监测的公共建筑每年都在持续增长，近四年监测公共建筑增长情况如图1 所示。

图1 近四年长沙市公共建筑能耗监测增长情况

截止到2020 年12 月，长沙市累计监测公共建筑320 栋，监测建筑面积2391.8 万m2。其中国家机关建筑24 栋，监测建筑面积69.5 万m2；大型公共建筑296栋，监测建筑面积2322.3 万m2。

1.2 长沙市公共建筑能耗数据采集方法

监测平台将公共建筑按照功能划分国家机关办公建筑，商业办公建筑，商场建筑，宾馆饭店建筑，文化教育建筑，医疗卫生建筑，综合建筑以及其他建筑八大类。

长沙市公共建筑能耗监管平台将信息技术与节能监管体系相结合，实现对公共建筑能耗的实时监测和管理。为提高监测平台数据质量，针对能耗监测平台运行过程中普遍存在的失真数据（包含突变数据和0 数据），采用格拉布斯（Grubbs）检验法对其进行离群数据筛除整理。

选取检出水平α=0.01，则置信概率P=1-α=0.99；查格拉布斯临界值表得到临界值G100=3.600。若计算值Gi 大于临界值G100，则判断测量值为异常值。对于所剔除的异常值数据，采用插值法补充。将单位面积能耗按上述参数进行离群处理后，具体监测建筑信息如图2 和图3 所示，单位面积能耗如表1 所示。

图2 监测建筑按栋数分布情况

从图1、图2 和图3 可知，长沙市监测的公共建筑中综合建筑和商业办公建筑的数量和面积占比较大，说明近些年长沙市公共建筑的建设主要集中在这两种类型，这两类建筑会是以后公共建筑节能的重点。

2 长沙市公共建筑能耗情况

2.1 近四年各类公共建筑能耗水平情况

通过对建筑能耗监测平台监测数据进行大数据分析，可以得出近四年长沙市各类型公共建筑能耗水平如表1 所示。

表1 长沙市近四年各类型公共建筑能耗情况（kWh/(m2·a)）

2.2 长沙市各类公共建筑能耗水平与上海市对比的情况

自2007 年《国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系建设实施方案》发布以后，全国18 个省市启动了公共能耗监测平台建设。根据调研，上海市的监测平台运行最良好，相关平台具备较为完善的对外服务机制外，且上海市已连续四年发布公共建筑能耗监测数据分析报告，其他省市的平台和数据主要以辅助政府决策为主，未对外开放及开展相关服务[12]。把长沙市各类公共建筑的能耗水平与上海市2020 年度各类公共建筑的能耗水平做对比，对比情况如图4 所示。

图4 长沙市各类公共建筑能耗水平与上海市对比情况

由图4 可知，长沙市各类公共建筑能耗水平远低于上海市，一方面是因为上海市经济发达，公共建筑空置率比长沙市低、运行时长普遍比长沙市长。另一方面，上海市城区基本建成，监测的公共建筑大部分为既有建筑，建筑耗能设备运行久，能效低，能耗高。而长沙市近几年城区建设如火如荼，大部分公共建筑属于新建建筑，建筑空置率较高，用能设备大部分采用节能性能高的设备，能效高，能耗低。

2.3 长沙市各类公共建筑能耗水平对标情况

以2020 年长沙市各类公共建筑电耗水平为基准，参照国家标准《民用建筑能耗标准》（GB/T 51161-2016）和湖南省质量技术监督局发布的DB43/T611-DB43/T614 系列能耗限额标准，对比分析各类公共建筑电耗水平情况如表2 所示。

由表2 可知，2020 年度长沙市监测各类公共建筑平均能耗水平均达到了国标《民用建筑能耗标准》（GB/T 51161-2016）中引导值的要求。国家机关办公建筑和医疗卫生建筑能耗水平未达到湖南省地方标准中达标值的要求。国标在制定过程中要统筹考虑各地气候、经济等因素，标准值相对宽松。目前实际运行值与省标的设置参数偏差比较大，下一步，可结合实际运行情况，进行更深一步分类建筑的能耗分析，对省标的相关参数进行修订，使之更好的符合情况，引导本地节能工作的开展。从以上能耗对标可以看出，国家机关办公建筑和医疗卫生建筑还具有很大的节能潜力。

表2 长沙市各类型公共建筑电耗对标分析情况（kWh/(m2·a)）

3 长沙市公共建筑分项电耗情况

3.1 公共建筑总体分项电耗占比情况

长沙市能耗监测能源种类包括电力和自来水。在电力监测中又可细分为照明插座用电，空调系统用电，动力系统用电，特殊用电和其他用电五类。根据长沙市能耗监测数据统计结果，近四年各类公共建筑分项电耗占比情况如图5 所示。

图5 近四年长沙市监测公共建筑分项电耗占比情况

以往众多的研究成果表明，在建筑运行能耗中，供暖空调能耗比重最大，一般能占到建筑总能耗的40%～50%，由于长沙市公共建筑能耗监测未能实现燃气的实时监测，采用直燃机组作为冷热源的空调系统未能统计燃气消耗量，空调系统燃气消耗未能纳入能耗分析。但是就电力消耗来看，由图5 可知，长沙市公共建筑空调系统用电占公共建筑总用电的比例较低，连续四年均维持在20%左右（2020 年受疫情影响大部分商业建筑和宾馆酒店建筑在1～3 月份处于停业状态，因此全年空调耗电降低，占比减少）。照明插座系统用电的比例基本维持在35%～45%之间，占了公共建筑电耗的很大比例，说明长沙市公共建筑耗电系统节能主要还是集中在照明插座系统。

3.2 各类型公共建筑分项电耗占比情况

以2020 年监测电耗数据为基准，长沙市各类型公共建筑分项电耗占比情况如图6 所示。

图6 长沙市各类型公共建筑分项电耗占比情况

由图6 可知，在各类型建筑中，其他建筑照明用电占比最大，达到总用电的62.6%，说明此类建筑应重点关注照明系统节能管理。医疗卫生建筑的空调用电占比最大，达到总用电的32.6%，说明在医疗卫生建筑中，空调系统是节能重点。机关办公类建筑的其他用电占比达到37.6%，说明机关办公类建筑的监测系统不够完善，还有相当一部分用电量未纳入分项监测，下一步要完善节能监管系统的建设。

4 公共建筑实现“碳中和”的方向

4.1 长沙市公共建筑节能改造现状

自2010 年《湖南省绿色建筑评价标准》发布以来，长沙市大力推广建筑节能技术和绿色建筑发展，提高能源利用效率和改善生态环境，针对公共建筑进行了多方位的节能改造，包含建筑用能设备、围护结构、能耗监测平台等方面。

4.1.1 建筑用能设备节能改造

1）空调系统：大型公共建筑普遍使用的中央空调等高能耗机电设备，一直是建筑节能的重中之重。一方面，针对空调系统冷水机组，采用了变频器拖动，实现机组部分负荷运行状态下的节能以及低冷却水温度下的节能。另一方面，针对空调末端采用了VAV 末端装置控制优化、新排风热回收装置等技术来最大限度减少空调用能。此外，推广地源热泵等可再生能源在建筑的应用，目前长沙市已完成528 万m2的可再生能源建筑应用。

2）照明系统：大型公共建筑的照明设备（特别是在商场建筑中）不仅自身能耗较大，而且照明设备散热形成的冷负荷可占夏季空调总冷负荷的20%以上。因此照明系统的节能改造潜力巨大。照明系统节能改造主要包括更换LED 节能灯具提高能源效率和采用照明感应控制技术减少能源浪费两大块。

3）动力系统：根据长沙市公共建筑用电调查统计，动力用电占建筑总用电量的15%～25%以上，仅次于空调系统和照明系统的用电量。因此，采用了曳引系统对电梯系统进行节能改造以及变频调速技术对水泵的节能改造。

4.1.2 建筑围护结构节能改造

长沙地区大型公共建筑外窗普遍采用普通单层玻璃，普通单层玻璃保温隔热性能较差，是造成冬夏季空调电耗高的主要原因之一。对此，采用的薄膜（热反射膜）遮阳可以阻挡45%～85%的太阳直射热量进入室内，冬季可以减少30%以上热量散失。

4.1.3 建筑能耗项监测系统节能改造

全面掌握建筑能耗的实际状况，是加强能源领域的宏观管理和科学决策，制定用能标准和能耗定额的基础，是开展建筑领域碳中和工作的前提条件。绿色建筑评价标准中将实施能耗分项计量作为公共建筑评价的强制性条款，分项计量系统能够对公共建筑中的各种类型和不同功能用途的耗能项目分别计量，准确地掌握这些耗能项目的耗能量。再通过专用设备实时采集各个耗能的用能数据，利用互联网、GPS 无线网、NB-IOT 等多种网络传输模式传输到市级数据中心。远端客户可随时通过网络访问数据中心，了解、分析相关参数，包括不同建筑之间相似系统和设备耗能情况的横向比对。通过对实时数据的分析不仅可以随时发现建筑中突然出现的用能问题，而且可以捕捉到人工难以察觉的能耗漏洞，从而提醒运营管理人员及时处理，改善用能缺陷。

4.2 长沙市公共建筑进一步节能改造建议

目前，长沙市公共建筑运行最主要的能源是外界输入的电力。随着建筑电气化的全面实施，其他各类型能源消耗也将转为电力，这将使建筑用电量进一步增加，从而使得建筑的二氧化碳间接排放增加。由于建筑的电力消耗造成的间接碳排放是建筑相关碳排放中最主要的部分，所以降低建筑运行电耗是进一步实现零碳或碳中和的最主要任务[13]。

鉴于建筑行业碳排放比例这么高，为了实现“碳中和”目标，就要全面提升建筑的能源利用效率。对于政府机关、学校、医院、场馆等公共机构要提出更高的要求，公共机构需要不断提升能源利用效率，才能有效抑制用能刚性增长。对写字楼、商场、酒店等经营性公共建筑，要从技术节能的角度出发，大力推广绿色建筑技术，鼓励有条件的达到超低能耗，近零能耗和零能耗建筑标准。整个建筑的运行过程中要提升节能信息化水平，推进智慧节能，加大对数据中心机房、空调（供暖）、食堂等重点用能部位和设施设备的节能改造。从行为节能角度，加大宣传培训力度，倡导简约适度、绿色低碳的生活方式。

5 结束

国家制定“碳达峰”和“碳中和”远景目标是为了改善持续恶化的全球气候，是对世界人民的一项庄严承若，同时也彰显了我们的大国担当。作为中部经济高地的长沙，在持续抓好经济社会发展的同时要兼顾生态文明建设，在“碳达峰”和“碳中和”目标实现中树立中部标杆。建筑业作为高碳排放行业，应该积极响应国家政策，全面加强节能管理。长沙市公共建筑节能管理工作开展时间久，政策体系完备，标准规范健全，技术应用成熟，在实现“碳中和”目标上能起到立竿见影的效果。