“双碳”目标下建筑能源系统发展趋势分析

钟华锋

［摘 要］在我国“双碳”目标的实现过程中，建筑行业是其中的关键行业。伴随着我国城市化建设工作的有序推进，城市建筑项目不断增加，建筑行业的服务保障水平日益提升，建筑行业的碳排放总量将会得到进一步提高。基于“双碳”目标，建筑行业面临的减碳压力也在持续增加，因此需要寻求全新的低碳技术发展路径。基于此，本文针对“双碳”目标下的建筑能源系统发展趋势展开研究，并提出具体的发展策略，以供参考。

［关键词］“双碳”；建筑能源；能源系统；发展趋势

［中图分类号］TU7文献标志码：A

随着环境污染问题加剧，气候变化日趋明显，能源匮乏已经成为威胁人类社会实现可持续发展的严峻挑战。为解决由于温室效应及各种极端自然灾害问题所带来的对人类生存的威胁，推动社会实现可持续发展，2020年我国正式提出了“双碳”目标，即在2030年之前达到碳达峰，2060年真正实现碳中和。面对全球能源短缺和环境保护之间存在的矛盾和冲突，综合能源系统可以通过对天然气、热力和电力系统的协调处理，实现资源配置的最优化，以促进能源实现低碳和可持续发展。在整个过程中，建筑行业应积极地做出表率，强化建筑能源系统的节能化设计，为实现生态目标作出贡献［1］。

1 “双碳”目标下建筑能源系统发展趋势

1.1 降低需求、实现建筑节能依然是基础

实现建筑行业的节能发展，是真正实现建筑行业低碳排放甚至零碳排放的基础条件。而想要实现建筑行业的低碳目标，节能措施是其中的关键内容。无论任何时间、任何地点，都需要将减少能源的使用作为重点。长久以来，我国建筑行业的发展不管是人均单位面积的能源消耗强度，还是单位碳排放的消耗强度，相较于欧美国家来说都要更低，这是由我国长久以来的生产生活模式所决定的。

伴随着新时代现代社会经济的高速发展和进步，建筑能源消耗量不断增加，碳排放强度日益增加，因此，需要通过建立健全低碳建筑能源系统，以有效应对能源短缺所带来的各种人类社会发展问题。举例来说，对于我国长江流域的供暖问题，一直以来都是能源消耗的重点解决问题。未来，伴随着人民生活水平的全面提高，如何在满足人们基础供暖需求的条件下，为人们提供一个舒适、美好的居住生活场所，并利用合理的低碳措施，解决建筑行业的能源消耗问题，成为我国建筑行业的重点研究课题。

通过低消耗、低碳排放量的建筑能源系统设计，可以优化建筑物的本体性能，结合建筑物所在地区气候特征，降低不必要的冷热能量消耗，是建筑能源系统未来建设的主要发展方向。近年来，我国建筑行业在此方面已经取得了非常突出的研究成果，尤其是在维护结构保温性能方面，已经基本实现了供热消耗量的降低。

传统的建筑物一般设计暖通空调，在空调设计过程中未能综合考量自然渗透风等多项因素的影响，在大型公共空间，如商场或交通建筑，渗透风是对室内热环境和能源消耗带来影响的重要因素。而针对航站楼这种体型系数相对较小的大型公共空间，大量的实测结果显示，在冬季，灯光及热源的发热量和周边维护结构的散热量非常相似，整体的空调系统在供热量上与渗透风的热量消耗基本持平。若可以减少其中的不必要能源损耗，机场、航站楼这类大型公共建筑物有望实现零能源损耗，可以为整个建筑物等能源系统低碳化发展及实现双碳目标提供极大的便利。需要重点强调的是，渗透风理论分析办法主要是利用流体力学，通过对流体力学模型的建设，明确室内空气的流动情况，并捕捉渗透风影，在这样的条件下，可对不同供暖空调末端进行调整，以降低渗透风带来的负面影响［2］。

1.2 推动建筑能源系统全面电气化

真正实现终端电气化建设，是我国在建筑能源系统建设过程中实现“双碳”目标的重要指引。走向这一发展之路，可以规避建筑终端在燃烧化石原料过程中所产生的大量的二氧化碳，是促进建筑能源系统走向低碳化和零碳化之路的核心举措。

基于我国现阶段建筑行业分布分项工程电气化水平的实际情况，在我国北方地区的供暖领域使用率相对较低。但是仍然有大量地区使用化石能源并将其作为供暖的热力来源。基于建筑能源系统低碳目标的指引，将重点放在满足这一部分热力需求上，寻求解决建筑热力问题的核心途径。为此，需要建立健全新型热力系统，改变当前将化石燃料作为热量获取源头的供热模式，寻求真正的低碳热源或零碳热源。也可以对各种资源进行进一步回收和利用，减少对化石燃料的依赖，以推动建筑热力系统走向清洁和低碳化的发展之路。现阶段，已有大量学者指出可以通过热力系统实现和电力系統的耦合，以热电协同或电热协同的模式，推动热力和电力变得更为清洁和高效，但是需要在研究过程中加强对热力需求的进一步探索和研究。目前，若没有可进行循环利用的余热资源，则可以通过跨季节储热，为冬季的热力需求低碳化转型提供可能性。

1.3 进一步提升建筑机电系统能效

全方位优化建筑物内部机电设备的综合使用效能，是真正实现建筑物节能环保、走向低碳转型发展之路的核心途径。同时，提高机电设备的使用能效，是机电设备终端发展的主要目标。

例如，家庭中比较常用的空调，伴随着其节能标准的日益提高，空调的一级能效水平已经得到了全面改善；建筑物中的集中空调冷水机组，在其能效水平差上已经从初期的5.0转变为7.0；对于7℃的离心式冷水机组，目前设备的制冷循环性能已经与理想循环效率十分接近；制冷机组温差也已经基本可以将其控制在1℃以内，甚至个别质量较高的机组，蒸发侧两端差已经可以控制在0.5℃。

在外部需求明确的条件下，改善单一制冷循环性能较为有限，这就需要从全新角度着手，优化机电系统的综合效能。举例来说，可以更改建筑物对冷源的温度需求，在设置冷水温度时，可以把7℃改变为16℃，以提高制冷循环蒸发温度。一般情况下，这种类型的冷水机组相较于常规机组的能源综合利用效率可以提高30%，在我国的多重建筑场景中都可以进行运用，有着较好的使用前景。根据建筑冷源设备的使用性能提升目标，通过进一步减少冷热源的温度品位需求，降低其中温差，可以优化其综合效果［3］。

2 “双碳”目标下建筑能源系统发展策略

2.1 在一次能源供给环节，推动可再生能源替代化石能源

现阶段，我国的建筑物能源系统主要呈现出总量大、清洁性不足等特征。因此，推动我国建筑能源系统的供给结构从传统的化石能源转变为可再生能源，可以从源头着手，进一步减少碳排放总量，这也成为建筑物能源系统供给环节改革过程中的首要任务。现阶段，我国正在全方位推行电力现货市场，可以为建筑物的能源系统可再生能源替换提供有利的外部条件。

当前，电力现货市场主要把边际成本作为竞争的参考依据，因此边际成本较低的可再生能源有着非常强劲的市场竞争力。但是可再生能源本身具有一定的间歇性和波动性，难以在市场中对电量信息进行精准申报，因此需要对电力现货市场机制进行进一步优化，以确保可再生能源得到有效消纳。

例如，可以建立健全可再生能源价值分层评估体系，用于设定可再生能源补贴电价的有关内容。为建立健全随机结算市场，把传统电力现货市场中的日前和实时市场同时出清结算，有效规避日前市场出清中忽视可再生能源贡献度的问题。另外，还可以进一步挖掘可再生能源由能源变动带来的成本较低等优势，使用开停机成本和爬坡成本有机结合的竞价模式，以推动电网针对可再生能源实现进一步的消纳。与此同时，为实现更大建筑物范围内的资源优化配置，推动可再生能源得以有效消纳，可以在建筑能源系统中建设多能源现货市场。不同类型能源的传输能力及存储情况有所不同，因此需要积极探索基于不同时间尺度的多能源现货市场运行发展机制，其中包括结算、竞争和定价机制［4］。

2.2 在二次能源转换环节，推行绿电、绿氢生产消费

大量生产及消费绿电和绿氢，可以减少化石能源的使用总量。总体来看，目前我国的电气化水平仍有很大的进步空间，终端的电器消费转化率有待提升。

氢能处于转型和发展的重要时期，因此建筑物能源系统应该加速终端设计的电气化及氢能化发展。氢能作为一种较为清洁且使用过程较为高效的能源类型，可以成为无法利用电气化进行脱碳行业的全新选择。但在整个过程中，仍需要克服大量的难题。对于氢能的制备来说，目前已有的技术多是利用化石能源来运作的，以电解水制氢为代表，这也是未来具有一定发展潜力的真正节能创造模式。电解水制氢主要包括两类，分别是固体聚合物电解水制氢和碱性水质电解制氢。现阶段，由于电解水制氢能源消耗量较高、综合效率较低，如何在其大规模的生产过程中搭建管理系统，优化电解槽的综合能源利用率，已成为技术工作人员的重点研究课题。在氢能的储备上，比较常用的储备方法为高压气态储氢，以及低温液压储氢技术。该类技术有着较好的清洁密实度，同时安全性能较为可观，发展潜力较大。

但从总体来看，这些储氢模式也存在一定的不足，如能源消耗较高、材料的价格较为昂贵等。因此，如何降低储氢的成本投入成为企业未来发展过程中的重点研究课题［5］。

2.3 在终端能源消费环节，强化能耗双控工作

不管是直接消费一次能源，还是把一次能源变成二次能源之后进行间接消费，两个能源的消费过程都会带来不同程度的能源损耗。因此，如何改善建筑物能源系统的消耗强度、减少能源损耗总量，成为建筑能源系统设计的重点课题。

对此，可以建立能源梯级利用技术，也就是在建筑能源系统的使用过程中，依照执行需求来用能，尽量不运用高品位的能源去做低品位能源便可以完成的建筑物运转功能，同时要实现建筑物能源功能的逐层多次利用，从高到低满足不同类型、不同品位的行业使用需求［6］。在具体的使用上，可以综合能源梯級利用这一基础思想，建立健全站网协同规划模型，并进一步探索如何使用退役锂电池热管理技术，确保退役锂电池可以获得有效利用，避免能源浪费。目前能源梯级技术的运用多集中在我国的工业领域，未来有关工作人员需要主动探讨如何将该技术应用在我国的交通领域。

另外，对于建筑能源系统的不同终端部门来说，还需要加强对能源损耗的双控。例如，若建筑物为工业厂房，则需要工业领域针对传统的加工行业进行智能化改造和升级，同时也需要将重点放在较为先进和前沿的低能耗制造行业上。对于建筑领域，一方面需要优化建筑物的综合节能标准，另一方面要对目前已有建筑物的用能结构进行调整。对于交通行业，要对电动车进行推广，保障氢燃料汽车得到合理使用，同时对客运组织及物流运输进行优化。而对于我国农业领域，一方面，要促进滴灌技术的发展，确保施肥过程精准，利用好杀虫技术，减少自然资源及化学品的损耗；另一方面，要强化对废弃物的循环利用，为我国服务行业提供支持，真正实现全民节能，倡导更为绿色的生活模式。

３ 结语

建筑行业作为我国实现“双碳”目标的主要行业，基于“双碳”目标的指引，我国建筑行业需要在能源系统设计和使用上积极地作出改革。总体来说，本文提出“双碳”目标下建筑能源系统的发展趋势及具体的发展策略。但是“双碳”目标指引下的建筑能源系统建设与多个学科和领域的方法密不可分，同时依赖技术和理论研究的全方位进步，与各城市的规划运行和贸易保护机制存在密切联系，因此其本质上是一个漫长又复杂的过程，希望本文的研究能够为有关工作者提供思路和参考。

参考文献

［1］刘晓华，张涛，刘效辰，等. “光储直柔”建筑新型能源系统发展现状与研究展望［J］. 暖通空调，2022，52（8）：1-9，82.

［2］高岩，贺艳. 贯彻新发展理念 助力实现“双碳”目标［J］. 建筑，2022（1）：35-36.

［3］冯逸夫，林慧，章永洁，等. 区域建筑综合能源发展趋势研究与实践案例［J］. 建设科技，2021（21）：87-90.

［4］赵光辉. 智能建筑能源管理技术研究现状与发展综述［J］. 智能建筑与智慧城市，2018（4）：49-52，55.

［5］刘然. 国际建筑能源管理关键技术发展现状概论［J］. 智能建筑电气技术，2016，10（3）：26-30.

［6］邬可文. 分布式能源（冷热电联供CCHP）技术介绍与研究［J］. 城市住宅，2015（11）：126-128.