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绿色建筑的“自我修养”:建筑全过程的节能降碳路径

发布时间:2022-06-05 21:44:38 来源:亿百体育官方 作者:亿百体育网站首页

  随着城镇化进程的加快,我国建筑规模持续扩大,导致建筑领域的能源消耗和碳排放不断增加,其高能耗、高排放问题日益严峻。2021年10月,中央、国务院印发的《关于推动城乡建设绿色发展的意见》中提出,要建设高品质绿色建筑,实施建筑领域碳达峰碳中和行动。

  面对较大的碳减排压力,建筑领域应寻求节能环保的绿色低碳发展道路,助力“双碳”目标的实现。

  中大咨询对建筑领域的碳排放格局及其来源进行分析,总结出了建筑全过程中各环节具体的碳减排路径。

  建筑领域是全球碳排放的主要来源之一,2019年全球建筑全过程碳排放量占总量的38%,能源消耗占比35%(图 1)。根据发达国家经验,建筑碳排放将逐渐超过工业、交通等领域跃居首位,我国城市化率的提升正在加大建筑行业的降碳压力,建筑行业减碳任重而道远。

  图1 2019年建筑全过程能耗与碳排放全球占比。数据来源:IEA,《2020全球建筑现状报告》

  我国建筑全过程能耗较高,碳排放占比超过全国总量的一半,建筑业的低碳发展与“双碳”目标的实现密切相关。我国建筑总规模位居全球首位,现有城镇总建筑存量约为650亿平方米,预计每年新增建筑面积约20亿平方米,碳排放呈现上涨趋势。2019年全国建筑全过程碳排放总量近50亿吨,占全国碳排放的比重为50.6%;能耗总量为22.33亿吨标准煤,占全国能源消费总量比重为46.5%(图 2)。建筑领域的减碳是我国“双碳”工作中的关键环节,对全方位迈向低碳社会具有重要意义。

  图2 2005-2019年全国建筑全过程能耗与碳排放总量。数据来源:《中国建筑能耗研究报告(2021)》

  建筑全生命周期碳排放具体包括建材生产、建筑施工及其内部运行等环节,而生产和运行阶段是消耗能源和产生碳排放的主要阶段。

  从具体数据来看,我国建筑领域碳排放中,建材生产阶段占最大比例,约为 55%,其次是建筑运行的碳排放,约占43%,施工过程仅占 2%左右(图 3);能耗方面,也主要来自于生产和运行阶段,分别约占50%和46%(图 4)。

  图3 2019年中国建筑全过程碳排放量阶段占比。数据来源:《中国建筑能耗研究报告(2021)》

  图4 2019年中国建筑全过程能耗阶段占比。数据来源:《中国建筑能耗研究报告(2021)》

  建筑生产过程中产生的大量碳排放主要来自工业碳排放大户——钢铁、水泥等建材,2018年碳排放量均超过了10亿吨(图 5),分别占比48%、41%(图 6);我国目前的新建建筑为钢筋混凝土结构,其中水泥的生产过程需要消耗大量的能源,并导致大量碳排放。

  图5 2018年主要建材能耗与碳排放。数据来源:公开资料整理;中大咨询分析

  图7 全国建筑施工碳排放总量(亿吨)。数据来源:公开资料整理;中大咨询分析

  k建筑运行阶段,碳排放主要来源于用电消耗和供热系统中的煤炭燃烧。2018年,我国建筑运行中的供暖、生活热水、炊事等环节消耗化石能源相关的直接排放占比达总量的一半,间接排放中电力和热力相关的碳排放分别占42%和8%(图 8)。

  基于上述背景,发展绿色低碳建筑对于我国现代化城乡建设而言具有必要性。建筑领域的碳中和需要贯彻绿色低碳的发展理念,从建筑全生命周期的各环节入手,采取节能降碳措施,实现建筑全过程减碳(图 9)。

  图9 建筑全生命周期碳中和路径框架。资料来源:《中国碳中和通用指引》,《碳中和经济学》,亿欧智库

  建筑领域脱碳的路径之一是建筑材料低碳化,从生产阶段入手,开发更为绿色环保的新型低碳建材,实现技术升级。

  水泥是建材工业中的碳排放大户,2020年水泥碳排放约占全国总量的13%,占主要建材碳排放的41%,是建筑领域碳中和进程中的关键产业。水泥的生产过程减碳,除依靠原料替代技术之外,需要开发新型低碳水泥品种和应用低碳胶凝性材料。

  另外,高性能混凝土材料也成为低碳发展新趋势,相较于传统建筑混凝土,具有降低水泥使用量、耐久性强、减少二氧化碳排放量等优势(表 1)。例如,汉麻混凝土可以用生物纤维等绿色环保材料替代石灰石原料,降低水泥熟料系数;高延性混凝土(HDC)与超高性能混凝土(UHPC)可以通过加入不同新型材料提高混凝土硬度,提高耐久度。

  表1 国内外高性能混凝土材料。资料来源:中国建筑节能协会,《中国建筑材料工业碳排放报告(2020 年度)》,公开资料整理

  在绿色低碳建筑理念的引领下,大力支持和发展具有减碳优势和长期效益的装配式建筑。装配式建筑是把建筑构件和配件在预制工厂中生产完成,然后运输到施工现场,并采用可靠的安装方式将构件组装而成的建造方式。相较于现场浇筑,装配式建筑具备减少材料使用、缩短工期和减少废弃物等优势(表 2),更符合绿色建筑的要求。

  我国政策正逐步推动装配式建筑相关产业迅速发展(表 3),开工面积逐年上涨。2020年全国新开工装配式建筑共计6.3亿㎡(图 10);预计到2025年,装配式建筑相较于现浇建筑可减少碳排放2663万吨。

  表3 装配式建筑发展支持政策。资料来源:住建部,中国政府网,中国装配式建筑网

  图10 2014-2020年全国装配式新开工建筑面积(百万㎡)。数据来源:东北证券,公开资料整理

  装配式钢结构是可循环使用的绿色建筑,未来将逐渐提高钢结构装配式建筑比例。由于混凝土装配式的建造成本略低于钢结构装配式,目前我国装配式建筑中混凝土建筑仍占比较大(图 11)。然而,混凝土装配式建筑的建造还存在关键技术不完备等问题,且混凝土结构资源消耗较多,在拆卸后会变成建筑垃圾,有违绿色低碳发展理念。

  钢结构作为延性材料,抗震性能更佳,重量仅为混凝土的50-60%,基础造价更低,具有更好的经济性;钢结构也是可回收材料,在拆卸后可循环利用,更加绿色环保。以住宅领域为例,较发达国家而言,目前我国钢结构的渗透率很低(图 12),未来具有较大的发展潜力。

  BIPV(光伏建筑一体化)在“双碳”要求下极具市场潜力,应用前景十分广阔。BIPV与建筑物同时设计、施工和安装,形成太阳能光伏发电系统,既具有发电功能,又具有建筑构件和建筑材料的功能,可与建筑物形成完美的统一体。

  BIPV目前仍处于起步阶段,总装机量仅为全球光伏市场的1%左右。2019、2020年全球BIPV总装机量分别达到1.15GW和2.3GW,每年总装机量约占全球光伏市场的1%。欧洲市场方面,预计未来几年BIPV将快速增长,2023年新增量将达0.5GW左右,而国内2020年装机容量已超过该水平。

  图13 欧洲BIPV市场预测:光伏发电(MV)。数据来源:光电建筑专委会,中国建筑设计研究院

  截至2021年底,我国既有建筑面积可安装光伏400GW,每年竣工建筑面积可安装40GW,潜在市场空间达千亿元。BIPV是我国“双碳”目标之下的大势所趋。

  对于供给端而言,运用“光储直柔”建筑新型供配电技术,提高建筑终端电气化水平,帮助解决建筑领域资源消耗大、排放高的问题。“光储直柔”指在建筑领域应用太阳能光伏、分布式储能、直流配电和柔互四项技术(图 14)。

  图14 光储直柔”建筑新型供配电技术资料来源:《建筑电气化及其驱动的城市能源转型路径报告摘要》,公开资料整理

  建筑全面电气化是“双碳”进程的关键环节,通过革新节能技术和使用节能电器,在热水、供暖、炊事等方面全面实行电力替代。

  从终端能源消费来看,“十三五”以来,我国建筑部门电气化发展水平迅速提升,截至2019年,建筑电气化率(电力消费占一次能源需求的比例)达到44.1%(图 15),电气化发展潜力巨大。

  图15 2016-2019年建筑部门电气化率。数据来源:中国电力企业联合会,公开资料整理

  生活热水电能替代:目前全国制备生活热水大约造成全年二氧化碳排放0.8亿吨,用电热水器替代燃气热水器,是未来低碳发展的必然趋势;供暖电能替代:供暖方面趋向于推广空气能热泵、构建新型低碳供热体系,利用高效电热泵作为替代热源,采用空气能热水器实现节能和经济效益;炊事电能替代:实现炊事电气化是炊事实现零碳的可行途径,如推进智能变频电气灶等全电气化炉灶技术的创新以实现电能替代和减少碳排放。

  鼓励被动式超低能耗建筑发展,通过优化建筑整体布局、采用高性能外窗和墙体以及提升建筑的整体气密性等性能化设计帮助建筑降低运行能耗(图 16)。

  被动式超低能耗建筑能大幅度降低对外界能源的需求,有明显的节能减排效益,各级政府对被动式低能耗建筑的认可度越来越高,截止到2020年8月已经颁布115项被动式建筑鼓励政策。被动式超低能耗建筑能够有效促进中国加速完成“双碳”目标,同时也带动了建材产业低碳升级。

  建筑的运营管理层面,建筑楼宇智能化转型是节能提效的重要手段,通过打造自动化的节能系统达到降碳效果。

  目前,美国与日本建筑智能化占新建建筑的比例已经分别超过70%和60%,而中国建筑智能化市场起步较晚,现仍处于快速发展阶段。我国楼宇智能化行业市场规模几年来保持稳定的增长趋势,预计到2025年,我国智能楼宇市场容量将突破万亿规模(图17)。建筑智能化是建筑节能改造过程中的关键环节,据测算,2020年建筑智能化在新建楼宇中的比例超过45%,有望在2030年达到70%。

  图17 2015-2019年我国楼宇智能化行业市场规模(亿元)。数据来源:前瞻产业研究院,公开资料整理

  建立楼宇自动化系统(BAS),打造智能型建筑楼宇。楼宇自动化系统分为五大系统(图 18),现已涵盖建筑中的所有可控的机电设备,能够达到节能、舒适和高效的目标。

  建筑全生命周期的末端,需要对建筑废弃物进行资源化处理,力争资源节约和环境保护的双赢。

  日本、美国和欧盟国家从上世纪九十年代开始推动建筑垃圾回收利用的资源化处理,时至今日平均资源转化率已经高达90%(图 19)。中国每年产生的建筑垃圾规模巨大,约为20亿吨,每年建筑垃圾约占城市固废总量的40%,但目前仍以相对简单、成本低廉的填埋处理为主,资源化回收处理转化率较低。

  图19 世界各国垃圾资源转化率。数据来源:《2021中国商业建筑碳中和实施路径研究报告》

  中国建筑垃圾资源回收利用流程主要分为垃圾分类、回收处理、再生处理等五个主要步骤(图 20),再生处理阶段将混凝土、砖和石等按照不同配比尺寸等做成再生骨料,后可制成再生砖、无机料等进行二次利用。

  另外,对于上述措施未能完全消除的碳排放,需要通过碳捕集利用与封存(CCUS)技术和生态固碳等方式形成碳汇,推动建筑领域降碳。发展CCUS技术是未来建筑碳中和的重要选择,如利用二氧化碳矿化养护混凝土,缩短混凝土初凝时间、提高抗压强度以及减少水泥用量;同时,加快提升绿化率,增加建筑群绿化碳汇,达到改善空气质量、美化环境的效果。

  建筑行业能耗和碳排放量较高,是“双碳”目标之下需要重点关注的一大领域,建筑全过程的节能降碳行动对于我国实现碳中和目标具有深远意义。中大咨询将持续关注“双碳”目标下重点领域的发展趋势和具体减碳路径,并在后续推出研究成果。

  [2]《2018-2023年中国楼宇智能化行业市场深度分析及投资战略研究报告》,前瞻产业研究院

  [5]刘亮俊, 李朋飞, 秦志浩. 碳中和背景下绿色装配式建筑发展前景展望[J]. 绿色环保建材, 2021(6):2.