“双碳”目标下建筑能源变革思考


文|戎向阳   中国建筑西南设计研究院有限公司教授级高工、总工程师


为什么要推动建筑电气化

我国实现碳中和目标远难于发达国家,从2030年实现碳达峰到2060年实现碳中和,只有30年时间,时间非常短,必须通过能源变革和产业调整来实现。

建筑碳排放占全国社会总碳排放的比例接近40%,是实现“双碳”目标非常重要的内容。其中,建材和运输受制于工业和交通领域的脱碳,碳排放占比最大的运行过程则是建筑行业自主贡献的部分。

建筑用能全面电气化无疑是实现零碳、低碳运行的最佳途径。一方面,取消化石类燃料的燃烧,可以将直接碳排放降为零,另一方面,可以依托建筑节能和电力碳排放因子下降,降低运行过程的间接碳排放。

为什么说电气化是最佳途径呢?首先,是适应国家未来能源总体结构转型的需要。从现在的能源规划来说,能源消费中的化石类能源消费要在2030年达峰,未来新增的能源都是非化石类能源,主要是核电、水电、风电、光电,这些能源都是以电力形式提供的。

其次,建筑用能电气化有利于实现电力需求侧响应。未来新能源比重越来越高,供给侧可调性下降,需要我们做好需求侧响应来平衡和消纳可再生能源电力供应。需求侧响应控制也可以降低峰值负荷,电力部门专家预测,如果做好需求侧响应,整个峰值可以下降10%。另外,建筑可以通过“蓄”和“调”来适应供给侧变化,“蓄”主要表现在蓄电、蓄冷、蓄热,“调”是适应供给侧变化的自动控制。通过“蓄”和“调”,容易实现建筑用电的柔性化,满足需求侧响应的需求。未来,随着产业结构调整,建筑电力消费在整个电力消费中比重会越来越大,预计到2060年建筑用电量占总用电量40%。因此,做好建筑需求侧响应控制对高可再生能源渗透比的电力供应调节将起到很大的作用。

其三,建筑用能电气化也有利于推动建筑光伏一体化(BIPV)的发展。为了实现碳中和,风电、光电装机容量需要达到60亿kW的水平,这大概需要占600亿平方米以上的安装空间,可能会跟耕地产生一定的矛盾。而建筑表皮是很好的可利用资源,现在统计城乡建筑的屋顶面积约为400亿平方米左右,理想状态下,城镇建筑屋顶安装光伏的年发电量可达1.2万亿kWh,农村建筑屋顶安装光伏的年发电量可达2.9万亿kWh。全年来看,建筑用电基本可以实现“自给自足”状态。推动BIPV的发展,当然需要建筑电气化的支撑。

当然,建筑电气化也是实现建筑零碳、低碳运行的需要。按照当前电力碳排放因子来看,各气候区空气源热泵制热的碳排放量已低于燃气锅炉,直接电加热的碳排放量目前还高于燃气,但是随着未来非化石类燃料发电的比例加大,直接电加热的碳排放量也会低于燃气。所以,推动建筑全电气化,不仅可使建筑运行的直接碳排放降为零,同时还可分享电力脱碳的“红利”,逐步降低建筑运行过程的间接碳排放。

从现在的电力规划来看,完全可以支撑各个阶段的建筑电气化变革。以减少需求为基础、全面电气化为手段,建筑运行的零碳或近零碳目标也完全可以实现。到2060年,如果能把建筑节能等各方面工作做好,建筑运行用电量可以控制在3.6万亿~4万亿kWh。为实现碳中和目标,建议从现在开始,新建公共建筑优先进行全电气化设计,提前为零碳运行建筑进行布局。对于既有建筑,则根据电力碳排放因子变化,优先开展供暖和卫生热水的电动热泵替代;2030年以后,随着电力碳排放因子的进一步降低,加快对住宅和炊事部分的全电气化改造。

建筑电气化替代方案以及要解决的问题

首先是替代途径和需要解决的技术问题。现在民用建筑中主要有三个方面使用化石类燃料:一是炊事,城镇炊事电气化率已经较高,家家户户除了炒菜以外基本都有电气化设备。电气化炊具热效率可得到提高,达到80%以上,远高于燃气灶具。但是炊具替代还需要解决一些技术问题,例如,电磁炉目前最高温度可以达到350℃以上,但加热均匀性问题还需要进一步解决。

二是供暖和卫生热水,应该采用各类电动热泵替代化石燃料燃烧设备,使能耗和碳排放强度进一步下降。极寒地区为了经济性可采用热泵辅助电热的方式;零散和少量热水,如办公楼卫生间需要一点热水,可以采用就地的电热水器解决。在替代过程中需要重点关注几个技术问题:

第一要开发适合各气候区、各类负荷特征的高效空气源热泵。气侯区不同,制热、制冷权重不一样,商用和住宅用的负荷特性也不一样,单一标准的产品很难实现在各气侯区、各用途下的真正高效运行。第二要发展二氧化碳跨临界热泵机组,解决极寒地区能效提升问题。第三要研发供暖、热水、供冷一体化的户用热泵,未来夏热冬冷地区家庭主要需要热泵来解决,如果不同用途的热泵各设一台室外机,室外安装面积将会是很大难题。第四要在设计方面优化冷水机组和热泵机组的容量匹配,才能实现全年运行的协同高效。因为热泵机组要兼顾冷和热,制冷能效会低于冷水机组,怎么协调好冷水机组和热泵机组的容量匹配是未来设计中需要重点关注的问题。另外,民用建筑中主要是医疗用汽和洗衣房用汽等,完全可以用电蒸汽发生器和热泵蒸汽发生器替代,而且把蒸汽系统就地化、小型化,可减少“跑、冒、滴、漏”现象。目前,热泵蒸汽发生器COP(性能系数)约为1.1~1.4,可产生0.7MPa以下的蒸汽压力,未来完全可以开发COP达到3.0左右的热泵蒸汽发生器,而且将供汽压力进行进一步拓展。

第二需要解决的问题是能源价格调整。目前各城市执行的气、电价格很难推动全面电气化改革。综合来看,只有当居住建筑气、电价格比大于5~6倍以上,居民才能产生进行电气化替代的动力。公共建筑也存在同样的情况,当前大部分地区执行的商业气、电价格,基本可以支撑生活热水和供暖的电气化替代,但是炊事方面电气化替代的成本比较高,所以也需要进行价格调整。整体而言,商业气、电价格比大于7倍以上,就能顺利推动用户进行电气化的替代。

未来要进行电气化改革还有很多问题要解决,只有在技术研发、产品研发和能源价格体系改革这几个方面同步推进,才能很好地实现建筑电气化改革。