江亿院士：建筑部门实现碳中和的途径

江亿，中国工程院院士，国务院能源咨询专家委员会委员、中国气候变化专家委员会委员，清华大学建筑学院教授。江院士是人工环境工程学科的倡导者之一，系统地参与了学科基础理论、基础方法的建立和发展。

院士金句

现在中央提出“双碳”战略，给我们建筑这行提出了新的要求，是挑战同时也是机遇。随着未来建筑全面电气化发展，其他各类燃料的直接应用转为电力，建筑用电量将持续增加。这要求建筑提高电力柔性程度，优化各种用电终端的智能调控算法。

——江亿 院士

低碳发展是国家重大战略

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联大会议上发表重要讲话时提出“2030碳达峰、2060碳中和”的目标，近来连续六次在国际会议上重审这一宣示。中央五中全会、经济工作会议也多次强调低碳发展。这不单单是能源领域的事，更涉及到中国未来四十年甚至更长时间，是关系到社会经济怎么发展的重大战略。

习近平总书记早在2014年就提出了能源的四个革命和一个合作，及供给侧革命、消费侧革命、技术革命和能源的政策机制革命以及加强能源领域的国际合作。在能源领域谈“革命”具有重大意义与深远含义，实现碳中和就是中国能源革命的目标，低碳发展是未来社会经济发展的推动力之一。

建筑部门如何实现碳中和

建筑部门不能指望碳汇去实现零排放，应该把“零碳”作为目标。建筑部门四种类型的碳排放包括：由于使用化石能源造成的直接碳排放，由于使用电力、热力造成的间接碳排放，由于房屋的建造和维修、承担的建材生产中的碳排放责任和由于制冷剂泄露造成的非二氧化碳温室气体排放。在建筑部门实现碳中和，要做到建筑相关活动不造成碳排放。

第一 ，消除直接碳排放的途径

消除直接碳排放的途径就要求不再使用任何化石燃料——煤、油、气；要推进炊事方式的电气化，用热泵、电热等推进生活热水的电气化；用热泵替代燃气热水锅炉；取消集中蒸汽系统，实行汽改水，必须使用蒸汽的，改用小型电热蒸汽发生器，集中供应蒸气的系统永远是源侧大于汇侧，造成巨大浪费。在农村，推行煤改空气源热泵去替代散煤。总体上来说，这些没有太多的技术障碍，主要是文化的障碍，要去引导逐渐改变原来传统的用能方式。

第二 ，消除使用电力、热力造成的间接碳排放

我国现在煤电占总发电量的65%，气电不到5%，剩下的大约30%是水电、光电和核电，度电碳排放0.57kgCO₂/kWh（2019年）。节约用电是减少间接碳排放的第一要务，因为要用好风电光电，必须要有配合的调峰手段，可以用水电、核电配合，但水电、核电总量有限；继续建筑节能事业，依靠3-3.5万亿kWh满足建筑运行需求是基本条件，所以节能是第一要务。

为了实现“绿电”，发展风电、光电的两个问题：

其一，安装空间问题

风力、太阳辐射都是低密度能源，每平米大概100W电的规模，必须有巨大的空间才能承载风电、光电的发展。根据详细分析，目前我国空余的屋顶的总面积有405亿平方米（包括城市和农村），开发量达到70%，就可以达到装机容量28亿千瓦，40000亿的发电量。所以，怎么用好城乡空间的屋顶和其他的一些的可见太阳的垂直表面开发光伏，是减少建筑用电造成的间接碳排放的重要方面，应该作为建筑应对零碳要求的重要行动。

其二，风电、光电大比例应用导致的调峰问题

从火电的“源随菏动”转变为风电、光电的“菏随源动”，让用电侧的负载适应天气变化，使用电方式发生变化，去解决调峰的问题。此外，通过新的配电方式——“光储直柔”来帮助调节一天内的风电、光电的变化，实现建筑用电全部为风电、光电。

光储直柔配电系统

建筑外部装配光伏电池，外界接380V交流电，进入建筑内部改原来的交流组件为直流组件，通过整流器与外部连接，建筑内部还配备蓄电池，并且与周边停车场的充电桩连上，在电力过剩的时候可以蓄电，外网电力不足的时候可以放电，实现建筑的“柔性”用电，除了用自身的光伏电，还可以通过通讯手段与风电、光电基地的控制中心建立联系，根据气象预报等得到次日的用电曲线，通过柔性负载的性能按照指定的曲线用电，建筑就可以实现全“绿电”运行。

- 每座建筑提前预测次日用电量，并将其报送风电光电总调度

- 风电光电总调度根据实时风电光电功率分配各座建筑用电功率

- AC/DC直接接收风电光电总调度下达的用电功率

- AC/DC调整直流母线电压，使实际的从外网取电功率正好为要求的用电功率

面对未来零碳电力系统的建设，建筑物要从消费者转为生产者、消费者以及储电和调节者三位一体的角色。

减少使用热力造成的间接排放：

一方面，要坚持节能优先，减少供暖热负荷需求，减少对电力的需求；优化建筑设计，尽可能更多利用光伏；发展冬季利用火电、核电和热电联产余热和工业余热供热的各项技术；发展光储直柔的配电方式或其他可实现柔性用电的方式，为电网调峰；研究各种建筑用电设备转移负荷、实现调峰的方法。

另一方面，要解决季节差导致的电力供需失衡，最经济的措施是启用火电调峰电厂，启动生物质电厂、燃煤燃气电厂发电，补充冬季风电、光电和水电的不足，再通过CCS回收CO₂；另外，既然是冬季需要调峰，正好采用热电联产，在满足电力调峰的同时，将发电余热作为城镇供暖热源，满足供暖需求。此外，未来北方还有1亿kW的核电，收集余热，可以满足北方城镇80%以上建筑的供暖需求，其余可用多种电热泵供暖。

第三，减少建筑建造和维修中使用建材的碳排放责任

目前各类建材生产导致的碳排放占我国碳排放总量约40%，其中房屋建造和维修用材占建材总量的50%；房屋建造将实现软着陆，维修和翻建可能成为建筑业的主营。必须避免“大拆大建”，以修代建，减少钢材水泥用量。对于新建建筑，要使用低碳建筑材料，并不断研发新的低碳建筑材料和建筑结构体系去替代水泥。研究发展新型建材和相应的新型结构体系，把CCS得到的CO₂固化在建筑中，将是对减碳事业的重大贡献。

第四，减少非二气体的排放

目前制冷工质仍属温室气体，其GWP远高于1。据某些分析认为，我国由于制冷剂泄漏导致的温室气体排放相当于建筑运行碳排放的三分之一，因此这也是重要的减排任务；要减少制冷和热泵相关的非二气体排放的途径。

碳中和战略将推动能源领域前沿科技发展

碳中和战略将推动蓄电池技术、电力电子技术的发展，推动电机技术的革命，促进光伏器件的飞速发展和建筑材料领域的革命。势必会引起建筑配电方式的革命，和对供热系统、空调系统的再思考。

总结

中央的 “30-60” 低碳战略为我们提出新的任务，制定了目标和时间表，这将是学科发展的新的机遇，将有大量新问题出现，有待我们去创新、去解决、去攻关。今后40年的碳中和主题将是能源领域一代人的主要任务和历史使命。碳中和的实现将为人类实现可持续发展做出重大贡献，这也是能源领域一代人的机遇和使命，我们应该珍惜这个机遇，抓住时机，为人类的未来发展做贡献。

院士对话：

Q1：中国如何实现建筑节能低碳?

由于温室气体的过度排放，以及建筑用能数量巨大，建筑节能已经是世界性的大潮流。而要实现中国建筑节能低碳，核心是坚持绿色生活模式和绿色建筑用能使用方式，发展与绿色使用模式相适应的建筑形式。

Q2：在实现碳达峰、碳中和目标的过程中，建筑行业将面临什么样的转变？

建筑的低碳、降碳是指降低建筑运行过程中直接和间接排放二氧化碳量，全面电气化是实现双碳目标的主要途径，当然还必须继续开展建筑节能工作，这是实现双碳目标的基础。

除此之外，在全面践行“双碳”目标的背景之下，建筑行业应为电力系统“零碳化”作出更多的贡献。电力系统要实现革命性转变，从目前以化石能源为基础的集中式电力系统转为以可再生电力为主的集中与分布结合的新型电力系统。新型电力系统中风电光电将占发电装机容量的80%以上，发电量的60%以上。

有效消纳风电光电将成为发展风光电的最关键问题，通过一系列建筑用能技术进行削峰填谷、实现柔性用电，可以为风电光电的发展起到重大作用，这就要求建筑在配电模式方面进行变革。

Q3：光储直柔技术分别是什么？

“光”就是在建筑表面、屋顶上装光伏，它能够在城市承担建筑20%到30%的用电量；“储”就是在建筑里面放一些分布式的化学储能；“直”是建筑里面要改成直流供电；“柔”，通过上述方法实现的建筑就变成柔性负荷了，就不是我要用多少电电网就得给我供多少电，而是电网让我什么时候从网上取多少电，我就能取多少电，差的话从储能和柔性用电解决。（来源：WUPENiCity）