上海国际碳博会 | 上海建筑行业：实现碳中和的关键技术路径在哪里？
首届上海国际碳中和技术、产品与成果博览会（简称“上海国际碳博会”）正在国家会展中心（上海）举行。除了汇聚全球各地绿色低碳领域的企业和学者专家，坐落于虹桥商务区的国家会展中心（上海）建筑本身也是中国零碳展会的探路者。作为国家绿色建筑运行三星标识认证获得者，国家会展中心2021年展馆年用电强度在32.0kWh/㎡，占中心各功能区总用电量近50%[1]。本次国际碳博会更是协同运用多种方法，包括使用绿色电力、运用可循环环保材质搭建展台、购买高品质碳汇等，力图将会场碳排放降至最低[2]。
国家会展中心 | 图源：WRI
建筑行业减碳是中国实现碳中和目标的关键。清华大学气候变化与可持续发展研究院的研究[3]表明，建筑行业减排难度大，在双碳时间表上不能一刀切。“1+N”政策体系下，国家对建筑脱碳的要求也逐渐严格、清晰：2021年发布的《城乡建设领域碳达峰行动方案》要求，到2030年前，城乡建设领域碳排放达到峰值；到2025年，城镇新建建筑全面执行绿色建筑标准；到2030年地级以上重点城市全部完成公共建筑改造任务；到2030年建筑电气化比例达到20%。
上海市在践行“绿色使命”上走在全国前列[4]。2020年上海市建筑领域碳排放总量达到4017万吨二氧化碳，占全市总排放的19%，低于全国平均占比水平。上海市建筑整体电气化率领先全国，2020年建筑领域间接排放占比已近80%[6]。与此同时，上海市自2012年以来建设了全国领先的国家机关办公建筑和大型公共建筑*能耗监测平台。截至2021年12月31日，平台已覆盖全市2143栋公共建筑，为建筑能耗监测、审计和进一步减碳提供了良好的数据基础[7]。2022年11月上海市住建委与发改委联合印发的《上海市城乡建设领域碳达峰实施方案》明确，到2025年，城乡建设领域碳排放控制在合理区间，到2030年城乡建设领域碳排放达到峰值。
*单幢建筑面积超过2万平米且采用中央空调系统的星级酒店、大中型商场、高级写字楼以及影剧院、体育场馆、机场、车站等各类服务于公共使用要求的建筑定义为大型公共建筑。
为进一步支持上海市建筑领域挖掘减排空间、尽早实现深度脱碳，世界资源研究所（WRI）委托上海市建筑科学研究院有限公司和上海市经济信息中心共同承担“上海市建筑领域碳中和路径与对策研究”，旨在研究确定上海市建筑领域实现碳中和的关键技术路径与对策，为建筑领域低碳转型相关政策和目标的制定提供强力支撑。
01上海建筑领域排放的当下与未来
十三五（2016年至2020年）期间，上海市建筑总排放及在全社会排放占比均缓慢增长，2020年上海全社会碳排放达到22152万吨，其中建筑领域碳排放达到4017万吨。
- 居住建筑：上海市居住建筑占全市民用建筑总面积的60%左右，碳排放占比约40%。随着城镇化的深入以及生活水平的提高，居住建筑能耗和碳排放总量仍缓慢增长。
- 公共建筑：基于节能示范城市的贡献，上海市公共建筑单位面积碳排放量在2018年后有所下降，目前其间接碳排放占比超过85%。用能方面，煤炭用量在2017年“蓝天计划”煤改气、煤改电后已呈现快速下降并接近于零，油和热力用量处于波动状态，电和天然气则处于增长态势。
课题组通过对人口、经济增长、能源结构等因素的分析，对上海市建筑领域至2060年的碳排放趋势进行了预测分析。
上海市建筑碳排放现状（2016-2020）及基准情景下预测结果（2021-2060） | 图源：WRI
研究表明，在基准情景下，上海全市建筑领域碳排放将于2035年达峰。通过提升自身节能标准进一步降低建筑用能强度，研发更高性能节能设备系统，推行高电气化率转型，全力推动太阳能光伏规模化系统化应用，上海市建筑领域可实现2030年前碳达峰。预测表明，在可预见的建筑规模、人口增长和合理的技术成熟度与渗透率的考量下，仅推行新建建筑实施超低能耗建筑、既有建筑实施改造、以及实施太阳能光伏屋顶计划等可预计技术贡献，建筑运行阶段虽可实现碳排放较基准情景实现59%的减排量，但仍很难实现碳中和预期。
02 碳中和技术路径
如何助力上海建筑减碳？
在此次研究中，课题组将2022年起（包括2022年）建造的建筑定义为“新建建筑”，2022年前的建筑定义为“既有建筑”。根据建筑规模发展预测：
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居住建筑中新建与既有比例约为3：7
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公共建筑中新建与既有比例约为6：4（既有建筑随城市更新体量不断减少）
对于上海地区的建筑碳中和需求，在可预见的技术发展水平下，新建建筑和既有建筑应同时实施碳中和技术，碳中和技术路径主要包括：超低能耗建筑技术路径、近零能耗建筑技术路径、太阳能光伏一体化技术路径和厨卫设备电气化等。
分析发现，建筑领域碳中和目标的实现与既有建筑改造程度密切相关，但考虑到建筑外墙节能更新改造难度较大，机电系统性能、电气化程度、太阳能光伏应用成为重点实施路径。
从具体要求来看，目前中国国家层面和上海市自身都已分别对新建建筑设定了明确的绿色建筑和超低能耗建筑要求，特别是到2025年星级绿色建筑占比达到30%以上，到2030年新建民用建筑全面执行超低能耗建筑标准，新建居住和公共建筑规模超低能耗建筑比例将显著上升，从围护结构、空调系统、家电设备到屋顶光伏系统、空气源热泵等均能带来一定的减碳效果。
2060年上海市建筑领域碳中和技术路径减碳效果 | 图源：WRI
03 识别九大关键技术路径
基于技术预判性、技术可行性和可实施操作性，课题组在详细分析了相关关键技术手段后，建议优先发展并加快研发如下关键技术。
1 全面实施超低能耗或近零能耗建筑应成为建筑领域实现碳中和路径的首选。超低能耗或近零能耗建筑通过大幅度提升建筑围护结构保温隔热性能，充分利用高性能设备系统，并通过借助可再生能源的高效利用，实现碳减排效果最大化。
2 综合能效**10.0以上的高效供暖制冷空调技术。目前上海市建筑领域供暖制冷空调系统综合效率仅为3.5左右，而美国目前最先进的高效制冷机房效率要求为7.0以上，而根据理论测算，通过20~30年的时间将整个空调系统综合效率有望进一步达到9.0至10.0以上。另一方面，如果跨季节储能空调技术能够研发成功，实现冬夏冷热互补，则空调系统能耗及碳排放有望降到最低。
**综合能效比（EER）是空调的制冷性能系数，表示空调器的单位功率制冷量，用于衡量制冷设备在运行过程中消耗的电能与其制冷效果之间的比例关系。它是评价制冷设备性能优劣的重要指标之一。综合能效比越高，表明该制冷设备在相同的运行条件下能够更有效地利用能源，从而达到节能减排的目的。综合能效比通常用于评估空调、冷冻机等制冷设备的性能。
3 300lm/W以上的高光效照明与智能控制技术。照明能耗在上海市建筑能耗中占比达到20%以上，采用高光效照明灯具势在必行。统计显示，现阶段LED灯具光效平均约为75~100lm/W，根据目前相关技术进展，预计2030年前后基本可实现200lm/W的光效。通过技术更新或更高效光源产生，课题组认为，到2050年~2060年间实现300lm/W光效的可能性非常大。
4 COP8.0以上的新一代空气源热泵热水/供暖技术。与常规燃气制热水或供暖相比，采用空气源热泵可实现50%以上的减碳效果，且效率越高，电力碳排放因子越低，减碳效果越好。目前空气源热泵热水系统或风冷热泵系统效率约为3.0左右，且在低温环境下存在效率低与出热不稳定等问题。随着低温制热新技术如新型环保工质、蒸气喷焓、余热利用或新型多级系统的研究开发，预计系统效率可实现8.0以上。
5 高性能设备能效提升技术。随着建筑围护结构、空调系统、照明系统等性能的提升，设备用能在建筑能耗中的比重逐步上升，最高可达50%以上，是建筑领域碳中和目标实施的主要障碍之一，应加强研发力度，持续提升其能效等级。
6 新型太阳能建筑光伏一体化利用技术。建筑光伏一体化利用需要从两个方面进行突破：一是光伏组件效率的突破：目前晶硅太阳能组件效率虽已达25%以上，但其理论发电效率仅为33%左右，发展受限。钙钛矿虽然效率可更高，但目前稳定性与寿命较差，而异质结工艺技术效率有望实现50%以上，因此可能是未来太阳能系统发展的趋势，应加大力度研发突破；二是太阳能组件与建筑一体化技术突破：目前太阳能光伏组件主要安装于建筑屋顶，安装面积比例现阶段仅要求30%左右，建筑自身的太阳能资源尚未得到充分利用。而根据目前的预测分析，建筑领域的碳中和实现必须通过立面光伏才有可能实现。因此应在加大光伏幕墙或光伏玻璃的研发力度，力争实现效率突破50%的同时，相应应用场景也能得到大范围拓展。
7 厨卫炊具全电气化技术。根据《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015，燃气炊具热效率要求为0.65以上。经测算，如果电力碳排放因子低于2.89吨二氧化碳/万千瓦时，采用电力设备的碳排放将与燃气相当。而可以确认的是，到2060年电网的碳排放因子将远远低于2.89吨二氧化碳/万千瓦时，因此实施电气化是碳中和的主要路径之一。
8 建筑智慧储能应用技术。全社会要实现碳中和目标，势必要大力发展零碳能源。可再生能源发电预计到2060年在整个电网中的比重将达到70%以上，甚至可能会超过80%。但由于可再生能源受季节、天气影响的波动性，需要其他电源补充以保障电网的稳定可靠，从而造成电网的碳排放因子出现明显的逐时特性，形成碳排放因子峰谷差。如果建筑领域通过有效的智慧储能系统，当电网碳排放因子低时充分储能，当电网碳排放因子高时释能为建筑提供电力供应，则可将建筑用能的碳排放因子维持在低位，实现有效降碳。
9 高效固碳技术。建筑领域现阶段的固碳方式主要是绿地，固碳能力有限。由于建筑全电气化后将不存在直接碳排放，因此对于建筑领域，可预期的是通过绿色低碳建材的利用以及新型零碳负碳技术的突破实现固碳。
在本研究中，课题组基于上海市建筑领域碳排放现状、预测与减排潜力对上海市建筑领域碳中和的技术可行性做出了初步摸排与细致分析。技术研究之外，下一阶段，我们还将关注相应路径下的成本收益，深入研究如何发挥经济激励政策和金融手段的作用，例如，推动建筑领域纳入碳排放交易市场，加速建筑绿色化进程。
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参考文献 [1] 2022. 上海市住房和城乡建设管理委员会 & 上海市发展和改革委员会. 2021上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测及分析报告. [2] 2023. 澎湃新闻.首届上海国际碳博会六月举办，主题展览涵盖能源转型等六板块.https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_22525495 [3] 2023. 零碳方舟. 零碳技术方案助力首届上海国际碳中和博览会. https://mp.weixin.qq.com/s/2-6D8Vr8UQs1vjGlnBZnbw [4] 2021. 中国能源报.工业、建筑等行业减排难度大 各行业碳达峰时间表不应“一刀切”.https://news.bjx.com.cn/html/20210331/1144934.shtml [5] 2021. 人民网. 践行“双碳”愿景：上海如何“先人一步”？. http://finance.people.com.cn/n1/2021/0903/c432208-32216198.html [6]课题组 [7] 2021上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测及分析报告，2022，上海市住房和城乡建设管理委员会，上海市发展和改革委员会 |