建筑领域“双碳”技术路径探析
中信建筑设计研究总院有限公司汤小亮 陈焰华 邱雅凡 於仲义
2020年9月22日，习近平主席在出席联合国大会一般性辩论上郑重承诺：我国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。此后，习近平主席先后在联合国生物多样性峰会、巴黎和平论坛、气候雄心峰会等20余次的国际会议上重申了这一宏伟目标，并在中央经济工作会议、中央政治局会议等重要会议上多次强调这一战略目标。当前，碳达峰碳中和工作已纳入我国生态文明建设总体布局，将成为促进我国经济社会发展全面绿色转型、推动实现高质量发展的重要举措。
建筑作为人们工作和生活的主要空间载体，建材的生产运输、建筑的建造以及建筑的运行均产生大量的能源资源消耗，是我国能源消耗的三大来源之一[2]。近年来，我国城市建设快速发展，大规模新建建筑的建设及巨大存量既有建筑的运行，产生了大量的二氧化碳排放。根据《中国建筑节能年度发展研究报告2021》，2019年我国建筑面积总量约644亿平方米，每年还在以超过40亿平方米的速度增加。建筑建造和运行相关二氧化碳排放占中国全社会总二氧化碳排放量的比例约38%，其中，建筑建造占比为16%、建筑运行占比为22%[3]。随着我国城镇化水平和人们生活水平的不断提高，我国建筑的运行能耗在今后5–10年仍将保持增长，建筑领域实现碳达峰碳中和的任务十分艰巨。本文基于建筑能源资源消耗特点及建筑行业的发展趋势，探讨建筑领域实现碳达峰碳中和的技术路径，以期为我国建筑领域早日实现碳达峰碳中和的战略目标提供技术参考和借鉴。
我国建筑领域碳排放现状
建筑行业发展现状
快速城镇化带动了建筑业持续发展，我国建筑业规模不断扩大。2007年–2019年，我国建筑建设的速度增长迅速，新增净建筑面积从7亿平方米快速增长至当前的每年17亿平方米左右。每年大量建筑的竣工使得我国建筑面积的存量不断高速增长，2019年我国建筑面积总量约646亿平方米，其中，城镇住宅建筑面积为282亿平方米、农村住宅建筑面积228亿平方米、公共建筑面积136亿平方米。
建筑领域能耗现状
建筑领域能耗主要分为建造阶段能耗和运行阶段能耗，根据《中国建筑节能年度发展研究报告2021》，2019年我国建筑领域建造能耗为5.4亿吨标准煤，占全国能源消费总量的11%，高于全球5%的比例，其中，城镇住宅、农村住宅、公共建筑分别占比为69%、7%和23%。近年来，民用建筑总竣工面积趋稳并缓慢下降，民用建筑建造能耗自2016年起逐渐稳定并缓慢下降。2019年建筑运行的总商品能耗为10.2亿吨标准煤，约占全国能源消费总量的22%，低于全球平均水平30%。建筑商品能耗和生物质能共计11.1亿吨标准煤，其中，生物质能耗约0.9亿吨标准煤。从用能总量来看，呈四分天下的局势，四类用能（公共建筑、北方供暖、农村住宅、城镇住宅）各占建筑能耗的1/4左右[3]。随着公共建筑规模的增长及平均能耗强度的增加，公共建筑能耗已经成为我国建筑能耗中比例最大的一部分。
建筑领域碳排放现状
根据《建筑碳排放计算标准》（GB/T51366–2019），建筑的碳排放包含运行阶段、建造及拆除阶段、建材生产及运输阶段[4]。2019年我国建筑运行的化石能源消耗相关的碳排放约22亿吨二氧化碳，其中，直接碳排放约29%、电力相关的间接碳排放占50%、热力相关的间接碳排放占21%；建筑建设阶段碳排放约16亿吨二氧化碳，建材生产运输阶段用能相关的碳排放以及水泥生产工艺过程碳排放是主要部分，分别占比77%和20%；建筑施工阶段碳排放约0.95亿吨二氧化碳，其中，2014年之前建筑施工阶段碳排放一直快速增长，2014年后因建筑施工面积趋于稳定和施工水平的提升而缓慢下降并趋于平稳。从全社会碳排放总量的角度而言，2019年中国建筑建造和运行相关二氧化碳排放约占中国全社会总二氧化碳排放量的38%，其中，建筑建造占比为16%、建筑运行占比为22%。
随着建筑需求的不断攀升、城镇化水平的不断提高，我国每年新增建筑面积约20亿平方米，加之在南方供暖市场逐渐扩大、人们对美好生活追求不断增长的情况下，我国建筑领域的碳排放量在未来10年内仍会持续攀升。若维持现有建筑节能政策标准与技术不变，建筑领域碳达峰时间预计在2038年左右，平台期将集中在2038至2040年，届时碳排放峰值约将达到25.4亿吨二氧化碳，这将明显滞后全国碳排放总量的达峰时间，无疑对我国兑现“2030年碳达峰”的目标构成了巨大挑战。因此，面对严峻的碳排放攀升形势，把绿色低碳理念融入建筑全过程，坚持发展超低能耗建筑、星级绿色建筑、电力替代、可再生能源建筑应用等综合技术措施，将是实现建筑领域节能减碳的基本途径。
建筑领域碳达峰技术路径
提升新建建筑能效水平
为尽快实现建筑领域碳达峰与碳中和目标，提升新建建筑能效水平是首要任务。据测算，如我国新建建筑能效按照“低能耗建筑→超低能耗建筑→近零能耗建筑→零能耗建筑”的路径稳步推进，我国建筑领域碳达峰时间预计将提前到2030年；如新建建筑能效按照“超低能耗建筑右→近零能耗建筑→零能耗建筑”的路径快速推进，我国建筑领域碳达峰时间则有望提前至2027年。
随着近年来建筑节能、绿色建筑和超低能耗公共建筑工作的不断推进，提升新建建筑的能效水平发展出了一套“被动式技术降需求+主动式技术降消耗”的技术路径：通过自然通风、自然采光、遮阳、保温隔热等被动式技术，降低建筑的能源需求；通过高能效空调机组、节能灯具、节水器具等主动式技术，降低建筑能源资源消耗；以热、电、气等能源资源的综合互补式利用，提升能源系统效率，进而实现新建建筑显著的能效提升和碳排放降低。
绿色建筑提质增效
绿色建筑工作历经十余年的发展，已逐步从理念普及、试点项目推进走向全面推广、提质增效的阶段。2022年3月，住房和城乡建设部发布《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》，提出要提升绿色建筑发展质量，通过推进绿色建筑标准实施，加强规划、设计、施工和运行管理；到2025年，城镇新建建筑全面执行绿色建筑标准，建成一批高质量绿色建筑项目；采取“强制+自愿”推广模式，适当提高政府投资公益性建筑、大型公共建筑以及重点功能区内新建建筑中星级绿色建筑建设比例[5]。
全面推进执行绿色建筑标准，并大力推广高星级、高品质的绿色建筑，可有效通过绿色建筑中安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居五大技术体系实现建筑寿命提升降碳、低碳出行降碳、能源资源节约降碳、景观绿化吸碳，在全面提升建筑品质的同时助力碳达峰碳中和。
既有建筑绿色节能改造
既有建筑相对于新建建筑而言，最为关键的问题是其节能水平低、规模体量大。近年来，国家大力推行城市更新和老旧小区改造工作，故可以此为契机不断推进既有建筑绿色节能改造和公共建筑节能管理工作，以实现大规模既有建筑的运行碳排放降低。具体路径和措施包括：一是在城市更新和老旧小区改造工作的基础上同步推进既有建筑绿色节能改造；二是持续推动高校、医院、科研院所等重点公共建筑和公共机构开展绿色节能改造；三是深入推进公共建筑能耗统计、能源审计工作，建立健全能耗信息公示机制；四是加强建筑能耗动态监测平台建设管理，以能耗后评估推动建筑能源系统节能优化运行；五是逐步推动既有建筑能耗限额管理制度，以合同能源管理、绿色金融等手段支持和鼓励既有建筑节能改造。
可再生能源建筑应用
建筑存在大量的供冷、供热、卫生热水及用电需求，不同的能源供应方式产生不同的能耗强度和碳排放强度。太阳能、风能、地热能、生物质等自然、可再生的能源因其具有明显的节能减碳效益，越来越受到我国乃至全世界的关注，并不断加以推广应用。
自“十二五”以来，我国已在不断深入推进可再生能源建筑应用工作，截至2018年底，我国累计太阳能光热应用集热面积达到5亿平方米、累计太阳能光电建筑应用装机约为30吉瓦、累计浅层地热能建筑应用面积约为6.2亿平方米、累计空气源热泵热水应用建筑面积约达5亿平方米[6]。
建筑领域的可再生能源应用主要包括生产电力和生产热力两种形式。在可再生能源生产电力方面，建筑领域主要可通过太阳能光伏与建筑一体化（光伏屋面、光伏幕墙、光伏瓦、光伏遮阳板等）、风力发电与建筑/场地一体化（建筑屋顶小型风力发电机、场地风光互补路灯等）、农村建筑的生物质发电（如沼气发电）获取低碳/零碳电力，并尽量就地使用；在可再生能源生产热力方面，可充分利用各种热泵技术将低品位的热能（浅层地热能、空气能等）提升为建筑可直接利用的热能（如空调供冷/供暖、卫生热水），利用太阳能热水与建筑一体化（光热屋面、光热墙面、光热阳台等）为建筑提供卫生热水，实现可再生能源的高效、节能、低碳应用。
可再生能源的两类建筑应用，一方面可通过生产电力替代燃煤电厂排放的污染物，间接降低了建筑的碳排放；另一方面可通过生产热力替代燃煤/燃油/燃气锅炉、燃气热水器等建筑产生的直接碳排放，对建筑领域尽早实现碳达峰与碳中和具有重大意义。根据徐伟[7]等人的研究，随着可再生能源的推广使用，建筑碳减排量逐年增加，2030年可再生能源应用可减少碳排放0.54亿吨二氧化碳，2060年减排2.04亿吨二氧化碳，减碳效果显著。因此，建筑领域应坚持扩大可再生能源建筑应用规模和提升可再生能源建筑应用质量两手抓，通过各种管理、技术措施不断加强推进可再生能源建筑应用工作。
建筑电气化及电力脱碳
对于建筑领域而言，其直接碳排放主要源自燃油或燃气锅炉供暖、燃气热水器供卫生热水和炊事用燃气灶具，推动建筑电气化，用各类热泵替代锅炉或燃气热水器、使用电气化炉灶，可有效减少建筑的直接碳排放；通过大力发展低碳甚至零碳的可再生能源电力，降低电力供应的碳排放因子，可进一步减少建筑的间接碳排放。
因此，调整能源结构，大力发展可再生能源，推行建筑电气化是我国建筑领域碳达峰碳中和的重要举措[6]。
建筑领域碳中和技术路径
基于自然的碳中和路径主要体现在“保护森林、改进农田管理办法、农业生产办法以及保护和再造湿地”三个方面[8]，因此，利用生态系统的碳吸收抵消生活生产中的碳排放，通过基于自然途径吸收或进行减排是实现碳中和目标不可或缺的，也是高效快速的途径之一。
在建筑规划设计过程中，引入人工湿地，使建筑与自然和谐共生，建设项目的“碳汇”及固碳能力将显著提升。同时，对于建筑单体或单个建筑项目而言，除了场地景观绿化外，还可进一步考虑屋面绿化、垂直绿化、阳台绿化以及室内绿植等措施，以提升碳汇能力。比如，成都聚亿•天府锦城项目以“城市森林住宅”为特色，每户均设计6米挑高的空中花园，高层住宅营造亲近自然环境的生态景观的同时，为建筑增加碳汇和每户实现碳中和提供了可能。
建筑材料吸附固碳
建筑在建造和使用的过程中通常会产生能源资源消耗和碳排放，但如采用木结构建材或带吸附二氧化碳功能的建材，也可实现建筑的吸附固碳，为建筑领域的碳中和作出相应的贡献。
森林是陆地生态系统重要的贮碳库，木材产品作为这一碳库的主要组成部分，对提升林业碳汇能力发挥了重要作用[9]。根据生命周期理论，相较于混凝土和钢材，木材不仅在生产加工的过程中能耗低、碳排放少，其生长也是发挥固碳作用的过程[10]。因此，木结构建材的使用在直接减少建筑建设过程中碳排放的同时，也间接使建筑成为了一个固碳的载体，特别是木材作为一种便于可再循环使用的绿色建材可长久循环使用下去，进一步提升了其固碳能力。
建筑全过程碳排放中建材生产阶段碳排放占比较高，因此，如能从建筑材料生产阶段加以减碳固碳方面的考虑，将对我国建筑领域实现碳达峰碳中和目标起到巨大的推动作用。根据王峥、郭振伟[11]的调查研究，当前具备量产和规模化的固碳建材技术包括以下几种：
一是混凝土固碳技术。混凝土固碳技术是利用二氧化碳矿化养护生产低碳混凝土，将二氧化碳精确注入混凝土中后可有效提升其抗压强度，耐久性也能得到一定的提高。经试验，预制混凝土固碳量为14.83千克二氧化碳/立方米，预制混凝土结构件为14.83–23.73千克二氧化碳/立方米，混凝土墙体砌块0.45千克二氧化碳/30标准块[12]。
二是混凝土添加剂技术（二氧化钛）。混凝土中添加少量纳米二氧化钛，便可增强混凝土对温室气体的吸收。
三是镁质水泥。镁硅酸盐制成的镁质水泥浆硬化体在空气中放置后，会较大量地吸收空气中的二氧化碳形成碳酸镁等水化物，当镁质水泥与水混合用于建筑时，每吨水泥能吸收0.4吨二氧化碳。
结语
在当前建筑行业仍然处于快速发展和人们对生活水平要求越来越高的背景下，建筑领域在2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和任重而道远，需要广大建筑从业人员一起努力，从规划设计阶段源头控制到建造运行环节提升管理水平来实现。相应的具体技术路径及发展建议如下：
一是实施源头碳减排行动计划，推行建筑电气化，同时通过提升绿色电力的比例，实现建筑领域的直接碳排放降低、消除和间接碳排放因子的降低。
二是大力推进建筑能效提升计划，通过提升新建建筑能效标准及水平、绿色建筑提质增效、既有建筑绿色节能改造等，在保证建筑品质的前提下不断提高建筑建造和运行阶段能效水平，降低建筑运行能耗及碳排放。
三是实行建筑总量控制，推动城市更新和绿色建筑提质计划，提升建筑的安全耐久性能，增加建筑寿命，避免大拆大建过程中大量的能源资源消耗和二氧化碳排放。
四是探索建筑领域碳中和技术手段，除立体绿化及绿化碳汇外，加强固碳混凝土、镁质水泥、固碳涂料等吸附固碳相关新型建筑材料的研发，将大规模碳排放建筑本体发展成为固碳载体。
五是建立全面完善的政策支持和保障机制，通过碳达峰碳中和顶层规划设计到建筑碳排放限额性能化设计、从建筑前期的规划设计测算到后期的建筑碳排放监测、从碳排放约束性指标要求到碳排放核算和交易等各方面，制定全面的政策支持文件，并建立相应的奖励、激励及市场化保障机制。
