从超低能耗建筑走向碳中和——碳中和建设路径分析与建议

北京康居认证中心有限公司

总经理/高级工程师 马伊硕

1超低能耗建筑是实现碳中和的重要基础

1.1超低能耗建筑的发展背景

党的十八大以来，党中央、国务院高度重视生态文明建设和绿色发展，将生态文明建设作为统筹推进“五位一体”总体布局的重要内容。深入贯彻习近平生态文明思想，把建筑节能、提高能效作为高质量发展的重要着力点，从源头上不断降低资源、能源和环境代价，是建设领域未来长期的工作重点。

2013年，我国引入超低能耗建筑理念并落地全国首栋示范项目。发展至今，超低能耗建筑技术已从探索走向成熟，成为建筑领域提高能效、降低排放的重要手段。“在保证室内舒适度的条件下，以降低建筑本体能源需求为原则，最大限度减少对机械式采暖和制冷设备的依赖，以及对于化石能源的依赖”，正在成为高能效建筑领域的共识。

我国现有城镇建筑存量650～750亿平方米，建筑运行碳排放达21.1亿吨CO2，占全国碳排放总量的21.9%①。同时，我国正处于城镇化深化发展阶段，居民提升生活品质、改善居住舒适度的需求不断提升，在现有模式下建筑能耗和碳排放将呈现刚性增长。超低能耗建筑兼顾了舒适性和能效性要求，从抑制建筑的能源需求入手，实现总一次能源消耗的降低，对从根本上破解能源环境约束、建设生态文明具有重要意义。

1.2超低能耗建筑是实现碳中和的重要基础

1.2.1具有显著的节能减排能力

超低能耗建筑采暖和制冷负荷约为普通建筑的1/10-1/4，全年采暖和制冷终端能耗（电耗）≤15kWh/m²，相当于100m²住宅全年采暖和制冷耗电量约1500度电，电费约750元。

以北京市朝阳区某正在建设的超低能耗建筑小区为例，项目共计8栋住宅楼，总地上建筑面积68750m²。在按超低能耗建筑标准建设的条件下，采暖能耗导致的碳排放为138吨/年，约为按75②节能标准建设排放量的20%；从2021到2030年，仅采暖一项可为碳达峰目标贡献5224吨减排量。

假设我国北方城镇居住建筑每年新增5亿平方米，全部按照超低能耗建筑标准建设，那么截至达峰年，与按照75节能标准建设相比，采暖能耗导致的减排量累计可达2亿吨。

1.2.2规模化建设可实现区域负荷的平准化

在对能源节约和建筑品质的双重关注下，超低能耗建筑正面临规模化、区域化发展的趋势。以城区/片区为尺度实施高能效建设，一方面可实现超低能耗建筑节能效益的扩大化，另一方面更可在建筑单体能耗大幅缩减的基础上，进一步通过优化区域内不同功能建筑的混合比例，不同用能峰值时刻的参差，实现区域整体负荷的平准化，从而抑制区域的供能峰值需求，缓解调峰电厂建设压力，减少基础设施投入。

1.2.3可作为能源需求侧的控制者和管理者

在以碳中和为目标的区域需求侧能源规划中，能源系统从大负荷、集中式系统向小负荷、分布式系统转变，用能方式从高温、高压、高品位向低温、低压、低品位转变。

在以能源的产储消平衡为目标的区域性能源网络中，超低能耗建筑由于其优越的节能水平，改变了建筑固有的角色定位，使建筑从单纯的能源消耗者转变为能源需求侧的控制者和管理者。

进一步地，结合其他技术手段，超低能耗建筑在区域能源网络中承担多重功能：被动式技术使建筑成为能源的截流者；小型可再生能源设备的安装使建筑成为能源的生产者；储能材料或设备的使用使建筑成为能源的存蓄者；与上级能源网络的控制和调节系统的设置使建筑成为能源的调配者。

1.2.4可实现深度电气化，且对未来电力系统具有适应性

根据目前已实施的60余个超低能耗建筑项目（工程项目涉及严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖4个气候区，北京、青海、湖南、福建等17个省/直辖市，住宅、办公、教学、展馆、农宅等多种建筑类型，混凝土现浇、混凝土装配式和钢结构等不同结构形式），建筑采暖负荷一般可控制在5-15W/m²，制冷负荷可控制在15-30W/m²。

由于超低能耗建筑的低负荷特性，使建筑深度电气化成为可行方案。上述实施项目除个别采用天然气或者生物质锅炉作为热源外，全部以电动热泵作为采暖/制冷设备，实现除炊事外的全部终端能耗电气化。深度电气化为建筑部门彻底脱碳打下基础。

另一方面，未来零碳电力系统以风电、光电、水电、核电为主，存在明显的冬夏季差异问题：冬季枯水期，水电功率降至夏季40%；冬季日照短，光电日发电量不足夏季50%③。这与目前城市用电负荷冬夏双峰的现状不符；未来，建筑部门供暖电气化，电力部门低碳转型，势必在冬季形成用电缺口。超低能耗建筑的低负荷特性，特别是采暖负荷低于制冷负荷的特性，可极大降低冬季电网压力，适配零碳电力供应情景。

1.2.5具有气候韧性，可为电网提供灵活性支撑

在因风光电不稳定等原因出现电力短缺的情况下，超低能耗建筑优越的热惰性能，可使建筑成为能源系统的巨大缓存，在保证室内温度无明显下降的情况下，以建筑群落作为电力缺口的缓冲，为电网提供灵活性支撑，提高区域的气候韧性。

我国每年新增建筑面积20～40亿平方米④，保守取为20亿平方米。假设全部按照超低能耗建筑标准建设，建筑热容量为200Wh/(m²·K)⑤，在失去外界辅助能源时，室内温度每降低1℃大约需要20小时。那么在48小时断电的情况下，建筑降温2.4℃，释放出9.6亿kWh热量，相当于800万kW用电功率（设备平均COP取2.5），超过1/3座三峡水电站的装机容量。

1.2.6符合建设领域由高速增长向高质量发展转变的时代要求

除上述与碳中和直接相关的特性外，超低能耗建筑尚有以下特点，符合建设领域由高速增长向高质量发展转变的时代要求：

（1）提供高品质室内环境，满足人民舒适和健康需求；

（2）为建材产业升级提供重要载体，形成绿色发展新动能；

（3）要求精细化设计和施工，在建设行业高质量转型中形成新的经济增长点。

2碳中和建设实施路径分析

2.1以城区作为碳中和建设的实践主体

碳中和建设将能效提升、能源转型、技术多样性，以及去碳化集为一体，是政府、企业以及公民各参与方思维、管理、行为模式的转型过程，纵向涉及区域、建筑、用户的一体化融合；横向涉及电力、热力、建筑、交通等系统的一体化融合。

以城区（园区/社区/片区，以下统称城区）作为碳中和建设的实践主体，具有两方面优势：

（1）建筑单体或建筑群落，受本体空间和可利用资源制约，难以仅通过降低能耗和可再生能源利用实现零碳，且我国建设管理制度以地块为对象进行管理，导致建筑单体周边土地及其上的可再生能源设施难以明确归属。相比单独的建筑部门，城区具有明显的空间和资源优势，有利于因地制宜、科学布局可再生能源和碳汇，发挥技术融合优势。

（2）城区是缩小化的城市单元，一方面基本涵盖了建筑、交通、产业、市政等城市基本要素，不同城区亦可涵盖城市所面临的不同形态的问题，如新建城区、既改城区（涉及建筑既改、产业升级、产业转型）、高密度商业区、乡村城镇等，另一方面相比城市又具有明显的实施性和操作性优势。

因此，现阶段可以城区为主体进行碳中和建设的实践和示范，探索不同气候区、不同类型城市碳中和的技术和工作模式范本。

2.2以八类板块架构城区碳中和建设

根据主要建设领域和重要功能，将城区碳中和建设划分为八类板块：建筑、交通、产业、水资源处理、固体废弃物处理、道路照明、可再生能源、生态固碳。其中，建筑、交通、产业、水资源处理、固体废弃物处理、道路照明属于碳排放，可再生能源属于碳替代，生态固碳属于碳清除。

板块划分直接对应温室气体收支清单分类框架，涉及城区在碳中和建设过程中的温室气体核算、监测、报告、评估等一系列问题，科学合理且具有可实施性的板块划分是城区碳中和建设实践的前提。

上述城区尺度的板块划分，向上承接我国国家温室气体排放清单的分类和核算方法，向下顺应城区的管理方式和手段：

（1）与城区政府部门职能对接，可将实施和监控责任分配到相关职能部门，通过日常管理达到实际有效控制，且碳收支核算数据具有明确的收集方法和对口单位；

（2）与城区规划建设管理体制对接，碳收支数据和指标可以支撑具体政策手段，与城区发展和建设政策体系相配合。

2.3以碳收支核算指导城区碳中和建设

碳中和作为城区建设的一项公共政策，通过高效土地利用、能源结构优化、低碳建筑、低碳交通、低碳产业、低碳市政、碳汇系统增强等诸多相互联系的技术途径落实到物质空间层面。

在厘清上述各板块和相关技术的过程中，碳收支核算发挥以下核心作用：

（1）分析中长期碳排放发展趋势，考察各板块减排潜力，协助制定政策和策略；

（2）评估不同技术方案下的碳排放总量，衡量各领域技术集成效果，确定合理的碳中和路径；

（3）指导建成后各板块的监测、核算、报告。以天津市某生态城为例，城区总规划用地面积4.35平方公里。区内现有57家生产型企业，企业调整升级、城区基础设施建设和地块开发正在进行中，计划2026年建设基本完成。

根据生态城相关规划，分析建筑、交通、产业、市政（包括水资源处理、固体废弃物处理、道路照明）、可再生能源、生态固碳八个板块的碳收支情况，如图1所示。

图1生态城中长期碳排放发展趋势

分析结果表明，生态城于2021年实现碳达峰，当年碳排放总量为19.46万吨，主要由现有产业的能源消耗构成，产业碳排放占总碳排放95%以上。2030年城区各建筑业态达产情况基本稳定，碳排放总量达到13.05万吨。

由图可见，2030年以后建筑板块排放量占比最大，成为减碳潜力最大的板块；由于新建产业以研发为主，产业能耗也主要表现为建筑能耗，或者说产业能耗逐渐与建筑能耗相融合。因此，提高建筑能效是城区碳中和建设的最大着力点。

以2030年实现碳中和为目标，基于减碳潜力分析，制定明确的碳中和技术路径：

（1）提高建筑能效：区内100%政府投资类建筑（包括行政办公、学校、幼儿园、医院）、25%居住建筑、10%商业和产业办公建筑按照“高能效”目标，即超低能耗建筑标准建设，其余建筑按照“基本能效”目标，即比天津市现行标准再节能20%的标准建设。

（2）可再生能源应用：居住建筑屋面40%、公共和工业建筑屋面70%布置光电系统；100%居住建筑阳台立面布置光热系统；次干路和支路布置太阳能光伏路灯。

（3）产业低碳化改造：对既有产业设定碳排放限值，建立碳排放影响评估制度，引导传统制造业向现代化产业转型；10%产业建筑按照超低能耗建筑标准新建或者改建。

在采取一系列技术措施后，2030年全年净碳排放总量将控制在6.52万吨，人均碳排放量2.1tCO₂e/人，低于全球人均碳排放量50%以上（2019年全球平均排放量为4.45tCO₂e/人）。从2021年至2030年，累计减排量达到39.5万吨。

图2碳中和建设模式下2030年碳收支情况

3城区碳中和建设工作建议

3.1建立城区碳收支核算方法

城区碳中和是结果导向的建设工作，控制性指标是区域净碳排放量，而不是某项过程参数或特定技术。建设方案的评核与优化通过碳收支核算完成。因此，碳收支核算与报告是落实城区碳中和的基础工作，也是制定政策、确定策略、评估效果的核心工作。建立一套城区尺度的碳收支核算方法，作为城区碳中和建设统一的流程管理工具，对实现源头入手、过程控制、定量评估和广泛推广具有重要意义。

3.2设计城区碳中和建设指标体系

碳中和建设指标体系是各板块技术策略的总体刻画，是联系碳收支核算与具体技术应用的重要纽带。

指标体系与碳收支核算相辅相成：一方面，指标的设定需要满足碳收支核算的数据获取要求；另一方面，碳收支核算是对指标体系编制过程的深化，即指标体系本身就是在不同情景碳收支分析下的最优化结果。

3.3提出城区碳中和建设技术清单

碳中和建设是综合性工作，涉及建筑、交通、产业、市政、能源、生态等各领域的技术策略与技术措施。建立各板块的正负面技术清单，对于推广城区碳中和建设具有重要的启迪作用，最终形成技术框架—技术整合—碳收支核算—指标体系的实施路径。

3.4规范城区碳中和建设工作制度

城区碳排放涉及的排放主体众多，尤其是建筑、交通领域排放主体类型复杂，排放主体不一定能同时作为监测主体；且城区碳收支核算专业化程度较高，需引入第三方核查核算机构。因此，应建立明确的碳中和建设工作制度，规定各板块监测主体、核算主体、报告主体，形成监测—核查—碳收支核算—报告—审核，并最终向社会大众公示的工作流程。

3.5明确城区碳中和建设金融制度

对于高密度商业区或自然资源有限的城区，区内可再生能源和碳汇不足以抵消碳排放，其碳中和建设需要有力的金融制度给予支撑，如逐步明确绿电、绿证交易制度，场外可再生能源建设制度、建筑领域或城区尺度的碳税、碳交易制度等。

3.6联动城区碳中和建设教育制度

碳中和建设对多个方向的人才培养提出了要求：碳核查/碳核算工程师、规划设计工程师、高能效建筑施工/监理工程师等等。城乡建设的发展方向亟需与我国大学教育以及职业技术院校教育联动起来，为城区、城市级别的碳中和发展培育并储备力量。

注释

①数据来源：《中国建筑能耗研究报告（2020）》，中国建筑节能协会能耗统计专业委员会。

②数据来源：《北京市居住建筑节能设计标准》（DB11891-2012）。

③数据来源：《城镇供热系统的碳中和路径》，清华大学建筑节能研究中心，江亿。

④数据来源：《2020年建筑业发展统计分析》，中国建筑业协会。

⑤数据来源：《Secure supply during dark doldrums–Passive Houses as additional power plants(grids)!》,Bernd Steinmüller。