建筑如何碳中和

一棟居民樓、一個(gè)工業(yè)園區(qū)、一座城市實(shí)現(xiàn)碳中和的基礎(chǔ)都是低碳建筑。建筑如何低碳乃至零碳——是碳中和時(shí)代每一位居民、每一家企業(yè)，每一個(gè)地方政府都需要掌握的常識。

 

從建筑全過程來看，建筑是全國碳排放量最高的行業(yè)。

 

最新的數(shù)據(jù)來自中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)建筑能耗與碳排放數(shù)據(jù)專業(yè)委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)：2020年，中國的建筑業(yè)全過程，即建材生產(chǎn)、建筑施工和建筑運(yùn)行三個(gè)階段的二氧化碳排放總量占全國碳排放的比重為 50.9% 。其中，建材生產(chǎn)碳排放占全國碳排放總量的 28.2% ，建筑運(yùn)行階段的碳排放量占全國的比重為 21.7% 。

 

新建建筑全生命周期要實(shí)現(xiàn)碳中和，至少要滿足兩大基本條件：一是建材須為低碳材料；二是建筑運(yùn)行過程中的碳排放量較低。

 

碳排放量高的建材是鋼鐵和水泥，占建材總排放量的95%以上。這兩類高碳排放產(chǎn)品預(yù)計(jì)將在一兩年內(nèi)納入全國碳市場，屆時(shí)將強(qiáng)制要求這些建材生產(chǎn)企業(yè)降低碳排放，否則將支付越來越高的碳排放成本。

 

對于數(shù)量更龐大的存量建筑來說，實(shí)現(xiàn)碳中和的難度較大，低碳化改造是經(jīng)濟(jì)可行的路徑。具體來說，在建筑運(yùn)行階段的低碳化改造主要有兩種方式：一是改變建筑的用能結(jié)構(gòu)，新增清潔能源供應(yīng)；二是提高空調(diào)、暖通系統(tǒng)等建筑內(nèi)能耗大戶的用能效率，減少用能量。

 

低碳建筑的發(fā)展需要政策和市場兩只手同時(shí)推動(dòng)。低碳建材的生產(chǎn)，需要監(jiān)管部門出臺政策制定標(biāo)準(zhǔn)，督促企業(yè)轉(zhuǎn)型；而建筑運(yùn)行階段的低碳化改造，已經(jīng)是一樁熱門生意，甲方和乙方都樂見其成。

 

對新建建筑來說，選擇低碳建材是全生命周期低碳的基礎(chǔ)。

 

根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)建筑能耗與碳排放數(shù)據(jù)專業(yè)委員會(huì)發(fā)布的《2022中國建筑能耗與碳排放研究報(bào)告》， 鋼鐵和水泥生產(chǎn)的碳排放占全國建材生產(chǎn)碳排放量的95%以上。其中，鋼鐵占52%，水泥占44%。

 

但是，降低碳排放量是一件增加成本的事情，需要強(qiáng)有力的政策來驅(qū)動(dòng)建材企業(yè)減碳。據(jù)《財(cái)經(jīng)十一人》了解，最快一到兩年內(nèi)，鋼鐵和水泥將納入全國碳市場，目前各地正在做碳排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作。

 

納入全國碳市場，意味著這兩個(gè)行業(yè)是強(qiáng)制性減排對象。 屆時(shí)，相關(guān)企業(yè)每年可獲得一定量的免費(fèi)碳排放配額，若企業(yè)的實(shí)際碳排放量超過配額量，則需要在碳市場購入配額。自有加外購，企業(yè)手里的配額和其實(shí)際排放量相等，即為完成履約。企業(yè)免費(fèi)獲得的配額量將逐年減少，企業(yè)的降碳壓力將越來越大。

 

首先來看鋼鐵行業(yè)該如何降碳。鋼鐵降碳的方式主要有三種：改變生產(chǎn)工藝，改變化石燃料和原料的結(jié)構(gòu)，以及增加碳捕集與封存設(shè)施 （CCS） 。

 

據(jù)落基山研究所 （RMI） 測算，與傳統(tǒng)的化石燃料煉鋼相比，零碳鋼鐵有40%-100%的成本溢價(jià)。按照氫氣價(jià)格40元/千克計(jì)算，氫氣直接還原鐵 （DRI） 路線生產(chǎn)的粗鋼成本將會(huì)上升80%。按照0.6元/千瓦時(shí)的電價(jià)計(jì)算，碳捕集與封存 （CCS） 的煉鋼路線會(huì)帶來40%的成本溢價(jià)。而生物質(zhì)木炭煉鋼路線的成本溢價(jià)超過100%。

 

以氫氣為燃料和原材料的鋼鐵生產(chǎn)將是鋼鐵脫碳的主要路徑。 根據(jù)RMI的分析，如果氫氣成本低于20元/千克，到2050年，基于氫氣的直接還原鐵煉鋼將是比碳捕集更經(jīng)濟(jì)的選擇。如果氫氣的成本低于10元/千克，那么新建項(xiàng)目基于氫氣直接還原鐵的粗鋼成本，甚至可能低于傳統(tǒng)的長流程煉鋼成本。

 

所謂長流程煉鋼，就是用鐵礦石來煉鋼，短流程則是溶解廢鋼制造新鋼，省去了煉鐵環(huán)節(jié)。

 

水泥生產(chǎn)流程大致分為生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨三個(gè)階段。據(jù)RMI測算，熟料煅燒環(huán)節(jié)的碳排放占比95%以上，其中化石燃料燃燒以及碳酸鹽原料在煅燒過程中分解產(chǎn)生的二氧化碳稱過程排放，約占60%左右，燃燒排放約占35%。中國目前的水泥工藝水平，每生產(chǎn)一噸水泥，要排放0.58噸二氧化碳。

 

水泥行業(yè)的脫碳主要也有三種路徑： 一是替換現(xiàn)有的工藝技術(shù)，二是改變以煤炭為主體的燃料結(jié)構(gòu)，三是利用CCS技術(shù)在混凝土制品內(nèi)吸附碳、固碳。

 

目前鋼鐵和水泥的頭部企業(yè)已經(jīng)在積極減碳。例如，寶鋼湛江鋼鐵零碳示范工廠百萬噸級氫基豎爐項(xiàng)目預(yù)計(jì)2023年底建成，投產(chǎn)后相比同等規(guī)模的傳統(tǒng)高爐煉鐵，每年可減少二氧化碳排放50萬噸以上。寶武鋼鐵集團(tuán)計(jì)劃2023年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2025年具備減碳30%的工藝技術(shù)能力、2035年減碳30%、2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

華新水泥于2021年底運(yùn)行世界首條吸碳制磚自動(dòng)化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線采用水泥窯尾煙氣吸碳養(yǎng)護(hù)混凝土磚工藝，突破了二氧化碳不能快速進(jìn)入混凝土制品內(nèi)部進(jìn)行遷移和反應(yīng)的技術(shù)瓶頸。以年產(chǎn)1億塊蒸養(yǎng)磚生產(chǎn)線為例，每年固碳2.6萬噸。

 

一些建筑商開始嘗試做全生命周期的碳中和建筑。中國建筑國際集團(tuán)旗下中建香港承建的香港有機(jī)資源回收中心第二期 （O PARK2） 項(xiàng)目，在建筑的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營階段都以低碳為宗旨，力爭做到碳中和。

 

該項(xiàng)目是香港規(guī)模最大的廚余回收中心，日處理量300噸，自2019年開始建設(shè)，2024年初投入使用。在建材選擇上，中建香港采用含60%高爐礦渣粉（GGBS）混凝土、100%循環(huán)成分的鋼筋、二氧化碳礦化養(yǎng)護(hù)混凝土預(yù)制磚等一系列低碳建材。與普通砂磚和蒸壓粉煤灰磚相比，二氧化碳礦化養(yǎng)護(hù)混凝土預(yù)制磚減碳潛力達(dá)78%，每立方米的固碳磚可封存61千克二氧化碳，相當(dāng)于3棵樹一年吸收的二氧化碳量。

 

運(yùn)營期間，該項(xiàng)目以生物氣發(fā)電提供可再生能源，減少化石能源發(fā)電的比重。同時(shí)，減少棄置于堆填區(qū)的有機(jī)廢物，減少碳排放。對于不可避免的碳排放，通過自愿認(rèn)證減排的方式階段性地購買碳信用，實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

總的來說，低碳建材尚處于發(fā)展初期，相關(guān)技術(shù)和工藝還不具備經(jīng)濟(jì)性。在“雙碳”目標(biāo)面前，建材行業(yè)減碳壓力巨大。

 

國際市場已對建材行業(yè)提出了更高的低碳要求。歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制（俗稱碳關(guān)稅）已完成立法程序，鋼鐵、水泥都涵蓋其中。同時(shí)，美國正聯(lián)手歐盟等力圖建立一個(gè)以碳含量和市場經(jīng)濟(jì)為雙重門檻的“綠鋼俱樂部”。這些都意味著，碳排放量越高的產(chǎn)品，將被征收越高的稅費(fèi)。中國的鋼鐵和水泥企業(yè)若想出口到這些市場，必須加快降碳的步伐了。

 

建筑運(yùn)行階段的碳排放分為直接碳排放和間接碳排放，前者是指直接使用化石燃料產(chǎn)生的碳排放，比如炊事、采暖等使用的化石燃料；后者是指使用電力和熱力兩類二次能源帶來的碳排放量。

 

根據(jù)《2022中國城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳排放系列研究報(bào)告》，2020年，建筑運(yùn)行的直接碳排放量為 5.5億噸 二氧化碳，占建筑運(yùn)行階段排放總量的25%；建筑用電的碳排放量為 11.5億噸 ，占比53%；熱力碳排放 4.7億噸 ，占比22%。隨著電氣化率的提升，這三類排放里直接碳排放在下降，而用電碳排放的占比從2010年的42%上升到53%。

 

建筑運(yùn)行階段實(shí)現(xiàn)低碳的路徑主要有兩個(gè)：一是減少使用化石能源，增加可再生能源供應(yīng)，二是提高能源效率，減少使用電力和熱力。

 

增加可再生能源供應(yīng)，例如安裝屋頂光伏組件，雖然要增加投資，但幾年就可收回成本，全生命周期來看有利可圖。提高能源效率亦是如此。因此，建筑低碳化改造是一樁新興的、越來越火的生意。

 

對建筑運(yùn)行階段做低碳改造的企業(yè)主要分為兩大類： 綜合能源服務(wù)商和能源設(shè)備供應(yīng)商。前者的優(yōu)勢是擅長開發(fā)利用各種綠色能源，后者的優(yōu)勢是對空調(diào)等高耗能設(shè)備性能了然于心。在具體的項(xiàng)目操作中，往往是一家企業(yè)拿下整體方案設(shè)計(jì)，然后再找合作伙伴一起執(zhí)行。

 

由于能耗指標(biāo)、碳排放看不見摸不著，要精細(xì)化管理它們就要倚賴數(shù)字化的能源管理系統(tǒng)。在這方面，綜合能源供應(yīng)商，例如新奧集團(tuán)、遠(yuǎn)景集團(tuán)走得比較靠前；能源設(shè)備供應(yīng)商，例如美的集團(tuán)也已開始發(fā)力；還有一些數(shù)字軟件開發(fā)企業(yè)也瞄準(zhǔn)了這個(gè)市場，為建筑開發(fā)商和運(yùn)營商定制相關(guān)軟件，如滴普科技。

 

在增加可再生能源供應(yīng)方面，安裝屋頂和建筑外立面的光伏組件對各類建筑基本都適用，其他可再生能源則要因地制宜。例如，前文提到的香港有機(jī)資源回收中心第二期項(xiàng)目，利用該項(xiàng)目自身的廚余垃圾，以及其周邊有可利用土地兩個(gè)條件，新建了一個(gè)生物質(zhì)能源綜合利用設(shè)施。再例如，遠(yuǎn)景集團(tuán)在鄂爾多斯的零碳工業(yè)園區(qū)里，利用當(dāng)?shù)剌^好的風(fēng)力資源，建設(shè)了風(fēng)力發(fā)電場作為能源供應(yīng)的主力。

 

對于單一資源稟賦相對平庸的地區(qū)，低碳建筑就需采用多種低碳、零碳能源靈活搭配。在北京大興機(jī)場臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)廊坊片區(qū) （下稱廊坊園區(qū)） ，新奧集團(tuán)為整個(gè)園區(qū)搭建了“地源熱泵+空氣源熱泵+燃?xì)饴?lián)供機(jī)組+高效電制冷機(jī)+高效燃?xì)忮仩t+市政熱力+分布式光伏/光熱+數(shù)智化平臺”的一整套能源利用方案。相比傳統(tǒng)供能方式，該低碳方案綜合能耗降低約30%，碳排放量降低約36%，可實(shí)現(xiàn)年減碳22.3萬噸。

 

在廊坊園區(qū)綜合能源專項(xiàng)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，新奧制定了更加精細(xì)化的落地實(shí)施方案。方案中的大多數(shù)能源技術(shù)都很成熟、難度不大，但集成后的能源系統(tǒng)如何做到各項(xiàng)能源技術(shù)高效協(xié)同，匹配終端的多品類需求，是成敗的關(guān)鍵。新奧通過泛能網(wǎng)平臺做能碳管理，把廊坊園區(qū)里所有的能源設(shè)施互聯(lián)互通，高性價(jià)比地讓整個(gè)園區(qū)實(shí)現(xiàn)了低碳。

 

提高能源利用效率方面，供能設(shè)備生產(chǎn)商都在研發(fā)能效更高的產(chǎn)品，搶占市場。同時(shí)，設(shè)備生產(chǎn)商也在轉(zhuǎn)型做雙碳建筑改造的綜合服務(wù)商。

 

以家電起家的美的集團(tuán)，已將低碳建筑改造業(yè)務(wù)設(shè)為5大業(yè)務(wù)板塊之一。美的改造了旗下的工廠，對外推銷更高效的產(chǎn)品。在上海，美的改造了花旗集團(tuán)大廈的空調(diào)系統(tǒng)。該大廈原有機(jī)組的主要設(shè)備已運(yùn)行18年，老舊系統(tǒng)消耗了大量能源和費(fèi)用，制冷效果卻不佳。

 

行業(yè)里用綜合能效比 （EER） 來衡量能效水平。EER越高，系統(tǒng)制冷效果越好、性價(jià)比越高。改造前，花旗大廈制冷機(jī)房EER僅為1.6W/W （全年的總制冷量/所有設(shè)備的總電量） ，遠(yuǎn)低于行業(yè)均值3.5W/W，改造后提升至5.2W/W。

 

該項(xiàng)目的交付負(fù)責(zé)人張玉霜告訴《財(cái)經(jīng)十一人》，與以往簡單的產(chǎn)品替換不同，花旗大廈項(xiàng)目是從仿真模擬設(shè)計(jì)、核心機(jī)組替換、裝配式高效建造、再到智能運(yùn)行控制系統(tǒng)的全生命周期改造。在年總冷負(fù)荷不變的基礎(chǔ)上，花旗大廈年耗電量可降低250萬kWh，折算減碳量約2000噸，運(yùn)行費(fèi)用減少50%以上。