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未來建筑如何實現碳中和

發布: 9個月前 / 閱讀: 1418

一棟居民樓、一個工業園區、一座城市實現碳中和的基礎都是低碳建筑。建筑如何低碳乃至零碳——是碳中和時代每一位居民、每一家企業,每一個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。 

最新的數據來自中國建筑節能協會建筑能耗與碳排放數據專業委員會的統計:2020年,中國的建筑業全過程,即建材生產、建筑施工和建筑運行三個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,建材生產碳排放占全國碳排放總量的 28.2% ,建筑運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現碳中和,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。這兩類高碳排放產品預計將在一兩年內納入全國碳市場,屆時將強制要求這些建材生產企業降低碳排放,否則將支付越來越高的碳排放成本。 

對于數量更龐大的存量建筑來說,實現碳中和的難度較大,低碳化改造是經濟可行的路徑。具體來說,在建筑運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構,新增清潔能源供應;二是提高空調、暖通系統等建筑內能耗大戶的用能效率,減少用能量。 

低碳建筑的發展需要政策和市場兩只手同時推動。低碳建材的生產,需要監管部門出臺政策制定標準,督促企業轉型;而建筑運行階段的低碳化改造,已經是一樁熱門生意,甲方和乙方都樂見其成。

鋼鐵、水泥,兩大排碳建材

對新建建筑來說,選擇低碳建材是全生命周期低碳的基礎。 

根據中國建筑節能協會建筑能耗與碳排放數據專業委員會發布的《2022中國建筑能耗與碳排放研究報告》, 鋼鐵和水泥生產的碳排放占全國建材生產碳排放量的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,需要強有力的政策來驅動建材企業減碳。據《財經十一人》了解,最快一到兩年內,鋼鐵和水泥將納入全國碳市場,目前各地正在做碳排放數據統計工作。 

納入全國碳市場,意味著這兩個行業是強制性減排對象。 屆時,相關企業每年可獲得一定量的免費碳排放配額,若企業的實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,企業手里的配額和其實際排放量相等,即為完成履約。企業免費獲得的配額量將逐年減少,企業的降碳壓力將越來越大。 

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

據落基山研究所 (RMI) 測算,與傳統的化石燃料煉鋼相比,零碳鋼鐵有40%-100%的成本溢價。按照氫氣價格40元/千克計算,氫氣直接還原鐵 (DRI) 路線生產的粗鋼成本將會上升80%。按照0.6元/千瓦時的電價計算,碳捕集與封存 (CCS) 的煉鋼路線會帶來40%的成本溢價。而生物質木炭煉鋼路線的成本溢價超過100%。 

以氫氣為燃料和原材料的鋼鐵生產將是鋼鐵脫碳的主要路徑。 根據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濟的選擇。如果氫氣的成本低于10元/千克,那么新建項目基于氫氣直接還原鐵的粗鋼成本,甚至可能低于傳統的長流程煉鋼成本。 

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,省去了煉鐵環節。 

水泥生產流程大致分為生料制備、熟料煅燒和水泥粉磨三個階段。據RMI測算,熟料煅燒環節的碳排放占比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,每生產一噸水泥,要排放0.58噸二氧化碳。 

水泥行業的脫碳主要也有三種路徑: 一是替換現有的工藝技術,二是改變以煤炭為主體的燃料結構,三是利用CCS技術在混凝土制品內吸附碳、固碳。 

目前鋼鐵和水泥的頭部企業已經在積極減碳。例如,寶鋼湛江鋼鐵零碳示范工廠百萬噸級氫基豎爐項目預計2023年底建成,投產后相比同等規模的傳統高爐煉鐵,每年可減少二氧化碳排放50萬噸以上。寶武鋼鐵集團計劃2023年實現碳達峰、2025年具備減碳30%的工藝技術能力、2035年減碳30%、2050年實現碳中和。 

華新水泥于2021年底運行世界首條吸碳制磚自動化生產線。該生產線采用水泥窯尾煙氣吸碳養護混凝土磚工藝,突破了二氧化碳不能快速進入混凝土制品內部進行遷移和反應的技術瓶頸。以年產1億塊蒸養磚生產線為例,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。中國建筑國際集團旗下中建香港承建的香港有機資源回收中心第二期 (O PARK2) 項目,在建筑的設計、施工和運營階段都以低碳為宗旨,力爭做到碳中和。 

該項目是香港規模最大的廚余回收中心,日處理量300噸,自2019年開始建設,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%循環成分的鋼筋、二氧化碳礦化養護混凝土預制磚等一系列低碳建材。與普通砂磚和蒸壓粉煤灰磚相比,二氧化碳礦化養護混凝土預制磚減碳潛力達78%,每立方米的固碳磚可封存61千克二氧化碳,相當于3棵樹一年吸收的二氧化碳量。 

運營期間,該項目以生物氣發電提供可再生能源,減少化石能源發電的比重。同時,減少棄置于堆填區的有機廢物,減少碳排放。對于不可避免的碳排放,通過自愿認證減排的方式階段性地購買碳信用,實現碳中和。 

總的來說,低碳建材尚處于發展初期,相關技術和工藝還不具備經濟性。在“雙碳”目標面前,建材行業減碳壓力巨大。

國際市場已對建材行業提出了更高的低碳要求。歐盟碳邊境調節機制(俗稱碳關稅)已完成立法程序,鋼鐵、水泥都涵蓋其中。同時,美國正聯手歐盟等力圖建立一個以碳含量和市場經濟為雙重門檻的“綠鋼俱樂部”。這些都意味著,碳排放量越高的產品,將被征收越高的稅費。中國的鋼鐵和水泥企業若想出口到這些市場,必須加快降碳的步伐了。

能源結構、能源效率,建筑運行階段的減碳關鍵

建筑運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《2022中國城鄉建設領域碳排放系列研究報告》,2020年,建筑運行的直接碳排放量為 5.5億噸 二氧化碳,占建筑運行階段排放總量的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%。 

建筑運行階段實現低碳的路徑主要有兩個:一是減少使用化石能源,增加可再生能源供應,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,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。 

對建筑運行階段做低碳改造的企業主要分為兩大類: 綜合能源服務商和能源設備供應商。前者的優勢是擅長開發利用各種綠色能源,后者的優勢是對空調等高耗能設備性能了然于心。在具體的項目操作中,往往是一家企業拿下整體方案設計,然后再找合作伙伴一起執行。 

由于能耗指標、碳排放看不見摸不著,要精細化管理它們就要倚賴數字化的能源管理系統。在這方面,綜合能源供應商,例如新奧集團、遠景集團走得比較靠前;能源設備供應商,例如美的集團也已開始發力;還有一些數字軟件開發企業也瞄準了這個市場,為建筑開發商和運營商定制相關軟件。 

在增加可再生能源供應方面,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資源回收中心第二期項目,利用該項目自身的廚余垃圾,以及其周邊有可利用土地兩個條件,新建了一個生物質能源綜合利用設施。再例如,遠景集團在鄂爾多斯的零碳工業園區里,利用當地較好的風力資源,建設了風力發電場作為能源供應的主力。 

對于單一資源稟賦相對平庸的地區,低碳建筑就需采用多種低碳、零碳能源靈活搭配。在北京大興機場臨空經濟區廊坊片區 (下稱廊坊園區) ,新奧集團為整個園區搭建了“地源熱泵+空氣源熱泵+燃氣聯供機組+高效電制冷機+高效燃氣鍋爐+市政熱力+分布式光伏/光熱+數智化平臺”的一整套能源利用方案。相比傳統供能方式,該低碳方案綜合能耗降低約30%,碳排放量降低約36%,可實現年減碳22.3萬噸。 

在廊坊園區綜合能源專項規劃的基礎上,新奧制定了更加精細化的落地實施方案。方案中的大多數能源技術都很成熟、難度不大,但集成后的能源系統如何做到各項能源技術高效協同,匹配終端的多品類需求,是成敗的關鍵。新奧通過泛能網平臺做能碳管理,把廊坊園區里所有的能源設施互聯互通,高性價比地讓整個園區實現了低碳。 

提高能源利用效率方面,供能設備生產商都在研發能效更高的產品,搶占市場。同時,設備生產商也在轉型做雙碳建筑改造的綜合服務商。 

以家電起家的美的集團,已將低碳建筑改造業務設為5大業務板塊之一。美的改造了旗下的工廠,對外推銷更高效的產品。在上海,美的改造了花旗集團大廈的空調系統。該大廈原有機組的主要設備已運行18年,老舊系統消耗了大量能源和費用,制冷效果卻不佳。 

行業里用綜合能效比 (EER) 來衡量能效水平。EER越高,系統制冷效果越好、性價比越高。改造前,花旗大廈制冷機房EER僅為1.6W/W (全年的總制冷量/所有設備的總電量) ,遠低于行業均值3.5W/W,改造后提升至5.2W/W。 

該項目的交付負責人張玉霜告訴《財經十一人》,與以往簡單的產品替換不同,花旗大廈項目是從仿真模擬設計、核心機組替換、裝配式高效建造、再到智能運行控制系統的全生命周期改造。在年總冷負荷不變的基礎上,花旗大廈年耗電量可降低250萬kWh,折算減碳量約2000噸,運行費用減少50%以上。 


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