ABB智慧建筑碳中和白皮书

— ABB智慧建筑碳中和白皮书 — 现状：建筑减碳任重道远 中国政府制定的“3060”双碳战略目标，将对我国能源转型以及各行各业的未来发展产生深远影响。在飞速的城镇化建设过程中，建筑业作为全国三大用能行业（工业、交通和建筑）之一，与能源消费和碳排放密切相关，在迈向碳中和的道路上承担了重要使命。 一、建筑行业碳排放的总量庞大，约占全社会碳排放总量的二分之一 中国是世界上既有建筑和每年新建建筑量最大的国家，现有城镇总建筑存量超过600亿平方米。在此基础上，中国每年新增建筑面积约30~40亿平方米。《中国建筑能耗研究报告（2020）》显示，2018年全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿吨，占全国碳排放比重的51.3%。 二、建筑行业目前主要依赖化石能源，运行阶段化石能源占比超90% 纵观建筑全产业链，碳排放总量主要来自建筑建造 （包括建材的生产和建筑施工）和建筑运行两个阶段。建筑运行过程中的碳排放既包括通过燃烧方式产生的直接碳排放（如炊事、热水、燃煤采暖等），也包括电力热力供应造成的间接碳排放。随着我国逐渐进入城镇化新阶段，建筑运行阶段的碳排放占比将逐步上升。 目前建筑运行阶段能源结构中大部分仍然是采用化石能源，而可再生能源比例大概只有6%。未来如何建设更多清洁能源并实现最大消纳，成为建筑行业碳减排的重要实现路径。 电力 煤 热力 4%油 14%天然气 化石燃料 6%可再生能源 25% 46% 76% 29% 中国建筑运行能耗总量 9.47亿吨标煤 建筑全过程51.3% 图2建筑运行能耗总量 数据来源：中国建筑节能协会、清华大学建筑节能研究中心 单位：亿tCO2 图12018年建筑行业全生命周期碳排放占比 数据来源：《中国建筑能耗研究报告（2020）》 三、建筑行业能耗增幅显著，推高了碳排放总量 建筑行业不仅是碳排放大户，也是能耗大户。近年来我国建筑能耗总量增幅也十分显著。以公共建筑为例，2019年全国公共建筑面积约为152亿m2，公共建筑总能耗（不含北方供暖）为3.42亿tce(吨 标准煤当量)。公共建筑总面积的增加，用能需求增长等因素导致了公共建筑单位面积能耗，从2001年的17kgce/m2增长到26kgce/m2以上。 在建筑运营过程中，暖通空调系统和照明系统能耗占比将近50%~70%。针对暖通和照明系统的节能增效是实现建筑碳中和目标的重中之重。 — 未来：打造净零碳建筑 为了推动建筑行业的碳减排，各国都在积极探索碳减排的思路和方向。欧洲、美国等发达经济体已将住宅，公共建筑的绿色低碳列为气候行动的重要事项。 相较于建筑全生命周期的其他碳排放，有效降低建筑运行碳排放被普遍认为是建筑行业目前亟需解决的问题。许多国际机构相继发布了针对建筑运行碳排放的净零要求及标准。 例如，世界绿色建筑委员会（WGBC）提出，到2030年所有新建建筑必须实现运营阶段净零碳排放，即建筑所有的能耗都由现场或者场地外的可再生能源提供。而到2050年，所有的建筑实现运营阶段净零碳排放。 净零碳建筑通常需要具备以下特征： 大力推动可再生能源的利用和消纳，优先使用本地可再生能源，其次是场外可再生能源。 降低能源消耗，提升能源效率，确保建筑高效运营以减少能源浪费。 测量和披露碳排放信息，跟踪记录年度运营的碳排放情况，并提供有效的测量数据。 强化建筑认证监管体系，并涵盖节水、节材、垃圾处理等相关领域。 我国零碳建筑的发展路线 2019年1月住建部发布的《近零能耗建筑技术标 准》GBT51350-2019界定了我国“零能耗建筑”的概念，即充分利用建筑本体和周边的可再生能源资源，使可再生能源年产能大于或等于建筑全年全部用能的建筑。 国务院2021年10月份最新印发的《2030年前碳达峰行动方案》为建筑行业如何实现绿色低碳，指明了方向： 1.加快优化建筑用能结构 深化可再生能源建筑应用，推广光伏发电与建筑一体化应用。提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑。到2025年，城镇建筑可再生能源替代率达到8%，新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%。 2.加快提升建筑能效水平 加快更新建筑节能、市政基础设施等标准，提高节能降碳要求，推进重点用能设备节能增效。到2025年，城镇新建建筑全面执行绿色建筑标准。 3.全面提升节能管理能力 对项目用能和碳排放情况进行综合评价，从源头推进节能降碳，提高节能管理信息化水平。 以上三个实现建筑零碳排放的途径，离不开技术的创新和产品的迭代，也将为建筑行业带来全新的挑战和发展机遇。 — 挑战：提效减排是实现建筑净零碳的关键 然而，基于目前的能源使用习惯和能效管理方式，要实现建筑的净零碳和低能耗目标面临着很多挑战： 一、清洁能源供给不足，传统供给模式遭遇瓶颈 清洁能源是实现建筑净零碳目标的必选项，然而目前广泛使用的屋顶光伏发电技术不能满足建筑自身对清洁能源的全部需求。外部环境和电力系统正在发生的变革，让依赖于场外大电网的传统供给模式遇到了瓶颈。新能源自身属性给建筑安全、稳定、高效用能带来难题。 1.自身建设新能源的基础薄弱 目前，城市特别是大城市和中心城区建筑密度高，发展新能源的场地和空间有限，大规模建设光伏，风电等新能源的基础薄弱，同时屋顶光伏发电难以满足当前建筑对清洁能源的应用需求。 2.过分依赖场外清洁能源，将推高用能成本及风险分时电费政策将让过分依赖场外清洁能源实现净零碳且用能弹性不足的建筑用户面临成本挑战。除 了新能源本身的波动，极端天气等外部环境剧烈变 化，给建筑造成用电安全风险。 3.新能源供需存在时差，不平衡不匹配矛盾突出 以太阳能和风能为主的新能源有明显的时间特征，对于建筑，其用能和新能源发电存在不同步和不匹配，会出现阶段性的供给过剩和短缺，给建筑用能带来挑战的同时清洁能源未能获得最大化消纳，进一步削弱了新能源的使用效率。 二、在满足用户体验前提下，如何通过提升能源使用效率来减少碳排放 减少建筑的整体能源需量和综合碳排放是建筑净 零碳的必然要求，随着城镇生活水平的提升，用户体验要求也越来越高，如何有效实现建筑内的能耗管控是一个重要课题。 1.再电气化带动能源使用需量继续攀升 随着用户对于用能体验要求越来越高，更适宜的温湿度、通风、室内光环境等将成为建筑的标配。而更好的用户体验势必需要建筑引入更多的电气设备，建筑的进一步电气化将导致能源消耗需求增加，而设备增加本身也是一种碳排放增加。如何使电气设备高效运行，以进一步降低用电需量并实现净零碳建筑，是摆在建设者和运营者面前的一个挑战。 2.粗放用能模式带来不必要的隐性能源浪费 电气设备的增加使得设备的管理以及联动控制变得更加复杂，信息孤岛及电气设备不合理使用会造成不必要的能源浪费，增加运营阶段碳排放。 三、运营管理需要兼顾敏捷、低碳等需求 随着建筑大量使用清洁能源，运营管理人员的角色也从原来单纯的用电管理变成要对“发输配用”全面负责。加上再电气化范围变大，设备数量增多，用户对于用能稳定性和舒适性的要求越来越高，运营管理过程需要兼顾敏捷，低碳等多重需求。 运营环节的挑战来自几个方面： 1.大量冗余设计让运营环节承压，带来运营期的能源浪费及额外碳排放 建筑电气专业前期设计余量过大，不仅在建设期造成配用电设备、线缆投资浪费，还因没有合理选择变压器而出现“大马拉小车”的轻载运行情况。叠加两部制电价的收费规则，造成建筑运营过程中的用能和费用浪费，产生额外碳排放。 2.本地重载部署带来系统臃肿和管理复杂难题 建筑的日常运行依托两大本地监控系统：能源管理和楼宇自动化控制系统，本地系统的部署和运营阶段成本均较高。在运营过程中，因业主方的忽视、系统集成商质保期后失联，系统常常沦为摆设，并出现大量设备掉线状况。自动化控制系统因各类现场控制器的故障彻底失去作用，运维人员需奔走各处手动控制，使得整个楼宇失去感知和调控能力，效果和效率大大降低。 3.“跑断腿”的运维方式，无法应对现代建筑运维需求 智能建筑不断迭代引入更多类型的设备，让整个强弱电系统更复杂，而传统的定期维护不能满足智能建筑的需求：维护过于频繁会造成过维护，浪费人力物力；维护不及时会造成欠维护，增加系统的运行风险，并且传统的定期维护会产生不必要的碳排放。 — 解决之道：三大路径助力减碳目标 为应对上述挑战，打造面向未来的净零碳和低能耗建筑，行业需要加速推进面向碳达峰、碳中和的系统性变革，在能源供给、能源消费和能源管理等方面实现新突破和新跨越，着力解决供需全链条的矛盾和挑战，为建筑安全稳定高效的使用清洁能源提 供保障；同时，打造基于全生命周期的低碳运营和敏捷管理模式，帮助建筑在不断优化用户体验的基础上实现整体能源使用需量和碳排放的减少。 ABB致力于通过如下三大解决之道突破上述瓶颈问题。 一、优化能源结构和能源管理，破解建筑对清洁能源的需求与供给矛盾 建筑在使用清洁能源方面的供需矛盾，除了需要夯实清洁能源的供给外，也需着力解决新能源带来的波动性、不同步以及最大化消纳等新问题，这需要对建筑的能源供给结构和管理模式进行系统性重构，行业需从如下方面入手： 1.光伏建筑一体化（BIPV），提升建筑自身清洁能源生产能力 随着新能源建设成本的降低和发电效率的提升，以及投资新能源的回收周期的缩短，建筑业建设光伏的意愿逐步增强。特别是随着光伏材料技术的进步，光伏与建筑正从结合走向融合。针对建筑屋顶空间有限的情况，未来可通过光伏建筑一体化（BIPV）的方式增加新能源接入，屋顶、墙体均能发电，从而提升建筑自身清洁能源生产能力。此外，通过光伏建筑一体化可降低屋顶和墙体的温升，进而降低建筑物的整体温度，这为减少空调的应用及降低能耗打下基础。 2.重构建筑供配电，实现多电源支撑 未来，一些低密度建筑可以根据自身特点和条件，逐步构建以分布式新能源为主供，主网为补充的新 型电力系统。对于局部富裕的新能源，可通过隔墙售电的方式实现建筑间，园区间的清洁能源调剂和区域互济；在场内清洁能源供给不足的情况下可通过场外新能源补给，形成多元电源支撑、大电网与分布式微网并举的供需耦合新机制。 为匹配供电系统的变革，建筑配电也将面临新的重构，ABB针对未来建筑，前瞻性的布局直流配电技术，重构建筑配电系统。 与常规光伏建筑相比，光伏直流建筑更方便分布式能源、储能和直流负载及变频交流负载的接入，省去部分交直流变换装置，降低损耗，减少建设成本。此外，直流微电网可与现有交流微电网或配电网互联，形成多元电源支撑，大大增加用电灵活性，减少对主网的依赖。 3.柔性调控，构建供需动态平衡新模式 新能源能否最大化有效消纳，是解决供需矛盾的重要方面。供给侧和需求侧的不同步问题是建筑光电消纳问题的关键节点。ABB依托在电力行业的技术优势，从两个维度为行业赋能。 智能调优，实现“源荷互动”和协同运作。ABB智慧能源管理系统可对“源-网-荷-储-端”进行多策略的柔性调控，根据清洁能源发电量、环境因素、电费规律，负荷情况等调配清洁能源、储能和可调节负载，以释能和蓄能的形式实现建筑本体的“虚拟电厂”管理和“源荷互动”，在解决供需不同步的基础上全面提高能源使用效率，实现清洁能源的最大化就地消纳。 需求响应，实现供需紧平衡。在尖峰时段和清洁能源供给紧张时，根据光伏实际发电状况和可调节负载属性灵活调整使用时间，实现建筑内部的能源共济和有序用电，实现清洁能源供需的紧平衡。 例如在商业写字楼里，通过对充电桩等可调节负载进行管理可实现有序用电：中午是写字楼的用电低谷，却是光伏发电高峰，此时充电桩可满功率充电实现对清洁能源的及时消纳，而在清洁能源供给紧张的用电高峰时段，根据电动汽车剩余电量可灵活调整部分车辆充电时间或者减少瞬时充电功率，实现清洁能源供需的紧平衡。 二、全面提升能效，实现以人为本的节能降耗和深度减排 在低碳目标的约束下，ABB致力于通过科技手段实现低碳与体验的双赢，通过全面能效提升，打造