碳中和背景下我国建筑领域发展的新机遇

为中国建筑行业释放碳中和新机遇 执行摘要 ES/2024年9月 关于RMI RMI是一家独立的非营利组织，成立于1982年，原名RockyMountainInstitute，通过市场驱动的解决方案推动全球能源系统的转型，以符合1.5°C的未来目标，并确保所有人都能拥有清洁、繁荣且零碳的未来。我们在世界最关键的地缘政治区域开展工作，并与企业、政策制定者、社区和非政府组织合作，识别并规模化能源系统干预措施，以至少减少50%的气候污染物排放。RMI在美国科罗拉多州的巴塞尔特和博尔德、纽约市、加利福尼亚州奥克兰、华盛顿特区、尼日利亚阿布贾以及中国北京设有办事处。 作者和致谢 Authors 婷李伟李登峰廖光旭王蒙王 其他贡献者 一汉浩 作者按字母顺序列出。除非另有说明，否则所有来自RMI的作者。 联系人 李伟,wli@rmi.org 王萌,mwang@rmi.org 版权和引文 李伟,王蒙,王光旭,为中国建筑领域释放碳中和的新机遇，RMI,2024,https://rmi.org/insight/unlocking-new-opportunities-for-carbon-neutrity-in-china-building-sector / RMI重视合作，并通过分享知识和见解来加速能源转型。因此，我们允许有兴趣的相关方通过CreativeCommonsAttribution-ShareAlike4.0国际许可协议引用、分享和引用我们的工作。https:/ /creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/. 除非另有说明，否则所有使用的图像均来自iStock.com。 Acknowledgement 我们衷心感谢以下专家的见解和评论： CongxiaoLi，中国建筑集团双碳领导办公室副主任BorongLin，清华大学建筑学院教授、副院长 BinHao，深圳市建筑研究院副总工程师HaixiaShi，中国混凝土与水泥制品协会副会长 特别感谢QuadratureClimateFoundation对本报告的支持。本报告的内容不代表上述专家、其机构及项目支持者的观点。 向系统性和公平性的能源转型迈进：建筑sector成为中国碳中和目标的支柱 自2020年中国提出“双碳”目标以来，旨在到2030年达到碳峰值并在2060年实现碳中和，建筑sector的总CO₂排放，建筑sector已成为重点关注领域。 2 2022年排放量达到37亿吨，占全国总量的32%。i其中，约22亿吨的碳排放发生在建筑施工过程中，而约15亿吨的碳排放则发生在建筑材料的生产和运输以及施工过程中，这部分碳排放被称为“嵌入碳”（见图1）。自2014年以来，中国建筑部门的总二氧化碳排放量已趋于稳定（见 2 Exhibit2)。然而，随着生活水平的提高，中国在人均基础上的建筑建筑面积和住宅能耗仍有增长空间。因此，当务之急是将这种增长与建筑排放脱钩。 附件1 2 2022年中国建筑业的CO排放量细分 RMI图形。来源：国际能源署(IEA)，https://www.iea.org/reports/co2-emissions-in-2023/清华大学建筑节能研究中心,2024年中国建筑节能发展年度报告清华大学建筑节能研究中心，中国建筑节能协会，2023年中国建筑和城市基础设施碳排放报告 i根据国际能源署(IEA)的数据，2022年，中国全国CO排放总量为114.8亿吨 2 https://www.iea.org/reports/co2-emissions-in-2023/. 2010年至2022年中国建筑业CO排放量 2 附件2 RMI图形。来源：清华大学建筑节能研究中心，2024年中国建筑节能发展年度报告 因为建筑物消耗大量能源，零排放建筑部门对中国能源转型至关重要。一方面，建筑物占中国总最终能源消费量的21%和电力消费量的四分之一。此外，建筑部门的电气化率已达到44.9%，在所有用能部门中最高。这意味着建筑物可以作为新能系统中的一个重要灵活资源。另一方面，建筑物是工业原材料的最大用户，占中国钢铁消费量的37%和水泥消费量的55%。减少建筑部门的嵌入碳将导致上游工业部门的减排，并培育低碳产品市场。 净零建筑部门对于提高人们的生活质量以及实现公平的能源转型也至关重要。该部门的去碳化措施可以为更广泛的人群带来更加高效、智能且健康的居住环境。中国已经拥有大规模的经济适用住房计划，是世界上拥有最大存量建筑物的国家之一，同时还有大量的农村建筑，总计近350亿平方米（m²）。2并且为约750million人口提供住房。在这些建筑中实施碳中和技术将改善脆弱人群的能源获取和生活质量，并促进社会公平。 在未来5至10年，将是中国建筑产业迈向碳中和的关键时期。建筑行业必须在更多建筑物建设的同时实现高质量的碳达峰，并控制和稳定当前的排放平台。同时，需尽快推广和整合碳中和技术，为实现净零建筑产业奠定基础，并解决供应链、成本和市场接受度等关键问题。 建筑操作脱碳：能源灵活性和零碳供暖 建筑运营约占中国建筑生命周期CO排放量的59%。 2 这些排放主要来自两个源头：燃烧化石燃料用于供暖、热水和烹饪的直接排放，以及用于电力消耗和区域供暖的间接排放。2022年，中国的建筑物消耗了34.25艾焦耳（EJ），占该国总能源消耗的21%，以及中国总二氧化碳排放量的19.1%。 2 随着经济持续发展和生活水平的提高，对建筑能耗的需求预计将继续上升。建筑物的用电量已迅速增加，2021年的水平几乎是2010年水平的2.5倍（见图表3）。同时，高峰时段建筑用电负荷的比例也在增加，在某些省份如浙江、湖北和四川，空调负荷占峰值电力需求的40%至50%。尽管建筑物的化石能源消耗已经达到顶峰，ii城市住宅建筑和区域供暖的直接化石燃料使用持续增长 。 附件3 运营阶段的建筑电力和化石能源消耗 RMI图形。来源：中国建筑节能协会，中国建筑能源与排放数据库，https://www.cbeed.cn/#/database ii“建筑物用电所对应的化石能源消费”不包括在内。 建筑作业脱碳面临的挑战 随着建筑物用电量和峰值负荷的增加，对电力系统供电和削峰的压力日益增大，但建筑物作为灵活资源的潜力尚未得到充分挖掘。大多数建筑物在管理其能源需求和生产方面缺乏灵活性。在高峰需求时期，电力生成仍然依赖化石燃料，延缓了电力系统的脱碳进程。这也影响了工业活动，导致一定的经济损失。 对化石燃料取暖的高度依赖由于现有系统替代成本高昂而带来了去碳化的挑战。北部地区的集中供暖依赖于煤/燃气联合供热（CHP）电厂和锅炉。得益于其成熟的基础设施和经济效率，集中供暖缺乏经济可行且技术成熟的热源替代解决方案。在南部地区，由于生活水平提高导致夏季炎热冬季寒冷，家庭取暖需求不断增加。长江三角洲等地区的许多居民使用燃气锅炉进行取暖。在没有额外经济激励措施促使更换现有取暖设备的情况下，由于所谓的锁定效应，低碳取暖替代方案如热泵的大规模应用将继续受到延迟。 在新电力系统中开发建筑作为柔性资源 新的电力系统需要更高的灵活性以确保在高可再生能源占比的情况下电网能够正常运行。鉴于发电侧灵活资源的有限可用性，需求侧开发灵活资源变得至关重要，尤其是在建筑领域。建筑负荷具有高度灵活性、经济效率和充足的分布式能源资源空间。增强建筑能源灵活性涉及提高效率、分布式发电和移峰填谷。这些措施的有效结合可以显著提升建筑能源灵活性（见图4）。在中国，提高建筑能源灵活性具有巨大的减碳和经济效益潜力。RMI估计，充分利用建筑负荷灵活性的潜力可以全国范围内减少峰值电网负荷至少10%。这将帮助中国避免约5000亿元人民币的额外投资，并实现至少2亿吨的减排。 年度CO 2 效率净负荷 效率+生成 效率+生成+ 卸载/移位净负荷 一天中的一小时 一天中的一小时 一天中的一小时 效率 Generate 卸任/移位 太阳能光伏 基线 电力需求 电力需求 电力需求 图表4灵活性技术导致的建筑电气负荷变化 采取的措施 建筑围护结构增强热回收技术 提高设备效率 建筑围护结构增强热回收技术 提高设备效率 建筑围护结构增强热回收技术 提高设备效率 分布式光伏(PV)分布式光伏(PV) 对智能控制的需求不断增加 能源/储热 RMI图片。来源：美国能源部，网格互动高效建筑技术报告系列，https://www.energy.gov/eere/buildings/articles/电网互动高效建筑技术报告系列概述 利用余热+热泵实现零碳供热 北方地区去碳化供热主要依赖于利用废热资源。来自CombinedHeatandPower(CHP)厂、核电 、工业过程、数据中心和污水处理厂等多种来源的可用废热总量超过200艾焦（EJ）。中国北方城市的建筑供暖需求约为54艾焦，且大多数北方城市已经建立了完善的集中供热网络。去碳化策略包括短期内用CHP取代燃煤锅炉，并在长期内转向生物质CHP和废热回收，同时部署季节性热储能、远距离供热传输和热泵等技术以实现零碳过渡（详见图表5）。 热泵为南部地区提供了最佳的去碳化供暖机会，这些地区夏季炎热、冬季寒冷，且缺乏区域供暖基础设施，原因在于冬季短暂和间歇性供暖需求。近年来，这些地区的供暖需求显著增加。到2030年 ，长江三角洲地区将有超过2000万居民安装新的供暖系统，相比2020年，供暖需求将增加约40% 。热泵在这种地区非常适合部署，因为它们高效、低排放且具有节能的双重供暖和制冷功能。短期内（到2030年前），应优先在新建建筑中使用热泵；长期来看，则应集中精力进行现有建筑的低碳改造，并最终淘汰住宅供暖系统的天然气使用。 Exhibit5 北部地区供暖系统和夏季炎热和冬季寒冷气候区的零碳过渡途径 RMI图。来源：RMI分析 应对具体碳：低碳采购与生物基材料 具体的CO排放是建筑行业脱碳的另一个关键焦点，会计 2 大约41%的建筑生命周期CO排放量。在2022年，包含CO的总排放量 22 中国的建筑行业产生了大约15亿吨二氧化碳，占国家总排放量的13%。结构材料占建筑物中隐含碳的超过60%，以及建筑行业总二氧化碳排放的超过12%。 2 优化设计和结构系统对于减少建筑材料中的碳排放至关重要。在中国，钢筋混凝土结构是最常见的建筑类型，占所有民用建筑结构的超过80%，而木结构和钢结构相对较少使用，其中钢结构仅占建筑物总量的大约5%（见图6）。在所有建筑材料中，钢材和水泥分别导致了约36%和53%的二氧化碳排放，成为最主要的碳排放来源（见图7）。 2 Exhibit7). 图表6中国与其他国家建筑结构类型的比较 RMI图片。来源：来自中国建材联合会的数据 Exhibit7 2020年主要建材行业的CO排放量 2 RMI图片。来源：来自中国建筑材料联合会的数据 建筑物中含碳脱碳的挑战 钢铁和水泥行业在减少排放方面面临挑战，原因在于技术成熟度、成本以及缺乏投资。同时，钢铁和水泥仍然是最重要的建筑材料。由于高建筑密度、人口密度、结构要求、技术成熟度、防火要求和耐久性要求等因素，钢筋混凝土结构在中国的主导地位很可能会继续下去。这提出了三个挑战，需要解决以降低建筑物中的嵌入碳：提高现有结构的耐久性和延长使用寿命、增加对钢铁和水泥等工业部门去碳化的投资，并促进低碳混凝土和钢材在建筑中的使用。 基于生物的材料如竹材和木材作为零碳建筑材料仍处于未充分开发状态。竹材和木材不仅几乎不产生排放，还比传统建筑材料具有更快的施工时间。然而，它们的强度、耐久性和防火性能仍需通过现代工艺进行改进。在建筑行业，对竹木结构的认识和接受度有限，其使用通常仅限于小型建筑。现代竹材构件在大跨度、大面积建筑中的局限性以及对其耐久性和防火性能的担忧需要得到解决。 通过公共和私人绿色采购计划扩大低碳材料 绿色公共采购和私人采购计划是推动低碳建筑材料（如低碳钢和混凝土）使用的重要驱动力。2024年，中国国家政府启动了绿