觀點(diǎn)分享丨仇保興：“碳中和建筑”將成為第二次現(xiàn)代建筑的革命
廣東裝配式建筑分會(huì) 2022-01-24 2211
近日，國(guó)際歐亞科學(xué)院院士、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部原副部長(zhǎng)、中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)理事長(zhǎng)仇保興先生在中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)可再生能源與碳中和建筑專業(yè)委員會(huì)第一次委員會(huì)議暨“可再生能源助力建筑與城市低碳發(fā)展高端論壇”中，發(fā)表題為《迎接三個(gè)趨勢(shì)，開啟碳中和建筑新時(shí)代》的演講。國(guó)際歐亞科學(xué)院院士、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部原副部長(zhǎng)、中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)理事長(zhǎng)
迎接三個(gè)趨勢(shì)，開啟碳中和建筑新時(shí)代很高興有這么個(gè)機(jī)會(huì)和大家一起共同見證“可再生能源與碳中和建筑專委會(huì)”的成立，該專委會(huì)的成立順應(yīng)了當(dāng)前時(shí)代的發(fā)展，隨著可再生能源等新技術(shù)的加速發(fā)展，現(xiàn)代建筑科技正面臨三個(gè)革命性新趨勢(shì)：趨勢(shì)之一，從傳統(tǒng)的節(jié)能建筑轉(zhuǎn)向正能建筑
在人類歷史上，第一次從注重建筑能耗的節(jié)約，要轉(zhuǎn)向廣泛利用建筑來產(chǎn)生能源。人類建筑史長(zhǎng)達(dá)上萬年，從舊石器時(shí)代人類就創(chuàng)造了建筑，發(fā)展到現(xiàn)在，現(xiàn)代建筑將結(jié)合各種各樣的可再生能源應(yīng)用使建筑從能源消耗者轉(zhuǎn)向能源生產(chǎn)者。這就意味著建筑不再是城市能源消耗的某個(gè)單元，而是有新能量產(chǎn)生的一個(gè)新主體，由眾多這類主體構(gòu)成的城市就為城市實(shí)現(xiàn)碳中和奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在這個(gè)充滿顛覆性創(chuàng)新的時(shí)代，今后的建筑設(shè)計(jì)師都需要在節(jié)能的成本與產(chǎn)能的成本之間做科學(xué)理性的比較。現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使得各種各樣的節(jié)能技術(shù)越來越新穎，能效越來越高，成本越來越低。例如從傳統(tǒng)的建筑保溫轉(zhuǎn)向輻射能的節(jié)約，從集中能源利用轉(zhuǎn)向分布式的能源產(chǎn)生等等。又例如，相較于傳統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)成本，可再生能源的技術(shù)成本反而下降得更快，太陽(yáng)能光伏成本在10年內(nèi)降了近乎10倍，從技術(shù)上考慮未來成本還可以進(jìn)一步降低，除此以外，屋頂風(fēng)能和生物能源等可再生能源的成本也在大幅下降。盡管當(dāng)前可再生能源的成本比建筑節(jié)能保溫技術(shù)的成本低許多了，但仍有許多建筑師僅僅停留在對(duì)建筑保溫、對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)密封這類傳統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用上。采用保溫技術(shù)節(jié)能往往具有較高的邊際成本，而利用可再生能源的建筑邊際效益則較好，因此未來應(yīng)將建筑節(jié)能與產(chǎn)能兩種技術(shù)結(jié)合在一起，使得以最低的成本實(shí)現(xiàn)最高的效率，進(jìn)而使建筑實(shí)現(xiàn)碳中和，甚至還可能成為“負(fù)碳之源”。趨勢(shì)之二，“建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新”的時(shí)代已經(jīng)到來
20世紀(jì)初期，由法國(guó)、英國(guó)、荷蘭等國(guó)家的建筑師發(fā)起了一場(chǎng)稱之為“新建筑”的運(yùn)動(dòng)，把羅馬式的、巴洛克式的建筑，由石頭、木頭建造的這類成本昂貴的建筑，轉(zhuǎn)向由水泥、鋼筋、鋼鐵、玻璃建造的建筑。當(dāng)時(shí)提出“建筑就是居住的機(jī)器”的觀念，認(rèn)為建筑應(yīng)該像工廠那樣明快、簡(jiǎn)潔、實(shí)用，它就是一個(gè)供眾多人類公平居住使用的一種機(jī)器。這一場(chǎng)“新建筑”的革命宣告了現(xiàn)代建筑的誕生，也使得城市化的成本大大降低。世界上現(xiàn)在有52%的人口居住在城市，而絕大部分的建筑都是新建筑革命時(shí)代之后建造的。新建筑革命所帶來的這種遺產(chǎn)，使得建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，且更加注重功能，雖滿足了人民的基本居住需要，但卻絲毫沒有憐憫地球會(huì)因此受到哪些負(fù)面影響。根據(jù)國(guó)際能源署提供的數(shù)據(jù)，建筑全生命周期產(chǎn)生的碳排放無論怎么算都占到碳排放總量的40%以上，即人類活動(dòng)所造成的溫室氣體排放量中，建筑行業(yè)占到其中的40%，而這個(gè)比例在我國(guó)則達(dá)到了50%。圖源：《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2020）》我國(guó)與全世界其它國(guó)家建筑最主要的一個(gè)區(qū)別就是我國(guó)建筑用鋼筋混凝土比例更高，因此，不論是從建筑全生命周期產(chǎn)生的碳排放還是運(yùn)行期間產(chǎn)生的碳排放，我國(guó)建筑的碳排放比例都是全球最高的國(guó)家之一。由此可見，碳中和建筑在我國(guó)的“雙碳戰(zhàn)略”中應(yīng)該發(fā)揮最重要作用。從全生命周期考慮，如果全國(guó)所有的建筑都能實(shí)現(xiàn)碳中和，那么“碳中和建筑”就能為“雙碳目標(biāo)”的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)一半的力量，顯然沒有一個(gè)行業(yè)的減碳量能夠與之比較。因而，從減碳總量上看這一場(chǎng)新運(yùn)動(dòng)將是建筑近代史上又一次偉大的轉(zhuǎn)變。近代建筑史上第一次偉大轉(zhuǎn)變是十九世紀(jì)初葉，從“古典建筑”轉(zhuǎn)向“現(xiàn)代建筑”，人們稱之為“新建筑運(yùn)動(dòng)”。但是今天我們討論的“碳中和建筑”將成為第二次現(xiàn)代建筑的革命，在這場(chǎng)革命中，可以將各種各樣的可再生能源組合到建筑中，例如太陽(yáng)能光伏、地源熱泵、空氣源熱泵、屋頂風(fēng)機(jī)和電梯下降能等利用組合。在建筑表皮裝太陽(yáng)能光伏板和屋頂裝風(fēng)力發(fā)電裝置，與建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配，將建筑頂部結(jié)構(gòu)設(shè)置為朝陽(yáng)面斜坡，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得這一結(jié)構(gòu)變化可額外獲得30%的太陽(yáng)能，而且這個(gè)結(jié)構(gòu)如果產(chǎn)生風(fēng)壓，風(fēng)速也會(huì)提高50%。由于風(fēng)能發(fā)電量與風(fēng)速的三次方成正比，在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，只需做一些適當(dāng)?shù)淖兓涂梢蕴嵘L(fēng)能的發(fā)電量一倍以上。另外，建筑還可與立體園林組合，使得綠化率達(dá)到150%，這種建筑即使是高層建筑也能產(chǎn)生豐富的生物量，每年可產(chǎn)生大量的生物質(zhì)燃料。如此一來，通過把太陽(yáng)能、地源熱泵、空氣源熱泵、風(fēng)能、生物質(zhì)能源等可再生能源與建筑物進(jìn)行合理的組合利用，在使建筑成為能源的分配器的同時(shí)更能使建筑成為產(chǎn)能單位。淺層地?zé)崮?，空氣源熱泵、深層地?zé)嵩丛诮ㄖ系膽?yīng)用都屬于“低品質(zhì)的能源”，因?yàn)檫@些能源最高溫度往往都是在100攝氏度上下，而高品質(zhì)能源例如電能是可以長(zhǎng)距離輸送和高效轉(zhuǎn)換的能源。這些高品質(zhì)能源一旦與峰電交易、碳交易相結(jié)合，就可以為用戶帶來足量的現(xiàn)金流。建筑物產(chǎn)生的綠色電力可以高效轉(zhuǎn)化為其它類別的能源，這樣的高品質(zhì)能源不僅可以長(zhǎng)距離輸送，也可以很方便的儲(chǔ)存。低品質(zhì)能源可在建筑內(nèi)作為制冷或供暖充分應(yīng)用，而高品質(zhì)能源則可以作為電網(wǎng)的調(diào)峰能源適時(shí)交易出售。如果每一個(gè)建筑都能實(shí)現(xiàn)碳中和，那么整個(gè)城市碳中和就能順理成章地完成。總的來說，在“建筑結(jié)構(gòu)”的革命上，首先應(yīng)該考慮盡可能充分利用就地產(chǎn)生的低品質(zhì)能源，輸出和交易高品質(zhì)能源。除此之外，“碳中和建筑”必然也是一種氣候適應(yīng)性建筑，這就要求“碳中和建筑”需像鳥的羽毛一樣，根據(jù)自然氣候進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)變化。趨勢(shì)之三，建筑物可以作為能源的存儲(chǔ)單元現(xiàn)代能源的儲(chǔ)存模式將從傳統(tǒng)的集中式、大型化、中心控制轉(zhuǎn)向?yàn)榉植际?、小型化與建筑緊密結(jié)合的模式。按全國(guó)在2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”的計(jì)劃，新型電力系統(tǒng)可再生能源的應(yīng)用比率要達(dá)到總能源的30%，到2060年“碳中和”可再生能源的布局比例將超過80%。可再生能源比例在電網(wǎng)中不斷提升過程中，由于大量應(yīng)用風(fēng)能、太陽(yáng)能等這些低成本的可再生能源，使得電網(wǎng)波動(dòng)性很大，因此需要大量的儲(chǔ)能設(shè)備來進(jìn)行均衡。如果采用傳統(tǒng)的集中式的能源儲(chǔ)存模式，不僅成本高，而且可能會(huì)成為城市內(nèi)部的風(fēng)險(xiǎn)源。例如2021年4月16日，北京市豐臺(tái)區(qū)發(fā)生了一起大型儲(chǔ)能電站爆炸事故，兩個(gè)消防員在事故中犧牲。該項(xiàng)目包括25MWh的磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能，是北京城市中心最大規(guī)模的商業(yè)用戶側(cè)儲(chǔ)能電站。此次事故后北京市政府當(dāng)即決定把這一類大型能源儲(chǔ)存裝置立項(xiàng)全部撤銷。但如果通過建筑結(jié)構(gòu)的變革，使建筑與分布式的儲(chǔ)能裝置相結(jié)合，這不僅能解決建筑自身能源儲(chǔ)存的問題，更能為構(gòu)建一個(gè)安全的城市電網(wǎng)做出巨大貢獻(xiàn)，且在技術(shù)上也都是成熟可實(shí)施的。又例如太陽(yáng)能光伏可與柔性直流技術(shù)更好地匹配，從而使建筑太陽(yáng)能光伏發(fā)電的效率和可靠性進(jìn)一步得到提升。
從目前的趨勢(shì)來看，在2030年時(shí)我國(guó)將會(huì)有1億輛電動(dòng)車，目前每輛電動(dòng)車的儲(chǔ)電能力平均是60度電，這就意味著有60億度電可瞬間儲(chǔ)存在電動(dòng)車內(nèi)，這樣巨量的儲(chǔ)電能力若合理調(diào)配就能使電網(wǎng)得到穩(wěn)定運(yùn)行。例如通過利用社區(qū)的分布式能源微電網(wǎng)以及電動(dòng)車儲(chǔ)能組成“微能源系統(tǒng)”，在電網(wǎng)處于用電峰谷的時(shí)候，使所有社區(qū)停放的電動(dòng)汽車進(jìn)行自動(dòng)低價(jià)充電；當(dāng)電網(wǎng)處于用電峰頂時(shí)，可以借用電動(dòng)車所儲(chǔ)的電按峰谷差價(jià)出售給電網(wǎng)一部分電力，這既能對(duì)電網(wǎng)用能進(jìn)行調(diào)節(jié)，又能為電動(dòng)車主帶來利潤(rùn)。如果外部突發(fā)停電，社區(qū)也可以借助各家各戶的電動(dòng)車電能作為臨時(shí)能源供應(yīng)。如此一來，這樣的居民小區(qū)實(shí)際上就是一個(gè)發(fā)電單位，也是一個(gè)韌性很強(qiáng)的虛擬電廠。更重要的是，比起傳統(tǒng)的抽水和大型電池蓄能，這種分布式的社區(qū)微電網(wǎng)在儲(chǔ)能成本上、韌性安全保障能力方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)。總之，可再生能源與碳中和建筑必須擁抱這三個(gè)革命性趨勢(shì)，希望專委會(huì)能夠抓住歷史機(jī)遇，充分發(fā)揮技術(shù)、平臺(tái)、項(xiàng)目實(shí)踐之間的聯(lián)動(dòng)發(fā)展優(yōu)勢(shì)，為建筑和城市雙碳目標(biāo)達(dá)成做出新貢獻(xiàn)，真正使我國(guó)領(lǐng)先于全世界更穩(wěn)更快走向碳中和，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明做出更大貢獻(xiàn)。
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