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仇保兴:“碳中和建筑”将成为第二次现代建筑的革命

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近日,国际欧亚科学院院士、住房和城乡建设部原副部长、中国城市科学研究会理事长仇保兴先生在中国城市科学研究会可再生能源与碳中和建筑专业委员会第一次委员会议暨“可再生能源助力建筑与城市低碳发展高端论坛”中,发表题为《迎接三个趋势,开启碳中和建筑新时代》的演讲。

仇保兴

国际欧亚科学院院士、住房和城乡建设部原副部长、中国城市科学研究会理事长


迎接三个趋势,开启碳中和建筑新时代

很高兴有这么个机会和大家一起共同见证“可再生能源与碳中和建筑专委会”的成立,该专委会的成立顺应了当前时代的发展,随着可再生能源等新技术的加速发展,现代建筑科技正面临三个革命性新趋势:

趋势之一,从传统的节能建筑转向正能建筑


在人类历史上,第一次从注重建筑能耗的节约,要转向广泛利用建筑来产生能源。人类建筑史长达上万年,从旧石器时代人类就创造了建筑,发展到现在,现代建筑将结合各种各样的可再生能源应用使建筑从能源消耗者转向能源生产者。这就意味着建筑不再是城市能源消耗的某个单元,而是有新能量产生的一个新主体,由众多这类主体构成的城市就为城市实现碳中和奠定了坚实基础。在这个充满颠覆性创新的时代,今后的建筑设计师都需要在节能的成本与产能的成本之间做科学理性的比较。

正能建筑

现代科技的快速发展使得各种各样的节能技术越来越新颖,能效越来越高,成本越来越低。例如从传统的建筑保温转向辐射能的节约,从集中能源利用转向分布式的能源产生等等。又例如,相较于传统的节能技术成本,可再生能源的技术成本反而下降得更快,太阳能光伏成本在10年内降了近乎10倍,从技术上考虑未来成本还可以进一步降低,除此以外,屋顶风能和生物能源等可再生能源的成本也在大幅下降。

尽管当前可再生能源的成本比建筑节能保温技术的成本低许多了,但仍有许多建筑师仅仅停留在对建筑保温、对维护结构密封这类传统的节能技术应用上。采用保温技术节能往往具有较高的边际成本,而利用可再生能源的建筑边际效益则较好,因此未来应将建筑节能与产能两种技术结合在一起,使得以最低的成本实现最高的效率,进而使建筑实现碳中和,甚至还可能成为“负碳之源”。

趋势之二,“建筑结构创新”的时代已经到来


20世纪初期,由法国、英国、荷兰等国家的建筑师发起了一场称之为“新建筑”的运动,把罗马式的、巴洛克式的建筑,由石头、木头建造的这类成本昂贵的建筑,转向由水泥、钢筋、钢铁、玻璃建造的建筑。当时提出“建筑就是居住的机器”的观念,认为建筑应该像工厂那样明快、简洁、实用,它就是一个供众多人类公平居住使用的一种机器。这一场“新建筑”的革命宣告了现代建筑的诞生,也使得城市化的成本大大降低。

世界上现在有52%的人口居住在城市,而绝大部分的建筑都是新建筑革命时代之后建造的。新建筑革命所带来的这种遗产,使得建筑结构简洁,且更加注重功能,虽满足了人民的基本居住需要,但却丝毫没有怜悯地球会因此受到哪些负面影响。根据国际能源署提供的数据,建筑全生命周期产生的碳排放无论怎么算都占到碳排放总量的40%以上,即人类活动所造成的温室气体排放量中,建筑行业占到其中的40%,而这个比例在我国则达到了50%。


我国与全世界其它国家建筑最主要的一个区别就是我国建筑用钢筋混凝土比例更高,因此,不论是从建筑全生命周期产生的碳排放还是运行期间产生的碳排放,我国建筑的碳排放比例都是全球最高的国家之一。由此可见,碳中和建筑在我国的“双碳战略”中应该发挥最重要作用。

从全生命周期考虑,如果全国所有的建筑都能实现碳中和,那么“碳中和建筑”就能为“双碳目标”的实现贡献一半的力量,显然没有一个行业的减碳量能够与之比较。因而,从减碳总量上看这一场新运动将是建筑近代史上又一次伟大的转变。

近代建筑史上第一次伟大转变是十九世纪初叶,从“古典建筑”转向“现代建筑”,人们称之为“新建筑运动”。但是今天我们讨论的“碳中和建筑”将成为第二次现代建筑的革命,在这场革命中,可以将各种各样的可再生能源组合到建筑中,例如太阳能光伏、地源热泵、空气源热泵、屋顶风机和电梯下降能等利用组合。在建筑表皮装太阳能光伏板和屋顶装风力发电装置,与建筑的结构进行匹配,将建筑顶部结构设置为朝阳面斜坡,根据实验测得这一结构变化可额外获得30%的太阳能,而且这个结构如果产生风压,风速也会提高50%。由于风能发电量与风速的三次方成正比,在设计建筑结构时,只需做一些适当的变化就可以提升风能的发电量一倍以上。另外,建筑还可与立体园林组合,使得绿化率达到150%,这种建筑即使是高层建筑也能产生丰富的生物量,每年可产生大量的生物质燃料。


如此一来,通过把太阳能、地源热泵、空气源热泵、风能、生物质能源等可再生能源与建筑物进行合理的组合利用,在使建筑成为能源的分配器的同时更能使建筑成为产能单位。

浅层地热能,空气源热泵、深层地热源在建筑上的应用都属于“低品质的能源”,因为这些能源最高温度往往都是在100摄氏度上下,而高品质能源例如电能是可以长距离输送和高效转换的能源。这些高品质能源一旦与峰电交易、碳交易相结合,就可以为用户带来足量的现金流。建筑物产生的绿色电力可以高效转化为其它类别的能源,这样的高品质能源不仅可以长距离输送,也可以很方便的储存。低品质能源可在建筑内作为制冷或供暖充分应用,而高品质能源则可以作为电网的调峰能源适时交易出售。如果每一个建筑都能实现碳中和,那么整个城市碳中和就能顺理成章地完成。总的来说,在“建筑结构”的革命上,首先应该考虑尽可能充分利用就地产生的低品质能源,输出和交易高品质能源。除此之外,“碳中和建筑”必然也是一种气候适应性建筑,这就要求“碳中和建筑”需像鸟的羽毛一样,根据自然气候进行自适应调节变化。

趋势之三,建筑物可以作为能源的存储单元

现代能源的储存模式将从传统的集中式、大型化、中心控制转向为分布式、小型化与建筑紧密结合的模式。按全国在2030年实现“碳达峰”的计划,新型电力系统可再生能源的应用比率要达到总能源的30%,到2060年“碳中和”可再生能源的布局比例将超过80%。

可再生能源比例在电网中不断提升过程中,由于大量应用风能、太阳能等这些低成本的可再生能源,使得电网波动性很大,因此需要大量的储能设备来进行均衡。如果采用传统的集中式的能源储存模式,不仅成本高,而且可能会成为城市内部的风险源。例如2021年4月16日,北京市丰台区发生了一起大型储能电站爆炸事故,两个消防员在事故中牺牲。该项目包括25MWh的磷酸铁锂电池储能,是北京城市中心最大规模的商业用户侧储能电站。此次事故后北京市政府当即决定把这一类大型能源储存装置立项全部撤销。但如果通过建筑结构的变革,使建筑与分布式的储能装置相结合,这不仅能解决建筑自身能源储存的问题,更能为构建一个安全的城市电网做出巨大贡献,且在技术上也都是成熟可实施的。又例如太阳能光伏可与柔性直流技术更好地匹配,从而使建筑太阳能光伏发电的效率和可靠性进一步得到提升。


从目前的趋势来看,在2030年时我国将会有1亿辆电动车,目前每辆电动车的储电能力平均是60度电,这就意味着有60亿度电可瞬间储存在电动车内,这样巨量的储电能力若合理调配就能使电网得到稳定运行。例如通过利用社区的分布式能源微电网以及电动车储能组成“微能源系统”,在电网处于用电峰谷的时候,使所有社区停放的电动汽车进行自动低价充电;当电网处于用电峰顶时,可以借用电动车所储的电按峰谷差价出售给电网一部分电力,这既能对电网用能进行调节,又能为电动车主带来利润。如果外部突发停电,社区也可以借助各家各户的电动车电能作为临时能源供应。如此一来,这样的居民小区实际上就是一个发电单位,也是一个韧性很强的虚拟电厂。更重要的是,比起传统的抽水和大型电池蓄能,这种分布式的社区微电网在储能成本上、韧性安全保障能力方面都有显著的优势。

总之,可再生能源与碳中和建筑必须拥抱这三个革命性趋势,希望专委会能够抓住历史机遇,充分发挥技术、平台、项目实践之间的联动发展优势,为建筑和城市双碳目标达成做出新贡献,真正使我国领先于全世界更稳更快走向碳中和,为实现生态文明做出更大贡献。



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