04、城市更新的零碳路径探索——以零碳社区建设模式为基础_仲家骅.pdf

城市更新的零碳路径探索 以零碳社区 建设模式为基础 仲家骅 １ 陈晓东 ２ 赵春晴 ３ 刘晓峰 １ 生晓燕 ４ 马 晴 ４ 张琳杰 ５ （ １．青岛能源热电集团有限公司 ， 青岛 ； ２．青岛能源热电集团第三热力有限公司 ， 青岛 ； ３．中国海洋大学 ， 青岛 ； ４．公信检测 （ 山东 ） 有限公司 ， 青岛 ； ５．青岛能源热电集团清洁能源分公司 ， 青岛 ） 摘要 在 “双碳 ”目标背景下 ，奥帆中心以 “零碳社区 ”为目标 ，基于青岛市的社会经济发展现 状 ，提出了可行的技术体系和实施方案 。目前项目完成了供暖调试 、海水源热泵改造 、太阳能光伏 维护等工作 ，已实现 ＣＯ２ 减排量 ９９０．５５ｔ ，并计划于 ２０２３ 年前实现社区碳排放 ＜２５ｋｇ ／（ ｍ ２ ａ ）。 在青岛将零碳社区的建设经验进行了大范围的推广 ，为城市更新提供了零碳解决方案 ，是青岛市 建筑及能源领域实现碳中和目标的重要探索 。 关键词 零碳社区 ；技术体系 ；城市更新 ；双碳 仲家骅 ，男 ，１９７２年生 ，硕士 ，高级工程师 ２６６０００ 山东省青岛市市南区彰化路 １２号 Ｅ－ｍａｉｌ ｑｄｒｄｑｈ＠１６３．ｃｏｍ 收稿日期 ２０２２－０４－１１ ０ 引言 全球气候变化带来的影响日益凸显 ，从 京都 议定书 到 巴黎协定 ，世界各国一直都在协力应 对 。人们意识到绿色低碳发展的重要性 ，可持续发 展的任务变得紧迫而艰巨 。建筑是城市运行的核 心载体 ，全寿命周期所产生的碳排放占全社会总碳 排放量的 ４９．９７％ ，是 “双碳 ”目标实现的关键领 域 。在我国 ，既有建筑存量巨大 ，达到 ７２６ 亿 ｍ ２ ， 仅运营阶段碳排放量就达到 ２１．３ 亿 ｔ 。随着人们 生活水平的不断提高 ，建筑的能耗水平还会持续 增加 ，在保障社会经济发展需求的情况下 ，既有 建成区的零碳更新是城市实现碳中和目标的重 要基础 。 １ 奥帆中心零碳社区建设模式 １．１ 项目概况 奥帆中心位于青岛市核心区域 ，总用地面积 ４５ｈｍ ２ ，总建筑面积 ２２．７ 万 ｍ ２ ，社区内共包括 １０ 栋建筑 ，集合了各种类型的大型公共建筑 ，包括会 议 、酒店 、办公 、博物馆 、媒体中心等 （见表 １ ），是具 有代表性的公共建筑集中区 。 项目于 ２００６ 年完工 ，当时的设计建设标准处 于较高水平 ，社区内集合应用了海水源热泵 、光伏 发电系统 、风力发电 、污水源热泵等先进技术 ，但经 过十几年的运行 ，设备能效降低 ，能耗水平较高 。 根据能耗监测数据 ，近 ５ 年平均耗电量为 ６６ｋＷ ｈ ／（ ｍ ２ ａ ），耗热量为 ０．３３ＧＪ ／（ ｍ ２ ａ ），均高于我 国 ＧＢ ／ Ｔ ５１１６１ ２０１６ 民用建筑能耗标准 中约 束值的要求 。参考国内外关于零碳的定义和标准 ， 表 １ 青岛奥帆中心建筑基本信息 建筑名称 建筑 面积 ／ｍ ２ 层数 主要功能 海尔洲际酒店 ９５ ０００ 地上 １７层 ，地下 ２层 超五星级酒店 国际会议中心 ５４ ０３２ 地上 ４层 ，地下 １层 会议为主的综合建筑 中翔航通酒店 ２６ ０００ 地上 ６层 ，地下 １层 酒店 、餐饮 旅游集团 １１ ８８０ 地上 １２层 ，地下 １层 办公 奥帆博物馆 ９ ３００ 地上 ２层 ，地下 １层 博物馆 媒体中心 ７ ９００ 地上 ２．５层 ，地下 １层 办公 、会议 燕岛宾馆 ７ ２７２ 地上 ５层 ，地下 １层 酒店 、餐饮 后勤保障中心 ７ ０００ 地上 ３层 ，地下 １层 公共服务 运动员中心 ５ ０００ 地上 ４层 ，地下 ２层 公共服务 宴会厅 ３ ７５２ 地上 １层 会议 、餐饮 结合奥帆中心项目本身的条件 ，最终确定以 世界 银行 ／全球环境基金会 中国上海低碳城市绿色 能源计划 （ Ｐ１２７０３５ ）中提出的零碳建筑定义为短 期目标 ，力争于 ２０２３ 年前实现社区碳排放 ＜２５ ｋｇ ／（ ｍ ２ ａ ）、电耗 ＜３４．７ｋＷ ｈ ／（ ｍ ２ ａ ）的目 标 。在之后长期的建设运营过程中 ，通过可再生能 源应用技术的突破及人们节能意识的提升 ，不断地 进行技术体系升级 ，并持续地对社区碳排放进行跟 踪监测 ，以实现最终的零碳排放目标 。图 １ 为青岛 奥帆中心零碳社区碳排放目标分解示意图 。 １．２ 零碳技术体系 建筑作为能源的消费终端 ，主要以间接形式产 生碳排放 ，包括建材生产 、建造施工 、运行维护和拆 除报废各个阶段能源消耗所产生的碳排放 。由于 奥帆中心是既有建成区 ，目前的碳排放主要来自于 ４５２ 暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０２２ 年第 ５２ 卷增刊 １ 节能 图 １ 青岛奥帆中心零碳社区碳排放目标分解示意图 两方面 第一是建筑使用过程中的碳排放 ，包括满 足冷热需求消耗的电力和热力所产生的碳排放 、用 水及污水和垃圾排放所产生的碳排放 ；第二是社区 内交通车辆能源消耗所产生的碳排放 。建筑碳排 放水平主要受供给侧能源结构 、系统能效 、围护结 构性能 、用能用水方式和垃圾分类回收水平的影 响 ，交通碳排放与燃油车的使用比例关系较大 。为 了更好地降低社区内整体的碳排放水平 ，实践过程 中从环境 、经济和社会系统综合运行的角度 ，构建 了以零碳为目标的社区更新技术体系 （见图 ２ ）。 主要技术包括 图 ２ 青岛奥帆中心零碳社区技术体系 １ ）光储直柔 。充分利用社区内原有光伏设 备 ，并尽可能地增加光伏铺设面积 ，部分光伏电用 于电动车充电 ，同时将其作为移动的储能和调峰设 备 ；选择照明 、办公等较易实现直流配电的设备进 行改造 ，实现光伏电的直发直用 。 ２ ）热泵技术 。提升原海水源热泵机组的能 效 ，并为有条件的建筑增设海水源热泵 ；充分利 用社区内配套的小型污水处理厂所产生的余热 ， 结合太阳能光热系统满足后勤保障中心的冷热 需求 。 ３ ）能源系统调适优化 。针对目前系统运行中 存在的问题进行优化提升 ，包括系统调试 、优化运 行和控制策略 、增加自控系统 、供需精准匹配等 。 ４ ）清洁能源过渡 。采用燃气锅炉作为非集中 供暖期的供热保障 ，同时也作为北方城市供热无煤 化转型过程中的过渡性能源 ，在可再生能源无法完 全替代煤炭的阶段 ，采用相对清洁的天然气作为热 源 ，保证减排目标的持续推进 。 ５ ）智慧能源管理平台 。以三维实景精细建模 为基础 ，建成人机交互展示系统 ，以此为基础利用 ＢＩＭ 技术叠加建筑全寿命周期的能源数据和碳排 放数据 ，建设区域能源互联网系统 ，实现多能互补 、 实时大数据监测和可视化展示 ，打造智慧能源管理 控制系统 ，为实现和验证 “碳中和 ”目标提供可靠有 效的技术手段 、管理工具和展示平台 。 能源系统是建筑 、社区及城市运行过程中最主 要的碳排放来源 ，在零碳社区的建设过程中 ，将能 源系统作为最主要的改造对象 。以详尽的能源诊 断为基础 ，因地制宜地提出以碳排放指标为核心的 能源系统改造技术方案 （见图 ３ ），从零碳供暖 、设 备能效提升 、降低用电和可再生能源四方面入手 ， 提出针对性强 、可实施性高的技术措施 。以精准掌 握社区能源需求为首要任务 ，通过提升常规能源转 ５５２ 节能 暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０２２ 年第 ５２ 卷增刊 １ 换及输配效率实现供需的精准匹配 ，再结合供给侧 能源结构的优化和调整 ，实现区域可再生能源的精 准协同 ，从而推动整个社区以零碳为目标的更新改 造进程 。 图 ３ 零碳能源系统技术解决方案 对于既有建成区 ，能源系统的低碳改造是实现 零碳目标最重要的基础 ，一方面需要提高系统本身 的设备和运维管理效率 ，不断增加可再生能源技术 的应用比例 ，优化供给侧能源结构 ；另一方面建筑 本身的节能减排作用也很关键 ，从需求侧降低能源 消耗 ，具体技术包括围护结构性能提升 、绿色照明 等 ，同时还应注重建筑全寿命周期的绿色低碳管 理 ，在改造过程中秉承绿色施工理念 ，综合利用各 项节水 、节能和节材技术措施 。 燃油机动车是移动式碳源 ，在一定区域内降低 其碳排放的最佳方式是提高电动车的应用比例 ，通 过完善的基础设施建设及公交系统的合理规划 ，引 导和鼓励低碳出行方式 。奥帆中心是 ５Ａ 级景区 ， 每年客流量巨大 ，为了降低因此产生的交通碳排 放 ，计划对社区内交通进行统一管理 ，配备 ５Ｇ 移 动电动售货车和电动游览车 ，满足景区内交通和消 费需求 ，并规划光伏一体化充电桩 ，实现电动车能 源的清洁化 。情人坝照明采用智慧路灯 ，集光伏发 电 、信息采集 、绿色充电 、公共 Ｗｉ－Ｆｉ 、监控管理等 功能于一体 ，不仅满足照明需求 ，还会成为智慧城 市的终端系统 。 在项目的实施过程中 ，还探索了绿色金融手段 的应用 ，投资全部采用绿色资金 ，并获得政府对于 绿色项目的财政补贴 。同时也将碳交易纳入整体 的技术体系中 ，寻求可行的碳交易方式 ，将零碳社 区的减排量进行交易 。在人文建设方面 ，打造零碳 科技馆 ，进行零碳知识的科普宣传 ，倡导低碳生活 ， 建立节能 、节水 、垃圾分类等低碳行为的奖罚制度 ， 通过零碳意识的提高进一步降低社区内的碳排放 。 持续的零碳科研活动是保证项目质量和目标实现 的重要基础 ，奥帆中心零碳社区的建设获得了能源 基金会 、联合国开发署 、全球环境基金等国际机构 的大力支持 ，并积极参与国家零碳社区的标准编制 工作 ，在实践中通过科研活动不断完善零碳技术体 系 ，为零碳社区的建设推广提供参考性高的可复制 性经验 。 １．３ 实施进展与成效 项目于 ２０２０ 年 １２ 月份进入实施阶段 ，目前已 经完成了供热系统调试 、海水源热泵改造 、太阳能 光伏系统维护改造及光储直柔试点建筑的技术方 案 。根据 ２０２０ ２０２１ 年冬季供暖季的监测数据 ， 奥帆中心供热系统典型年 （ ２０１８ ２０１９ 年 ）全供热 季用热量为 ５４ ８０４ＧＪ ，能效提升后 （ ２０２０ ２０２１ 年 ）全供热季用热量为 ４５ ７９９ＧＪ ，与典型年相比降 低用热量为 ９ ００５ＧＪ ，二氧化碳减排量计算采用式 （ １ ），计算结果为 ９９０．５５ｔ 。 Ｃｈ＝ＥＦｈ （ Ｅｂ－Ｅｒ ） （ １ ） 式中 Ｃｈ 为用热碳减排量 ， ｋｇ ； ＥＦｈ 为供热碳排放 因子 ，按北京市 ＤＢ１１ ／ Ｔ １７８５ ２０２０ 二氧化碳排 放核算和报告要求 服务业 附录表 Ａ．２ 取值 ，为 １１０ｋｇ ／ ＧＪ ； Ｅｂ 为基准年用热量 ， ＧＪ ； Ｅｒ 为改造后 年用热量 ， ＧＪ 。 ６５２ 暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０２２ 年第 ５２ 卷增刊 １ 节能 奥帆中心媒体中心冷热源原采用 １５ 台海水源 热泵 ， ２０１９ 年空调系统总电耗为 ５９．５ 万 ｋＷ ｈ ， 占总耗电的 ３４％ ，主要包括海水源热泵设备用电 、 水泵用电和风机用电 。根据系统实测数据 ，海水源 热泵系统夏季制冷 ＣＯＰ 为 ３．３８ ，冬季供暖 ＣＯＰ 为 ３．２３ ，均 与 额 定 ＣＯＰ （制 冷 为 ４．７４ ，制 热 为 ４．８０ ）相差较大 ，系统整体能效水平较低 。改造过 程中 ，采用 ２ 台高效的螺杆式热泵机组 ，夏季 ＣＯＰ 为 ６．２ ，冬季 ＣＯＰ 为 ３．６ ，均高于原机组实际运行 能效 ，可以起到较高的节能减排作用 ，预计减排量 为 １４０ｔ ／ ａ 。 ２ 奥帆经验推广及城市零碳路径探索 奥帆中心以打造国内首个 “零碳社区 ”为目标 ， 针对人均年收入 １０ ０００ 美元的城市既有建成区提 出了社区更新的零碳解决方案 ，社区是城市的缩 影 ，面对城市建筑的巨大存量 ，青岛奥帆中心零碳 社区的建设实践在一定程度上为青岛市实现碳中 和目标提供了先行经验 ，青岛市其他区域也在零碳 社区的带动下 ，以奥帆中心的建设模式为基础积极 探索零碳路径 ，包括青岛西海岸唐岛湾金融科技创 新中心 、中德生态园 、轨道交通示范园 、邮轮母港 等 ，为青岛市实现 “双碳 ”目标奠定了重要的基础 。 同时也为湖南长沙机场 、青海西宁机场的零碳建设 提供了解决方案 。图 ４ 显示了青岛市零碳发展布 局 。 图 ４ 青岛市零碳发展布局 根据奥帆中心零碳社区的经验 ，在目前可再生 能源的技术应用和发展现状下 ，难以在满足建筑 、 社区及区域能源需求的同时一步替代化石能源 。 但与发达国家相比 ，我国实现 “双碳 ”目标的时间紧 迫 ，需要以清洁度相对较高的化石能源作为过渡性 能源 ，在降低碳排放的同时为可再生能源的规模化 应用争取先机和条件 。根据青岛市目前的能源结 构及各种能源的供给条件 ，以奥帆中心零碳社区的 模式为参考 ，青岛市既有建成区实现碳中和的 ３ 个 基本步骤基本明晰 首先 ，以建筑的能效提升为首 要前提 ，对既有建筑的围护结构进行优化 ，提升能 源系统效率 ，从需求侧降低能源的消耗 ；其次 ，将天 然气作为过渡性能源降低供热系统的碳排放 ，同时 根据青岛市的资源优势 ，逐步利用可再生能源技术 替代化石能源 ，可利用技术包括海水源热泵 、太阳 能光伏光热系统 、风力发电系统 、污水源热泵 、空气 源热泵等 ；最后 ，在可再生能源技术效率及应用有 所突破的情况下 ，实现规模化利用以全面替代化石 能源 。根据 “碳中和 ”目标的时间要求 ，我国天然气 的利用窗口期有 ２０ 年 ，而青岛市作为全国低碳试 点城市 、唯一的绿色城市 ，预估只有 １５ 年的时间 。 因此需要从 ２０２１ 年起 ，“十四五 ”期间首先实现市 区内无煤化 ，“十五五 ”期间实现区市无煤化 ，“十六 五 ”期间全市天然气利用进入平台期 ，“十七五 ”天 然气利用进入下降时期 ，从而保障碳达峰和碳中和 任务的如期完成 。 ３ 结语 青岛奥帆中心零碳社区项目以能效提升为起 点 ，经过 １ 年多的时间 ，逐步完善零碳能源技术体 系 ，探索了以供能侧结构转型为核心的零碳社区建 设路径 ，建立起包纳能源 、建筑 、交通 、金融 、人文和 科研的零碳系统 ，实现了全寿命周期的零碳管理 ， 促进了环境 、社会和经济系统绿色低碳的协同发 展 。项目计划于 ３ 年内实现碳排放 ２５ｋｇ ／（ ｍ ２ ａ ）的目标 ，对标世界银行与上海长宁低碳区的标 准 。 ３ 年以后打造青岛零碳标准 ，为发展中国家北 纬 ４０ 相对发达城市的既有建成区提供可参考 、可 复制的 “碳中和 ”解决方案 ，目前已经实现在青岛市 进行大范围的推广 ，同时也为国内其他城市的零碳 建设提供了借鉴 ，是城市零碳更新的重要探索 。 ７５２ 节能 暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０２２ 年第 ５２ 卷增刊 １