江亿院士：我国建筑的碳达峰与碳中和.pptx

我国建筑的碳达峰与碳中和 江亿 清华大学建筑节能研究中心 研究思路 最终目标实现建筑部门的零碳 通过用能结构调整，实现建筑运行过程无直接碳排放，建筑用能电气化 通过发展光伏和改变用电方式，助力电力系统零碳化 通过与电力系统的配合、充分挖掘利用各种余热资源，实现冬季零碳供热 通过和建材领域合作，减少新建和维修过程使用建材导致的建材生产碳排放 , 助 力工业生产的减碳和碳中和 通过对空调制冷系统的创新发展，解决制冷剂等温室气体减排问题 碳达峰途径 研究在满足社会经济发展和人民生活水平提高的目标下，从目前状态通向零 碳状 态的过程，力图少走弯路、在实现零碳的过程的同时促进社会经济发展 建筑运行相关二氧化碳排放状况 2019 年 建筑总量 644亿 m2 排碳总量 22 亿 t CO2 占总排放比例 22 134亿 m2 , 228亿 m2 48 kgCOyms 16 kgCOJm2 23 kgCOym2 36 kgCOymS 152 亿 m2 北方供暖 5.5 亿 g 公共建筑 （ 除北方 釆暧） 6.5 亿 tCO2 农村住宅 商品能 5.2亿 tC02 282亿 m2 城镇住宅 （除北方釆暖） 4.6 亿 tC02 通过用能方式调整，消除建筑的直接碳排放 目前状况 2019年煤、天然气等化石燃料，相关的直接碳排放 6亿吨 CO 减排路径 减少使用任何化石燃料煤、油、气 炊事方式的电气化电炊具种类增多 生活热水的电气化热泵热水器，电热水器 燃气热水锅炉的替代热泵 燃气蒸汽锅炉的替代 取消集中蒸汽系统，汽改水 必须使用蒸汽者，改用小型电热蒸汽发生器 集中供应蒸汽用于建筑需求的系统必须被替换，集中改为分散 建筑目前用电状况 （ 2019年） 运行总用电量 1.9万亿 kWh 城市居住建筑 （ 282亿 m2） 5374亿 kWh 农村居住建筑 （ 228亿 m2） 3054亿 kWh 公共建筑 （ 134亿 m2） 9932亿 kWh 各类办公建筑 （ 46亿 m2） 3276亿 kWh 商业综合体等 （ 37亿 m2） 2802亿 kWh 医院学校 （ 29亿 m2） 2020亿 kWh 公共设施（医院体育文化交通等） （ 22亿 m2） 1834亿 kWh 北方供热系统用电 611亿 kWh 建筑用电量的未来发展 未来 3亿辆电动小汽车， 2000kWh/辆， 建筑和电动小汽车用电 城镇建筑和 2.5亿辆电动小汽车 2.7万亿 0.5万亿二 3.2万亿 kWh 农村建筑和 0.5亿辆电动八汽车 电动农机具 0.7万亿 0.3万亿二 1万亿 kWh 建筑总量 750亿 m用电总量 3.5万亿 kWh,约为目前 2倍 居住建筑 350亿 m2,用电强度增加 （ 30kWh/m2） ，总量 1万亿 kWh 农村住宅 200亿 m2,用电强度增加 （ 35kWh/m2） ，总量 0.7万亿 kWh 公共建筑 200亿 nV, 总量 1.6万亿 kWh 供暖用电 （ 160亿循环 40亿热泵） 总量 0.1万亿 kWh总量 0.6万亿 kWh 提倡节约型生活方式，提高用电效率，避免建筑用电出现美、日、韩的狂涨现象 丹麦人均用电 5000kWh/A,美国人均用电 L1万 kWh,西欧 0.7〜 1万 kWh /人，建筑用 40〜 50财 我国未来人均建筑用电量 2500kWh/人，在目前人均基础上增加 10 （燃气燃煤折合为电力） 即使全面发展风电光电，如果用电需求过大，也无法解决调节与平衡问题。因此，节能是基 础 建筑用电应全部为风电光电 大力发展建筑表面光伏发电 城市建筑装机容量 4亿 kW,发电 5000亿 kWh为建筑和充电用电的 15 农村建筑装机容量 20亿 kW,发电 2.5万亿 kWh为生活用电 2.5倍 建筑消纳周边地区的风电光电基地的零碳电力 东部海上风电 坝上地区风电 吉林省风电场 周边地区光电基地 由周边风电光电基地为城镇提供 2.7万亿 kWh 满足城镇建筑运行 （ 2.7万亿 kWh） 和 电动小汽车用电 （ 0.5万亿 kWh） 共 3.2万亿 kWh 城乡建筑屋顶 3万亿 周边风光电基地 2.7万共 5.7万 kWh 关键问题柔性用电，由建筑有效消纳风电光电 光储直柔建筑配电是发展零碳能源的重要支柱 柔 充分利用建筑表面，发展光伏 蓄电池，连接邻近停车场充电桩 内部直流配电，通过直流电压的 变 化传递对负载用电的需求 作为弹性 负载，实现柔性用电 建筑入口功率实现大范围可调节的柔性用 电 是最终的目的 每万平米办公建筑 电动车 0〜 1MW 每万平米居住建筑 电动车 0〜 0.5MW 光储直 光储直柔建筑可以仅依靠零碳电力运行 在百公里内有风电、光电基地 每晚向风电光电控制中心提交第二天的总用电量和负载用电曲线 控制中心根据气象预报得到风电光电的变化，确定各个建筑第二天用电曲线 , 使 风电光电有效消纳，而各座建筑蓄能调节量最小 各座光储直柔建筑严格按照要求的用电曲线调节，实现零碳 建筑 “ 光储 直柔 ” 消纳风电光电 每万平米办公建筑 100个智能充电桩和车可形成 1MW调节能 力 ,5MWh的储电能力 每万平米居住建筑 100个智能充电桩和车可形成 0.5MW调节能 力和 5MWh的储电能力 200亿平米居住建筑、 50亿平米办公建筑和 20亿平米公共设施改 为 “ 光储直柔 ” ，并结合 2亿辆电动车，可消纳 17亿 kW外界（百公 里以内）风电光电 这些建筑自身光伏 4亿 kW,加上外界风电光电，共 21亿 kW,年发 电 2.5万亿 kWh,可满足除冬季三个月之外自身用电和所连接 2亿 辆电 动车用电 我国零碳能源转型时间表 到 2030年 每年发展 1亿 kW风电光电，到 2030年达到 12亿 kW风电光电 每年新增 500〜 800万辆电动小汽车，到 2030年达到 7000万辆 每年新増建筑中， 5〜 10亿平米采用 “ 光储 直柔 ” 方式，新増〉 500万充电桩 新增的光储直柔建筑和与其连接的电动汽车可消纳 70的新增风电光电 2030年到 2050年 每年发展 1.5〜 2亿 kW风电光电，到 2050年实现 40〜 50亿 kW风电光电 每年新增 ＞ 1000万辆电动小汽车，到 2050年达到 3亿辆 每年对 10亿平米施有建筑进行节能、功能提升和光储直柔改造，新增充电桩 1000 万以上，到 2050车光储直柔达 270亿平米 新增的光储直柔建筑和与其连接的电动汽车可消纳 70的新增风电光电 巨大的建设和改造量，要实现 2060的碳中和目标，必须从现在开始加速 城镇建筑、风电光电基地及充电桩零碳改造 投入经费 每年 1亿 kW风电光电，每年投入 4000亿元 新建建筑采用 “ 光 储直柔 “， 增加投资 100元 /m2 （不包括充电桩），每年 增加投资 1000亿元 电动车及充电桩补贴 5万元 /辆，每年 1000万辆，补贴 5000亿元 每年投资 1万亿元（电动车补贴逐年减少，光储直柔逐年增加） 每年增加的节电费用 800亿元 扣除维护管理费，静态回收年限 12年 全部完成投资 35万亿 农村的新型能源系统 依靠房屋和设施屋顶可安装 20亿 kW光电，年发电 2.5万亿 kWh 满足农民 生活用电（包括炊事、采暖），生产用电、交通用电 对全部农机具进行 电气化改造，这些机具的电池同时可蓄能调峰 每户另安装蓄电池 3〜 5kWh,满足夜间用电 每年尚余 1万亿 kWh电力上网，且可选择合适的时间段，为电网削峰 目 前已在山西芮城县庄上村进行示范性改造 户均投资 10万，再加上村公共设施投资户均 5万，共 15万 /户 全国完成改 造总投资 15万亿，不包括农机具电气化改造费用 分期进行，每年 1〜 1.5 万个村， 20〜 25年完成 每年上网送电 1.5万亿 kWh, 1万亿 /年， 农民免费用电的基础上，静态投资回报率 6.5 消除北方冬季建筑供暖导致的间接碳排放 目前状况 热电联产 45、燃煤燃气锅炉 35、分户壁挂炉 10、电动热泵 10等 多种形式 碳排放量 5.5亿吨 CO2,占建筑总的碳排放量的四分之一 低碳改造路径 多种方式的节能改造，降低采暖热需求，从 40W/m2, 0.35GJ/m2降低到 35W/m2, 0.3GJ/m2 全部电气化多种电动热泵方式，以及极严寒地区的电直热 未来 200亿 m2城镇建筑，通过提升热泵效率， COP到 3.5,需增加 2亿 kW, 0.5万亿 kWh 充分挖掘各种低品位余热资源，通过目前已有的城镇热网，集中供热 160亿 m2,余热集中供热， 50亿 GJ； 40亿 m2热泵和电热， 0.4亿 kW, 0.1万亿 kWh 我国未来电力供应的季节差 我国水电冬季比夏季低 30〜 40 黄河流域为防止冰凌灾害，冬季严格限制径流 长江流域和三江流域冬季枯水期，径流量减少 太阳能光伏电力冬季日总量平均为夏季的 40 （按照占地面积算 ） 即使不考虑冬季全面实行电驱动采暖，冬夏电负荷相差不大 实际现象 青海省夏季依靠风光水电实现零碳且有余，冬季需从甘肃、新疆引入火电 电力供给侧冬夏差 不考虑冬季电驱动采暖冬季缺少 5〜 6亿 kW,约 1.5万亿 kWh 冬季全部用电动热泵或电热采暖冬季缺少 8亿 kW,约 2万亿 kWh 最少弃风弃光 满足冬季需求 200 250 --电何魚骨 风 0.361 1227GW 光 0.639 2172GW 水电 480GW 核电 192GW 风 1966.2GW 光 3833.8GW 风电光电共 5800GW 50 16 风光水核与现有发电曲线配合 400000 200000 50 100 150 200 250 300 350 年补电量（火电发电量 亿 kWh 11865 火电装机 （ MW 638599 煤耗万 t 45978 碳排放万 t 137428 400 端斗 “（亿元 3678.73 考虑 ecus的单位发 电 量 0.8767 一可祚 .华島京 “线 1800000 1600000 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 n o b- 883 仁 c i ci cn tAtniOrr-coooOv-icicirnvr S99 卜 ■ 横电 ■ 风电 ■ 光电 ■ 水电 几种解决冬夏电力不平衡的途径 储氢夏季电解水制氢，储氢，冬季发电或直接作为燃料 投资过大， 15〜 20 万亿 能源转换效率低 增加风电光电装机容量满足冬季需求，夏春秋弃风弃光 增加风电光电装机 15亿 kW,增加电源及相关系统投资 8万亿 保留 5〜 6亿 kW火电作为调峰电源，年发电 1.5万亿 kWh 生物质燃料 2亿吨，燃气 1000亿 Nm3,燃煤 1.5亿 tee 通过 CCS或 CCUS,回收和储存利用二氧化碳 冬季发电的同时，北方 3亿 kW电厂还可以提供 4.5亿 kW, 38亿 GJ热量 作为供电保障，可在出现连阴天、静风天时补充风电光电的不足 增加投资 5万亿 北方冬季的建筑供暖热源 城镇供热建筑面积 200亿平米 需要热量 7亿 kW, 60亿 GJ 热源 北方沿海核电， 1亿 kW,余热 1.5亿 kW, 16亿 GJ 北方调峰火电， 3亿 kW,余热 4.5亿 kW, 38亿 GJ 尚保留的冶金、化工、建材产业余热， 2亿 kW, 15亿 GJ 垃圾焚烧、中水水源热泵等，可提供 1亿 kW, 10亿 GJ 上述热源可利用率 65,贝 IJ6亿 kW, 50亿 GJ 可满足 80 160亿平米城镇建筑供热需求 ___ 其余 20 40亿平米建筑采用多种分散的热泵方式， 0.4亿 kW, 0.1万亿 kWh 基于核电余热的水热联产技术 北方沿海地区是严重缺水区，冬季供暖又是主要碳排放源 利用沿海核电余热通过进行海水淡化生产热淡水 （ 95。 0 零能耗海水淡化 “ 水 热同送 ” ，单管输送热淡水，经济距离超过 200公里 终端 “ 水热分离 ” ，产生 1015C淡水和用于城市供热的热量 通过跨季节蓄能，实现冬季供热、全年供水 1亿 kW电厂年产 100亿吨淡水，且可为 100亿平米建筑冬季供暖 海水 供淡水 减少建筑建造相关碳排放 目前状况 2019年我国民用建筑建造相关的能耗 5.4亿 tee,碳排放 16亿吨 CO 民用建筑加上基础设施建造相关的碳排放高达 43亿吨 CO 我国已完成快速建设阶段，目前城镇每年竣工面积约 30-40亿 m2,拆除面积近 20 亿 m2 排放（亿 KOD 建筑设口印枳（ 3〉 。城恨住宅。公共建筑 ■ 城琪住宅及公共建筑拆除 近年来全国建筑竣工面积和拆除面积中国民用建筑建造碳排放 （ 20042019年） 减少建筑建造和维修中使用建材的碳排放责任 减排路径 合理 控制建筑总量规模，减少过量建设，避免大拆大建 由大规模建设转入既有建筑的维护与功能提升 建筑修缮和拆除新建相比，人工费用高，但建材的用量、能耗和碳排放会大幅减少 以 “ 结构加固 精细修缮 ” 模式对建筑功能提供改造，碳排放量是拆掉重建的十分之一 发展精细修缮模式所需要的技术，例如混凝土寿命预测和延寿技术等 研究发展新型低碳结构体系如木结构钢结构结构优化减少含碳 量 研究开发新型建筑材料替代水泥，大规模减少水泥用量 若能够把 CCS得到的 C02固化在建筑中，将是对减碳事业的重大贡献 减排前景 我国大规模城镇化建设和基础设施建设已初步完成囲 今后建设领域的主要任务应从新建转为维修及改造升级 到 2050年之后，如果每年由新竣工 20亿平米转为维修升级改 造 25〜 30亿平米，建筑总量不再增加，基础设施工程也不再增加， 则的碳排放可由每年 40亿吨 CO下降到 5亿吨（建筑和基础设施 ） 关键问题防止 “ 大拆 大建 ” 成为新常态 减少非二温室气体排放 目前现状 目前的制冷工质仍属温室气体，其 GWP远高于 1 1000-3000 据某些分析认为，我国由于制冷剂泄漏导致的温室气体排放相当于建筑 运 行碳排放的三分之一，因此也是重要的减排任务 需要进一步定量研究排放现状，澄清事实以指明未来减排路径 减少制冷和热泵相关的非二气体排放的途径 改变制冷和热泵方式，如间接蒸发冷却，吸收式热泵，半导体，热声 发展绿色天然工质，如 CO， 氨 降低制冷系统中的泄漏，实现无泄漏 近年来密封水平显著提高，真是的泄露量不应以制冷剂使用量作为泄漏量 严格维修、拆除中必须有效回收，不得排放；从系统中全部回收的方法 值得注意的问题 应慎重考虑天然气的发展 我国目前年消费天然气 3064亿 Nm3,其中自产约 2000亿，进口 1000亿 目前天然气消费和未来零碳系统天然气用量的变化 居民及公建用户 490亿 Nm3 200亿 Nm3 （调峰） （含炊事、生活热水、供暖） 发电用气 550亿 Nm3 1000亿 -2000亿 Nm， （调峰） 作为工业燃料 1470亿 Nm3 500 亿 Nm3 作为化工原料用气 306亿 Nm3 600亿 Nm3 交通用气 248亿 Nm3 0 未来消耗天然气上限应在 3000亿 Nm3,与未来的产气量持平 应慎重发展天然气工程 燃气下乡燃气分布式热电冷三联产大型燃气锅炉供热燃气吸收制冷 慎重建设燃气供给侧工程 LNG接收站煤制气 总结 建筑相关部门可以实现 2030年碳达峰、 2060年碳中和的目标 实现减碳、零碳的关键 建筑节能是基础，北方建筑围护结构保温，建筑系统提效 坚持绿色生活方式和用能模式，避免出现美、日、韩发生的能耗增长现象 改变用能方式，用能文化，大力推行电气化，农村的全电能源系统 转变建筑在电力系统中的功能由消费者转为生产、消费、储存三位一体 在重视提高效率减少用电需求的同时，更要重视电力负荷侧的灵活性，柔性用电 加速大规模余热回收利用工程的建设和改造水热联产，余热回收 加速实现小轿车的电气化，加速建设智能充电桩系统 能源零碳转型将带动新型产业发展，并为未来社会提供低成本能源 2035年前新的投资方向，应把对房地产的投资转为支持零碳能源系统改造 2025年到 2040年将拉动系列新型产业发展电池、电动车、直流配电与电器等 -2040年以后形成新的可再生电力系统，提供低成本电力，支撑高端制造业发展