觀點分享丨仇保興：“碳中和建筑”將成為第二次現代建筑的革命
廣東裝配式建筑分會 2022-01-24 3411
近日，國際歐亞科學院院士、住房和城鄉建設部原副部長、中國城市科學研究會理事長仇保興先生在中國城市科學研究會可再生能源與碳中和建筑專業委員會第一次委員會議暨“可再生能源助力建筑與城市低碳發展高端論壇”中，發表題為《迎接三個趨勢，開啟碳中和建筑新時代》的演講。國際歐亞科學院院士、住房和城鄉建設部原副部長、中國城市科學研究會理事長
很高興有這么個機會和大家一起共同見證“可再生能源與碳中和建筑專委會”的成立，該專委會的成立順應了當前時代的發展，隨著可再生能源等新技術的加速發展，現代建筑科技正面臨三個革命性新趨勢：
在人類歷史上，第一次從注重建筑能耗的節約，要轉向廣泛利用建筑來產生能源。人類建筑史長達上萬年，從舊石器時代人類就創造了建筑，發展到現在，現代建筑將結合各種各樣的可再生能源應用使建筑從能源消耗者轉向能源生產者。這就意味著建筑不再是城市能源消耗的某個單元，而是有新能量產生的一個新主體，由眾多這類主體構成的城市就為城市實現碳中和奠定了堅實基礎。在這個充滿顛覆性創新的時代，今后的建筑設計師都需要在節能的成本與產能的成本之間做科學理性的比較。現代科技的快速發展使得各種各樣的節能技術越來越新穎，能效越來越高，成本越來越低。例如從傳統的建筑保溫轉向輻射能的節約，從集中能源利用轉向分布式的能源產生等等。又例如，相較于傳統的節能技術成本，可再生能源的技術成本反而下降得更快，太陽能光伏成本在10年內降了近乎10倍，從技術上考慮未來成本還可以進一步降低，除此以外，屋頂風能和生物能源等可再生能源的成本也在大幅下降。盡管當前可再生能源的成本比建筑節能保溫技術的成本低許多了，但仍有許多建筑師僅僅停留在對建筑保溫、對維護結構密封這類傳統的節能技術應用上。采用保溫技術節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，因此未來應將建筑節能與產能兩種技術結合在一起，使得以最低的成本實現最高的效率，進而使建筑實現碳中和，甚至還可能成為“負碳之源”。
20世紀初期，由法國、英國、荷蘭等國家的建筑師發起了一場稱之為“新建筑”的運動，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，轉向由水泥、鋼筋、鋼鐵、玻璃建造的建筑。當時提出“建筑就是居住的機器”的觀念，認為建筑應該像工廠那樣明快、簡潔、實用，它就是一個供眾多人類公平居住使用的一種機器。這一場“新建筑”的革命宣告了現代建筑的誕生，也使得城市化的成本大大降低。世界上現在有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代之后建造的。新建筑革命所帶來的這種遺產，使得建筑結構簡潔，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因此受到哪些負面影響。根據國際能源署提供的數據，建筑全生命周期產生的碳排放無論怎么算都占到碳排放總量的40%以上，即人類活動所造成的溫室氣體排放量中，建筑行業占到其中的40%，而這個比例在我國則達到了50%。我國與全世界其它國家建筑最主要的一個區別就是我國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生的碳排放還是運行期間產生的碳排放，我國建筑的碳排放比例都是全球最高的國家之一。由此可見，碳中和建筑在我國的“雙碳戰略”中應該發揮最重要作用。從全生命周期考慮，如果全國所有的建筑都能實現碳中和，那么“碳中和建筑”就能為“雙碳目標”的實現貢獻一半的力量，顯然沒有一個行業的減碳量能夠與之比較。因而，從減碳總量上看這一場新運動將是建筑近代史上又一次偉大的轉變。近代建筑史上第一次偉大轉變是十九世紀初葉，從“古典建筑”轉向“現代建筑”，人們稱之為“新建筑運動”。但是今天我們討論的“碳中和建筑”將成為第二次現代建筑的革命，在這場革命中，可以將各種各樣的可再生能源組合到建筑中，例如太陽能光伏、地源熱泵、空氣源熱泵、屋頂風機和電梯下降能等利用組合。在建筑表皮裝太陽能光伏板和屋頂裝風力發電裝置，與建筑的結構進行匹配，將建筑頂部結構設置為朝陽面斜坡，根據實驗測得這一結構變化可額外獲得30%的太陽能，而且這個結構如果產生風壓，風速也會提高50%。由于風能發電量與風速的三次方成正比，在設計建筑結構時，只需做一些適當的變化就可以提升風能的發電量一倍以上。另外，建筑還可與立體園林組合，使得綠化率達到150%，這種建筑即使是高層建筑也能產生豐富的生物量，每年可產生大量的生物質燃料。如此一來，通過把太陽能、地源熱泵、空氣源熱泵、風能、生物質能源等可再生能源與建筑物進行合理的組合利用，在使建筑成為能源的分配器的同時更能使建筑成為產能單位。淺層地熱能，空氣源熱泵、深層地熱源在建筑上的應用都屬于“低品質的能源”，因為這些能源最高溫度往往都是在100攝氏度上下，而高品質能源例如電能是可以長距離輸送和高效轉換的能源。這些高品質能源一旦與峰電交易、碳交易相結合，就可以為用戶帶來足量的現金流。建筑物產生的綠色電力可以高效轉化為其它類別的能源，這樣的高品質能源不僅可以長距離輸送，也可以很方便的儲存。低品質能源可在建筑內作為制冷或供暖充分應用，而高品質能源則可以作為電網的調峰能源適時交易出售。如果每一個建筑都能實現碳中和，那么整個城市碳中和就能順理成章地完成。總的來說，在“建筑結構”的革命上，首先應該考慮盡可能充分利用就地產生的低品質能源，輸出和交易高品質能源。除此之外，“碳中和建筑”必然也是一種氣候適應性建筑，這就要求“碳中和建筑”需像鳥的羽毛一樣，根據自然氣候進行自適應調節變化。現代能源的儲存模式將從傳統的集中式、大型化、中心控制轉向為分布式、小型化與建筑緊密結合的模式。按全國在2030年實現“碳達峰”的計劃，新型電力系統可再生能源的應用比率要達到總能源的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中不斷提升過程中，由于大量應用風能、太陽能等這些低成本的可再生能源，使得電網波動性很大，因此需要大量的儲能設備來進行均衡。如果采用傳統的集中式的能源儲存模式，不僅成本高，而且可能會成為城市內部的風險源。例如2021年4月16日，北京市豐臺區發生了一起大型儲能電站爆炸事故，兩個消防員在事故中犧牲。該項目包括25MWh的磷酸鐵鋰電池儲能，是北京城市中心最大規模的商業用戶側儲能電站。此次事故后北京市政府當即決定把這一類大型能源儲存裝置立項全部撤銷。但如果通過建筑結構的變革，使建筑與分布式的儲能裝置相結合，這不僅能解決建筑自身能源儲存的問題，更能為構建一個安全的城市電網做出巨大貢獻，且在技術上也都是成熟可實施的。又例如太陽能光伏可與柔性直流技術更好地匹配，從而使建筑太陽能光伏發電的效率和可靠性進一步得到提升。從目前的趨勢來看，在2030年時我國將會有1億輛電動車，目前每輛電動車的儲電能力平均是60度電，這就意味著有60億度電可瞬間儲存在電動車內，這樣巨量的儲電能力若合理調配就能使電網得到穩定運行。例如通過利用社區的分布式能源微電網以及電動車儲能組成“微能源系統”，在電網處于用電峰谷的時候，使所有社區停放的電動汽車進行自動低價充電；當電網處于用電峰頂時，可以借用電動車所儲的電按峰谷差價出售給電網一部分電力，這既能對電網用能進行調節，又能為電動車主帶來利潤。如果外部突發停電，社區也可以借助各家各戶的電動車電能作為臨時能源供應。如此一來，這樣的居民小區實際上就是一個發電單位，也是一個韌性很強的虛擬電廠。更重要的是，比起傳統的抽水和大型電池蓄能，這種分布式的社區微電網在儲能成本上、韌性安全保障能力方面都有顯著的優勢。總之，可再生能源與碳中和建筑必須擁抱這三個革命性趨勢，希望專委會能夠抓住歷史機遇，充分發揮技術、平臺、項目實踐之間的聯動發展優勢，為建筑和城市雙碳目標達成做出新貢獻，真正使我國領先于全世界更穩更快走向碳中和，為實現生態文明做出更大貢獻。
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