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“双碳”目标下建筑能源系统发展趋势_青岛高校信息产业股份有限公司
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“双碳”目标下建筑能源系统发展趋势

“双碳”目标下建筑能源系统发展趋势

  • 分类:行业资讯
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  • 来源: IESPlaza综合能源服务网
  • 发布时间:2023-06-02
  • 访问量:0

【概要描述】能源是支撑国家经济发展、保障人民生活水平的核心基础。随着社会能源需求的不断增长,建设先进的能源系统是实现“双碳”目标、推动城市高质量发展的重要举措。

其中,建筑是城市的重要组成部分,建设先进的建筑能源系统是落实城市更新计划、推动城市能源革命的重要抓手。

政府各部委先后出台了“关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见”“关于推动城乡建设绿色发展的意见”“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划等一系列政策推动城市建筑的绿色高质量发展,并对高耗能建筑作出了严格管控要求。

根据2021年中国建筑节能协会发布的数据,目前建筑全过程能耗总量约占全国能源消费总量的46.00%,而建筑物全生命周期碳排放总量占全国碳排放的比重为49.97%。

现阶段,建筑全过程能耗和碳排放呈现一致增长的特点,且全国大部分城市约有80%的新建建筑达不到节能标准。

建筑能源系统具备较大的节能降碳潜力。因此,在“双碳”目标的指引下,建筑能源系统的绿色化、电气化、低碳化发展将成为我国建筑新建和改造的主流趋势。现有的研究大多集中在建筑能源系统的建模方法、优化求解、能耗与碳排放核算、综合评价等方面,对建筑能源系统整体发展趋势和方向的研究较少。

本文围绕建筑能源系统的建设、运行及管理等环节,从主动产能、被动节能、协同互动运行、数字化管理、区域需求响应、碳能管控机制等方面,对建筑能源系统发展趋势进行分析和展望,为推动建筑能源系统高质量转型发展、加快落实城市“双碳”目标提供有益参考。

建筑能源系统

“双碳”背景下,建筑系统从传统的用能主体逐步转变为能源产销复合体,建筑能源系统由传统的“集中式供能+建筑内部能量监控”系统向“分布式多能互补+智慧能源管理”系统转变,图1展示了新型建筑能源系统的典型结构。

 



随着信息技术的发展,新型建筑能源系统将通过智慧能量管理系统(Building Energy ManagementSystem,BEMS)采集并统一处理系统内部能量流通各环节的数据信息,根据获取到的实时数据信息对系统设备进行出力决策,从节能降碳、经济运行、安全稳定等多角度对系统能量进行最优化管理。

建筑能源系统发展趋势分析

▌主动产能

城市建筑正逐步从传统能源消费者转变为能源产销复合体,以光伏、风电、地热能为代表的本地绿色能源将得到最大程度的开发利用。建筑作为城市用能主体之一,对电/热/冷/气等多品类能源具有长期、稳定的需求,同时又具备就地应用风、光、地热等本地绿色能源的优势,可实现建筑绿色发展,为碳达峰、碳中和作出重大贡献。

目前,本地绿色能源在建筑能源系统中的应用形式主要有2大类,一类是以太阳能为主体的供电/热系统,包括传统屋顶光伏发电、传统太阳能热水/采暖系统、光伏建筑一体化、光热建筑一体化等,另一类是以低品位热源为主体的供热系统,主要包括空气源/地源/水源等新兴热泵装置为代表的供热系统。

根据自然资源部国土卫星遥感应用中心测算的数据,全国分布式屋顶光伏的建设潜力达14000k㎡。住房和城乡建设部发布的“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划也提出推动太阳能建筑应用并加强地热能、空气能等可再生能源利用。

到2025年,全国新增建筑太阳能光伏装机容量将达到50GW以上,地热能建筑应用面积1亿㎡以上,城镇建筑可再生能源替代率达到8%。因此,在当前利好的政策环境下,建筑侧分布式光伏、地热等绿色能源有望迎来新一轮开发应用热潮,建筑侧分布式电/热源也将成为新型电力系统建设的重要组成部分。

 



▌被动节能

建筑节能标准由超低能耗逐步向近零能耗、零能耗过渡,满足用户舒适、健康、环保需求的装配式、被动节能式建筑将呈现一体化协同发展态势。

装配式和被动式是未来建筑的两大发展方向,装配式建筑通过采用预制式构件提高了施工效率,也从一定程度上减少了建设能耗;

被动节能式建筑则通过高性能的围护结构营造最佳的室内环境,从而降低主动式供能能耗。根据住建部公布的规划数据,到2025年,全国将新建超低能耗、近零能耗建筑0.5亿㎡以上,装配式建筑占当年城镇新建建筑的比例达到30%。

且自2022年4月起,我国新建建筑和公共建筑平均设计能耗水平应在2016年执行的节能设计标准基础上分别降低30%和20%,平均碳排放强度统一降低40%。

各地方也颁布了相关标准条例引导建筑节能发展。以江苏省为例,住建厅发布的《居住建筑热环境和节能设计标准》规定新建建筑节能标准由65%提升到75%。在城市发展由增量扩张向存量优化逐步转变的背景下,建筑建设效率和用能效率的提升将成为城市更新发展的重点。

随着用户节能意识的不断增强和对节能技术认知的不断加深,装配式和被动节能式相结合的建筑建设方式具备良好的技术应用前景和巨大的市场潜力。

▌协同互动运行

电能消费将成为建筑终端能源消费体系的核心,电/热/冷/气等多能流灵活高效协同将成为新型建筑能源系统的重要特征。在建筑供给侧分布式清洁能源发电技术(光伏、风电为主)及消费侧电气化技术(空气源/地源/水源热泵、全电厨房为主)快速发展的驱动下,建筑终端用能电力替代程度进一步加深,根据住建部的预测数据,全国建筑用能电气化率将从2019年的37.1%快速增长至2025年的55%。

在“双碳”目标下,减少温室气体直接排放仍将是建筑领域在未来较长一段时期内的关注重点。

建筑侧新增用电需求将呈现快速上升趋势,以高效能热泵为代表的电气化设备也将迎来重要的市场发展机遇。电气化在促进建筑绿色发展的同时,也提高了建筑能源系统运行的安全性和可靠性。

配备电气自动化控制系统的建筑能够实现统一、快速、精准的负荷控制与故障排除,高比例电气化的建筑能够促进建筑内部各用能系统的高效耦合与灵活互动,从而为提升系统整体能效带来可能。

未来的新型建筑能源系统将以“光储直柔”为主要特征,不但要适应以分布式/一体化光伏为代表的新能源的大量接入,还要兼顾储能和低压直流配电技术的标准化评估和开发;不但要调和用户柔性用能和系统降碳需求的矛盾,还要协调电/热/冷/气等多能流的安全、高效、灵活互补运行。

其中,以清洁电热协同为代表的多能流互动模式或将成为低成本挖掘建筑能源系统灵活性资源、推进城市能源变革的重要路径。

 



▌数字化管理

建筑能源管理的高效集约数字化需求不断上升,能源管理平台由传统设备级能耗数据采集监测逐步向系统级智能化管控升级。近年来,能源供给环境日趋紧张,降低建筑能耗总量、碳排放、运行成本成为国家、行业、用户关注的重要问题,对建筑能源实施集中动态监控和节能潜力数字化分析的需求大幅上升。

在政府的主导和推动下,全国建成了数以百计的大型公共建筑能耗监测平台系统,根据住建部发布的城市信息模型基础平台技术标准,监测系统数据可覆盖空调、办公设备、电梯、照明灯等常见建筑用能设备。

但建筑能源管理是一个需要多主体(政府、建筑主管部门、设计企业、施工企业、物业管理企业、用户等)、多环节(数据采集/存储/统计分析、节能诊断、优化控制、综合管理等)协调配合的系统工程,现阶段建筑的能源管理仍停留在采集能耗数据、对比历史数据、单体设备分散控制的较低层次,存在数据获取过程复杂、数据颗粒度粗、业务层次单一、技术含量低(节能改造方案以更换高成本的高效设备为主)等问题,缺乏从系统角度出发在变配电、供热、给排水、照明等综合用能场景下对系统设备进行统一、集中、智能化管控的措施。

随着数据挖掘、机器学习等信息技术的高速发展和智慧城市系统的进一步集成升级,绿色、统一、实时、智能化成为目前世界建筑发展的必然要求。建筑能源系统需要协调城市和本地的两级平台,借助跨学科、跨领域的理论融合,对建筑能源管理平台进行数字化、智慧化升级势在必行。

▌区域需求响应

建筑侧柔性可控资源与电网的灵活互动响应潜力逐步增大,“源荷互动”理念将引领区域建筑智慧用能新模式。

传统建筑侧灵活性资源包括中央空调/分体式空调系统、高效热泵、冷水机组、微型燃机等,随着分布式光伏、风电、储能电池、电动汽车等柔性资源不断接入建筑能源系统,建筑侧灵活性资源可调控潜力不断增大。在满足用户用能需求的前提下,合理调度建筑侧可控负荷,能够为电力系统提供需求响应容量支撑,平抑峰谷负荷波动,提升建筑能源系统和电力系统的整体用能效率,降低系统供能成本和碳排放。

相比于工业、交通等行业,建筑的灵活性资源具备更高的数据可信度、更小的生产影响,但以单体建筑为代表的需求侧资源具有总体规模大、单个体量小、市场主体多的特征,无法像发电侧灵活性资源一样被直接调度,需要聚合/打包才能形成可观、可控的优质建筑群资源。

可以预见,区域建筑将是未来需求响应的重要应用场景。国家也出台了相关文件支撑建筑群整体参与电力需求响应,但区域建筑能源的利用须以区域实际能源供应条件、资源禀赋情况、建筑用能需求为基础,“源荷互动”的理念逐步推进区域建筑需求响应试点、虚拟电厂示范、电力市场交易等智慧用能新模式的开展。

 



 

▌碳能管控机制多元融合

碳能管控向建筑全生命周期贯穿,法规引领、政策引导、强制标准约束、技术突破等多元机制融合将是建筑低碳转型的关键助力。

现有的建筑行业能耗及碳排放相关标准大多仅针对设计和运行阶段,对建材生产、施工等其他环节的显/隐式能耗和碳排放缺乏明确的规范。根据2021年中国建筑节能协会发布的数据,建材生产、建筑施工、建筑运行过程的能耗占全国总体能源消费的比例分别为22.8%,1.9%和21.2%,碳排放分别占全国总体碳排放的28.0%,1.0%和21.6%。

可见,建材生产、建筑施工、建筑运行环节的能耗和碳排放也不容忽视。在日益紧迫的节能降碳形势下,国家开始对建筑碳能指标进行强制性的量化管控,如《建筑节能与可再生能源利用通用规范》规定,新建居住和公共建筑碳排放强度相比2016年节能标准应平均降低7 kgCO2/(㎡·a)。

各地政府也发布了定额控制规定,以2022年发布的《深圳经济特区绿色建筑条例》为例,该条例规定对连续2年用能指标超过建筑能耗标准约束值50%以上的既有建筑实施强制性节能改造。未来的建筑行业碳能分析和管控方式将从设计、运行阶段贯穿到全生命周期,包括规划、设计、生产、运输、施工、运行维护、拆除、回收等多阶段。但多环节多阶段也面临着技术升级、流程复杂、地区差异、协调困难等一系列问题。

因此,建筑碳能管控的全生命周期化,须遵循国家法规的顶层设计和强制标准约束,并且在国家政策的引导下,各地区结合当地建筑行业实际情况和技术特点,探索开展多机制融合、因地制宜的建筑低碳转型路径。


 

建筑能源系统是城市能源革命的重要载体,实现建筑能源系统的绿色、低碳发展对于实现“双碳”目标具有重要意义。本文从分布式资源接入后的建筑能源系统新型结构出发,围绕系统建设、运行和管理的过程环节,分析了建筑能源系统的发展趋势,主要结论如下:

1)建筑由单一耗能向主动产能转变,光伏、风电、地热能等本地绿色能源将得到最大程度的开发利用;

2)建筑装配式和被动式节能技术具有巨大市场潜力,建筑由超低能耗逐步向近零能耗甚至零能耗过渡;

3)新型建筑能源系统以“光储直柔”为主要特征,电/热/冷/气等多能流将实现高效协同;

4)建筑能源管理向高效化、集约化、数字化发展,管理方式由传统设备级能耗监测逐步向系统级智能化管控升级;

5)“源荷互动”理念逐步发展,区域建筑需求响应试点、虚拟电厂示范、电力市场交易等智慧用能新模式将不断涌现;

6)碳能管控向建筑全生命周期贯穿,顶层强制标准约束、区域因地制宜建设、技术路线突破等多元机制融合将是建筑能源系统低碳转型的关键。(文/邹风华,朱星阳,殷俊平,孟诗语,江海燕,陈爱康,刘澜)

 

“双碳”目标下建筑能源系统发展趋势

【概要描述】能源是支撑国家经济发展、保障人民生活水平的核心基础。随着社会能源需求的不断增长,建设先进的能源系统是实现“双碳”目标、推动城市高质量发展的重要举措。

其中,建筑是城市的重要组成部分,建设先进的建筑能源系统是落实城市更新计划、推动城市能源革命的重要抓手。

政府各部委先后出台了“关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见”“关于推动城乡建设绿色发展的意见”“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划等一系列政策推动城市建筑的绿色高质量发展,并对高耗能建筑作出了严格管控要求。

根据2021年中国建筑节能协会发布的数据,目前建筑全过程能耗总量约占全国能源消费总量的46.00%,而建筑物全生命周期碳排放总量占全国碳排放的比重为49.97%。

现阶段,建筑全过程能耗和碳排放呈现一致增长的特点,且全国大部分城市约有80%的新建建筑达不到节能标准。

建筑能源系统具备较大的节能降碳潜力。因此,在“双碳”目标的指引下,建筑能源系统的绿色化、电气化、低碳化发展将成为我国建筑新建和改造的主流趋势。现有的研究大多集中在建筑能源系统的建模方法、优化求解、能耗与碳排放核算、综合评价等方面,对建筑能源系统整体发展趋势和方向的研究较少。

本文围绕建筑能源系统的建设、运行及管理等环节,从主动产能、被动节能、协同互动运行、数字化管理、区域需求响应、碳能管控机制等方面,对建筑能源系统发展趋势进行分析和展望,为推动建筑能源系统高质量转型发展、加快落实城市“双碳”目标提供有益参考。

建筑能源系统

“双碳”背景下,建筑系统从传统的用能主体逐步转变为能源产销复合体,建筑能源系统由传统的“集中式供能+建筑内部能量监控”系统向“分布式多能互补+智慧能源管理”系统转变,图1展示了新型建筑能源系统的典型结构。

 



随着信息技术的发展,新型建筑能源系统将通过智慧能量管理系统(Building Energy ManagementSystem,BEMS)采集并统一处理系统内部能量流通各环节的数据信息,根据获取到的实时数据信息对系统设备进行出力决策,从节能降碳、经济运行、安全稳定等多角度对系统能量进行最优化管理。

建筑能源系统发展趋势分析

▌主动产能

城市建筑正逐步从传统能源消费者转变为能源产销复合体,以光伏、风电、地热能为代表的本地绿色能源将得到最大程度的开发利用。建筑作为城市用能主体之一,对电/热/冷/气等多品类能源具有长期、稳定的需求,同时又具备就地应用风、光、地热等本地绿色能源的优势,可实现建筑绿色发展,为碳达峰、碳中和作出重大贡献。

目前,本地绿色能源在建筑能源系统中的应用形式主要有2大类,一类是以太阳能为主体的供电/热系统,包括传统屋顶光伏发电、传统太阳能热水/采暖系统、光伏建筑一体化、光热建筑一体化等,另一类是以低品位热源为主体的供热系统,主要包括空气源/地源/水源等新兴热泵装置为代表的供热系统。

根据自然资源部国土卫星遥感应用中心测算的数据,全国分布式屋顶光伏的建设潜力达14000k㎡。住房和城乡建设部发布的“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划也提出推动太阳能建筑应用并加强地热能、空气能等可再生能源利用。

到2025年,全国新增建筑太阳能光伏装机容量将达到50GW以上,地热能建筑应用面积1亿㎡以上,城镇建筑可再生能源替代率达到8%。因此,在当前利好的政策环境下,建筑侧分布式光伏、地热等绿色能源有望迎来新一轮开发应用热潮,建筑侧分布式电/热源也将成为新型电力系统建设的重要组成部分。

 



▌被动节能

建筑节能标准由超低能耗逐步向近零能耗、零能耗过渡,满足用户舒适、健康、环保需求的装配式、被动节能式建筑将呈现一体化协同发展态势。

装配式和被动式是未来建筑的两大发展方向,装配式建筑通过采用预制式构件提高了施工效率,也从一定程度上减少了建设能耗;

被动节能式建筑则通过高性能的围护结构营造最佳的室内环境,从而降低主动式供能能耗。根据住建部公布的规划数据,到2025年,全国将新建超低能耗、近零能耗建筑0.5亿㎡以上,装配式建筑占当年城镇新建建筑的比例达到30%。

且自2022年4月起,我国新建建筑和公共建筑平均设计能耗水平应在2016年执行的节能设计标准基础上分别降低30%和20%,平均碳排放强度统一降低40%。

各地方也颁布了相关标准条例引导建筑节能发展。以江苏省为例,住建厅发布的《居住建筑热环境和节能设计标准》规定新建建筑节能标准由65%提升到75%。在城市发展由增量扩张向存量优化逐步转变的背景下,建筑建设效率和用能效率的提升将成为城市更新发展的重点。

随着用户节能意识的不断增强和对节能技术认知的不断加深,装配式和被动节能式相结合的建筑建设方式具备良好的技术应用前景和巨大的市场潜力。

▌协同互动运行

电能消费将成为建筑终端能源消费体系的核心,电/热/冷/气等多能流灵活高效协同将成为新型建筑能源系统的重要特征。在建筑供给侧分布式清洁能源发电技术(光伏、风电为主)及消费侧电气化技术(空气源/地源/水源热泵、全电厨房为主)快速发展的驱动下,建筑终端用能电力替代程度进一步加深,根据住建部的预测数据,全国建筑用能电气化率将从2019年的37.1%快速增长至2025年的55%。

在“双碳”目标下,减少温室气体直接排放仍将是建筑领域在未来较长一段时期内的关注重点。

建筑侧新增用电需求将呈现快速上升趋势,以高效能热泵为代表的电气化设备也将迎来重要的市场发展机遇。电气化在促进建筑绿色发展的同时,也提高了建筑能源系统运行的安全性和可靠性。

配备电气自动化控制系统的建筑能够实现统一、快速、精准的负荷控制与故障排除,高比例电气化的建筑能够促进建筑内部各用能系统的高效耦合与灵活互动,从而为提升系统整体能效带来可能。

未来的新型建筑能源系统将以“光储直柔”为主要特征,不但要适应以分布式/一体化光伏为代表的新能源的大量接入,还要兼顾储能和低压直流配电技术的标准化评估和开发;不但要调和用户柔性用能和系统降碳需求的矛盾,还要协调电/热/冷/气等多能流的安全、高效、灵活互补运行。

其中,以清洁电热协同为代表的多能流互动模式或将成为低成本挖掘建筑能源系统灵活性资源、推进城市能源变革的重要路径。

 



▌数字化管理

建筑能源管理的高效集约数字化需求不断上升,能源管理平台由传统设备级能耗数据采集监测逐步向系统级智能化管控升级。近年来,能源供给环境日趋紧张,降低建筑能耗总量、碳排放、运行成本成为国家、行业、用户关注的重要问题,对建筑能源实施集中动态监控和节能潜力数字化分析的需求大幅上升。

在政府的主导和推动下,全国建成了数以百计的大型公共建筑能耗监测平台系统,根据住建部发布的城市信息模型基础平台技术标准,监测系统数据可覆盖空调、办公设备、电梯、照明灯等常见建筑用能设备。

但建筑能源管理是一个需要多主体(政府、建筑主管部门、设计企业、施工企业、物业管理企业、用户等)、多环节(数据采集/存储/统计分析、节能诊断、优化控制、综合管理等)协调配合的系统工程,现阶段建筑的能源管理仍停留在采集能耗数据、对比历史数据、单体设备分散控制的较低层次,存在数据获取过程复杂、数据颗粒度粗、业务层次单一、技术含量低(节能改造方案以更换高成本的高效设备为主)等问题,缺乏从系统角度出发在变配电、供热、给排水、照明等综合用能场景下对系统设备进行统一、集中、智能化管控的措施。

随着数据挖掘、机器学习等信息技术的高速发展和智慧城市系统的进一步集成升级,绿色、统一、实时、智能化成为目前世界建筑发展的必然要求。建筑能源系统需要协调城市和本地的两级平台,借助跨学科、跨领域的理论融合,对建筑能源管理平台进行数字化、智慧化升级势在必行。

▌区域需求响应

建筑侧柔性可控资源与电网的灵活互动响应潜力逐步增大,“源荷互动”理念将引领区域建筑智慧用能新模式。

传统建筑侧灵活性资源包括中央空调/分体式空调系统、高效热泵、冷水机组、微型燃机等,随着分布式光伏、风电、储能电池、电动汽车等柔性资源不断接入建筑能源系统,建筑侧灵活性资源可调控潜力不断增大。在满足用户用能需求的前提下,合理调度建筑侧可控负荷,能够为电力系统提供需求响应容量支撑,平抑峰谷负荷波动,提升建筑能源系统和电力系统的整体用能效率,降低系统供能成本和碳排放。

相比于工业、交通等行业,建筑的灵活性资源具备更高的数据可信度、更小的生产影响,但以单体建筑为代表的需求侧资源具有总体规模大、单个体量小、市场主体多的特征,无法像发电侧灵活性资源一样被直接调度,需要聚合/打包才能形成可观、可控的优质建筑群资源。

可以预见,区域建筑将是未来需求响应的重要应用场景。国家也出台了相关文件支撑建筑群整体参与电力需求响应,但区域建筑能源的利用须以区域实际能源供应条件、资源禀赋情况、建筑用能需求为基础,“源荷互动”的理念逐步推进区域建筑需求响应试点、虚拟电厂示范、电力市场交易等智慧用能新模式的开展。

 



 

▌碳能管控机制多元融合

碳能管控向建筑全生命周期贯穿,法规引领、政策引导、强制标准约束、技术突破等多元机制融合将是建筑低碳转型的关键助力。

现有的建筑行业能耗及碳排放相关标准大多仅针对设计和运行阶段,对建材生产、施工等其他环节的显/隐式能耗和碳排放缺乏明确的规范。根据2021年中国建筑节能协会发布的数据,建材生产、建筑施工、建筑运行过程的能耗占全国总体能源消费的比例分别为22.8%,1.9%和21.2%,碳排放分别占全国总体碳排放的28.0%,1.0%和21.6%。

可见,建材生产、建筑施工、建筑运行环节的能耗和碳排放也不容忽视。在日益紧迫的节能降碳形势下,国家开始对建筑碳能指标进行强制性的量化管控,如《建筑节能与可再生能源利用通用规范》规定,新建居住和公共建筑碳排放强度相比2016年节能标准应平均降低7 kgCO2/(㎡·a)。

各地政府也发布了定额控制规定,以2022年发布的《深圳经济特区绿色建筑条例》为例,该条例规定对连续2年用能指标超过建筑能耗标准约束值50%以上的既有建筑实施强制性节能改造。未来的建筑行业碳能分析和管控方式将从设计、运行阶段贯穿到全生命周期,包括规划、设计、生产、运输、施工、运行维护、拆除、回收等多阶段。但多环节多阶段也面临着技术升级、流程复杂、地区差异、协调困难等一系列问题。

因此,建筑碳能管控的全生命周期化,须遵循国家法规的顶层设计和强制标准约束,并且在国家政策的引导下,各地区结合当地建筑行业实际情况和技术特点,探索开展多机制融合、因地制宜的建筑低碳转型路径。


 

建筑能源系统是城市能源革命的重要载体,实现建筑能源系统的绿色、低碳发展对于实现“双碳”目标具有重要意义。本文从分布式资源接入后的建筑能源系统新型结构出发,围绕系统建设、运行和管理的过程环节,分析了建筑能源系统的发展趋势,主要结论如下:

1)建筑由单一耗能向主动产能转变,光伏、风电、地热能等本地绿色能源将得到最大程度的开发利用;

2)建筑装配式和被动式节能技术具有巨大市场潜力,建筑由超低能耗逐步向近零能耗甚至零能耗过渡;

3)新型建筑能源系统以“光储直柔”为主要特征,电/热/冷/气等多能流将实现高效协同;

4)建筑能源管理向高效化、集约化、数字化发展,管理方式由传统设备级能耗监测逐步向系统级智能化管控升级;

5)“源荷互动”理念逐步发展,区域建筑需求响应试点、虚拟电厂示范、电力市场交易等智慧用能新模式将不断涌现;

6)碳能管控向建筑全生命周期贯穿,顶层强制标准约束、区域因地制宜建设、技术路线突破等多元机制融合将是建筑能源系统低碳转型的关键。(文/邹风华,朱星阳,殷俊平,孟诗语,江海燕,陈爱康,刘澜)

 

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其中,建筑是城市的重要组成部分,建设先进的建筑能源系统是落实城市更新计划、推动城市能源革命的重要抓手。

政府各部委先后出台了“关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见”“关于推动城乡建设绿色发展的意见”“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划等一系列政策推动城市建筑的绿色高质量发展,并对高耗能建筑作出了严格管控要求。

根据2021年中国建筑节能协会发布的数据,目前建筑全过程能耗总量约占全国能源消费总量的46.00%,而建筑物全生命周期碳排放总量占全国碳排放的比重为49.97%。

现阶段,建筑全过程能耗和碳排放呈现一致增长的特点,且全国大部分城市约有80%的新建建筑达不到节能标准。

建筑能源系统具备较大的节能降碳潜力。因此,在“双碳”目标的指引下,建筑能源系统的绿色化、电气化、低碳化发展将成为我国建筑新建和改造的主流趋势。现有的研究大多集中在建筑能源系统的建模方法、优化求解、能耗与碳排放核算、综合评价等方面,对建筑能源系统整体发展趋势和方向的研究较少。

本文围绕建筑能源系统的建设、运行及管理等环节,从主动产能、被动节能、协同互动运行、数字化管理、区域需求响应、碳能管控机制等方面,对建筑能源系统发展趋势进行分析和展望,为推动建筑能源系统高质量转型发展、加快落实城市“双碳”目标提供有益参考。

建筑能源系统

“双碳”背景下,建筑系统从传统的用能主体逐步转变为能源产销复合体,建筑能源系统由传统的“集中式供能+建筑内部能量监控”系统向“分布式多能互补+智慧能源管理”系统转变,图1展示了新型建筑能源系统的典型结构。

 

随着信息技术的发展,新型建筑能源系统将通过智慧能量管理系统(Building Energy ManagementSystem,BEMS)采集并统一处理系统内部能量流通各环节的数据信息,根据获取到的实时数据信息对系统设备进行出力决策,从节能降碳、经济运行、安全稳定等多角度对系统能量进行最优化管理。

建筑能源系统发展趋势分析

▌主动产能

城市建筑正逐步从传统能源消费者转变为能源产销复合体,以光伏、风电、地热能为代表的本地绿色能源将得到最大程度的开发利用。建筑作为城市用能主体之一,对电/热/冷/气等多品类能源具有长期、稳定的需求,同时又具备就地应用风、光、地热等本地绿色能源的优势,可实现建筑绿色发展,为碳达峰、碳中和作出重大贡献。

目前,本地绿色能源在建筑能源系统中的应用形式主要有2大类,一类是以太阳能为主体的供电/热系统,包括传统屋顶光伏发电、传统太阳能热水/采暖系统、光伏建筑一体化、光热建筑一体化等,另一类是以低品位热源为主体的供热系统,主要包括空气源/地源/水源等新兴热泵装置为代表的供热系统。

根据自然资源部国土卫星遥感应用中心测算的数据,全国分布式屋顶光伏的建设潜力达14000k㎡。住房和城乡建设部发布的“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划也提出推动太阳能建筑应用并加强地热能、空气能等可再生能源利用。

到2025年,全国新增建筑太阳能光伏装机容量将达到50GW以上,地热能建筑应用面积1亿㎡以上,城镇建筑可再生能源替代率达到8%。因此,在当前利好的政策环境下,建筑侧分布式光伏、地热等绿色能源有望迎来新一轮开发应用热潮,建筑侧分布式电/热源也将成为新型电力系统建设的重要组成部分。

 

▌被动节能

建筑节能标准由超低能耗逐步向近零能耗、零能耗过渡,满足用户舒适、健康、环保需求的装配式、被动节能式建筑将呈现一体化协同发展态势。

装配式和被动式是未来建筑的两大发展方向,装配式建筑通过采用预制式构件提高了施工效率,也从一定程度上减少了建设能耗;

被动节能式建筑则通过高性能的围护结构营造最佳的室内环境,从而降低主动式供能能耗。根据住建部公布的规划数据,到2025年,全国将新建超低能耗、近零能耗建筑0.5亿㎡以上,装配式建筑占当年城镇新建建筑的比例达到30%。

且自2022年4月起,我国新建建筑和公共建筑平均设计能耗水平应在2016年执行的节能设计标准基础上分别降低30%和20%,平均碳排放强度统一降低40%。

各地方也颁布了相关标准条例引导建筑节能发展。以江苏省为例,住建厅发布的《居住建筑热环境和节能设计标准》规定新建建筑节能标准由65%提升到75%。在城市发展由增量扩张向存量优化逐步转变的背景下,建筑建设效率和用能效率的提升将成为城市更新发展的重点。

随着用户节能意识的不断增强和对节能技术认知的不断加深,装配式和被动节能式相结合的建筑建设方式具备良好的技术应用前景和巨大的市场潜力。

▌协同互动运行

电能消费将成为建筑终端能源消费体系的核心,电/热/冷/气等多能流灵活高效协同将成为新型建筑能源系统的重要特征。在建筑供给侧分布式清洁能源发电技术(光伏、风电为主)及消费侧电气化技术(空气源/地源/水源热泵、全电厨房为主)快速发展的驱动下,建筑终端用能电力替代程度进一步加深,根据住建部的预测数据,全国建筑用能电气化率将从2019年的37.1%快速增长至2025年的55%。

在“双碳”目标下,减少温室气体直接排放仍将是建筑领域在未来较长一段时期内的关注重点。

建筑侧新增用电需求将呈现快速上升趋势,以高效能热泵为代表的电气化设备也将迎来重要的市场发展机遇。电气化在促进建筑绿色发展的同时,也提高了建筑能源系统运行的安全性和可靠性。

配备电气自动化控制系统的建筑能够实现统一、快速、精准的负荷控制与故障排除,高比例电气化的建筑能够促进建筑内部各用能系统的高效耦合与灵活互动,从而为提升系统整体能效带来可能。

未来的新型建筑能源系统将以“光储直柔”为主要特征,不但要适应以分布式/一体化光伏为代表的新能源的大量接入,还要兼顾储能和低压直流配电技术的标准化评估和开发;不但要调和用户柔性用能和系统降碳需求的矛盾,还要协调电/热/冷/气等多能流的安全、高效、灵活互补运行。

其中,以清洁电热协同为代表的多能流互动模式或将成为低成本挖掘建筑能源系统灵活性资源、推进城市能源变革的重要路径。

 

▌数字化管理

建筑能源管理的高效集约数字化需求不断上升,能源管理平台由传统设备级能耗数据采集监测逐步向系统级智能化管控升级。近年来,能源供给环境日趋紧张,降低建筑能耗总量、碳排放、运行成本成为国家、行业、用户关注的重要问题,对建筑能源实施集中动态监控和节能潜力数字化分析的需求大幅上升。

在政府的主导和推动下,全国建成了数以百计的大型公共建筑能耗监测平台系统,根据住建部发布的城市信息模型基础平台技术标准,监测系统数据可覆盖空调、办公设备、电梯、照明灯等常见建筑用能设备。

但建筑能源管理是一个需要多主体(政府、建筑主管部门、设计企业、施工企业、物业管理企业、用户等)、多环节(数据采集/存储/统计分析、节能诊断、优化控制、综合管理等)协调配合的系统工程,现阶段建筑的能源管理仍停留在采集能耗数据、对比历史数据、单体设备分散控制的较低层次,存在数据获取过程复杂、数据颗粒度粗、业务层次单一、技术含量低(节能改造方案以更换高成本的高效设备为主)等问题,缺乏从系统角度出发在变配电、供热、给排水、照明等综合用能场景下对系统设备进行统一、集中、智能化管控的措施。

随着数据挖掘、机器学习等信息技术的高速发展和智慧城市系统的进一步集成升级,绿色、统一、实时、智能化成为目前世界建筑发展的必然要求。建筑能源系统需要协调城市和本地的两级平台,借助跨学科、跨领域的理论融合,对建筑能源管理平台进行数字化、智慧化升级势在必行。

▌区域需求响应

建筑侧柔性可控资源与电网的灵活互动响应潜力逐步增大,“源荷互动”理念将引领区域建筑智慧用能新模式。

传统建筑侧灵活性资源包括中央空调/分体式空调系统、高效热泵、冷水机组、微型燃机等,随着分布式光伏、风电、储能电池、电动汽车等柔性资源不断接入建筑能源系统,建筑侧灵活性资源可调控潜力不断增大。在满足用户用能需求的前提下,合理调度建筑侧可控负荷,能够为电力系统提供需求响应容量支撑,平抑峰谷负荷波动,提升建筑能源系统和电力系统的整体用能效率,降低系统供能成本和碳排放。

相比于工业、交通等行业,建筑的灵活性资源具备更高的数据可信度、更小的生产影响,但以单体建筑为代表的需求侧资源具有总体规模大、单个体量小、市场主体多的特征,无法像发电侧灵活性资源一样被直接调度,需要聚合/打包才能形成可观、可控的优质建筑群资源。

可以预见,区域建筑将是未来需求响应的重要应用场景。国家也出台了相关文件支撑建筑群整体参与电力需求响应,但区域建筑能源的利用须以区域实际能源供应条件、资源禀赋情况、建筑用能需求为基础,“源荷互动”的理念逐步推进区域建筑需求响应试点、虚拟电厂示范、电力市场交易等智慧用能新模式的开展。

 

 

▌碳能管控机制多元融合

碳能管控向建筑全生命周期贯穿,法规引领、政策引导、强制标准约束、技术突破等多元机制融合将是建筑低碳转型的关键助力。

现有的建筑行业能耗及碳排放相关标准大多仅针对设计和运行阶段,对建材生产、施工等其他环节的显/隐式能耗和碳排放缺乏明确的规范。根据2021年中国建筑节能协会发布的数据,建材生产、建筑施工、建筑运行过程的能耗占全国总体能源消费的比例分别为22.8%,1.9%和21.2%,碳排放分别占全国总体碳排放的28.0%,1.0%和21.6%。

可见,建材生产、建筑施工、建筑运行环节的能耗和碳排放也不容忽视。在日益紧迫的节能降碳形势下,国家开始对建筑碳能指标进行强制性的量化管控,如《建筑节能与可再生能源利用通用规范》规定,新建居住和公共建筑碳排放强度相比2016年节能标准应平均降低7 kgCO2/(㎡·a)。

各地政府也发布了定额控制规定,以2022年发布的《深圳经济特区绿色建筑条例》为例,该条例规定对连续2年用能指标超过建筑能耗标准约束值50%以上的既有建筑实施强制性节能改造。未来的建筑行业碳能分析和管控方式将从设计、运行阶段贯穿到全生命周期,包括规划、设计、生产、运输、施工、运行维护、拆除、回收等多阶段。但多环节多阶段也面临着技术升级、流程复杂、地区差异、协调困难等一系列问题。

因此,建筑碳能管控的全生命周期化,须遵循国家法规的顶层设计和强制标准约束,并且在国家政策的引导下,各地区结合当地建筑行业实际情况和技术特点,探索开展多机制融合、因地制宜的建筑低碳转型路径。


 

建筑能源系统是城市能源革命的重要载体,实现建筑能源系统的绿色、低碳发展对于实现“双碳”目标具有重要意义。本文从分布式资源接入后的建筑能源系统新型结构出发,围绕系统建设、运行和管理的过程环节,分析了建筑能源系统的发展趋势,主要结论如下:

1)建筑由单一耗能向主动产能转变,光伏、风电、地热能等本地绿色能源将得到最大程度的开发利用;

2)建筑装配式和被动式节能技术具有巨大市场潜力,建筑由超低能耗逐步向近零能耗甚至零能耗过渡;

3)新型建筑能源系统以“光储直柔”为主要特征,电/热/冷/气等多能流将实现高效协同;

4)建筑能源管理向高效化、集约化、数字化发展,管理方式由传统设备级能耗监测逐步向系统级智能化管控升级;

5)“源荷互动”理念逐步发展,区域建筑需求响应试点、虚拟电厂示范、电力市场交易等智慧用能新模式将不断涌现;

6)碳能管控向建筑全生命周期贯穿,顶层强制标准约束、区域因地制宜建设、技术路线突破等多元机制融合将是建筑能源系统低碳转型的关键。(文/邹风华,朱星阳,殷俊平,孟诗语,江海燕,陈爱康,刘澜)

 

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