低碳城市的建筑能源规划.doc

低碳城市的建筑能源规划同济大学 龙惟定前言(一级)如果要评选2009年的流行词语，“低碳经济”一定名列其中。所谓低碳经济，指的是在发展中排放最少的温室气体，同时获得整个社会最大的产出。低碳经济有两个方面的含义，第一，低碳经济包括生产、交换、分配、消费在内的全过程社会活动的低碳化，努力降低温室气体排放，实现低排放乃至零排放。第二，低碳经济要实现社会活动全过程的能源消费低碳化，提高能源效率、降低能源消耗，用低碳能源或无碳能源支撑国民经济和社会活动的可持续发展。可见，低碳能源是低碳经济的基本保证。我国的国情、发展阶段、环境、能源结构、资源特点决定了我们走低碳经济发展之路将是非常艰难的。首先，中国以煤为主的自然资源禀赋是高碳的;其次，我国正处于快速城市化发展阶段，城市化率以每年接近1个百分点的速度增长，2008年达到45.7%，2020年预期达到60%以上;再次，我国国民经济最近几十年发展起来的产业结构和技术体系基本上是高碳型的，发展压倒一切，没有考虑节能减排的要求。从2008年开始的金融危机，也给中国带来了产业结构转移和发展模式调整的契机。我国的工业化水平尽管还低，但已经到了从低端制造业向高端制造业和现代服务业转型、从粗放型和投资拉动型发展模式向集约型和消费驱动型的发展模式转变的节点。因此，要实现我国经济社会的可持续发展，低碳经济是必由之路。应对气候变化和降低资源能源消耗，已经成为我国的国家战略。2008年6月27日，在中共中央政治局就“全球气候变化和我国加强应对气候变化能力建设”进行专题的集体学习会上，胡锦涛总书记部署的工作重点的第一条，就包括“强化能源节约和高效利用，积极发展循环经济、低碳经济”。 低碳城市(一级)在快速城市化过程中，主要的碳源来自土地利用和能源利用。而所谓“低碳城市”，是指城市在经济高速发展的前提下，保持能源消耗和二氧化碳排放处于较低的水平。低碳城市的人均碳足迹(即人均温室气体排放的二氧化碳当量)必须要低于世界平均水平(2006年世界人均排放水平为4.28吨二氧化碳当量)。降低城市碳足迹依据“CIRCLE”原则：即紧凑型城市遏制城市膨胀(Compact)、个人行动倡导负责任的消费(Individual)、减少资源消耗潜在的影响(Reduce)、减少能源消耗的碳足迹(Carbon)、保持土地的生态和碳汇功能(Land)、提高能效和发展循环经济(Efficiency)。这六项原则决定了低碳城市城市形态的主要特征是“紧凑型城市”，即高层(High rise)、高密度(High density)、高容积率(High plot ratio)的3“H(高)”城市。但是，“三高”并不意味着拥挤和逼仄，而是表现为在有限的城市空间上布置高密度的产业和人口，单位用地面积有较高的产出，城市功能区和单体建筑物紧凑布局，根本目的是提高城市资源配置效率。使居民在公交和步行距离内满足通勤、生活和保健的基本需求。同时保留耕地、林地和湿地等自然资源，腾出更多土地营造森林和绿地，形成城市氧吧、扩大城市碳汇。因此，可以总结出低碳城市形态的3个特点：(1) 空间布局是多中心、组团化、网络型;(2) 城市内部功能的自我完善和紧凑式发展;(3) 城市与自然和谐、人与自然和谐、人与人和谐、城市让生活更美好。低碳城市能源利用特点(一级)低碳城市的能源目标是实现3“D(低)”，即低负荷(Demand reduction)、低碳(Decarburization)和低集中度(Decentralization)。首先看“低负荷”。既然城市形态是3“高”，就很容易形成负荷高峰。而随着先进制造业和现代服务业的发展，城市能源消费结构会越来越快地向建筑领域转移。因为无论是先进制造业还是现代服务业都是环境依赖型产业，其产业功能、产品质量、生产效率完全依靠室内环境(声光热和IAQ)来保障，有的业态，例如数据中心，已经很难区分工艺能耗和建筑能耗。因此，产业结构调整会在一定程度上降低城市总碳排放量，但却可能增加人均碳排放量。还可能进一步加大困扰我国各大城市的由空调造成的电力负荷峰谷差。而在另一方面，大电网对城市供电的低碳化，会加大风电、水电、核电和光伏发电的比例，其中除了水电可以用抽水蓄能技术实现移峰填谷、光伏发电本身是高峰发电外，风电的储存、核电的调峰都是很大的技术难题。降低负荷，一是靠节能，其中住宅主要靠围护结构绝热措施，公共建筑主要靠正确的负荷计算和更高的系统效率;二是靠集中化供能系统的负荷参差率和同时使用系数的调节。其次看“低碳”。能源领域的低碳主要靠三种方法：一是改变供应端能源结构，利用低碳清洁能源(如天然气和某些生物质气、电动和混合动力汽车)和无碳能源(例如风光核水、氢能源等);二是降低用户端能耗，提高用户端用能设备效率(如使用所谓“未利用能源Untapped energy”);三是传统能源煤的清洁燃烧，再加上碳捕集和碳储存(CCS)技术，但后者目前离实际应用还相距甚远。低碳能源与传统能源在能量密度和输送方式上有很多不同点，因此我们在用能方式上也要随之改变。例如天然气和生物质气都是可燃气体，但前者可以长距离管输或低温液化后舶运，后者则必须就近收集生物质资源、就地制取生物质气。根据这些特点，建筑领域使用低碳能源还是要采取多元化的方式，利用不同能源的特点实现互补。同时，对各种能源的评价也要多元化第三看“低集中度”。低集中是相对于大电厂、大电网、大垄断和大集中而言的。分布式能源将是未来城市能源的发展趋势。但鉴于低碳能源的低能量密度和城市建筑的三高特点，未来城市分布式能源将会是一种大分散-小集中-个别用能的模式。它有别于大电网集中供能-全分散(楼、户、室)用能的传统模式，末端负荷变化无缓冲地直接冲击大电网;也应有别于大电网集中供能-城域或区域集中供冷供热的模式。传统区域供冷供热模式由于只是将末端负荷简单叠加，相当于凭空增加了冷热量的输送能耗，即使是输送温差较大的供热管网，也出现小到2的温差。作为未来低碳城市的基础设施，将形成能源总线和能源互联网、以热泵为主要提升能级手段的全新供能模式。低碳城市建筑能源规划(一级)为什么低碳城市需要建筑能源规划?(二级)可再生能源和未利用能源低能量密度和产能不连续的特点需要在区域层面上进行统筹，充分利用同时系数和负荷参差率等进行调控(三级)例如，所谓“零能耗”或“零碳”建筑，就是通过节能和利用可再生能源，使单位面积化石燃料的平均年一次能耗降低到15kWh以下，即相当于1.84kg标准煤，约5.5kWh电。而根据调查，上海住宅平均年用电量约30kWh/m2，这就意味着零碳住宅80%以上的电力要来自可再生能源。每户平均需要约160m2的光伏发电。上海有450万个家庭，需要光伏面积720平方公里，是上海市总面积的10%以上。因此，在紧凑型城市中以一家一户或单栋建筑的形式推广应用可再生能源，是不可能实现的。而在区域范围内，利用末端使用的时间差以及不同功能建筑负荷的参差率，可以实现规模化应用可再生能源。在区域范围内使碳减排量达到规模化，可以实施“规划方案下的清洁发展机制(PCDM)”，从而将建筑节能纳入清洁发展机制之中(三级)清洁发展机制(CDM)，是京都议定书中引入的三个灵活履约机制之一。其核心是允许发达国家通过向发展中国家的减排项目(即CDM项目)提供资金和技术支持，从而减少温室气体排放，来代替其本身承担的减排量。进而在国际上形成了规模日益扩大的碳交易市场。但由于在建筑节能领域，如何计算、监测减碳量的方法论，以及如何确定各类不同建筑在不同气候条件下碳排放基准线等问题，一直未能解决。尤其是建筑设计时的预估节能量与实际运行中建筑物的实际节能量之间，存在较大的落差，因此建筑节能的CDM项目基本上尚属于空白。截至2008年10月，全球4000个CDM项目中，仅有10个是属于建筑节能领域的。基本上把潜力巨大、社会效益好、小型、分散并能与终端用户直接相关的建筑节能项目排除在CDM机制之外。为此，联合国有关机构设计出了PCDM机制，就是通过对一个区域进行整体规划，在该区域实施一个或者一系列相互关联的减排和增汇措施，实现大面积的建筑节能，并将所有项目整合成一个CDM项目。中国正处于快速城市化的碳排放上升期，在新的成片开发项目中，应根据综合资源规划(IRP)方法，改变过去单纯以增加资源供给来满足日益增长的需求的思维定势，将提高建筑能源利用率从而节约下来的资源统一作为一种替代能源，从而降低区域开发中的碳排放强度。(三级)IRP方法中的“资源”是广义的，不仅包括传统发电厂和热电站，还包括：(1) 末端采取比国家标准更严格的节能措施所减少的需求和预计能够节约下来的能源;(2) 当地可以规模化利用的可再生能源;(3) 当地可以利用的余热和废热、自然界的低品位能源、可以循环利用和梯级利用的能源，即所谓未利用能。只有在区域层面，才可能将各单体建筑的能量流整合成合理的流线，变成一种资源。低碳城市的建筑能源规划方法论(二级)设定区域建筑能耗目标和碳减排目标(三级)有两种类型的目标。第一类是达到某一标准，例如我国的行业类生态工业园区标准;或达到某一评价水平，例如美国的LEED ND(Neighborhood Development)中的某一等级。第二类是实质性目标，即碳减排的实物量和节能实物量。第一类目标比较容易操作，尤其是美国的LEED评价，已经规定了达到某一等级的各项技术措施和技术指标，相当于技术导则。美国正在将LEED NC(新建建筑)转化为技术标准(ASHRAE Std. 189)。但美国标准毕竟与中国国情不能完全相符，而且LEED ND也还没有正式颁布。我国的一些标准，在操作性上比较薄弱，“务虚”较多，能覆盖的项目类型也不全。我国的绿色建筑评价标准，目前仅对单体建筑。因此，在这方面还需要开展大量工作。第二类目标并不受很多区域开发者欢迎，因为目标一“实”就意味着“忽悠”的空间缩小了。撇开这不说，要设立实物量目标就必须有能耗和排放量的基准线，而这是建筑领域迄今还没有解决的课题。因此，目前采用不太严谨的使用相对值的办法，例如，在国家节能50%的节能标准基础上达到节能65%(或75%)的目标。确定区域内可利用的能源资源量(三级)(1) 来自城市电网、气网和热网的传统能源资源量及其禀赋。(2) 区域内可获得的可再生能源资源量。如太阳能、风能、地热能和生物质能。所谓“可获得”，是指经济和技术上可行、并能形成规模化应用的可再生能源。(3) 区域内可利用的未利用能源。即低品位的排热、废热和温差能。如江河湖海的温差能、地铁排热、工厂废热、垃圾焚烧等。(4) 日照和自然通风等可采取被动式设计手法获得的天然资源。一般需要用动态手法、用计算机模拟手段确定。(5) 由于采取了比节能设计标准更严格的建筑节能措施而减少的能耗。(6) 由于负荷错峰和负荷参差率而降低的需求。在确定资源量时，特别要强调“可利用”。如太阳能光伏电池，不能按年日照小时数来估计发电量，而必须按全年满负荷当量小时数来计算。如上海，年日照小时在2000左右，属资源一般区域，但当量满负荷小时数只有980，就这样，1个1W功率的光伏电池，每年只能累积发1kWh的电力。再如风能，要根据当地325m/s有效风速出现的时数估算风能密度，进而计算风能资源总储量和技术开发量。而生物质能因为涉及品种多样，其资源估算就更为复杂。“可利用”的另一方面，是研究可再生能源利用与规划、与建筑的协调。如光伏和光热利用要占用建筑屋面或覆盖大片地面。大体上1m2光伏电池在满负荷时可以满足2m2办公楼建筑面积的用电需求，就是说，铺满光伏板的屋面可以给下面两层楼供电，对于高层建筑以及试图做屋面绿化的建筑，光伏发电就成了“杯水车薪”。再如地埋管土壤源热泵，1m管长可提供60W的冷热量，80m深的埋管，大致可满足60m2建筑面积的空调负荷。而每一竖埋管，占地5m2。也就是说，用地埋管型土壤源热泵，需要额外多占用建筑面积1/12的土地面积和400m3的地下空间。建筑能源(冷、热、热水)的负荷预测(三级)在区域层面上，决不能沿用传统设计中的负荷指标估算法。负荷指标估算十有八九会高估负荷，我国一般高估均在30%以上。这种高估如果在区域层面会被进一步放大，我国有些区域系统(包括区域供热和区域供冷)，供回水温差只有2。但在另一方面，也不可能对区域内每一栋大楼全部做动态能耗模拟，一则工作量巨大、二则在规划阶段缺乏建筑细节的资料。因此，需要用情景分析(scenario analysis)方法，选取区域内典型的建筑功能类型、设定典型的气象条件、建筑物使用时间表、内部负荷强度、设备效率的不同情景组合，用建筑能量分析软件得出情景负荷;确定系统的峰荷、腰荷和基荷;确定区域的典型负荷曲线;分析各情景负荷的出现概率(同时系数)和风险(各种影响因素出现异常而引起的小概率负荷下的运行工况);确定负荷分布，合理分配负荷，掌握系统的冗余率和不保证率，与能源系统的运行率相匹配。这一环节是区域能源规划的关键。必须改变传统暖通空调设计的思路，在区域冷热负荷计算上要本着“宁紧勿松”的原则。在完成上述三项步骤的同时，要根据节能减排目标和区域的可利用资源条件，制订出项目实施大纲(TOR，Terms of Reference)，确定初步的能源方案。重点在用哪些资源、各种资源在区域能源供应中的比例、各种能源资源在节能减排中的贡献率、用何种系统，以及由此带来的对区域总体规划、建筑设计和未来区域运营模式的影响。选择合适的能源系统和技术路线，实现能源优化配置和利用(三级)在节能、减排的多元大背景下，选择能源系统需要多元评价，不能以“能效至上”，更不能“经济压倒一切”。对任何技术，不应绝对肯定、也不应绝对否定，应扬其所长、避其所短。例如，电力驱动空调无论能效还是火用效都高于以直燃型溴化锂吸收式机组为代表的燃气空调。但由于我国以燃煤发电为主，每发1度电大约排放0.943kg二氧化碳当量。而每燃烧1m3天然气大约排放0.79kg二氧化碳当量，可知用COP为3.0的电制冷生产一个单位冷量所排放的二氧化碳是用天然气的直燃机空调的1.6倍;如果改用用COP为5.0的电制冷，单位冷量的二氧化碳排放量与直燃机基本持平。但在另一方面，如果用天然气发电(燃气蒸汽联合循环)，仍然用COP为5.0的电制冷生产冷量，此时直燃机的二氧化碳排放量反过来是电制冷的2.1倍了。谈及区域建筑能源系统就不能不涉及区域供冷供热系统。如前所述，为了规模化综合应用可再生能源和未利用能源，在区域层面上需要将系统集中。本文推荐“能源总线”系统，即集中供应热源和热汇水，末端分散使用安装在楼内或户内的水源热泵系统，特别是水源变冷媒流量热泵系统。就像电脑中的总线(Bus)，所有信息交换都通过它进行。这种系统的优点很多，为水源热泵系统集中提供热源水和冷却水，将末端中小型空气源热泵改变为水源热泵，与空气源热泵相比，提高能效30%以上;可以分散和减缓城市热岛效应;美化环境(除去冷却塔)，避免疾病传播(军团菌);在