【研究】城市更新的零碳路径探索-以零碳社区建设模式为基础

·254·暖通空调HV&AC2022年第52卷增刊1节能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；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/(m2·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域。在我国，既有建筑存量巨大，达到726亿m2,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45hm2,总建筑面积22.7万m2,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/(m2·a),耗热量为0.33GJ/(m2·a),均高于我束值的要求。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层数主要功能旅游集团办公媒体中心后勤保障中心运动员中心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kg/(m2·a)、电耗<34.7kW·h/(m2·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☆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节能暖通空调HV&AC2022年第52卷增刊1·255·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，构建主要技术包括：图2青岛奥帆中心零碳社区技术体系备，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。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·256·暖通空调HV&AC2022年第52卷增刊1节能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）全供热年）全供热季用热量为45799GJ,与典型年相比降低用热量为9005GJ,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/T1785—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为改造后节能暖通空调HV&AC2022年第52卷增刊1·257·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COP4.80)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10000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因此需要从2021年起，“十四五”期间首五”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。青岛奥帆中心零碳社区项目以能效提