全球建筑行业脱碳的关键:效率、电气化与公平

如今,建筑行业脱碳的重要性现已得到广泛认可,全球已有120 个国家在其国家自主贡献 (NDC) 中将建筑能源改进列为解决排放问题的一种方式。

为实现《巴黎协定》的目标,全球建筑和建设行业必须在 2050 年之前实现净零排放,并且从 2030 年开始,所有新建筑都必须实现净零碳排放。但解决建筑问题的关键努力,如能源绩效和碳 (CO 2 ) 排放量没有跟上这些高水平目标的步伐。2022 年,国际能源署 (IEA)认为建筑行业“未步入正轨”。

由于能源效率投资水平低、过去十年能源强度没有改善,而且可再生能源增长缓慢,建筑行业发展滞后。今天,只有 44 个国家/地区制定了规范建筑物能源效率的建筑能源法规。据估计,到 2030 年将增加的人口中有 82% 将生活在目前没有此类能源法规的国家。

而到 2030 年建筑面积预计将增长到超过 2860 亿平方米,比 2020 年增长 20%,建筑将成为能源需求增长最快的来源之一,尤其是在不断改善的发展中经济体中他们要获得现代能源服务,例如制冷。建筑行业面临的挑战是选择支持近期快速脱碳的行动,同时扩大获得可持续、负担得起的清洁能源的机会。

本文探讨分析了建筑脱碳的途径,重点是通过技术提高能源效率,扩大建筑电气化和电网以支持向清洁能源的过渡,并考虑了从能源成本到气候变化的多重持续危机对建筑行业脱碳的影响。最后,认为建筑存量的脱碳必须旨在支持更广泛的可持续性目标,这些目标超越了对减排的单一关注,以解决系统性能源不平等问题。

建筑物的直接和间接排放

据估计,全球建筑行业以电力、化石(天然气)以及液体和固体燃料的形式消耗全球能源的 30%以上,主要用于加热、冷却、烹饪、照明和设备使用。而且占全球能源相关 CO 2排放量的 27% 左右,每年(如2021 年)二氧化碳排放量总计达 10 十亿吨。在这些排放物中,32% 直接来自化石气体、燃料油、煤油等,68% 间接来自电力。如果考虑建筑施工过程中所用材料的生产,建筑部门在能源使用和排放中所占的份额分别上升到 36% 和 37%。

此外,建筑行业将需要在短期内解决直接和间接排放之间脱碳行动的平衡问题,同时不限制减缓方案或产生导致该行业或电网未来出现问题的路径依赖。例如,通过可再生能源使电力供应脱碳将减少间接排放,以及通过从建筑物中的化石燃料气体转向电加热来减少直接排放。但如果建筑结构的能源效率不被视为该过程的一部分,这可能会对电网负荷产生重大影响。

减少直接排放:国际能源署估计,到 2050 年,建筑行业脱碳以实现净零排放所需的减排量中,能效可以贡献约 25%。能效投资可以减少供暖、制冷、照明和通风。直接使用可再生能源,例如光伏 (PV)、太阳能热热水和氢气,可进一步减少 30%。其余 45% 的直接减排量将通过建筑电气化实现。

减少间接排放:根据国际能源署的说法,使用当今可用的技术增加建筑物的电气化以及脱碳电网是解决间接来源建筑物排放的主要解决方案。

技术驱动的能源效率在实现建筑脱碳中的作用

在过去的二十年里,已经出现了提高能源效率和建筑行业脱碳的技术选项。其中包括高性能和低成本的绝缘材料、带有太阳能控制膜和气体的玻璃单元、高效加热和冷却系统、高性能电器和设备,以及智能和数字控制系统。然而,建筑物作为系统的多样性和复杂性,及其不同的用途和所有权结构导致这些技术的采用持续缓慢。

国际能源署估计,到 2050 年实现净零排放目标需要建筑行业从现在到 2050 年实现平均每年 4-5% 的能源强度改善。新建筑需要按照更高的性能标准建造,并通过规范与实现净零排放。例如,随着公用电网脱碳,不列颠哥伦比亚省能源步骤规范明确规定了到 2032 年实现净零排放建筑和到 2050 年实现完全零碳建筑的明确途径。

然而,现有建筑(当前建筑存量的大部分)也需要做好净零准备或能够在电网脱碳时以零排放运行。这可能需要安装超过 18 亿个热泵和 12 亿个太阳能热系统,增加约 7500 太瓦时的建筑一体化光伏发电,并将家用电器的能效比目前提高 40%。

那些致力于实现脱碳的人将面临选择。

通过渐进式方法或有针对性的深度改造,建筑物可以变得更加节能。前者涉及在翻新建筑物或在其使用寿命结束时升级到高性能系统时采用改造。后者是多系统升级,以达到高性能标准。深度改造通常是一项高成本和高干扰的活动,导致大多数效率改造采用渐进的、零碎的方法来完成。改进这种方法的一种途径是扩大建筑物改造的整体活动,以降低成本并改进实践。

例如,欧洲的 Renovation Wave 旨在到 2030 年将建筑物的年能源改造率至少提高一倍,目标是到 2030 年改造超过 3500 万座建筑物。

在欧洲,增加建筑能效改造的市场活动可能会降低技术成本,并让安装人员在这些改造方面获得更多经验。同样,监管机构和标准实施者将更好地了解需要注意哪些方面,以避免因实施不当的改造而产生意想不到的后果。

技术应该在不降低建筑物的生产率、舒适度和使用率的情况下减少能源需求。这需要关注建筑脱碳可以为建筑用户带来的更广泛的利益和共同利益,例如节省账单、舒适和健康以及安全和有弹性的能源系统。还应考虑对社会(例如,增加世代价值)和经济(例如,就业、投资和成本节约)的更广泛利益。

电气化在实现建筑脱碳中的作用

建筑物电气化是一项关键行动,通过逐步停止直接使用化石燃料以及增加现场可再生能源发电和可再生能源电网,使建筑物能够实现零碳排放。

建筑物电气化意味着取消使用化石燃料燃气器具,例如用于空间和水加热和烹饪的器具,以减少用于取暖的石油和化石燃气炉的直接排放。许多政府正在制定禁止使用化石燃料设备和供暖系统的禁令,或者正在禁止将新建筑物连接到燃气网络。化石燃料禁令正在加速向电气化和替代可再生燃料(例如氢气和可再生热网)的转变。许多国家/地区已经对某些类型的供暖系统实施了国家、州和城市禁令(见表 1)。

表 1:已实施建筑物内化石燃料设备禁令的政府(部分)

全球建筑行业脱碳的关键:效率、电气化与公平

供暖和制冷电气化正在考虑的主要技术是热泵。除了热泵,还可以开发或改造区域或社区供热和制冷网络,以提供低碳或零碳能源。

热泵

热泵使用制冷剂气体将热量从外部来源(例如空气、水或地面)传递到内部加热系统(例如空气或水)。它们是加热建筑物和水的有效方式,因为它们能够实现高季节性性能系数 (COP),这是衡量系统年平均能源效率的指标,在温和气候下范围从 3.5 到 7,取决于系统的配置。相比之下,典型的现代燃气锅炉的 COP 最多只有 0.93 左右,这意味着在最佳条件下,热泵的效率比传统锅炉高很多倍。

空间和水热泵的全球市场正在迅速增长。到 2022 年,欧洲安装的热泵总数估计为 1490 万台,其中 2021 年安装了超过 220 万台。许多欧洲国家计划进一步增加热泵在其能源中的使用混合。法国在 2021 年安装了超过 500000 台热泵机组,法国、意大利和西班牙制定了到 2030 年大幅提高热泵容量的目标。热泵通常用于南欧的供暖和制冷,其中制冷是它们的主要用途主要功能是因为该地区夏季天气较暖和。在欧洲其他地区,尤其是北方国家,热泵主要用于供暖。

在美国,最近的一项研究发现,在供暖度日数少于 6000 的地区(底特律以南地区),与化石燃料系统相比,电热泵是最具成本效益和低排放的选择。加州已经采用了通过建筑集成 PV 和使用电热泵进行空间和水加热来激励合规的法规。

作为一个全球市场,热泵装置正在扩大。根据 IEA 的数据,到 2020 年,欧洲仅占总销售额的 12%,而北美和其他发达经济体则占 50%。在发展中经济体中,中国占33%,其他发展中经济体占4%。在全球热泵市场,83%的热泵安装在住宅领域,14%安装在商业领域,3%安装在工业领域。

为了最有效,热泵的安装应与改善建筑围护结构的能源性能一起进行。在隔热良好的住宅和建筑物中,热泵的尺寸可以调整到较低的供暖设计温度,从而减小它们的尺寸和成本。

加热和冷却网络

通过对新管道和供热和制冷交换装置的大量投资,建筑物也可以从将现有能源网络转变为零碳排放中受益。例如,多伦多深湖水冷却系统为 100 多座商业和混合用途建筑提供冷却,节省的电量相当于一个拥有 25000 座房屋的城镇的用电量。

同样,化石天然气基础设施可以过渡到氢气,适当升级以避免管道退化、计量不一致和气体泄漏的挑战。据英国估计,与 2014 年的水平相比,将最多 20% 的氢气混合到化石气体管网中可将 CO 2排放量减少 66%。然而,为了与《巴黎协定》保持一致,氢的来源必须是“绿色”的,或者来自可再生和零碳来源。

电气化和热泵也支持全球对制冷的需求,估计到 2050 年,制冷需求将从目前的 20% 增加到 37%。 到 2030 年,全球空调的数量预计将从估计的 2.2 增加50%到 2021 年将达到 10 亿台,给电力系统带来了快速增加的峰值负载的额外挑战。挑战将是确保电网能够通过技术进步快速脱碳,从而确保满足不断增加的冷却和现场可再生能源发电带来的可变负载需求。

对电网的影响

为了在全球范围内实现净零排放,国际能源署估计全球对电网的投资需要增加一倍以上,从 2016-2020 年期间的每年约3000亿美元增加到 2026-2020 年期间的平均每年 6000 亿美元以上。 2030 年。增长需要主要发生在新兴国家和发展中国家,并以数字化为重点。

电网脱碳可以增强能源安全,但前提是要进行适当的规划、投资和及时的行动,以避免在转型期间对电力系统造成压力。分布式能源,如太阳能光伏板、电池和空调等主要分布式负载正在迅速扩大。管理它们的增长以保持系统可靠性、控制成本并确保公用事业业务模型跟上这些变化是至关重要的。

此外,电力系统极有可能因气候相关事件而中断。气候变化正在导致更多变的降水模式、海平面上升和极端天气事件,这些事件对电力系统的各个方面都有影响,包括发电效率、输配电网络的弹性以及需求模式。

建筑存量脱碳的逆风

实现全球建筑行业脱碳的雄心面临重大挑战。其中包括监管和融资障碍,以及更换供暖和制冷系统以及翻新全球数亿座建筑物所需的技术变革规模。除此之外,不断上涨的能源成本和消费者对能源效率投资的沉重负担构成了紧迫的挑战。

成本上升:自 2022 年初以来,能源成本一直高度波动,以 2008 年全球金融危机和 1970 年代石油输出国组织 (OPEC) 石油危机以来未曾见过的速度加速和下降。在整体通货膨胀侵蚀购买力之际,能源成本的急剧上升对每月能源支出造成了冲击。COVID-19 大流行对供应链的影响也使得将材料和货物运输到建筑施工和翻新市场的成本更高。

为了应对这些挑战,经济合作与发展组织 (OECD) 的中央银行正在通过提高利率来解决通货膨胀问题。例如,到 2022 年 12 月,美国财政部的短期利率已从 2022 年 1 月的 0.22% 上升至 4.44%;同期,欧元区利率从 0.50% 上调至 2.75%。除了限制能源和其他家庭用品支出的较高生活成本之外,增加的借贷成本将对包括能源效率投资在内的整体支出产生抑制作用。

能源负担能力危机:通常,对大规模能效计划或公用事业脱碳的投资以低信贷成本获得保障,但建筑能效投资由家庭和能源消费者承担,通常信贷成本高,因为这些类型的贷款是没有证券化。欧洲投资银行估计,到 2030 年,大约 70% 的能效投资预计将来自最终能源消费者,未来的投资将来自能源供应商。

在大多数欧洲和北美经济体中,家庭面临更高的能源价格和更高的节能改造借贷成本,使许多家庭无法降低能源成本。例如,英国有可能在 2023 年 1 月之前看到一半以上的家庭陷入燃料贫困,尽管燃料价格上限旨在限制账单增加,而企业几乎没有任何保护措施来应对这些不断上涨的成本。

然而,甚至在利率开始上升之前,能源效率投资通常被视为风险更大。能源效率投资应降低个人贷款利率,因为它们会降低能源成本,从而增加可用储蓄,从而降低违约风险。然而,这种好处在建筑行业往往没有实现,因为这些贷款与更不稳定的投资组合在一起。随着信贷变得更加昂贵,能效投资可能会被推迟,从而阻碍建筑存量的脱碳。

实现公平的建筑脱碳

谁能从建筑脱碳中受益是政策制定者必须解决的一个关键问题。2015 年,美国的能源贫困率或能源不安全率估计占所有家庭的近三分之一。在当前的生活成本危机中,这可能比以往任何时候都高,尤其是在被认定为黑人和西班牙裔的低收入家庭中。需要设计政策和计划,使低碳未来的所有权能够反映更广泛社区的多样性。

作为改善住房能源性能的一部分,欧洲改造浪潮正在优先努力降低能源费用,特别是在低收入家庭中。英国的 Energy Company Obligation 力求通过针对有经济状况调查福利且处于贫困状况的家庭采取有针对性的织物和供暖系统改造措施,同时减少碳排放和能源贫困。

面对气候变化和更强烈的天气模式,提高能源和建筑系统的质量和弹性至关重要特别是对于生活在劣质建筑中面临更高贫困和健康状况不佳风险的家庭而言。在美国,到 2050 年,低收入和负担得起的住房遭受洪水的风险可能会增加两倍。制定减少破坏风险和加强能源安全的计划需要成为脱碳转型的一部分。

需要解决谁将参与实施脱碳议程的问题,以便使来自不同技能和背景的工人能够加入低碳劳动力队伍。安装高性能系统和先进的建筑系统将需要大量增加熟练劳动力。例如,European Renovation Wave 估计需要增加 160000 名工人才能实现到 2030 年翻新 3200 万座建筑物的目标。英国可能需要超过 350000 个额外的全职工作才能实现 2050 年建筑物的净零排放目标。

共同努力降低节能投资的借贷成本将有助于消费者,尤其是那些来自边缘化社区的消费者,实现转型。这些努力可能包括扩大提供能源即服务或降低能源效率融资成本的政府和公用事业计划。

结论

全球建筑存量脱碳所需的技术和融资解决方案现已问世。然而,要真正实现可持续转型,无论是通过解决燃料匮乏、投资边缘化社区、升级基础设施,还是降低成本以支持更多清洁能源获取,公平都需要成为对边缘化社区向净零碳建筑转型的核心。现在是政策和计划推进议程的时候了,该议程能够使脱碳过渡到公平的建筑环境。

本文作者:Ian Hamilton-伦敦大学学院 UCL 能源研究所的能源、环境与健康教授 

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