全球建筑行業(yè)脫碳的關(guān)鍵：效率、電氣化與公平

如今，建筑行業(yè)脫碳的重要性現(xiàn)已得到廣泛認可，全球已有120 個國家在其國家自主貢獻 (NDC) 中將建筑能源改進列為解決排放問題的一種方式。

為實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的目標，全球建筑和建設(shè)行業(yè)必須在 2050 年之前實現(xiàn)凈零排放，并且從 2030 年開始，所有新建筑都必須實現(xiàn)凈零碳排放。但解決建筑問題的關(guān)鍵努力，如能源績效和碳 (CO₂) 排放量沒有跟上這些高水平目標的步伐。2022 年，國際能源署 (IEA)認為建筑行業(yè)“未步入正軌”。

由于能源效率投資水平低、過去十年能源強度沒有改善，而且可再生能源增長緩慢，建筑行業(yè)發(fā)展滯后。今天，只有 44 個國家/地區(qū)制定了規(guī)范建筑物能源效率的建筑能源法規(guī)。據(jù)估計，到 2030 年將增加的人口中有 82% 將生活在目前沒有此類能源法規(guī)的國家。

而到 2030 年建筑面積預(yù)計將增長到超過 2860 億平方米，比 2020 年增長 20%，建筑將成為能源需求增長最快的來源之一，尤其是在不斷改善的發(fā)展中經(jīng)濟體中他們要獲得現(xiàn)代能源服務(wù)，例如制冷。建筑行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是選擇支持近期快速脫碳的行動，同時擴大獲得可持續(xù)、負擔(dān)得起的清潔能源的機會。

本文探討分析了建筑脫碳的途徑，重點是通過技術(shù)提高能源效率，擴大建筑電氣化和電網(wǎng)以支持向清潔能源的過渡，并考慮了從能源成本到氣候變化的多重持續(xù)危機對建筑行業(yè)脫碳的影響。最后，認為建筑存量的脫碳必須旨在支持更廣泛的可持續(xù)性目標，這些目標超越了對減排的單一關(guān)注，以解決系統(tǒng)性能源不平等問題。

建筑物的直接和間接排放

據(jù)估計，全球建筑行業(yè)以電力、化石（天然氣）以及液體和固體燃料的形式消耗全球能源的 30%以上，主要用于加熱、冷卻、烹飪、照明和設(shè)備使用。而且占全球能源相關(guān) CO₂排放量的 27% 左右，每年（如2021 年）二氧化碳排放量總計達 10 十億噸。在這些排放物中，32% 直接來自化石氣體、燃料油、煤油等，68% 間接來自電力。如果考慮建筑施工過程中所用材料的生產(chǎn)，建筑部門在能源使用和排放中所占的份額分別上升到 36% 和 37%。

此外，建筑行業(yè)將需要在短期內(nèi)解決直接和間接排放之間脫碳行動的平衡問題，同時不限制減緩方案或產(chǎn)生導(dǎo)致該行業(yè)或電網(wǎng)未來出現(xiàn)問題的路徑依賴。例如，通過可再生能源使電力供應(yīng)脫碳將減少間接排放，以及通過從建筑物中的化石燃料氣體轉(zhuǎn)向電加熱來減少直接排放。但如果建筑結(jié)構(gòu)的能源效率不被視為該過程的一部分，這可能會對電網(wǎng)負荷產(chǎn)生重大影響。

減少直接排放：國際能源署估計，到 2050 年，建筑行業(yè)脫碳以實現(xiàn)凈零排放所需的減排量中，能效可以貢獻約 25%。能效投資可以減少供暖、制冷、照明和通風(fēng)。直接使用可再生能源，例如光伏 (PV)、太陽能熱熱水和氫氣，可進一步減少 30%。其余 45% 的直接減排量將通過建筑電氣化實現(xiàn)。

減少間接排放：根據(jù)國際能源署的說法，使用當今可用的技術(shù)增加建筑物的電氣化以及脫碳電網(wǎng)是解決間接來源建筑物排放的主要解決方案。

技術(shù)驅(qū)動的能源效率在實現(xiàn)建筑脫碳中的作用

在過去的二十年里，已經(jīng)出現(xiàn)了提高能源效率和建筑行業(yè)脫碳的技術(shù)選項。其中包括高性能和低成本的絕緣材料、帶有太陽能控制膜和氣體的玻璃單元、高效加熱和冷卻系統(tǒng)、高性能電器和設(shè)備，以及智能和數(shù)字控制系統(tǒng)。然而，建筑物作為系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性，及其不同的用途和所有權(quán)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致這些技術(shù)的采用持續(xù)緩慢。

國際能源署估計，到 2050 年實現(xiàn)凈零排放目標需要建筑行業(yè)從現(xiàn)在到 2050 年實現(xiàn)平均每年 4-5% 的能源強度改善。新建筑需要按照更高的性能標準建造，并通過規(guī)范與實現(xiàn)凈零排放。例如，隨著公用電網(wǎng)脫碳，不列顛哥倫比亞省能源步驟規(guī)范明確規(guī)定了到 2032 年實現(xiàn)凈零排放建筑和到 2050 年實現(xiàn)完全零碳建筑的明確途徑。

然而，現(xiàn)有建筑（當前建筑存量的大部分）也需要做好凈零準備或能夠在電網(wǎng)脫碳時以零排放運行。這可能需要安裝超過 18 億個熱泵和 12 億個太陽能熱系統(tǒng)，增加約 7500 太瓦時的建筑一體化光伏發(fā)電，并將家用電器的能效比目前提高 40%。

那些致力于實現(xiàn)脫碳的人將面臨選擇。

通過漸進式方法或有針對性的深度改造，建筑物可以變得更加節(jié)能。前者涉及在翻新建筑物或在其使用壽命結(jié)束時升級到高性能系統(tǒng)時采用改造。后者是多系統(tǒng)升級，以達到高性能標準。深度改造通常是一項高成本和高干擾的活動，導(dǎo)致大多數(shù)效率改造采用漸進的、零碎的方法來完成。改進這種方法的一種途徑是擴大建筑物改造的整體活動，以降低成本并改進實踐。

例如，歐洲的 Renovation Wave 旨在到 2030 年將建筑物的年能源改造率至少提高一倍，目標是到 2030 年改造超過 3500 萬座建筑物。

在歐洲，增加建筑能效改造的市場活動可能會降低技術(shù)成本，并讓安裝人員在這些改造方面獲得更多經(jīng)驗。同樣，監(jiān)管機構(gòu)和標準實施者將更好地了解需要注意哪些方面，以避免因?qū)嵤┎划數(shù)母脑於a(chǎn)生意想不到的后果。

技術(shù)應(yīng)該在不降低建筑物的生產(chǎn)率、舒適度和使用率的情況下減少能源需求。這需要關(guān)注建筑脫碳可以為建筑用戶帶來的更廣泛的利益和共同利益，例如節(jié)省賬單、舒適和健康以及安全和有彈性的能源系統(tǒng)。還應(yīng)考慮對社會（例如，增加世代價值）和經(jīng)濟（例如，就業(yè)、投資和成本節(jié)約）的更廣泛利益。

電氣化在實現(xiàn)建筑脫碳中的作用

建筑物電氣化是一項關(guān)鍵行動，通過逐步停止直接使用化石燃料以及增加現(xiàn)場可再生能源發(fā)電和可再生能源電網(wǎng)，使建筑物能夠?qū)崿F(xiàn)零碳排放。

建筑物電氣化意味著取消使用化石燃料燃氣器具，例如用于空間和水加熱和烹飪的器具，以減少用于取暖的石油和化石燃氣爐的直接排放。許多政府正在制定禁止使用化石燃料設(shè)備和供暖系統(tǒng)的禁令，或者正在禁止將新建筑物連接到燃氣網(wǎng)絡(luò)?；剂辖钫诩铀傧螂姎饣吞娲稍偕剂希ɡ鐨錃夂涂稍偕鸁峋W(wǎng)）的轉(zhuǎn)變。許多國家/地區(qū)已經(jīng)對某些類型的供暖系統(tǒng)實施了國家、州和城市禁令（見表 1）。

表 1：已實施建筑物內(nèi)化石燃料設(shè)備禁令的政府（部分）

供暖和制冷電氣化正在考慮的主要技術(shù)是熱泵。除了熱泵，還可以開發(fā)或改造區(qū)域或社區(qū)供熱和制冷網(wǎng)絡(luò)，以提供低碳或零碳能源。

熱泵

熱泵使用制冷劑氣體將熱量從外部來源（例如空氣、水或地面）傳遞到內(nèi)部加熱系統(tǒng)（例如空氣或水）。它們是加熱建筑物和水的有效方式，因為它們能夠?qū)崿F(xiàn)高季節(jié)性性能系數(shù) (COP)，這是衡量系統(tǒng)年平均能源效率的指標，在溫和氣候下范圍從 3.5 到 7，取決于系統(tǒng)的配置。相比之下，典型的現(xiàn)代燃氣鍋爐的 COP 最多只有 0.93 左右，這意味著在最佳條件下，熱泵的效率比傳統(tǒng)鍋爐高很多倍。

空間和水熱泵的全球市場正在迅速增長。到 2022 年，歐洲安裝的熱泵總數(shù)估計為 1490 萬臺，其中 2021 年安裝了超過 220 萬臺。許多歐洲國家計劃進一步增加熱泵在其能源中的使用混合。法國在 2021 年安裝了超過 500000 臺熱泵機組，法國、意大利和西班牙制定了到 2030 年大幅提高熱泵容量的目標。熱泵通常用于南歐的供暖和制冷，其中制冷是它們的主要用途主要功能是因為該地區(qū)夏季天氣較暖和。在歐洲其他地區(qū)，尤其是北方國家，熱泵主要用于供暖。

在美國，最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，在供暖度日數(shù)少于 6000 的地區(qū)（底特律以南地區(qū)），與化石燃料系統(tǒng)相比，電熱泵是最具成本效益和低排放的選擇。加州已經(jīng)采用了通過建筑集成 PV 和使用電熱泵進行空間和水加熱來激勵合規(guī)的法規(guī)。

作為一個全球市場，熱泵裝置正在擴大。根據(jù) IEA 的數(shù)據(jù)，到 2020 年，歐洲僅占總銷售額的 12%，而北美和其他發(fā)達經(jīng)濟體則占 50%。在發(fā)展中經(jīng)濟體中，中國占33%，其他發(fā)展中經(jīng)濟體占4%。在全球熱泵市場，83%的熱泵安裝在住宅領(lǐng)域，14%安裝在商業(yè)領(lǐng)域，3%安裝在工業(yè)領(lǐng)域。

為了最有效，熱泵的安裝應(yīng)與改善建筑圍護結(jié)構(gòu)的能源性能一起進行。在隔熱良好的住宅和建筑物中，熱泵的尺寸可以調(diào)整到較低的供暖設(shè)計溫度，從而減小它們的尺寸和成本。

加熱和冷卻網(wǎng)絡(luò)

通過對新管道和供熱和制冷交換裝置的大量投資，建筑物也可以從將現(xiàn)有能源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榱闾寂欧胖惺芤?。例如，多倫多深湖水冷卻系統(tǒng)為 100 多座商業(yè)和混合用途建筑提供冷卻，節(jié)省的電量相當于一個擁有 25000 座房屋的城鎮(zhèn)的用電量。

同樣，化石天然氣基礎(chǔ)設(shè)施可以過渡到氫氣，適當升級以避免管道退化、計量不一致和氣體泄漏的挑戰(zhàn)。據(jù)英國估計，與 2014 年的水平相比，將最多 20% 的氫氣混合到化石氣體管網(wǎng)中可將 CO₂排放量減少 66%。然而，為了與《巴黎協(xié)定》保持一致，氫的來源必須是“綠色”的，或者來自可再生和零碳來源。

電氣化和熱泵也支持全球?qū)χ评涞男枨?，估計?2050 年，制冷需求將從目前的 20% 增加到 37%。 到 2030 年，全球空調(diào)的數(shù)量預(yù)計將從估計的 2.2 增加50%到 2021 年將達到 10 億臺，給電力系統(tǒng)帶來了快速增加的峰值負載的額外挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)將是確保電網(wǎng)能夠通過技術(shù)進步快速脫碳，從而確保滿足不斷增加的冷卻和現(xiàn)場可再生能源發(fā)電帶來的可變負載需求。

對電網(wǎng)的影響

為了在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)凈零排放，國際能源署估計全球?qū)﹄娋W(wǎng)的投資需要增加一倍以上，從 2016-2020 年期間的每年約3000億美元增加到 2026-2020 年期間的平均每年 6000 億美元以上。 2030 年。增長需要主要發(fā)生在新興國家和發(fā)展中國家，并以數(shù)字化為重點。

電網(wǎng)脫碳可以增強能源安全，但前提是要進行適當?shù)囊?guī)劃、投資和及時的行動，以避免在轉(zhuǎn)型期間對電力系統(tǒng)造成壓力。分布式能源，如太陽能光伏板、電池和空調(diào)等主要分布式負載正在迅速擴大。管理它們的增長以保持系統(tǒng)可靠性、控制成本并確保公用事業(yè)業(yè)務(wù)模型跟上這些變化是至關(guān)重要的。

此外，電力系統(tǒng)極有可能因氣候相關(guān)事件而中斷。氣候變化正在導(dǎo)致更多變的降水模式、海平面上升和極端天氣事件，這些事件對電力系統(tǒng)的各個方面都有影響，包括發(fā)電效率、輸配電網(wǎng)絡(luò)的彈性以及需求模式。

建筑存量脫碳的逆風(fēng)

實現(xiàn)全球建筑行業(yè)脫碳的雄心面臨重大挑戰(zhàn)。其中包括監(jiān)管和融資障礙，以及更換供暖和制冷系統(tǒng)以及翻新全球數(shù)億座建筑物所需的技術(shù)變革規(guī)模。除此之外，不斷上漲的能源成本和消費者對能源效率投資的沉重負擔(dān)構(gòu)成了緊迫的挑戰(zhàn)。

成本上升：自 2022 年初以來，能源成本一直高度波動，以 2008 年全球金融危機和 1970 年代石油輸出國組織 (OPEC) 石油危機以來未曾見過的速度加速和下降。在整體通貨膨脹侵蝕購買力之際，能源成本的急劇上升對每月能源支出造成了沖擊。COVID-19 大流行對供應(yīng)鏈的影響也使得將材料和貨物運輸?shù)浇ㄖ┕ず头率袌龅某杀靖摺?/p>

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，經(jīng)濟合作與發(fā)展組織 (OECD) 的中央銀行正在通過提高利率來解決通貨膨脹問題。例如，到 2022 年 12 月，美國財政部的短期利率已從 2022 年 1 月的 0.22% 上升至 4.44%；同期，歐元區(qū)利率從 0.50% 上調(diào)至 2.75%。除了限制能源和其他家庭用品支出的較高生活成本之外，增加的借貸成本將對包括能源效率投資在內(nèi)的整體支出產(chǎn)生抑制作用。

能源負擔(dān)能力危機：通常，對大規(guī)模能效計劃或公用事業(yè)脫碳的投資以低信貸成本獲得保障，但建筑能效投資由家庭和能源消費者承擔(dān)，通常信貸成本高，因為這些類型的貸款是沒有證券化。歐洲投資銀行估計，到 2030 年，大約 70% 的能效投資預(yù)計將來自最終能源消費者，未來的投資將來自能源供應(yīng)商。

在大多數(shù)歐洲和北美經(jīng)濟體中，家庭面臨更高的能源價格和更高的節(jié)能改造借貸成本，使許多家庭無法降低能源成本。例如，英國有可能在 2023 年 1 月之前看到一半以上的家庭陷入燃料貧困，盡管燃料價格上限旨在限制賬單增加，而企業(yè)幾乎沒有任何保護措施來應(yīng)對這些不斷上漲的成本。

然而，甚至在利率開始上升之前，能源效率投資通常被視為風(fēng)險更大。能源效率投資應(yīng)降低個人貸款利率，因為它們會降低能源成本，從而增加可用儲蓄，從而降低違約風(fēng)險。然而，這種好處在建筑行業(yè)往往沒有實現(xiàn)，因為這些貸款與更不穩(wěn)定的投資組合在一起。隨著信貸變得更加昂貴，能效投資可能會被推遲，從而阻礙建筑存量的脫碳。

實現(xiàn)公平的建筑脫碳

誰能從建筑脫碳中受益是政策制定者必須解決的一個關(guān)鍵問題。2015 年，美國的能源貧困率或能源不安全率估計占所有家庭的近三分之一。在當前的生活成本危機中，這可能比以往任何時候都高，尤其是在被認定為黑人和西班牙裔的低收入家庭中。需要設(shè)計政策和計劃，使低碳未來的所有權(quán)能夠反映更廣泛社區(qū)的多樣性。

作為改善住房能源性能的一部分，歐洲改造浪潮正在優(yōu)先努力降低能源費用，特別是在低收入家庭中。英國的 Energy Company Obligation 力求通過針對有經(jīng)濟狀況調(diào)查福利且處于貧困狀況的家庭采取有針對性的織物和供暖系統(tǒng)改造措施，同時減少碳排放和能源貧困。

面對氣候變化和更強烈的天氣模式，提高能源和建筑系統(tǒng)的質(zhì)量和彈性至關(guān)重要，特別是對于生活在劣質(zhì)建筑中面臨更高貧困和健康狀況不佳風(fēng)險的家庭而言。在美國，到 2050 年，低收入和負擔(dān)得起的住房遭受洪水的風(fēng)險可能會增加兩倍。制定減少破壞風(fēng)險和加強能源安全的計劃需要成為脫碳轉(zhuǎn)型的一部分。

需要解決誰將參與實施脫碳議程的問題，以便使來自不同技能和背景的工人能夠加入低碳勞動力隊伍。安裝高性能系統(tǒng)和先進的建筑系統(tǒng)將需要大量增加熟練勞動力。例如，European Renovation Wave 估計需要增加 160000 名工人才能實現(xiàn)到 2030 年翻新 3200 萬座建筑物的目標。英國可能需要超過 350000 個額外的全職工作才能實現(xiàn) 2050 年建筑物的凈零排放目標。

共同努力降低節(jié)能投資的借貸成本將有助于消費者，尤其是那些來自邊緣化社區(qū)的消費者，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型。這些努力可能包括擴大提供能源即服務(wù)或降低能源效率融資成本的政府和公用事業(yè)計劃。

結(jié)論

全球建筑存量脫碳所需的技術(shù)和融資解決方案現(xiàn)已問世。然而，要真正實現(xiàn)可持續(xù)轉(zhuǎn)型，無論是通過解決燃料匱乏、投資邊緣化社區(qū)、升級基礎(chǔ)設(shè)施，還是降低成本以支持更多清潔能源獲取，公平都需要成為向凈零碳建筑轉(zhuǎn)型的核心對于邊緣化社區(qū)?，F(xiàn)在是政策和計劃推進議程的時候了，該議程能夠使脫碳過渡到公平的建筑環(huán)境。

本文作者：Ian Hamilton-倫敦大學(xué)學(xué)院 UCL 能源研究所的能源、環(huán)境與健康教授

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[xlix] National Grid, “Building the Net Zero Energy Workforce,” 2020, https://www.nationalgrid.com/document/126256/download.

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