04、城市更新的零碳路径探索——以零碳社区建设模式为基础

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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；３．中国海洋大学，青岛；４．公信检测（山东）有限公司，青岛；５．青岛能源热电集团清洁能源分公司，青岛）摘要在 “双碳 ”目标背景下，奥帆中心以 “零碳社区 ”为目标，基于青岛市的社会经济发展现状，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－ｍａｉｌｑｄｒｄｑｈ＠１６３．ｃｏｍ收稿日期２０２２－０４－１１０引言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排放量的４９．９７％，是 “双碳 ”目标实现的关键领域。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增加，在保障社会经济发展需求的情况下，既有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项目概况奥帆中心位于青岛市核心区域，总用地面积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，包括会议、酒店、办公、博物馆、媒体中心等（见表１），是具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），均高于我国ＧＢ／Ｔ５１１６１２０１６民用建筑能耗标准中约束值的要求。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建筑名称建筑面积／ｍ２层数主要功能海尔洲际酒店９５０００地上１７层，地下２层超五星级酒店国际会议中心５４０３２地上４层，地下１层会议为主的综合建筑中翔航通酒店２６０００地上６层，地下１层酒店、餐饮旅游集团１１８８０地上１２层，地下１层办公奥帆博物馆９３００地上２层，地下１层博物馆媒体中心７９００地上２．５层，地下１层办公、会议燕岛宾馆７２７２地上５层，地下１层酒店、餐饮后勤保障中心７０００地上３层，地下１层公共服务运动员中心５０００地上４层，地下２层公共服务宴会厅３７５２地上１层会议、餐饮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期目标，力争于２０２３年前实现社区碳排放＜２５ｋｇ／（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 · ４５２ · 暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２２年第５２卷增刊１节能图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，构建了以零碳为目标的社区更新技术体系（见图２）。主要技术包括图２青岛奥帆中心零碳社区技术体系１）光储直柔。充分利用社区内原有光伏设备，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。２）热泵技术。提升原海水源热泵机组的能效，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 · ５５２ · 节能暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２２年第５２卷增刊１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２０２０２０２１年冬季供暖季的监测数据，奥帆中心供热系统典型年（２０１８２０１９年）全供热季用热量为５４８０４ＧＪ，能效提升后（２０２０２０２１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／Ｔ１７８５２０２０二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为改造后年用热量，ＧＪ。 · ６５２ · 暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２２年第５２卷增刊１节能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ＣＯＰ为３．２３，均与额定ＣＯＰ（制冷为４．７４，制热为４．８０）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点城市、唯一的绿色城市，预估只有１５年的时间。因此需要从２０２１年起，“十四五 ”期间首先实现市区内无煤化，“十五五 ”期间实现区市无煤化，“十六五 ”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。３结语青岛奥帆中心零碳社区项目以能效提升为起点，经过１年多的时间，逐步完善零碳能源技术体系，探索了以供能侧结构转型为核心的零碳社区建设路径，建立起包纳能源、建筑、交通、金融、人文和科研的零碳系统，实现了全寿命周期的零碳管理，促进了环境、社会和经济系统绿色低碳的协同发展。项目计划于３年内实现碳排放２５ｋｇ／（ｍ２ · ａ）的目标，对标世界银行与上海长宁低碳区的标准。３年以后打造青岛零碳标准，为发展中国家北纬４０° 相对发达城市的既有建成区提供可参考、可复制的 “碳中和 ”解决方案，目前已经实现在青岛市进行大范围的推广，同时也为国内其他城市的零碳建设提供了借鉴，是城市零碳更新的重要探索。 · ７５２ · 节能暖通空调ＨＶ＆ＡＣ２０２２年第５２卷增刊１