国内外建筑碳中和前沿
栏首语
2015年通过的《联合国气候变化框架公约》（巴黎协定）指出：气候变化是人类共同关注的问题。以刚刚过世的诺贝尔化学奖得主保罗·克鲁岑教授为首的国际知名科学家更是提出了地球的地质时代已经到了“人类世”（TheAnthropocene）的新阶段，即由18世纪末人类活动对气候及生态系统造成全球性影响开始，人类已经而且还将继续对地球系统产生巨大的、不容忽视的影响，甚至可能影响到人类的命运。因此，减少温室气体排放、降低气候变化带来的巨大风险，成为人类的共同事业。中国是世界第一大碳排放国，2019年中国的年度温室气体排放量占世界总量的27%，首次超过经济合作与发展组织（OECD）国家的总排放量。中国已经承诺在2030年实现碳达峰，在2060年实现碳中和。而建筑领域（全产业链）碳排放在中国碳排放总量中占30%以上。在这一重大挑战面前，除了业界自身的共同努力，还需要学习和借鉴世界各国尤其是发达国家的经验。因此，增加对国外的了解非常重要，可以使我们少走弯路，采用适用技术、制定适合国情的政策，实现双碳目标。
从本专栏的文章来看，国外实现建筑碳中和的技术路径都围绕着超低能耗建筑、规模化应用可再生能源、供暖电气化，以及实现建筑的数字化和智慧化等方向展开。同时，在制度、管理、财政和金融等方面全方位加以保障和配合。最值得学习的是建筑相关各专业的协同和配合。双碳并不仅是暖通专业或建筑电气专业某个专业的事情，也不能只是“制订了标准我照办”的被动接受，而需要专业团队的集思广益和共同努力，全社会（包括居民和用户）的共识和配合。
当然，在学习国外技术的同时也要注意，发达国家已经完成了碳达峰，相对中国，他们实现碳中和的道路比较平坦。而超低能耗、可再生能源利用、房屋供暖等技术，都有着强烈的地域特点和气候依赖性。比如，在德国应用非常成功的被动式建筑节能技术，在中国的大部分地区完全照搬的效果并不理想。这就需要根据中国各地的气候条件和生活习惯创造性地应用。尤其需要建筑师将被动措施融合在建筑设计中，而不是靠暖通工程师在建筑设计定型以后“附加”到建筑中。这需要我们在学习国外先进技术的同时，根据本地实际情况，加以创新。
范宏武博士介绍了编制中的上海市民用建筑用能限额设计标准的整体思路，体现了在国家实行能耗强度和总量双控政策的形势下，建筑节能的思路从控制下限（设计值）到控制上限（实际能耗）的转变，这对我国建筑领域实现双碳目标具有深远影响。据我所知，北京市也在编制相关地方标准。国际上类似标准尚不多见。
本人的文章（系列文章之一），主要介绍在双碳语境下，建筑和城区能源系统相比过去有哪些不同，也介绍了各项新技术发展存在的瓶颈。目的是开拓业内的思路，并找到进一步研发的方向。
希望更多同行关注这个专栏。也希望在海外的学者、留学生给这个专栏赐稿，介绍各国建筑界在碳中和目标下的进展，促进交流，推动发展。
（龙惟定）
专栏文章
碳中和城市建筑能源系统(1):能源篇
摘要
作为碳中和城市建筑能源系统系列文章的首篇，从节能优先、供暖电气化、可再生能源应用、能源供应去中心化和多源化等几个方面，概要介绍了碳中和城市建筑能源系统源侧的主要技术、系统构成、适用性，以及需要引起注意的问题。
关键词
碳中和城市 建筑能源系统 节能优先 供暖电气化 可再生能源应用 去中心化 多源化
同济大学 龙惟定
0 引言
根据世界气象组织（WMO）发布的 告，2020年CO2的全球平均体积分数为413.2×10-6。2021年5月，地球大气层中的CO2体积分数达到了419×10-6，为400万年以来的最高水平。而按照目前温室气体浓度的增长速度，到本世纪末，温度上升将远超《巴黎协定》规定的高于工业化前水平1.5~2.0 ℃的目标。
根据测算，2019年我国城市建筑领域由于耗能而产生的CO2排放约为16亿t，加上年化隐含碳排放（建筑寿命按30年计），城市建筑总碳排放为24亿t，约占当年我国总CO2排放量的1/4。
在双碳目标下，建筑能源的供应—输送—需求3个阶段，与常规的技术路线、系统配置、商业模式、规划设计方法相比有了很大变化。既要节能，还要减碳；除了研究需求端，还要统筹供应端和输送系统；不但要优化冷/热系统，还要协调电力和燃气系统。因此，笔者从建筑和城区的视角，从综合能源系统的源、 、荷、储、用五大环节，对双碳背景下的新技术和新特点作简单点评。希望对业内同行能有一些启发和帮助。
与以前的建筑能源系统相比，碳中和能源系统依旧遵循“节能优先”的原则，但从“计算节能”转向了“实物量节能”，实现能耗强度和总量的限额管理。而建筑能源的供应端在碳中和背景下有以下几方面的变化：1）供暖电气化。在城区和建筑层面去化石燃料燃烧。2）可再生能源应用规模化。3）建筑能源系统分散化。4）供能多源化。5）建筑和城区能源管理系统数字化和智慧化。6）供应端的终极目标是实现“能源即服务（energy as a service）”。实现以上变化有相当的难度。尤其是第1、2项，严重依赖于地域气候条件和资源条件，需要业内做相当大的努力。
1 节能优先
1.1 能耗限额管理
自2015年起，我国实行能源消耗总量和强度的“双控”，即按省、自治区、直辖市行政区域设定能源消费总量和强度控制目标，对各级地方政府进行监督考核；对重点用能单位分解能耗双控目标；开展目标责任评价考核；加强节能管理。
从1985年我国开展建筑节能工作以来，建筑节能标准都是提出控制设计参数，是对建筑节能要求的最下限（即以20世纪80年代围护结构隔热和建筑设备能效为基准的计算节能相对值），而从GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》颁布后陆续发布的国家和地方标准或指南及超低能耗建筑设计导则都给出了单位面积建筑能耗指标（EUI）的控制值，即建筑能耗的上限值。这不仅给出了建筑设计的约束值，更是提出了运行管理的实物量目标值。
我国实行“双控”政策后，相继对数十种工业产品制定了能耗限额。因为建筑能耗的复杂性和多样性，直到实行“双碳”目标后，各地方（如北京市和上海市）才开始制定各类建筑的能耗限额标准。能耗限额，不仅是建筑能耗的上限，更是“天花板”值。而只有实行了能耗限额，才有可能完成区域的运行碳排放配额。
能耗限额标准的指标源自对实际能耗数据的统计分析和典型建筑的计算机模拟，涉及建筑围护结构的特性、冷热电系统的运行动态，以及运行管理的控制水平。因此，为满足能耗限额，规划、设计、运行、系统集成等各方面都要有所调整。
1.2 被动式技术
影响建筑能耗的主要因素有4个：城市空间几何形态、建筑设计、系统效率和使用者行为。超低能耗建筑或能耗限额标准要求，建筑首先要利用被动式技术降低供冷供热和照明的能耗，主要包括提高围护结构热工性能，采用自然通风、被动太阳房和昼光照明等，其中被动式技术对气候和空间形态依赖性很大。被动式技术在欧洲应用很好，相比之下在我国应用则受到以下制约：
1）欧洲节能重点对象是居住建筑，我国节能重点对象是公共建筑。中欧和西欧多数居住建筑是独立式住宅或联排住宅，容积率低，相互间影响小。我国很多城市公共建筑体量大、有内外区，理论上说，内区常年有余热。我国城市市区容积率高、建筑密度大，形成遮挡、遮阴、遮蔽，既可能挡住阳光，又可能扰乱气流，更容易形成热岛或冷岛效应。近年来的研究表明，被动式建筑的节能取决于多个建筑形态因素，如建筑的被动空间（即距离外围护结构立面6 m或2倍建筑层高距离内的建筑室内周边区）、体形系数、高度、围护结构性能等和多个城市形态因素（如容积率、密度等），有很大的不确定性。以建筑体形系数为例，系数越高，意味着单位体积的表面积越大。这就产生一个悖论：从降低冬季热损失的角度，希望体形系数小；而从接受太阳辐射减少供暖热负荷的角度，却希望体形系数越大越好。但大规模公共建筑不同于住宅，规模越大，受气候影响越小，供暖负荷也越小。这引出第一个需要权衡的问题：即供暖负荷与被动太阳能增益之间的平衡。
2）欧洲居住建筑节能重点是供暖，而我国大部分地区（包括严寒地区的主要城市），除了供暖能耗，还有供冷能耗。供暖季节的太阳能增益，到供冷季节就成为太阳能得热，是形成冷负荷的主要成分。而对于既有供暖又有供冷的公共建筑而言，更希望延长充分利用被动式技术、不需要供暖也不需要供冷的过渡季节。这引出第二个需要权衡的问题：即供暖与供冷之间的平衡。同济大学的一项研究为利用参数化方法预测不同城市形态下建筑相互间的遮挡对附近建筑供冷供热能耗的影响。影响较大的兰州、银川等西部城市，可以降低供冷需求最高达46%，增加供热需求最多达21%；影响较小的武汉市，降低供冷需求10%，增加供暖需求6%，对以供冷为主的武汉还是有意义的。
3）在碳中和背景下，期望建筑光伏一体化（BIPV）中光伏发电最大化。这可以看作“被动式技术的主动应用”。除了当地太阳能资源外，可利用的光伏发电空间也是重要资源。对于城市建筑而言，除了屋顶，有可能安装光伏（包括硅基和薄膜）之处就是建筑立面。而在高密度城市中，建筑屋面有限，有多种用途“争夺”屋顶空间。而可利用的建筑立面，光伏发电效率低、成本高，并会受到邻近建筑阴影的很大影响。近年来，国内外广泛开展了对城区建筑太阳能利用潜力的研究，提出了多种参数化的方法。这些研究都是将二维平面扩展到三维空间。Zhou等人研究建立了城市三维点云（地面、立面、屋面）模型，并考虑直射阳光的反射，应用数据科学算法，研究城市的太阳能潜力。GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》要求“新建建筑应安装太阳能系统”。因此，在新建城区的规划阶段就应该充分估计建成区的太阳能利用潜力。目前，国内外尚无统一的、通用的和普适的评估方法，也没有相应的软件。这是一个非常重要的研究方向。虽然已有一些针对光伏电站的表格化工具，但建筑层面的研究还差得很远。
4）城市密度问题。在生态城市、低碳城市发展过程中，一直强调发展“紧凑型城市（compact city）”，这么做首先是为了节约土地，制止城市“摊大饼”式蔓延的趋势；其次，较高的城市密度，可以降低交通能耗、提倡慢行交通；同时，也可以降低建筑能耗强度和碳排放强度，尤其是供暖能耗，相当于众多建筑“抱团取暖”。但在碳中和背景下，需要思考以下问题：①需要从能耗总量和能耗强度2个方面进行控制。可能单位面积能耗低，但最终的能耗总量大。②需要从供暖和供冷2个方面权衡。可能供暖能耗低，但供冷能耗高。③需要从建筑物相互之间的影响权衡。过高的建筑密度可能会降低被动式技术和太阳能系统应用。在较早期的研究中，主要是针对单个城市的单一因素进行研究，如容积率、高度、密度等因素分别对建筑能耗（供暖或供冷）强度（EUI）的影响，很容易得出形态因素与能耗的正相关（如体形系数）或负相关（如容积率、密度、高度）关系。随着研究手段的进步，近年的研究已经发展到对城市形态的多因素与能耗的关系，以及与能耗和寿命周期碳排放的综合关系的研究。也有研究者在多因素中，通过大数据分析和解耦，找出影响最大的因素。近年研究的总体结论相比单因素研究的最大变化是：从增益和能耗的多因素比较可知，建筑密度并不是越高越好，需要适度。图1显示了建筑密度与建筑能耗的关系。
因此，新建城区需要控制建筑密度、楼层数（5~7层），建筑覆盖率在35%以下，总容积率在1.5~1.7之间，尤其要避免建造超过100 m的高层或超过150 m的超高层建筑。对于以供冷为主的气候区，如果从供热、供冷和照明几个方面考量，还需要更深入的研究。从宜居性考虑，建筑密度过高也是无益的。要研究的是如何把握这个“度”。
1.3 建筑节能资源化
之所以把节能放在能源篇里，是因为节能是碳中和城市建筑能源系统的基础。从这个意义上说，节能是第六大能源。碳中和背景下的节能是控制能耗量，满足能耗限额，而不仅仅是能耗计算量。要实现能耗和碳排放的强度及总量的双控，满足能耗限额和碳排放配额，不仅要重视设计，更要重视运行和能源管理。应该在城区尺度上加以权衡和协调。
实现碳中和能源系统管理现代化的关键因素有2个：一是运行管理人员的社会地位、技术素质、管理水平和创新能力需要大幅度提高，要像重视设计人员那样重视运行管理人员；二是运行管理的数字化和智慧化。这方面还有很多需要改进和提高之处。
根据我国国情，建筑节能的重点对象可分成3类：第一类是北方集中供暖的城镇居住建筑和公共建筑（占建筑运行总碳排放的60%以上），第二类是除集中供暖以外的公共建筑（占近24%），第三类是除北方集中供暖以外的城镇居住建筑（占16%）。对于第一类，既要重视新建建筑的设计，更要重视既有建筑集中（区域）供暖系统的运行（公共建筑）和改造（居住建筑），特别是以前没有完成供暖分户计量的建筑，是建筑领域实现碳中和过程中最大的难点。努力做到新增居住建筑净零碳排放，既有建筑通过改造实现碳排放减量。对于第二类，应实现严格的能耗限额，并逐步实行电费超限额加价，以及限额交易等与经济利益挂钩的政策。对于第三类，对新建居住建筑开展能耗限额性能化设计，以及菜单式全装修房设计，并建立相应条例法规，限制大拆大建和“颠覆式”装修；对既有建筑，有条件的实行以改善热舒适性为主要目的的节能改造，对各种家用电器或耗能设备实行高等级能效标识的市场准入。
2 供暖电气化
长期以来，人类取暖从使用薪柴、木炭等可再生能源，到化石燃料，都是以高燃烧温度、低效率和大yong损失，换取供暖舒适性。当然也造成部分人群对偏高的供暖室内温度的适应习惯，甚至造成冬夏室内温度的倒置。而电力供暖，主要有电锅炉供暖和热泵供暖。在以火电为主的电力系统中，电锅炉的综合一次能源效率低于热电联产供暖和燃气锅炉供暖。对于既有集中供暖系统而言，用电锅炉替代煤锅炉，对供暖品质和原有系统变动最小，也不会影响住宅现有的供暖方式和使用习惯。而热泵供暖是温度对位供暖，以接近室温的介质输送热量。如果末端是辐射供暖，则需要比较大的散热面积和连续运行（如地板供暖）；如果末端是热风供暖，会造成一定的不舒适感。因此，供暖电气化首先要研究如何提高人们的接受程度（尤其我国北方居民）及如何改变和适应部分人群的生活习惯。
2.1 热泵供暖的间接碳排放
在我国以煤为主的电力结构下，用热泵供暖，其间接碳排放需要特别重视。碳排放量取决于当地电力的平均碳排放因子及热泵的效率（COP）。
根据发电结构，各地的碳排放因子有很大差异。碳排放因子可以用3种方法获取：
2）采用国家全电 的平均碳排放因子（全国电力年总碳排放量除以当年全国总发电量），优点是全国用统一的碳排放因子，便于相互比较；缺点是不利于碳交易和影响购买绿电的积极性，更不能体现可再生能源大省在国家双碳目标下的地位。2021年12月，国家生态环境部公布了2020年全国电 平均碳排放因子，为0.583 9 kg/（kW·h）（2015年是0.610 1 kg/（kW·h））。
选取碳排放因子时，建议采用1）、2）、3）的排序。
以供热量10 kW·h为例，比较不同供暖方式的碳排放，结果见表1。
从表1可以看出，空气源热泵供暖间接碳排放取决于当地碳排放因子，取省级电 平均碳排放因子最高值计算，空气源热泵供暖不具减排优势；而取国内最低的碳排放因子计算，空气源热泵供暖减排效果很好，可以取代燃煤和燃气锅炉。按照北京市的碳排放因子（0.627 6 kg/（kW·h））计算，末端地板供暖有一定减排作用，而采用散热器供暖，碳排放量就比天然气供暖大了。以燃气锅炉制热量10 kW·h的碳排放量（2.32 kg）衡量，需要在当地电力碳排放因子小于0.51 kg/（kW·h）的条件下使用多联机才有减排效益。而如果当地电力碳排放因子小于0.22 kg/（kW·h），可以用电锅炉取代燃气锅炉。
2.2 去燃烧化——区域级燃气热电联产怎么办?
首先要明确一个概念：分布式能源的核心是分布式发电。有发电的CHP或CCHP是分布式能源的一部分，但不是全部。所谓分布式发电，是指“在用户所在场地或附近建设安装、运行方式以用户端自发自用为主、多余电量上 ，且在配电 系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施”。碳中和建筑能源系统也属于分布式能源系统，只不过把一大部分发电职责交给了可再生能源。
从供暖需求的角度看CHP。图2给出了常规CHP系统的流程。假定采用燃气发动机作为原动机，其综合一次能源效率可以达到80%，输入1 m3天然气，发电效率40%，得到4 kW·h电和4 kW·h的供热量。最终可得10 kW·h供热量的碳排放为2.74 kg。
对照表1可知，CHP系统在华北、东北等高碳排放因子电 地区应用有一定减排效益，但在包括北京在内的其他地区并没有减排作用。确切地说，热电联产是低碳技术，由于利用了余热，相比热电分产或在以煤为主而且发电效率较低的火电厂电 中它是节能低碳的，但相对碳中和目标而言它仍是高碳技术。
笔者提出用CHP发出的电力驱动热泵，可以最大限度提高效率。
从图3可以看出，末端用能效最低的多联机系统（IPLV=2.2），最终可产出供热量12.8 kW·h。系统综合一次能源效率为128%。可以认为系统利用了可再生热源2.8 kW·h。而10 kW·h供热量碳排放量为1.71 kg，这在国内大部分地区都有减排效益。而如果用更高效率的水源离心热泵，则可以得到更多的减排量。例如，如果有合适的热源（例如利用既有城市热 的回水），采用磁悬浮离心热泵，供暖季节性能系数可高达8.93，碳排放只有0.55 kg。不过，如果热泵热源来自一次热 （否则不可能有这么高的性能系数），热源碳排放也要考虑在内。所以，要尽量用天然热源和余热废热。
2021年12月，北京市发展改革委发布了《北京市新增产业的禁止和限制目录（修订征求意见稿）》，明确指出北京市将禁止新增火力发电、热电联产和燃气独立供暖。这为我国一、二线城市树立了一个标杆。表明城市去化石燃料燃烧是必然趋势。上海市也在酝酿2030年全市公共建筑全面电气化。因此，近期拟投资建区域热电联产能源站的决策者要慎重考虑以下因素：
1）燃烧天然气造成CO2直接排放，会给当地2030年碳达峰增加负担。未来国家对碳达峰的控制是实行严格的碳配额和总量控制政策，为解决供暖而投资建设燃气热电联产和燃气锅炉将不利于碳达峰和碳中和目标的实现。
2） 2030年后（甚至之前），预计国家会对既有区域（冷）热电联供进行改造和调控。非居住区的锅炉房实行“煤改电”或“气改电”；商务区能源中心的冷热电联供系统很大可能是将供冷供热与发电脱钩，发电设备成为电 的可调度电源或调峰电源，用来解决高渗透率可再生能源电 的负荷平衡问题。相应地，系统的直接碳排放不再记在当地总量的帐上，而是计入电 的碳排放因子中。
3）根据既有区域热电联供能源中心的建设经验：一是投资大，特别是原动机，基本都选用进口设备，价格高，一定规模的能源中心投资上亿元甚至数亿元；二是投资回收期长，商务区形成规模最少要5~8年，能源中心长期亏损，背负沉重的债务压力。而现在建设的热电联供系统等到开始有少许利润，得到2030年后了，很可能变成不良资产。国际上称之为“碳沉淀资产”。
4）我国天然气的对外依存度近50%，减少天然气应用，有利于能源安全。
那么，已建成的区域热电冷联供系统怎么办?可采取以下措施：
1）如上文所述，变成电 的可调度电源。其运行必须服从电 统一调度，变成区域级的调峰电源或爬坡电源。此举是否对投资者有经济补偿不确定，对设备所有者而言应当遵从国家碳中和战略。
2）改造成用生物质燃料。生物质燃料燃烧也会产生碳排放，但因为是把植物通过光合作用从大气中吸收的碳重新释放回大气，所以被认为是碳中和燃料。但我国生物质资源并不丰富，也没有形成成熟完整的生物质燃料产业链，所以对大多数城市而言，这一方式不现实。
3）改造成用氢燃料。如图4所示，氢燃料驱动效率为81%的氢燃气发动机，再驱动热泵多联机供暖（IPLV=2.2）。如果电解水的电力来自光伏（碳排放因子0.035~0.050 kg/（kW·h）），可以认为系统为近零排放；而如果电力来自电 （例如北京电 ，碳排放因子0.627 6 kg/（kW·h）），则按电力计算的综合性能系数只有0.86，10 kW·h制热量碳排放高达7.32 kg，反而比天然气锅炉增加了碳排放。此外，还必须注意热泵热源是否含碳，以及发动机的适氢化改造。这个方案只有在100%可再生能源（或核电、水电）条件下方可取。
4）为天然气CHP加装碳捕集、利用和贮存系统（CCUS）。到2060年，预计中国能源结构中非化石能源占比将达80%，余下的化石能源的碳排放就要靠CCUS消除，以实现碳中和的目标。既有区域CHP系统当然也可以采取这个措施，但目前还没有区域CHP系统利用CCUS的案例。捕集—输运—贮存碳的总成本约100美元/t，而且在高密度城市中，完全没有条件就地贮存或利用CO2。因此这一方法短期内看不到应用前景。
综上所述，今后在区域级别的新建项目中应把资金投向可再生能源，不应再投向燃气锅炉或燃气热电联供。
3 可再生能源应用是碳中和城市建筑能源系统的必选项
在2021年12月举行的中央经济工作会议上，明确了新增可再生能源和原料用能不再纳入能源消费总量控制。创造条件尽早实现能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变。但要特别注意，可再生能源不纳入总量控制是有条件的，那就是要“新增”。表明中央要大力发展可再生能源的决心。
建筑一直被视为可再生能源利用的重要场所，但在高密度城市中，由于空间资源紧缺、建筑群相互之间影响，以及景观要求的限制，加上电力政策的局限，使得城市建筑可再生能源利用举步维艰。在中央新的政策引导下，可以克服各种障碍，使建筑可再生能源利用得到大发展。
3.1 现场可再生能源能提供多少建筑能源?
在高密度建筑的城区中，可利用的可再生能源资源十分有限，利用最多的是太阳能，包括太阳能热水和太阳能光伏发电。过去，因为光伏发电的主导权在电力部门，所以建筑可再生能源利用就仅限于太阳能热水器了。我国城市住宅又以高层和小高层为主，屋顶安装太阳能热水集热器的空间仅能满足高层建筑上部楼层居民的需要。因此，太阳能热水仅能减少单户住宅能耗的5%~6%、整栋住宅的2%~3%。随着生活水平的提高，居民洗澡的频次增加，这一比例进一步减小。
太阳能光伏将成为新建建筑能源系统的必选项，应该对太阳能渗透率有所要求。太阳能渗透率是指太阳能发电量与总用电量的比值。可以以一天的量衡量，会有不同季节渗透率的要求，也可以按全年量衡量。那么，太阳能光伏发电能降低多少建筑耗电?笔者做了一个测算，计算设定条件及结果见表2。
表2中居住建筑和公共建筑的能耗水平依据上海市2019年的监测数据。年发电当量小时数也根据上海市数据取整。可以看出，上海地区城区范围内光伏发电对居住建筑的全年最大渗透率（占屋顶面积的70%）为28%，对公共建筑全年最大渗透率不到10%。像上海这样的一线城市，城市中心区容积率和覆盖率高，屋顶可利用率低。如果加上太阳能热水（实际上屋顶光伏与太阳能集热器也要争抢空间），居住建筑可再生能源渗透率最大为30%。北方地区还有更大的供暖能耗，渗透率更低。
3.2 热泵供热能不能当作可再生能源?
假定热泵性能系数为3.5，即1 kW·h电力提供3.5 kW·h的热量。则可分以下3种情况：
1）电力来自可再生能源发电，则可以认为热泵提供的3.5 kW·h热量全部为可再生能源供热，即100%可再生能源供热。
2）电力来自核能等非化石燃料发电，发电的一次能源效率接近100%，则热泵提供的2.5 kW·h（3.5 kW·h-1.0kW·h）热量来自可再生能源。即可再生能源利用率达71%。这种方式也可视为无碳供热。
3）电力来自国家电 。2020年我国供电标准煤耗为0.305 5 kg/（kW·h），即电 供电效率为40.2%。热泵提供的可再生能源为0.402×3.5kW·h-1.0 kW·h=0.407 kW·h，即可再生能源利用率为（0.407 kW·h÷1.407kW·h）×100%=29%。
供电效率40.2%，意味着供电过程中有59.8%的化石燃料燃烧热量散发到环境中。而热泵通过制冷剂蒸发将这部分热量“回收”。显然，这1 kW·h的一次能源都应该视为由化石燃料所提供，只是在这1 kW·h之外的一次能源（0.407 kW·h）是来自环境，即最终来自于太阳能，可以当成可再生能源。
可以看出，当驱动热泵的电力来自国家电 时，热泵作为可再生能源利用有几个条件：1）热泵的供热性能系数要足够高，如果低于2.5，则可以认为系统没有利用可再生能源。2）供电标准煤耗要尽可能低。例如以上海电 供电标准煤耗0.283 kg/（kW·h）计算，同样性能系数3.5的热泵，可再生能源利用率可以提高到34.2%。供电标准煤耗低意味着电 中主力火电厂的效率高（例如联合循环电厂），输电 的线损低（例如特高压电 ）。
3.3 城区层面建筑可再生能源利用的考量
今后，可再生能源利用成为城区开发和规划中必须重视和研究的课题。笔者在此讨论2个有争议的话题。
1）屋顶光伏发电还是绿化。
GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》将“屋顶的绿化面积、太阳能板水平投影面积以及太阳辐射反射系数不小于0.4的屋面面积合计达到75%”作为得分项。实际上，将屋顶绿化、屋顶光伏发电和冷屋面这3项技术融于一体，哪一项占有屋面的75%都能得分。在碳中和背景下，笔者认为应优先考虑将尽可能多的屋顶空间留给光伏发电。
屋顶绿化有净化空气、改善城市环境、保温隔热、雨水收集、保护屋顶结构、延长屋顶建材寿命等作用，这些确实都有潜在的减碳作用，但应思考以下问题：
①绿色植物（包括森林）的碳汇作用有限。2020年，我国森林覆盖率达到23%，森林面积2.2亿hm2。但有专家指出，中国森林碳汇一年仅为4.34亿t，对于我国超过100亿t的CO2排放只是杯水车薪。屋顶绿化的碳汇和净化空气作用更加有限。
②屋顶绿化的本意是在高密度城市里，因地面空间极其有限，只能利用屋顶弥补绿化率的不足。把树种到地面，不但能起到更好的净化作用，同时也有利于生物多样性，更是直接有益于人的身心健康。近来编制的一些技术导则引入了“绿视率”的概念，指在人的视野里绿色所占的比率。研究表明，世界上长寿地区的“绿视率”均在15%以上。高绿视率会给人们带来视觉和心理的满足感和舒适感，是以人为本的技术。
③屋顶绿化需要土水肥上楼，会增加能耗和栽培管理难度。有些项目绿化上屋顶，却把门前大片空地建成能容纳万人的铺地广场，本末倒置。
至于冷屋面，也是一项有效的节能技术，源自美国。美国的大型商超都建在郊区，周边有大片空旷的停车场。这些商超都是占地面积很大的单层建筑，有大面积屋顶，夏季在阳光曝晒下空调负荷很大。因此将屋面涂成白色，成为高反射屋面，可以降低空调负荷。而中国则极少见远郊的大面积商超，商超基本上融入社区，要么是高层建筑的裙房，要么被包围在高层建筑楼群之中。如果这些商超建成高反射屋面，那么受影响的是周边的高层建筑。在我国，有大面积屋面的建筑主要是工厂车间、高铁车站、体育场馆和机场候机楼。这些建筑应该利用屋面安装大面积光伏。
城市建筑有限的屋顶空间应该留给光伏。
2）城区可再生能源如何利用。
第一种方法是按负荷匹配，如图5所示。城区基本负荷还是要靠容量系数CF（实际输出电力与最大可能输出电力之比）大的核电厂（CF>90%）、大型煤电厂（CF>60%）。城区主要由空调引起的高峰负荷依靠冷热负荷的削峰填谷转移到夜间，作为基本负荷；依靠燃气轮机等快速响应的调峰电厂（可调度电厂）调峰。而城区自有的可变可再生能源则主要承担中间负荷（光伏的CF在20%以下）。
图5a给出了较典型的非连续供暖住宅区冬季负荷分布，有早晚2个高峰。在中午低负荷时段，可能是光伏发电高峰，会对电 基本负荷供应带来冲击。而且在晚高峰出现前的负荷爬升阶段，光伏发电退坡。这时会形成所谓“鸭子曲线”（见图6，即负荷爬升曲线比较陡，很像鸭脖子形状），给电 带来很大压力。应对鸭子曲线可以利用蓄电，但目前的电池放电速率赶不上负荷增加速率。此时电 就需要有快速启动和快速响应的装置，例如燃气轮机。前文所述区域热电联产统一作为可调度电源，也是应对“鸭脖子”的措施之一。当然，城市人口的老龄化、居家办公的常态化会大大平缓“鸭脖子”曲线。
图6中，不同颜色的曲线分别表示美国加州各年典型日的电力负荷分布。红色虚线代表2012年的负荷分布，蓝色实线代表2020年的负荷分布。可见，随着居民屋顶光伏的逐年增加，冬季阳光灿烂的中午，建筑对电 的供电需求逐年下降。而在16:00以后，负荷晚高峰越来越高，负荷爬升坡度也越来越陡，“鸭脖子”也越来越长。这些都给电 带来挑战。
第二种方法是按专项负荷匹配。城区内有很多建筑用能中的专项负荷，例如，公共充电桩、分户的热泵热水器、数据服务器、电梯等。可以根据能耗监测统计数据，计算出某一专项的全年耗电量。然后按某一专项或某几个专项的100%渗透率配置光伏。光伏可以分布在整个城区，在配电 层面上进行平衡。
4 能源供应的去中心化
城区光伏分布在各幢建筑的屋顶和城区各个角落，是有别于传统大型电厂的分散能源。发出的电力更靠近用户，从而减少了输电损失。
由于可再生能源典型的间歇性和波动性，需要平衡当地电力生产和能源消耗。与传统区域能源系统相比具有以下不同：
1）由多种可再生能源（例如，太阳能、风能和生物质能源）供应，尽可能多消耗自产可再生电力，而由大电 电力提供基础负荷和可靠性保障。
2）由多种能源载体（例如，电、热、氢气）配合，三 （电、热、气）协同。
3）由多种储能装置（例如，电池、蓄热罐、储气罐）和能源转换设备（例如，热泵、电解槽、PVT、燃料电池）相结合。
4）在系统层面，它们的范围可以从单体建筑物到建筑群，从以道路分隔的街区到整个城区。
5）如果说每一幢建筑就是一座发电厂，那么在城区里就有多个小发电厂。在阳光充沛的白天，这些建筑物是生产者，除了自用外，还可能向电 送电；而在阴雨天、雨雪天和夜间，这些建筑物是消费者，需要电 供电。因此出现了所谓的”产消者”。
6）产消者从电 购电，也向电 售电，这就带来一系列的经济和法律问题，尤其是对于居住建筑。在发达国家，独栋住宅业主自行投资，光伏安装在自家屋顶上，只要有双向智能电表便可结清账目，而国内城市以高层甚至超高层集合住宅为主，一幢高层住宅的屋顶面积，屋顶下的十几户甚至几十户业主都拥有一小块面积的产权。根据我国《物权法》，所有业主都有处理自己资产的权利。因此，高层住宅的屋顶，不可能任由一户或几户人家安装自己的光伏，只能由有特许经营权的售电公司来经营。让所有用户都能有收益很难。
7）能源系统去中心化意味着需要实现资源共享。城区内没有传统意义上的能源中心，但需要有能源枢纽综合管理。能源枢纽可定义为不同能源载体生产、转换、储存和消费的集成，是多源能源系统一体化管理的一个很有前景的选择。
8）能源系统去中心化意味着用数字化技术进行智慧能源管理的重要性。
5 能源供应的多源化
5.1 氢燃料应用技术
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