如今，建筑行業脫碳的重要性現已得到廣泛認可，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《巴黎協定》的目標，全球建筑和建設行業必須在 2050 年之前實現凈零排放，并且從 2030 年開始，所有新建筑都必須實現凈零碳排放。但解決建筑問題的關鍵努力，如能源績效和碳 (CO 2 ) 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“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，建筑行業發展滯后。今天，只有 44 個國家/地區制定了規范建筑物能源效率的建筑能源法規。據估計，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的國家。
而到 2030 年建筑面積預計將增長到超過 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展中經濟體中他們要獲得現代能源服務，例如制冷。建筑行業面臨的挑戰是選擇支持近期快速脫碳的行動，同時擴大獲得可持續、負擔得起的清潔能源的機會。
本文探討分析了建筑脫碳的途徑，重點是通過技術提高能源效率，擴大建筑電氣化和電網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危機對建筑行業脫碳的影響。最后，認為建筑存量的脫碳必須旨在支持更廣泛的可持續性目標，這些目標超越了對減排的單一關注，以解決系統性能源不平等問題。
建筑物的直接和間接排放
據估計，全球建筑行業以電力、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、照明和設備使用。而且占全球能源相關 CO 2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，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，建筑行業將需要在短期內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生導致該行業或電網未來出現問題的路徑依賴。例如，通過可再生能源使電力供應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向電加熱來減少直接排放。但如果建筑結構的能源效率不被視為該過程的一部分，這可能會對電網負荷產生重大影響。
減少直接排放：國際能源署估計，到 2050 年，建筑行業脫碳以實現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。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。
減少間接排放：根據國際能源署的說法，使用當今可用的技術增加建筑物的電氣化以及脫碳電網是解決間接來源建筑物排放的主要解決方案。
技術驅動的能源效率在實現建筑脫碳中的作用
在過去的二十年里，已經出現了提高能源效率和建筑行業脫碳的技術選項。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、高性能電器和設備，以及智能和數字控制系統。然而，建筑物作為系統的多樣性和復雜性，及其不同的用途和所有權結構導致這些技術的采用持續緩慢。
國際能源署估計，到 2050 年實現凈零排放目標需要建筑行業從現在到 2050 年實現平均每年 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，并通過規范與實現凈零排放。例如，隨著公用電網脫碳，不列顛哥倫比亞省能源步驟規范明確規定了到 2032 年實現凈零排放建筑和到 2050 年實現完全零碳建筑的明確途徑。
然而，現有建筑（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，增加約 7500 太瓦時的建筑一體化光伏發電，并將家用電器的能效比目前提高 40%。
那些致力于實現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能。前者涉及在翻新建筑物或在其使用壽命結束時升級到高性能系統時采用改造。后者是多系統升級，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，導致大多數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成本，并讓安裝人員在這些改造方面獲得更多經驗。同樣，監管機構和標準實施者將更好地了解需要注意哪些方面，以避免因實施不當的改造而產生意想不到的后果。
技術應該在不降低建筑物的生產率、舒適度和使用率的情況下減少能源需求。這需要關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，例如節省賬單、舒適和健康以及安全和有彈性的能源系統。還應考慮對社會（例如，增加世代價值）和經濟（例如，就業、投資和成本節約）的更廣泛利益。
電氣化在實現建筑脫碳中的作用
建筑物電氣化是一項關鍵行動，通過逐步停止直接使用化石燃料以及增加現場可再生能源發電和可再生能源電網，使建筑物能夠實現零碳排放。
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備和供暖系統的禁令，或者正在禁止將新建筑物連接到燃氣網絡?；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）的轉變。許多國家/地區已經對某些類型的供暖系統實施了國家、州和城市禁令（見表 1）。
表 1：已實施建筑物內化石燃料設備禁令的政府（部分）
供暖和制冷電氣化正在考慮的主要技術是熱泵。除了熱泵，還可以開發或改造區域或社區供熱和制冷網絡，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）傳遞到內部加熱系統（例如空氣或水）。它們是加熱建筑物和水的有效方式，因為它們能夠實現高季節性性能系數 (COP)，這是衡量系統年平均能源效率的指標，在溫和氣候下范圍從 3.5 到 7，取決于系統的配置。相比之下，典型的現代燃氣鍋爐的 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夏季天氣較暖和。在歐洲其他地區，尤其是北方國家，熱泵主要用于供暖。
在美國，最近的一項研究發現，在供暖度日數少于 6000 的地區（底特律以南地區），與化石燃料系統相比，電熱泵是最具成本效益和低排放的選擇。加州已經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的法規。
作為一個全球市場，熱泵裝置正在擴大。根據 IEA 的數據，到 2020 年，歐洲僅占總銷售額的 12%，而北美和其他發達經濟體則占 50%。在發展中經濟體中，中國占33%，其他發展中經濟體占4%。在全球熱泵市場，83%的熱泵安裝在住宅領域，14%安裝在商業領域，3%安裝在工業領域。
為了最有效，熱泵的安裝應與改善建筑圍護結構的能源性能一起進行。在隔熱良好的住宅和建筑物中，熱泵的尺寸可以調整到較低的供暖設計溫度，從而減小它們的尺寸和成本。
加熱和冷卻網絡
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有能源網絡轉變為零碳排放中受益。例如，多倫多深湖水冷卻系統為 100 多座商業和混合用途建筑提供冷卻，節省的電量相當于一個擁有 25000 座房屋的城鎮的用電量。
同樣，化石天然氣基礎設施可以過渡到氫氣，適當升級以避免管道退化、計量不一致和氣體泄漏的挑戰。據英國估計，與 2014 年的水平相比，將最多 20% 的氫氣混合到化石氣體管網中可將 CO 2排放量減少 66%。然而，為了與《巴黎協定》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對制冷的需求，估計到 2050 年，制冷需求將從目前的 20% 增加到 37%。 到 2030 年，全球空調的數量預計將從估計的 2.2 增加50%到 2021 年將達到 10 億臺，給電力系統帶來了快速增加的峰值負載的額外挑戰。挑戰將是確保電網能夠通過技術進步快速脫碳，從而確保滿足不斷增加的冷卻和現場可再生能源發電帶來的可變負載需求。
對電網的影響
為了在全球范圍內實現凈零排放，國際能源署估計全球對電網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。增長需要主要發生在新興國家和發展中國家，并以數字化為重點。
電網脫碳可以增強能源安全，但前提是要進行適當的規劃、投資和及時的行動，以避免在轉型期間對電力系統造成壓力。分布式能源，如太陽能光伏板、電池和空調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可靠性、控制成本并確保公用事業業務模型跟上這些變化是至關重要的。
此外，電力系統極有可能因氣候相關事件而中斷。氣候變化正在導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的各個方面都有影響，包括發電效率、輸配電網絡的彈性以及需求模式。
建筑存量脫碳的逆風
實現全球建筑行業脫碳的雄心面臨重大挑戰。其中包括監管和融資障礙，以及更換供暖和制冷系統以及翻新全球數億座建筑物所需的技術變革規模。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構成了緊迫的挑戰。
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 大流行對供應鏈的影響也使得將材料和貨物運輸到建筑施工和翻新市場的成本更高。
為了應對這些挑戰，經濟合作與發展組織 (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，歐元區利率從 0.50% 上調至 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的整體支出產生抑制作用。
能源負擔能力危機：通常，對大規模能效計劃或公用事業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，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% 的能效投資預計將來自最終能源消費者，未來的投資將來自能源供應商。
在大多數歐洲和北美經濟體中，家庭面臨更高的能源價格和更高的節能改造借貸成本，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，而企業幾乎沒有任何保護措施來應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險更大。能源效率投資應降低個人貸款利率，因為它們會降低能源成本，從而增加可用儲蓄，從而降低違約風險。然而，這種好處在建筑行業往往沒有實現，因為這些貸款與更不穩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。需要設計政策和計劃，使低碳未來的所有權能夠反映更廣泛社區的多樣性。
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 力求通過針對有經濟狀況調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的質量和彈性至關重要，特別是對于生活在劣質建筑中面臨更高貧困和健康狀況不佳風險的家庭而言。在美國，到 2050 年，低收入和負擔得起的住房遭受洪水的風險可能會增加兩倍。制定減少破壞風險和加強能源安全的計劃需要成為脫碳轉型的一部分。
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。安裝高性能系統和先進的建筑系統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 2050 年建筑物的凈零排放目標。
共同努力降低節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的消費者，實現轉型。這些努力可能包括擴大提供能源即服務或降低能源效率融資成本的政府和公用事業計劃。
結論
全球建筑存量脫碳所需的技術和融資解決方案現已問世。然而，要真正實現可持續轉型，無論是通過解決燃料匱乏、投資邊緣化社區、升級基礎設施，還是降低成本以支持更多清潔能源獲取，公平都需要成為對邊緣化社區向凈零碳建筑轉型的核心?，F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境。
本文作者：Ian Hamilton-倫敦大學學院 UCL 能源研究所的能源、環境與健康教授
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