建筑作为可再生能源产消者的新思考.pdf

科技中国 2023年8月 第8期76建筑作为可再生能源产消者的新思考文/龙勇 温朝欣（重庆大学经济与工商管理学院）据清华大学中国建筑节能年度发展报告2022核算统计，2020年中国建筑建造和运行相关碳排放约占中国全社会能源活动总碳排放量的比例的32%（清华大学建筑节能研究中心，2023），建筑物碳排放的降低为实现“双碳”目标创造了巨大的潜力。2022年，住房和城乡建设部印发的“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划要求提升绿色建筑发展质量和建筑能源利用效率，要使建筑用能结构逐步优化，建筑能耗和碳排放增长趋势得到有效控制。同年4月1日，建筑节能与可再生能源利用通用规范（GB 550152021）正式实施，规定了新建、扩建和改建建筑的平均能耗水平，为落实国家相关“双碳”目标、保护环境的政策提供了方案。在节能建筑类型中，被动式设计针对建筑本体可以有效降低能源需求，是一种广泛应用的建筑节能手段。其技术方案通常包括提高围护结构的保温性能，提高围护结构的气密性，无热桥设计，被动房独特的新风系统及可再生能源的利用。除了使用节能建筑材料外，可再生能源系统的开发和利用在被动式设计中发挥着越来越重要的补充作用，是建筑在运行过程中实现“双碳”目标的关键手段。随着能源市场结构缓慢地从集中式系统过渡到基于分布式利用模式，建筑终端与能源系统开始有不同程度的整合，使得建筑逐渐作为可再生能源产消者对生产绿色能源、降低碳排放发挥价值。一、可再生能源产消者的定义欧盟概述了一个“可再生自我消费者”（renewable self-consumer）的定义：“（它）是指在位于限定边界内的场所内生产供自己消费的可再生电力，并存储和销售自行生产的可再生电力能源最终消费者（但）这些活动不构成其主要商业性或专业性活动”。作为产消者的建筑类型可以包括单体建筑、商业实体或其他类型的社区。从建筑终端的角度而言，建筑能源设计的项目可以使用外部输入模式（建设用地外）或自建模式（建设用地内）（DB11-T17742020）。前者包括更加传统的区域新能源供冷供科技中国 2023年8月 第8期77热、电网专线输入等方式。产消者概念的出现是外部输入的传统模式朝着自建模式演化，建筑终端投资建设自己的太阳能光热系统、光伏系统及热泵系统等。建筑终端还可以从事不同层次能源相关的活动，从生产、自用到分享多余的能源，并进一步强化智能电表、储能电池等作为建筑物内附加的能源控制载体的开发。从能源系统的角度，建筑作为可再生能源的产消者可以更好地实现需求的匹配。在需求层面，用能终端的需求是随时波动的，能源供给方式如果是完全准时制（JIT）最为理想（Joskow，2002）。同时，可再生能源生产的间歇性和不可存储性，要求可再生能源服务突破时间和地点的差异。作为可再生能源产消者的建筑终端临近消费端，可以有效地进行供需匹配、减少能源输配的难题。在传统能源网络中，建筑终端与能源生产系统相对分割，两者通过能源配送网络联系起来；能源生产后以集约式、规模化的方式向建筑物输送。当建筑作为能源产消者时，则附加利用分布式供能，将建筑终端与能源系统整合成一体化程度更高的能源生产和消费系统。图1简要地刻画了建筑作为产消者时能源系统与建筑终端相整合的结构。但是在目前的技术水平下，大多具备了能源生产能力的建筑终端仍旧无法依靠分布式供能满足全部需求。外部能源系统输入的能源意味着，建筑终端仍旧依赖一定程度的统一调控，它既是集中式能源的被动接受者，也是分布式能源的生产和消费者。二、建筑作为可再生能源产消者的经济组织形式建筑终端作为产消者时，将能源的生产和消费角色合二为一，它既作为能源消费者，也作为提供满足自己消费、存储、销售的可再生能源的生产者，使得建筑终端在不同程度上实现能源的自给自足。这种模式下，建筑逐渐发展成为一个对能源“自治”的载体，实现相对可控的能源决策，通过多样化的节能或碳减排的手段助力“双碳”目标的实现。在新古典微观经济学中，价格理论和新古典生产函数作为主要的分析手段，消费者和生产者往往被视为两种割裂的角色。这意味着能源消费者必然从生产方购得一切商品，而不能选择自己生产的方式（杨小凯、黄有光，1999）。但这难以解释生产者或消费者的边界在哪里。现实情况下，纯粹的从外部购买是一种组织形式，自给自足是另一种组织形式；但在经济组织形式两端的中间，还存在着购买与自给自足相结合的混合形式。与之类似，可以构建出能源系统中购买和自给自足生产的多种组织形式。在现实情况中，大部分建筑终端仍旧是从传统能源系统中购买所有能源并支付交易费用的消费者终端，不具备生产功能，这是一种纯粹购买的组织形式；当建筑开始逐渐发展为可再生能源产消者，建筑终端减少从能源系统购买的能源，而将自身生产的能源作为满足能源消费需求的首要手段，并维持与传统能源系统的连接以平衡自身的负荷需求；在可行的情况下，产消者还可以配备储能设备，并通过容量、能源管理等辅助服务减少对传统能源系统的依赖；更具有前景的产消者图景是，建筑终端将富余能源产量与外部系统交易，从而平衡系统中能源生产与图1 建筑作为可再生能源产消者的结构科技中国 2023年8月 第8期78消费间的余缺。图2概括了建筑终端从传统的纯消费者到产消者的四个层次。首先，在过去和现阶段大部分情形下，建筑作为用能终端，仅仅是能源的纯消费者，依赖于集中式的外部能源输入。其次，建筑作为产消者的角色在第二层出现，这时建筑终端逐渐从纯粹的能源消费者转化为具有生产者功能的能源生产者，部分依赖外部能源输入。技术配置的关键在于投资建设用地内用于生产能源的生产设备，例如光伏、光热系统，土壤、空气源热泵等技术手段，这些技术减少了建筑运行过程中对化石燃料的使用，并且可以就近满足建筑终端的能源需求。再次，储能型产消者在具有能源生产能力的基础上配备储能设施。对于间歇性的可再生能源而言，储能系统类似于一个备用电源，使得建筑终端可以更灵活地实现能源生产和调节，达到更高程度的能源自给。配备储能设施的建筑终端对能源的生产和消费具有更高的协调能力。最后，交易型产消者具有富余的产能，在一定条件下实现点对点交易。这种方式可能绕过传统的公用电网。此时建筑作为产消者具有完全能源自给的能力，并且通过为其他行业或系统提供清洁能源，为全社会层面的碳减排做出贡献。三、建筑作为可再生能源产消者的驱动因素传统意义上，建筑终端只是能源产业的最后环节，即消费端。当它从纯粹的能源消费者转化为能源的生产者，可能受到可再生能源技术、成本收益及建筑终端价值需求的驱动。首先，可再生能源技术的进步对促使建筑物向能源产消者角色转变发挥了巨大作用。分布式发电技术促使电力的生产更靠近建筑终端，例如光伏、光热、热泵系统等技术的成熟、设备材料成本的下降为在建筑用地内配备能源提供了充分的选择。目前，太阳能光伏是建筑终端中最常配备的能够自行生产的电气系统。在时间分布上，常规用电负荷高峰出现在白天和夏季，太阳能资源的充足程度恰巧与常规用能负荷有较高的匹配度，建筑光伏一体化已经有了一定商业化程度。其次，成本收益背后是对自己生产能源与从外部购买能源经济性的考虑。在可再生能源技术发展的早期，国家和地方开展过不同程度的上网电价补贴，驱动着部分场景下的建筑终端积极布局可再生能源的分布式发电。例如，一些工业园区在厂房布局的太阳能光伏系统。这种情况下，建筑终端作为消费者，使用自己生产的能源所支付的价格低于外部购买成本。在具有峰谷电价的地区，储能设备可以调节用能，节约用能成本。部分能源服务商还积极开发新的商业模式，如BOT（建设经营转让模式）模式下的基础设备由能源公司投资，建筑终端用户在不用承担大量投资成本的情况下，分享绿色能源和碳减排所带来的收益。成本收益成为建筑终端决定是否自行生产能源的重要因素之一。最后，在“清洁+成本+稳定”的能源三角下，差异化的价值考虑可能影响建筑向着产消者的变革。对可再生能源的使用很大程度上来自于政策要求，分布注：基于“Consumer,prosumer,prosumager:How service innovations will disrupt the utility business model”（Sioshansi，2019）略作修改。图2 建筑物作为可再生能源产消者的多种组织形式科技中国 2023年8月 第8期79式可再生能源供能与传统供能方式相比，更多地发挥着社会和环境价值。目前已经有零碳建筑投入运行，但这些建筑仍旧需要从外部购买大量的绿色电力以满足零碳指标，更多地起到对建筑节能减排的示范意义。相较而言，投资成本可能是建筑终端向着产消者发展的一个阻碍因素，因为建筑本体内的能源生产技术通常难以形成规模优势，投资回收期较长。此外，对部分供能稳定需求较高的建筑终端而言，自给能源的优势在于满足持续或弹性的价值需求。四、启示与建议总的来说，建筑作为一种主要的用能载体，在“双碳”背景下需要主动承担节能与碳减排的责任，这可以通过向可再生能源产消者角色转变的过程来实现。具体而言，提出如下建议。一是突出建筑终端作为可再生能源生产载体的作用，落实建筑在实现“双碳”目标中的社会责任。通过逐步引导热泵应用，推广建筑光伏一体化，在能源充足的地方实现光伏发电、供热的覆盖面积。同时，探索新型建筑电力系统，发展建筑储能、直流配电或柔性调节技术以实现对能源生产和供给的有效匹配。二是在不同用能情境下，采取因地制宜的手段对建筑负荷的需求进行平衡。对商业建筑、办公大楼、宾馆酒店、医院等公共建筑，可以通过推广小型能源网的方式实现一定程度的能源自给；而对于能源需求更大的园区、城镇等地区，可以将规模化的供能手段结合起来以满足建筑的用能需求。多能互补的综合智慧能源可能是更有效的手段。三是推进可再生能源技术发展，实现关键设备的国产化替代。技术进步是推动建筑终端朝着可再生能源产消者发展的重要驱动，太阳能光伏等可再生能源度电成本的下降使得更多的建筑可以通过光伏一体化、光储充、光储直柔等形式生产和利用自己需要的能源。但实践中，仍旧有大部分供能设备和技术需要通过进口获得，造成投资成本高、回收期较长的障碍。四是制定合理的能源交易价格，包括绿证交易机制。越来越高的用能成本迫使部分建筑终端自己生产所需要的能源，合理的能源定价可以促进建筑终端向着可再生能源生产者转变，同时促进对绿色电力的消纳，从而助力“双碳”目标的实现。还可以通过推动绿证交易，利用市场机制补偿来实现可再生能源的价值，推动零碳建筑落地。本文受中国工程院咨询项目“我国智慧能源与建筑碳减排协同的双碳发展战略研究”（项目批准号：2022-XZ-22）资助。本文通讯作者：温朝欣