电气化与能量优化

建筑业是全球最大的能量消耗行业之一，因为建筑物的运营占据了最终能耗的30%。约40%的能量用于供暖、通风和空气调节，其余部分用于照明、设备、电梯和自动扶梯等。2022 年，建筑物的运营占全球 CO₂ 排放量的27%，即9.8亿吨 CO₂ ⁽⁸⁾。要吸收如此庞大的 CO₂ 排放量，我们需要一大片相当于中国国土面积的森林。

令人欣慰的是，建筑物正逐步转向可再生能源和电力作为其能量来源，如果电力生产实现了完全脱碳，则可进行长期碳去除。坏消息是，从绝对值来看，建筑物中化石燃料的使用量自2010年以来以年均增长率为0.5%的速度持续增长⁽⁸⁾。推动这一增长背后的主要驱动力是全球建筑楼层面积的增加，其增长速度快于能耗强度（每楼层面积的能耗）的下降速度。另一个驱动因素是空间冷却技术的广泛应用。自1990年以来，空间冷却能耗增长了三倍以上。此外，由于到2030年新增建筑面积的一半以上将集中在对空间制冷需求较高的地区，这将产生乘数效应。这一趋势将会持续下去。到2030年，全球建筑楼层面积预计将增加约15%，相当于目前北美地区全部建筑面积的总和⁽⁹⁾。为了与国际能源署（IEA）提出的净零排放设想保持一致，建筑物所使用的燃料必须进一步脱碳，并降低能耗强度。

建筑燃料的脱碳化和能耗强度的降低需要优化建筑中的热能生成：回收、储存和消耗。

优化热能生成以满足供暖需求意味着从化石燃料系统向可再生电力驱动的热泵系统转型。根据国际能源署（IEA）的数据，截止2030年全球热泵存量将增加三倍，每年可减少5亿吨的 CO₂ 排放量⁽¹⁰⁾. 不过，目前大多数热泵仍采用具有较高全球变暖潜能值（GWP）的氢氟烃制冷剂。若不采取干预措施，到了2030年热泵存量可能会排放7.4亿吨 CO₂ 当量 ⁽¹⁰⁾. 解决方案包括过渡到全球升温潜能值较低的氢氟碳化物、碳氢化合物或其他天然制冷剂。不过，氢氟碳化合物还需要在毒性和大气分解方面展开进一步研究，而碳氢化合物则需要针对易燃物采取额外的安全预防措施。基于气候适应，截止2050年，冷却需求预计将增长三倍以上 ⁽⁷⁾。减缓上升的、与之相关的能耗强度，将需要提高冷却系统的能效并更多地采用被动的冷却解决方案。此外，现场光伏发电和储能可以帮助减少因制冷而导致的能耗强度上升，从而实现碳中和。

另一种实现建筑燃料组合脱碳的方法是通过回收和重新分配废热。越来越多的城市垃圾处理厂、数据中心、地铁隧道、工业场所、电解槽或核电站所产生的余热将被捕获并通过区域供热网络重新分配。在暖泵技术广泛应用的推动下，能源网络也有望获得发展。能源网络可在环境温度(10-25°C [50-77°F])下在建筑物之间传递热能，减少热量损失。

暖泵和废热利用也将推动热存储装置（或热电池）的更广泛应用，成为平衡能量供需的一种有效方式。当电力充足、电价较低时，暖泵可将风能或太阳能光伏发电等可再生能源的剩余电能转换为供暖能⁽¹⁰⁾。而工业生产过程或数据中心产生的废热也可储存起来，供日后使用，防止能量在未使用的情况下耗散到环境中。热能储存同样非常高效，多日储存的能效可达90%-98%，季节性储存的能效则为70%-80%。

但是，降低建筑能耗强度最有效且最具成本效益的一个方法，就是更广泛地采用楼宇自动化控制系统（BACS)。这尤其适用于大部分需要改造的建筑群。例如，在欧盟，97%的建筑被认为能效低下⁽¹²⁾。ISO 52120-1 明确指出，从标准 BACS（C类）升级到高能量性能 BACS（A类）可实现高达 40% 的节能效益。这些改造更新方案通常只需要进行极少量的变动，例如添加动态水力平衡阀、可变流量供水系统、按需控制的气流量系统，或配备带有占用检测功能的调节型室内控制器。鉴于先进的 BACS 技术的高效性和低成本，其应用有望加速推广，尤其是在当前每年1.0%的改造率远低于截止2050年实现净零排放目标所需的2.5%的情况下 ⁽¹³⁾。