1 建筑电气化及其驱动的 城市能源转型路径报告 摘要 Pathways of Building Electrification and Urban Energy Transform Sumary Report China Energy Development Trend Report 深圳市建筑科学研究院股份有限公司 2020.1.16 Shenzhen Institute of Building Research co., Ltd November 16, 2020 Shenzhen Institute of Building Research Co., Ltd 深圳市建筑科学研究院股份有限公司 项目资助号 : G-1909-30303 Grant Number: G-1909-30303 项目期 : 11/1/2019-10/31/2020 Grant period: 11/1/2019-10/31/2020 所属领域 :低碳城市 Sector: Low-carbon City 项目概述 :见执行摘要 Project Description: See executive summary 编制作者 : 郝 斌 李叶茂 冯 威 胥小龙 彭 琛 陆元元 李雨桐 潘文宇 康 靖 Authors: Hao Bin Li Yemao Feng Wei Xu Xiaolong Peng Chen Lu Yuanyuan Li Yutong Pan Wenyu Kang Jin 关键词 : 建筑电气化 , 能源转型 , 建筑节能 , 低碳城市 , 发展战略 Key Word: Building electrification, Energy transformation, Building energy efficiency, Low-carbon city, Development strategy 本报告由能源基金会资助。 报告内容不代表能源基金会观点。 This report is funded by Energy Foundation. It does not represent the views of Energy Foundation. 1 执行摘要 n 建筑节能发展进入新时期 - 低碳发展成为全球共识。 至今全球已有 170多个国家签署巴黎协定， 确定了未来全球温升控制在低于 2度且尽可能争取 1.5度的奋斗目标。 中国作为碳排放大国，积极推动低碳事业的发展，主动 提高国家自主贡 献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030年前达 到峰值，努力争取 2060年前实现碳中和 。尤其在当下疫情致使全球经济 增速放缓，经济绿色复苏备受关注。 - 可再生能源蓬勃发展。 可再生电力 能源 是实现化石能源替代的根本途径， 大量研究表明中国可再生能源在 2050年一次能源消费中的占比将达到 50%以上。建筑电气化 是促进 可再生 电力 能源在建筑领域运用的必要途径 。 - 建筑外表资源化利用。 风能、太阳能具有能量密度低、分布分散的特点， 因此分布式是风光电源发展的重要形式 。建筑屋顶以及可能接受到足够 多的太阳辐射的建筑垂直表面，都将成为安装太阳能光伏的最佳场景。 粗略估算我国民用建筑屋顶可安装光伏的表面面积超过 100亿平米，年 发电量可达 2万亿 kWh。用好建筑外表面，使其成为建筑用电的主要来 源，将成为建筑节能的新途径。 - 城市能源系统可持续发展。 可再生电力能源的高比例渗透将对城市能源 系统的安全可靠性构成严峻挑战， 构建“源网荷储控”一体化 模式和“热 电气”多 能协同模式是应对这一挑战、实现城市能源系统可持续发展的 关键。挖掘建筑 分布式蓄 能 和可调节负荷 ，提高建筑能源的灵活性正在 逐渐成为建筑节能除能效提升外的新维度。 - 农村和西部地区经济振兴。 农村和西部地区有丰富的土地资源，是发展 太阳能、风能、生物质能等多种可再生能源的基础。生活热水、采暖、 农用器械等的电气化可以提高能源利用效率、减少散煤使用，对改善农 民生活水平、减少环境污染、推动农村经济建设有重要意义。 n 中国建筑 电气化 处于快速 发展 阶段 - 中国建筑电气化进程持续快速发展 。 截至 2017年， 建筑用电量占全社会 用电量的 26%，人均建筑用电量达 1186kWh，建筑电气化率 48%。对比 2001 的指标， 人均建筑用电量 增长了 4倍，建筑电气化率提高了 29%。 - 中国各省市的电气化进程差异明显。 建筑人均用电量与各地居民的消费 水平强相关，北京、上海等一线城市的建筑人均用电量接近 3000kWh，是 全国平均水平的 2倍有多。另外，由于南北供暖需求的差异，建筑电气 化率的南北差异较为明显。 - 中国建筑人均用电量距发达国家有明显差距 。 中国的建筑人均用电量距 离欧美发达国家还有一定差距 ， 中国的建筑电气化还有 很大 的增长潜力。 但是这并不意味着 中国 未来 的建筑人均用电量 就 不一就会增长到欧美国 家的水平， 还应考虑到 用能模式 的差异 和 能效 水平 的 提升。 图 I 中国建筑人均用电量和建筑电气化率 图 II 分省市建筑人均用电量和居民消费水平 图 III 中国与发达国家的建筑人均用电量 n 建筑电气化政策风靡全球 - 加州 推进建筑 电气化 致力于实现 2045年碳中和的目标 。 2019年伯克利 率先立法禁止新建建筑中使用天然气，随后除伯克 利外美国加州超过 25 个城镇采取措施要求或大力支持新建建筑的电气化，另有 50余个城镇正 在考虑制定类似的法规措施，推进建筑电气化。 洛杉矶 2019可持续发展 计划要求 2030年在洛杉矶实现新建建筑零排放，到 2050年完成所有已 有建筑的零排放改造；圣何塞目标在 2030年实现 47%的建筑电气化。 - 欧洲 供暖 电气化 以 实现供热和制冷领域减碳 86%等目标 。 2018年欧洲学 者制定了第 4版欧洲供热路线图 （ Heat Roadmap Europe 4） ， 在未来城 镇集中供 热区域， 大型热泵在集中供热总热量中的占比将达到 25； ， 在 集中供热管网不可及的地区 ， 高效热泵将提供分散供暖区域的热量的近 50%。 相比于 1990年的水平， 2050年的供热和制冷领域的碳排放量 将 降 低 434万吨或 86%；相比于常规减碳模式，新的减碳技术路线可以减少 每年 6%的投资成本； 相 比于 2015年， 2050年的供热和制冷领域的化石 能源消耗量降低 10.4TWh。同时， 天然气和低效电供暖技术完全替代 ， 供 热和制冷领域的技术能够支撑整个能源系统实现 100%可再生能源。 n 需求侧： 建筑用电量和 建筑电气化率提升 - 用电量 的自然 增长。 建筑用电量与居民消费水平强相关，因此随着人们 生活水平的提高，电 器数量 加 使用强度 均会自然增长。如果未来全国平 均用电量水平向目前一线城市看齐，建筑人均用电量约 2800kWh，那么 全国建筑用电量将超过 4万亿 kWh。与此同时，建筑节能政策的延续会 持续降低建筑供暖能耗强度，几乎抵消北方地区建筑供暖面积增加导致 的能耗增长。此消彼长，建筑电气化率也会自然增长。 - 生活热水 电能替代 。 对于居住建筑和公建建筑的集 中式生活热水系统， 由于存在热损失大的问题，采用分散式电热水器能够有效实现节能，并 且促进可再生能源的利用；对于公共建筑的生活热水系统，将其从蒸汽 供热系统中独立出来，采用高效电热泵作为替代热源，具有显著的节能 效益。 - 北方城镇供暖 电能替代 。 北方城镇集中供热管网普及，是充分利用城市 内部或周边的热电联产和工业余热的基础。这些热源比电热泵等电供暖 电气化技术更加高效和经济，应该作为城镇集中供暖的优选热源。再考 虑到冬季光电、水电等可再生能源量减少的问题，供暖电气化技术主要 用于补充供热缺口，可以在城镇集中供热中占据一定比例，但不应过分 追求完全 电气化。 - 北方农村供暖 电能替代 。 北方农村推广空气源热泵等采暖电气化技术是 替代散煤、减少大气污染物排放的有效途径。然而，单纯“煤改电”而 不增强建筑保温性能会导致农户用电成本增加和农村配电网增容承压。 从提高室内舒适度、降低农户的采暖成本、保障电力安全等角度出发， 农村采暖电气化应该与建筑围护结构保温、建筑需求响应技术共同实施。 - 炊事 电能替代 。 一方面随着城镇居民越来越多地选择在外用餐，炊事能 耗从住宅向公建转移，因此需要更多关注公建炊事电气化；另一方面， 居民用户的 炊事习惯改变 是住宅炊事电气化的难点，需要加以引导，同 时 推广高效电炊具，通过效率差解决价格差。 图 IV 建筑电气化率提升技术途径 n 供给侧：“光、储、直 、柔 ” 建筑新型供配电 技术 - 建筑 新型 供配电 技术的特征 。 “光”指的是在建筑场地内设置的分布式光 伏发电装置，“储”在供配电系统中主要是储能电池，“柔”则是具有可 调节、可中断特性的智能建筑用电设备，包括智能空调、智能照明、智 能充电桩等智能化设备，“直”是指低压直流配电系统。 - 建筑新型供配电技术的特征 的优势。 “光 、 储 、直、柔 ”建筑 新型 供配电 系统与建筑 传统 供配电系统相比具有显著的差别，一方面是源 、 储 、 荷 的布局从分离到融合；另一方面终端建筑的用电需求也将从原来的刚性 需求（用户用多少、电网供多少）转变为柔性需求（可中断、可调节）。 另外 ，低压直流配电技术的应用使建筑供配电系统 简单化，促进能效提 升、可靠性提高和能量智能化控制的发展。 图 V“光储柔直”建筑新型供配电技术 n 建筑电气化 促进低碳发展和产业升级 - 2050年建筑电气化率超过 90%，才有可能实现碳中和 或 1.5度 目标。 基 于 LBNL的建筑用能模型 ，本项目建立了建筑电气化情景。在建筑用能需 求合理增长的前提下，建筑电力系统至少达到双 90%（即建筑电气化率 90%，建筑电力供给中非化石比例 90%）， 同时大力推进建筑节能工作， 建 筑碳排放量才有可能降到 5.5亿吨左右，基本满足 巴黎协定 2度目标 的 要求。 而 要想实现碳中和或 1.5度的目标， 则 必须实行更 激进 的建筑电 气化和建筑能耗总量控制政策。 - 2030年 建筑碳排放达峰。 在 电气化情景下 ， 建筑 碳排放 量预计 在 2030年 达到高峰 ，建筑碳排放峰值为 21亿吨二氧化碳 。 - 大气污染物有效控制。 在电气化情景下， 2050年 NOx和 SO 2 排放量相比 2020年分别减少了 82%和 83%，相比基准情景分别减少了 75%和 77%。 - 促进建筑供配电产业升级。 “光储柔直”新型建筑电力系统发展将带动 其 核心技术包括分布式光伏、分布式蓄电、 建筑 直流配电、柔性 建筑能量 管理 、 能源互联网 等 技术的发展。根据直流建筑联盟的测算，关联产业 链的市场规模高达 7000亿每年。 图 VI 建筑碳排放量预测（含终端直接碳排放和电力间接碳排放） 图 VII 建筑用电量预测 图 VII 建筑 直接一次能耗量 n 建筑电气化的发展目标 图 IX 建筑电气化的发展目标 2018 2025 2035 2050 电力 供给 指标 城市分布式光伏覆盖率 0.5% 1.4% 2.7% 3.0% 建筑非化石电力供给比例 29% 40% 5% 90% 建筑供电可靠率 99.94% 9+X% 电力 消费 指标 人均建筑用电量（ kWh） 1180 2000 2600 3400 建筑电气化率 48% 60% 75% 90% 建筑用电量占全社会用电量比重 26% 30% 35% 40% 项目 建设 指标 建筑光伏装机容量（ GW） 20 80 300 1000 建筑储能配置容量（ GWh） / 0.5 25 300 “光储柔直”建筑面积（亿平米） / 0.5 20 200 - 近期： 2020-2025年建筑用电量迅速增长、“光储柔直”技术起步。 十四 五期间随着经济水平提高和电能替代工作在清洁供暖、生活热水等领域 的持续推进，人均建筑用电量将维持略高于十三五期间的年均增速，预 计到 2025年人均建筑用电量将达到 2000kWh，建筑电气化率达到 60% （按照发电煤耗法计算）。城市分布式光伏覆盖率达到 1.4%，建筑非化 石电力供给比例达到 40%，建筑供电可靠性实现“电网提供 9%，建筑 自行解决额外 0.X%的可靠性需求”。与此同时，建筑储能和“光储柔直” 集成化技术尚处于初期发展阶段，主要依赖于国家制定政策推动示范工 程落地，预计到 2025年采用“光储柔直”集成化技术的建筑面积达到 5000万平米，建筑光伏（不含工业建筑）的累计装机容量将达到 80GW， 建筑储能的应用规模达到 50万 kWh。 - 中期： 20252035年建筑用电量增长放缓、“光储柔直”技术快速发展。 在 20252035年期间，考虑到社会经济增长速率变缓，人均建筑用电量 和电气化率的增长速率也将随之变缓，预计到 2035年人均建筑用电量达 到 2600kWh、建筑电气化率达到 75%（按发电煤耗法算）。城市分布式 光伏覆盖率达到 2.7%，建筑非化石电力供给比例达到 55%。与此同时， 随着建筑光伏一体化、建筑储能、“光储柔直”集成等技术的成熟和经济 性凸显，同时考虑到中国政府做出的在 2030年左右碳达峰的承诺，可再 生能源技术和新型建筑供配电技术将会在 20252035年期间迅速发展， 预计到 2035年建筑光伏累计装机容量达到 300GW、建筑储 能累计配置 容量达到 25GWh、应用“光储柔直”集成化技术的建筑面积达到 20亿 平米。 - 远期： 20352050年建筑领域高度电气化、“光储柔直”技术成熟、可再 生能源高比例渗透。 在 20352050年间，建筑用电量仍会保持稳定的速 率增长，电能替代工作持续深入推进，预计到 2050年除了北方集中采 暖使用热电联产和农村使用生物质外，其他建筑用能需求基本上实现电 气化，人均建筑用电量达 3400kWh，建筑电气化率达到 90%（发电煤耗 法）。城市分布式光伏覆盖率达到 3.0%，建筑非化石电力供给比例达到 90%。与此同时，“光储 柔直”技术大规模应用，预计到 2050年的应用 建筑面积超过 200亿平米，建筑光伏的累计装机容量达到 1000GW，建 筑储能的配置容量达到 300GWh。 n 建筑电气化的 S.W.O.T.策略 图 X 建筑电气化的 S.W.O.T.分析 - SO策略 -瞄准新需求，解决新问题。 发展高效电能替代和新型建筑电力 系统，提高建筑电力系统能效和可靠性，实现建筑能源管理和需求响应， 促进城市低碳能源转型和源网荷储控 一体化发展；在城市和农村发展新 型建筑电力系统，促进新型城镇化发展、新农村建筑， 促进 能源供给清 洁化、智能化 ，并 依托国内产业链促进经济内循环。 - WO策略 -利用既有创新政策、平台和资金。 建立示范建筑或示范区域。 试行新技术和新政策，整合产业链，制定迭代标准，检验技术政策的可 行性和用户的接受度 。 - ST策略 -推广既有成熟技术。 借鉴其他领域的既有技术，实现建筑与电 网、交通、工业的协同发展，减小技术迭代周期，降低设备成本；推广 电热泵技术，发挥电气化的减排优势和安全优势，推动高效电能替代， 尤其是农村散煤燃烧和城镇燃煤锅炉；推 广光伏技术 ， 充分利用本地分 布式可再生能源，降低用户用能成本，甚至在可再生能源丰富的农村为 用户创收 。 - WT策略 -争取新的创新政策、平台和资金。 国家根据远期低碳发展目标 做顶层规划，明确建筑电气化的发展路径；对示范工程和创新技术给予 财政补贴和政策支持，鼓励电能替代，新型建筑电力系统的技术创新、 设备研发和标准编制 。 n 建筑电气化的 政策 建议 图 XI 建筑电气化的利益相关方 - 明确建筑电气化目标。 在能源、电力、可再生能源、应对气候变化、节 能减排、建筑节能与绿色建筑等专项规划中予以体现。 - 完善技术标准规范。 组织编制直流建筑、电网友好型建筑、能源互联网 用户侧技术等建筑电气化相关的技术标准规范。 - 加强建筑电气化技术研究。 研究分布式光伏、分布式蓄电、柔性用电负 荷、建筑低压直流配电等技术的“光储直柔”建筑新型供用电系统 。 - 加强建筑电气化 机制 研究。 研究 适应分布式能源和储能发展的电价机 制， 建筑与电动车充电桩的协同设计运行技术、建筑与城市电网的交互 技术和补偿机制。 - 推动示范工程建设。 设立新型电气化技术应用试点，规划实施高效电能 替代技术和建筑新型供配电技术，试行新的政策机制。 - 扶持建筑新型供配电技术产业链发展。 在建筑直流配电、建筑储能等产 业发展前期给予财政补贴支持。 - 激励建筑电气化的利益相关方。 加强宣传增强重要性高且影响力强的 主体对于建筑电气化行业发展路径和目标的理解；加强引导重要性高但 影响力弱的主体有序参与到建筑电气化过程 。 n 建筑电气化与电网、交通、工业协同发展 - 建筑与电网。 建筑 是 城市电网的消费主体，建筑电气化提升自身 用电量 促进电力消费增长。采用“光储柔直”供配电技术的新型建筑具有较强 的电力 灵活性， 可以实现电力解耦和离网运行，增强电力系统的可靠性。 电网满足 9%的可靠性基本需求，建筑根据自身特点自行解决额外 0.X% 的可靠性需求。此外，建筑灵活性提升还能促进建筑分布式能源系统 参 与 城市电网的 调峰和调频服务 ，促进消纳更多可再生能源；削减建筑负 荷峰值，缓解小区配电网增容压力和城市电网调峰压力。 - 建筑与交通。 随着 新能源汽车逐渐 从 B端市场 向 C端 市场转移， 私家车 全天平均停车时长高达 80%， 快充 的必要性逐渐 降低 。再考虑到电动车 充电对配电变压器负荷峰值的影响，建筑周边充电桩的运行模式应以慢 充为主，并且需要有序充电、双向充放电技术的支撑。未来住宅小区和 公共建筑的配电网与汽车充电桩需要统筹建设， 建筑用电与交通用电的 耦合程度 也将 越来越高。 - 建筑与工业。 建筑电气化依托于光伏、储能、直流配电等建筑新型供配 电技术 。 工业和民用建筑是城市中 的 两大 应用 场景 。 新型供配电技术会 在不同场景中协同发展 。例如低压直流配电技术在建筑场景中主要用于 促进建筑光伏和储能的应用，增强建筑电力灵活性；而在工业场景中则 主要用于治理电压暂降问题，保障供电可靠 性 。 储能电池在汽车工业中 主要关注能量密度和行驶安全；在建筑场景中则主要关注储能经济性和 消防安全。 图 XII 建筑电气化与电网、交通、工业的协同关系 Executive Summary n New Era for Building Energy Saving Development - Global consensus on low-carbon development. More than 170 nations in the world have signed the Paris Agreement, seting the goal of the global temperature rise to wel below 2 degrees Celsius above pre-industrial levels and pursuing efforts to limit the temperature rise to 1.5 degrees Celsius. As a main carbon emisions country, China actively pushes forwards lower emisions and intensifies nationaly determined contribution. More powerful policies and measures shal be adopted to have carbon dioxide emision reached at its peak by 2030 and achieve carbon neutral by 2060. Especialy the current pandemic leads to slowdown of global economic growth so that much atention is paid to green economic recovery. - Renewable energy booming. Renewable electrical energy is the basic approach to replacing fossil energy. Masive researches show that renewable energy in China is expected to reach more than 50% in primary energy consumption by 2050. Building electrification is a necesary approach to promote application of renewable electrical energy in the building field. - Resource utilization of building envelope. Wind energy and solar energy are characterized with low density and scatered distribution, thereby mainly developing in a distributed manner. Building roofs and vertical surfaces exposed to sufficient solar radiation would become the best places to instal the solar photovoltaic system. It has been roughly estimated that the roof surface of civil buildings in China having aces to the solar photovoltaic system exceds 10 bilion m 2 and the annual energy output reaches 2 trilion kWh. Building exteriors shal be taken as a main resource for building power consumption and a new approach to building energy saving. - Sustainable development of urban energy system. Highly penetrated renewable energies pose severe chalenges to the safety and reliability of the urban energy system. Power supplies, nets, loads and energy storage shal be subject to interaction control, and several energies (such as thermal and electrical) shal work together to cope with the chalenge and achieve sustainable development of the urban energy system. It is becoming the new sector of building energy saving to explore distributed building energy storage and adjustable loads and to improve the flexibility of building energies, except energy efficiency upgrade. - Economic revival of rural and western regions. Rich land resources in rural and western regions are the foundation to develop such renewable energies as solar energy, wind energy and biomas energy. Electrification of domestic hot water, heating and farming equipment can therefore improve energy efficiency and decrease the utilization of scatered coal, playing a significant role in improving the living conditions of farmers, reduce environmental pollution and promote rural economic development. n Rapid development of building electrification in China - Trend of building electrification in China. Until 2017, the building electricity consumption amounts to 26% of total electricity consumption, the building per capita electricity consumption 1186kWh and the building electrification rate 48%. Compared with 2001 data, the building per capita electricity consumption increases by 4 times and the building electrification rate rises by 29%. Figure I Building Per Capita Household Electricity Consumption and Building Electrification rate - Significant electrification difference in provinces and cities. The building per capita electricity consumption relates to different household economic consumption levels. In Tier 1 cities such as Beijing and Shanghai, the building electricity consumption reaches 3000 kWh per capita, more than 2 times of the average national amount. In addition, the heating demand differs in the south and north, resulting in a significantly different building electrification rate. Figure II Building Per Capita Electricity Consumption and Household Consumption Level in Provinces and Cities - Gap in Building electricity consumption betwen China and Developed Countries. China witneses a significant gap in building per capita electricity consumption compared with developed countries, and thereby a great potential in building electrification growth. However, it does not mean that the related number may rise to the level of developed countries, because the difference in energy utilization and upgrade of energy efficiency shal be considered. Figure III Building Per Capita Electricity Consumption in China and Developed Countries n Building Electrification Sweps around the World - Building electrification pushed by California contributes to the goal of carbon neutral by 2045. Berkeley took the lead in enacting laws to stop using natural gas in new buildings in 2019. More than 25 cities and towns then followed Berkeley to take measures demanding or strongly supporting electrification in new buildings. The other 50 cities and towns are considering the formulation of similar laws and regulations to push forward building electrification. As required by 2019 Los Angles Sustainable Development Plan, the goal of zero emision for new buildings shal be reached by 2030 and al existing buildings shal be subject to zero emision reconstruction by 2050. San Jose aims to achieve the goal of 47% building electrification. - Heating electrification in Europe aims to achieve the goal of 86% carbon emision reduction in heating and cooling sectors. The European scholars have established Heat Roadmap Europe 4 in 2018. In the cities and towns with centralized heat supply, the heat supplied by large heat pumps shal reach to 25% of the total heat. For the regions inacesible to centralized heat supply networks, the heat supplied by high-efficient heat pumps shal be close to 50% of the total heat in that region. The carbon emision in the field of heating and cooling sectors wil reduce by 4.34 milion tons or 86% by 2050, compared with that of 1990. The new carbon emision reduction technology alows decreasing the annual investment cost by 6%, compared with the regular carbon emision reduction technology. The fossil energy consumption in the field of heating and refrigeration wil reduce by 10.4 TWh in 2050, compared with that of 2015. At the same time, natural gas and low-efficient heating technologies shal be fully replaced, and the heating and refrigeration technologies bring about 100% renewable energies in the whole energy system. n Demand side: Building electricity consumption and electrification rate upgrade technology Figure IV Technical Aproach to Increasing Building Electrification Rate Natural Growth of Electricity Consumption The building electricity consumption relates to the household consumption level. As the living conditions keep improving, the number of electrical appliances and using frequency shal witnes natural growth. If the average electricity consumption nationwide is close to that in Tier 1 cities, i.e., about 2800 kWh of the building per capita electricity consumption, the nationwide building electricity consumption shal exced 4 trilion kWh. At the same time, Building energy saving policies continue to reduce energy consumption in bu