电网交互式高能效建筑，是解决高密度城市碳中和的重要路径

“电网交互式高能效建筑，是解决高密度城市碳中和的重要路径。”与记者见面时，上海同济工程咨询有限公司副总工程师、绿色低碳研究中心主任程愚就“开门见山”地提出以上观点。

记者：能否介绍一下这个观点的提出背景？

程愚：“双碳”目标、碳中和本质上是全社会的能源转型，用大规模可再生能源替代化石能源，以应对气候变化、实现人类可持续发展的目标。

数据显示，2023年中国可再生能源装机容量占全国总装机容量约50%，然而，同年非水可再生能源（主要是风能和太阳能）发电量目前仅占中国总电力消耗的约16%。（图1，注：来源国家能源局等，不同统计口径数据略有差异）煤炭为主的化石能源发电比例为61%。2023年，全球非水可再生能源占比约13%，煤炭为主的化石能源发电比例为61%，仍然占主导地位，这就是新能源存在的“消纳难题”。目前化石能源发电仍然是主导地位，无论是电网还是建筑部门，都应该在提高可再生能源消纳比例方面加大力度。

图1

 

 

记者：提高新能源消纳的实际难点在哪里，

又怎么解决它？

程愚：在现代电力系统中，供给侧和需求侧是两个重要的概念，它们在技术、政策和管理上各有侧重点，甚至有时相互矛盾。电力作为一种特殊的大宗商品，通过电网以接近光速传输至用户。现代电网是保障电力传输的高技术装备和复杂系统。在这一系统中，电网通常只负责红线外的区域（供给侧），而用户则负责红线内的区域（需求侧）。电网需要保证高度安全，而用户则要求便捷的用电体验。与此同时，可再生能源的波动性往往对电网的稳定性构成挑战，这正是供需矛盾的一个重要方面。

以现代城市能耗特点看：《World Cities Report 2024》全球城市面积仅占土地面积的3%，却容纳了56%的人口，贡献了80%以上的GDP，并产生了超过70%的碳排放。目前中国城镇化率超过66%，在我国东南沿海，如环渤海、长三角、粤港澳湾区等，高密度的人口和产业集聚，造成了城市这些呈“高密度能耗”的特点，同时因本地电力生产不足，需要从内陆电力调入而呈“能源输入型城市”的特点。

新能源消纳的难点主要体现在两个方面：一是高密度城市中的光伏发电对建筑自身能耗的贡献较低，因此大量电力仍需依赖外部电网供应；二是电网出于安全考虑，难以集中和大规模接纳可再生能源。建筑部门以为用了“光”加“储”就可解决建筑零碳能源问题，但预期和实际差异很大：

建筑光伏（含BIPV和BAPV）“装机容量”不等于“发电量”。除了气象因素，城市建筑朝向和遮挡也是对发电量影响较大的因素，在高密度发展（特别是高层高密度）城市中，单位土地面积上的建筑总面积较高，屋顶利用系数相较小，外墙利用可能性上升但遮挡也加强，利用率下降。曾有估算，假设光伏安装充分情况下，容积率3.0密度城市“近零能耗”建筑场景，建筑红线范围内发生的能耗约55%需市电接入。

化学储能的物质基础受限，网络上有视频提到全球五年的电池产量“仅够东京使用3天”，这一说法在理论上成立。然而，建筑储能仍具有广阔前景，包括热水储能、空调冷冻水储能、数字化负荷储能及建筑光伏发电资源等应用。根据国际能源署等机构的数据，建筑能耗中，照明约占10%-20%，空调占40%-60%，热水占10%-15%，其他动力占10%-20%（见图2）。

 

图2

 

建筑的“荷”与“源”具有同构性，意味着建筑的能耗需求和能源供给系统在时间、空间等维度上存在一定的匹配关系，两者相辅相成、相互协调。通过优化建筑的能源管理，可以实现建筑能效的提升，同时促进可再生能源的有效利用。

理想的方式是“以荷为储”。通过电力需求响应（Demand Response, DR）和灵活负荷管理的方式，实现大量分布式结构、灵活调度、储能结合的微电网。微电网能确保绿电在本地（红线范围内）高比例消纳，同时不损害电网的安全可靠。虚拟电厂（Virtual Power Plant, VPP）技术是一种能够在不增加额外装机容量的情况下，通过灵活调度和协调多个微电网单元的发电和负荷，参与电力市场的价格互动，从而优化能源供需平衡的综合应用。

针对“双碳”愿景电力能源部门提出新型电力系统目标“安全高效、清洁低碳、柔性灵活、智慧融合”框架体系。在此系统中，城市居民和产业存在大量可调控负荷，如建筑光伏、空调、电动车、热水和储能电池等。这些资源不再是单纯的“消费者”，而是既消耗电能又可生产电能的“产消者”。因此，建筑部门需要站在新型电力系统积极参与者角度，发展“电网交互式高能效建筑”。

 

 

记者：“电网交互式高能效建筑”技术路线是什么？

程愚：“电网交互式高能效建筑”（Grid-Interactive Efficient Buildings, GEB）也有翻译为“互动型高效建筑”，作为一种新兴的建筑能源管理理念，已在美国、欧洲（德国、荷兰、英国）、加拿大、澳大利亚、日本等地得到了广泛关注和实践，其技术路线主要包括：

第一，建筑电气化，取消天然气等一次能源（这好像电动汽车）本地运营期碳排放为零，电力外购自电网，同时做到最大程度减少电耗，提升用电效率。

第二，建筑产能化，有条件尽可能安装太阳能光伏发电，实现一定程度的可再生能源供给，并优先本地消纳或储能，抵消外购电网用电量。

第三，能管数智化（数字化、智能化）。新能源加入电力市场后，需要满足“可测量、可报告、可审计”（MRV）等计量指标，以确保其可追溯性和透明度。同时，由于新能源的波动性和间歇性，解决“源”与“荷”之间的复杂交互问题需要依赖智能化手段。数字化技术不仅是优化能源管理、提升能源效率的基础，也是推动碳补偿与碳交易的关键支撑。联合国及其相关机构在多个报告中强调，数字化、人工智能（AI）和大数据技术具有提升能源效率、减少碳排放和促进可持续发展的巨大潜力。

第四，建筑与电网柔性交互。通过智能电网与智能建筑的协同工作，优先消纳可再生能源，削峰填谷，减少电网碳排放因子。“柔性”体现为电网的灵活性，新型电力系统追求的不是稳定，而是动态平衡；“交互”体现在建筑为电网赋能，在提高能源利用效率的同时，推动绿色低碳能源发展，并推动电力脱碳（Decarbonization）。

综合起来具有高效、互联、智能、柔性的特点。（见图3，注：参考美国能源部资料）

图3

 

 

记者：这听上去很不错，可否介绍一下实际案例？

程愚：这些年与国内在该领域先进的机构展开合作，对技术前景充满期待。

比如我们和武汉大学教授合作，他们采用自主研发的“电力型智慧控制器”，给所有用电设备赋予IP地址，实现了电力物联网、强电智能化、工业AI人工智能主动寻优，显示出高比例节能减碳实际效果。典型案例是武汉大学智慧能管系统技术改造，通过控制器改造构建物联网能源管控系统，提高用电安全，同比节能超50%（武汉大学后勤集团确认），在用电高峰智能柔性切换，产生相当于12兆瓦装机容量的数字化虚拟电厂。另一个城市更新项目，通过物联网和人工智能控制，将既有酒店能源管控系统效率提高一倍，并由于能管数字化满足MRV标准的便利，仅运行一年就通过碳交易获得了《组织碳中和》证书。

我们合作在安徽蚌埠某智慧制造园区，通过高效换热技术结合AI智慧管控，对超过700间宿舍和管理用房做到了全谷电蓄热，提供生活热水。实现了和电网的柔性交互，客观降低了碳排放因子，也为客户节约了大量运行费用。（图4）另外在上海、深圳、青海等地有些尚在前期或进行中的项目，采用先进的控制器和人工智能管理系统，按照“电网交互式高能效建筑”打造，相信在未来会有很好的效果。

图4

 

 

记者：针对“电网交互式高能效建筑”还有什么补充？

程愚：在《面向建筑碳中和 系统性协同破题》文章中，庄惟敏院士呼吁：“广大建筑学者、工程师应当有意识、有共识地聚焦探索面向碳中和的建筑设计、营建和运维‘新理论、新方法、新范式’的系统解决方案。”由于有建筑设计、绿色园区开发和低碳咨询的多维度经历，我对这个倡议非常赞同。

首先，碳中和是全社会的能源转型，通过可再生能源替代化石能源加以实现。面对高密度城市环境，目前常用被动式技术、主动式技术，若仅在数量上的叠加不仅难以解决问题，还常常增加建造和运维成本、降低适用性，阻碍建筑碳中和发展。建筑需“突破传统思维”（Think out of the box），突破建筑业自身的“小我”，把绿色建筑、超低能耗建筑、近零能耗建筑这些建筑的概念，放到“能源转型”和“电力系统脱碳”的大局中去，通过大量“电网交互式高能效建筑”推动建筑为能源转型服务。

其次，作为中国金融中心，上海还可通过绿色金融和能源托管的商业模式，吸引资本流入低碳产业，促进绿色发展。结合上海已建立的碳交易中心，符合数字化和MRV要求的“电网交互式高能效建筑”将为碳交易市场提供有效支撑，推动低碳能源转型的步伐。

最后，上海作为高密度的能源消费型城市，具备“海纳百川”的开放精神，面临着能源转型的巨大挑战。建议上海率先试点“电网交互式高能效建筑”，结合本地的气候条件和产业特色，结合大量既有建筑城市更新的场景，探索创新的低碳转型路径。这不仅能为长三角地区的低碳发展提供示范，也将为全国能源转型提供宝贵经验。