杨旭东：农村建筑碳中和愿景目标与分布式供能技术路径探讨

编者按：在“双碳”背景下分布式能源领域贯彻新发展理念，以“双碳背景下能源安全新思维——新型分布式综合能源保障”为主题的“第十八届中国分布式能源国际论坛”于2022年12月8日在北京采用线上的形式召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，中国能源网副总经理张葵叶出席大会并为大会主持。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

主持人 张凯：第二位嘉宾是来自清华大学建筑学院的杨旭东院长，他发言的题目是《农村建筑碳中和愿景目标与分布式供能技术路径探讨》。农村建筑用能的需求主要在用电和供热上，但在农村用能对价格更敏感，利用分布式光伏和分布式生物质能解决农村建筑的供电和供热问题是个完美的解决方案，接下来就有请杨旭东院长带我们深度解析一下农村碳中和的愿景目标和分布式供能技术，有请杨院长。

杨旭东：各位早上好!感谢张总的介绍，同时感谢段总的邀请。前面徐院长做了非常好的报告。稍微跟各位简要介绍一下，主要基于我从2005年到现在这十几年在农村的实践，也有一些研究和政策性方面的探讨。

现在国家“双碳”目标和乡村振兴，这是国家战略，所以给农村的未来也指明了方向，当然也是我们一个重大的机遇。我一直讲农村在我们国家无论是建筑节能还是低碳方面，我们一直都是以差等生的角色出现的，为什么是差等生?这里面有一些数据可以看一下，我们的建筑面积非常大，能耗的量也非常多，同时碳排放一年也有4多亿吨的二氧化碳。最大的问题现在农村还在大量使用散煤，所以这个问题也造成了很多隐患，其实不光是隐患，后果也非常大，大气污染的问题，固废污染的问题，健康的影响，同时也带来大量的碳排放，所以农村的问题非常突出。

大家都知道，咱们国家从2017年开始有这样一个重大行动叫北方清洁取暖试点行动，这个大的背景主要针对大气污染治理问题，但是我们可以看一下，这是我让学生从1985年到现在整个农村地区的能耗做了一个统计，这里面每一年的数字都能看到，大家可以看到大的趋势变化非常明显，大量的散煤使用一直都下不来，还有一大块是生物质直接燃烧，这是一个大的背景，国家从2017年开始实施这个行动计划以来，现在已经有88个城市进入到这个行动计划，得到了一个很好的效果，我们在短短的几年之内迅速地替代了2000多万户的散煤，实际上减少了大量的散煤量，我们可以看到，这一刀砍下来，到现在等于把散煤降了不少，同时也把农村的建筑用能直接达峰了，现在处于下降的通道，这是非常好的事。但是我们也要关注一下，整个行动得到了一个什么效果?还有一些负面的，可能未来还要关注的一些效果，老百姓用不起、能源供应问题等等。比如说我们看到的这个笔尖是天然气的使用，原来在农村几乎都没有，由于煤改气现在已经出现了，液化石油气也在大量使用，电是上升的趋势。我们再看碳排放，其实也类似，碳排放和能耗基本上是同步，散煤占的是最主要的，电带来了碳，天然气、液化气、这些都带来一定的碳，但是由于国家的行动也让我们的碳排放在2017年达峰了，这应该是个好消息。将来我们的路径怎么走就变得特别重要，我们可以按照三个大的阶段，改革开放之前是以柴为主的时代，从1980年到现在，甚至在未来到2030年之内，估计是以煤为主的时代，2030年之后是什么时代就需要我们认真思索了。现在比较着急的，因为我们处于煤时代，所以现在比较着急的还是清洁取暖和散煤治理，这也是国家看得非常准的这样一个情况。

但是这个过程我已经说了，并不都是皆大欢喜的。而且大家也看到了报道里面经常出现一系列的问题，关于这件事有很多的讨论，我今天不展开了，做这样的行动计划我们不能脱离开我们的国情、老百姓、政府和资源的承受能力，当然也基于这个目标，清洁、节能、低碳、舒适，在2016年我们提出所谓的“四一”模式，这里面“四一”的具体含意我都写了，当然有些人质疑“四一”实现不了，太理想化了，所以当时2018年、2019年这两年我们又分别在河南的鹤壁和山东济南商河县做了试点，证明这是可以实现的，鹤壁做到非常好的一个试点，实现了只补初装，不补运行费，这个在很多地区是非常羡慕的。现在的问题是很多地方还没有做到，希望各个地方在这方面遇到困难的时候参考一下这两个地方的经验。

具体怎么做我稍微说一下，首先一定要了解农村的建筑用能特征是什么，农村的房子都比较大，但是实际使用又出现了“部分时间部分空间”的典型特征，我们做了大量的实测发现，它的使用系数按照时间和空间来算，有些农宅可能10%都不到，在这样的情况下整个实现全空间、全时间的供暖，当然能耗就会巨高无比。我们怎么样充分利用这种特征来节能，这就是非常关键的一个基础性的问题。在这个基础上我们也知道北方的农宅保温效果都比较差，所以怎么做好保温是第一关键的事情，我们把能耗降下来，然后用清洁能源替代。怎么降现在也有各种各样的做法，我们经常看到的就是按照城市整个房子加外保温，这样做下来成本就高了，我们也提出了一种方案就是基于刚才说的这种“部分时间部分空间”的特点，我们提出一种叫做靶向的保温技术，主要针对它的常用房间做到大用大保、小用小保、不用不保，这样我们给出了一个菜单式的方案。

菜单式方案的特点是主要针对经费的量，比如说只有5000块钱，怎么样把5000块钱用到最大的节能效果，这里面有一系列的优化问题，给出一个菜单，如果钱多有1万，当然就做1万的最优方案，所以要注意的是这里的方案一定要最优。

除了节能以外，设备侧也非常重要，我们不能烧煤了，天然气将来也不太符合低碳，那到底用什么呢?低碳的技术在不断地发展，这个技术跟刚才徐院长讲的非常接近，空气源热泵，但是空气源热泵对于农村的使用最广泛的条件还是空气源，热泵有各种各样的形式，可以搞地源，可以搞水源，但是空气源是限制是最少的，但是让空气源热泵+在北方尤其在严寒地区进行供暖要解决几个特别大的难题。第一个必须保证在超低温下能正常运行，同时不出现衰减，这就是很大的难题，所以经过了十几年的摸索，现在提出了一种产品，基于环境、温度、热泵机，现在标准早已经出来了，用得也比较多了，老百姓接受度也比较好，而且最大的好处是可以实现分时、分区、分室进行控制，需要的时候打开，不需要的时候就关上，温度也是自己调，而且达到了一个比较好的舒适效果，基本上和地暖实现媲美，成本也比较低，大概就比分体空调稍微贵一点，达到了非常好的节能效果，COP能达到3，1份电进去能出3份热，可以节省67%左右的热。

太阳能供暖也摸索了好几十年了，这里介绍一种技术，采用的是季节自适应型太阳能集热，它把集热管不是平放，而是立起来，底下再加一个反射板，这样可以在冬天的时候通过反射板增加集热能力。另外,在太阳能高度角低的时候能够大量地接受光线，所以冬天的集热效果非常好。同时它还有一个特别大的优点，到了夏天太阳能高度角高的时候能够实现自遮挡，所以集热效果就会降下来，降下来以后夏天不会过热，也就不会爆管，就能够实现在冬天的时候达到一个很高的太阳能保证率，这个技术在不同地方进行示范，也达到了一定的效果。

前面我说的主要是现在的这些技术，将来我们农村地区想要从差等生变好，我们希望怎么做?就要围绕低碳去考虑问题，当然我们也进一步地去节能，进一步地去发展零碳技术，这是必然的。对农村来讲我们需要考虑的就是几个问题，一个是我们的清洁取暖这么长时间做下来，它和低碳能不能合二为一，有些技术可以，有些技术不行，我们怎样发展一些能把两者协调起来的技术。进一步来讲清洁取暖、低碳，甚至和经济发展能够合三为一，这样才能有可能实现将来的农村能源“产-供-用”的这种跨越式发展。

我们想强调一点，农村是不是要走出一个新的路径，而不是重复城市的路径，这些问题都摆在我们面前。所以从碳的角度来讲，实际上它的排放就是三类：直接碳排放，各种各样的燃料燃烧，化石能源燃烧产生的;间接碳排放，就是用一些化石能源产生的电;还有一些隐含碳排放，就是建筑材料。在这三个方面农村都有巨大的空间能够解决的，比如我们先说用电的问题，如果我们还用以前的方式电网取电，再节能还得耗电，但是我们发现农村有足够的发展自己分布式光伏的空间，假如在屋顶上装20千瓦的光伏，一年产电量就是2万多度电，而大量的农户用电量一年只不过3000度电之内，所以我们的产电量远远大于需求，这样的条件给我们提供了巨大的节能和低碳的发展空间。

我们可以看一下农村的可再生能源分布，我们只考虑屋顶可安装的面积，经过卫星图像的识别，大概有19亿千瓦的潜力，一年就能够出3万亿度电，这也远远超过农村自身的用电量。另外生物质有大量的条件，我们算下来至少一年是8亿吨，约等于4亿吨标准煤的能源供应量。所以这些能源都是分布式的，特点就是量虽然很大，但是密度极低，使用并不容易，怎么用就变成一个巨大的问题。农村是个巨大的产能基地，这句话没错，但是怎么样把农村巨大的产能基地发挥出来，我们就要考虑比如说电，电的特点就是它的储存非常难，传输、损耗也比较大，所以最主要的就是要就地消纳，怎么样消纳好就是一个难点。而生物质是可以储存的能源，也可以运输，更好的是可以适合向外输送，如果农村自己用不了的时候，向城市运送出去，解决城市的低碳能源供应问题，这两条道就完全不同。

农村屋顶光伏大家也知道都在发展，但是现在的发展模式总体来讲出现了这么几个问题。第一个问题是它不充分，它受限于农村的电力变压器的容量，所以并不是都想装就都能上网的，只有个别村的个别用户才有条件去上网，另外一个就是不公平，发电上网是一个价格，从电网买电又是另外一个价格，而自己发的电又不能直接用，这就造成很大的问题，同时也存在很大的不平衡性。光伏发电是不稳定波动性的，而我们自己的电力需求又是一个相对比较稳定的，所以说怎么做呢?最好的模式就是实现自我消纳，剩余的电再上网，这样就可以把这三个问题基本上解决掉，但是怎么消纳又有不同的路径了。

消纳要看农村的用电都有些什么负荷：电器、供暖、生产和交通，这些其实都可以用电来解决，但是问题是，这些都是很持续，相对波动性比较弱的，都是很稳定性的一个需求，可是太阳能不是，它是一会儿有一会儿没有的，所以这两个之间的匹配就变成一个巨大的难题。怎么做?我举一个例子，比如我们想解决供热问题，太阳能的发电是一会儿有一会儿没有，白天有晚上没有，但是我们的供暖不行，所以我们就可以巧妙地通过墙体蓄热的形式，让发的电通过热的形式储存在墙体里面，到了晚上就可以释放出来，就不至于白天热晚上冷，这个我们在山西芮城做了5户的示范，目前达到了一个很好的效果。大家可以看到当室外温度，太阳能辐射波动非常强的时候，室内温度还是能达到相对舒适的范围，而且这种形式不需要任何其他的储能，其他辅助能源的帮助，完全靠太阳能就可以解决它的供暖问题。

将来的发展趋势，实际上很重要的一点就是我们农村的农机具和交通工具的电气化。现在整体来讲还没有达到很好的效果，但是未来一旦发展起来以后，它又给我们农村实现储能提供了一个非常好的廉价储能资源，这就像城市的电动汽车一样，农村的电动交通工具、电动农具都是带电池以后都可以和我们的电网形成互动，解决我们的户内储能问题。

未来的场景非常可期，我们期望看到的都是这些东西，虽然是不稳定的光伏，但是通过我们自身的使用调配，实现巨大的柔性，既解决了自身的用能问题，又能够给电网有序地送电。举个例子，这是学生最近做的工作，从时序上来讲，我们的供电曲线和用电曲线是包络不住的，但是我们通过一定的储能，带动一定的调节，可以让它完全包在里面，这样屋顶光伏就完全可以把我们的用电全部涵盖，同时在其他时间又能够有序地实现上网，这些都可以做到。同时如果能形成微网，在村级再加上一些大型的免费储能设备，我们就可以按照电网的指令实现柔性的上网，不是说白天太阳好的时候就往上送，电网又不要，而是实现电网让我们什么时候送就什么时候送，达到这样的一个目标，这就是所谓“光储直柔”的概念，这是目前在山西，在其他地方在做试点。

将来的做法希望能够实现全面的电气化，就是以前我们这种烧油、烧柴、烧煤的做法将来都变成通过我们自身的产电、消纳、储能，然后再上网，实现非常好的一个电气化的形式，这也是我们期待看到的未来农村的一个美好生活的场景。

下面稍微说一下生物质的事，因为现在生物质的消纳也是讨论得比较多，生物质资源量很大，但是现在实际的情况下，我们的消纳做得并不好，所谓的肥料化其实是还田了，大量的使用比较少，还有一些焚烧，所以我们要考虑的就是，首先生物质和太阳能有些不同，太阳能是个资源，但可以不用，但是生物质产生之后必须消纳，你没有选择，必须想办法把它消纳完。生物质消纳过程有各种各样的不同形式，但是无论哪种形式都会产生一定的碳排放，包括甲烷，包括氧化亚氮，这两种都是很强的温室气体，如果消纳过程不产生这些东西，只产生二氧化碳，它就是一个零碳的，如果多出来这些东西以后，它就不是零碳了，所以它的零碳属性就会被打破。

我们统计分析了一个不同的消纳途径，发现如果把它作为燃料清洁化燃烧，或者把它变成沼气，或者变成可燃的气体，这两种情况下它的等效碳排放基本上接近于零碳的。如果水稻、秸秆还田，或者直接外面烧了，就会产生大量的强温室气体，所以它就实现不了零碳。

一个是从零碳，另外一个从助力乡村振兴的角度来讲，希望能够把农村这些东西能源化、资源化，所以现在各种各样的技术也在不断地发展，目前看到的有些是生物质固体成型燃料、生物天然气，还有热解气各种各样的形式都有，这些形式、这些技术其实都是一种消纳，消纳我们农村生物质资源的。而且它还有一个更大的好处，生物质本身做好了是零碳，如果再往下做还可以做成负碳，通过碳封存，或者是生物质燃烧过程中烟气的捕获，或者把它高端材料化，还可以挖掘一些能源植物，比如微藻等，都有很强的固碳能力，所以还能够实现负碳的效果。

在这方面欧洲做得很好，有大量非常好的经验值得我们学习，在欧洲生物能源已经是他们最大的可再生能源了，而且已经有大量生物经济的投入，上万亿欧元的经济投入，对整个经济发展起到了很大的作用。

我们想做一个预测，农村现在是个差等生，差就差在我们现在的供能结构不好，碳排放高，将来如果做好的话是个什么样的场景?我们预测的结果是这样的：2027年就可以把农村用电自给自足，2030年基本实现散煤替代，2040年基本上实现近零碳排放，如果这样做下来就需要我们把这五样东西逐步退出去，像散煤、直接燃烧的生物质、非可再生的电力、液化气、天然气，这些都得退出去，而需要进的主要就是屋顶光伏电、生物质和其他可再生能源，如果真能做到这一点，农村不但不是个差等生，甚至有可能马上成为优等生，因为它除了自己实现零碳以外，还能够给国家贡献15亿吨/年的减碳潜力，这能支援城市实现减碳。

最后做一个简要的总结。第一，我们所谓农村实现达峰了，这件事情并不一定是什么太大的喜事，因为将来的技术路径设计得不好，达峰实现了，但是永远实现不了中和。第二，我们怎样挖掘生物质、太阳能这些农村的可再生能源，它有广阔的发展空间，因为它拥有广阔的空间，发展可再生能源必须得有空间，这是农村的一个很好的特点。像电要优先考虑自消纳，发展分布式光储直柔电力系统，带动将来全面的电气化。生物质希望能够向外输出燃料，商品能，我们也希望大量地去发展零碳乡村，把农村从现在的能源消费者，将来慢慢地办成零能耗的社区，再将来慢慢地变成正能量的社区，就是一个零碳能源的供应者，实现这样的一个跨越以后，农村是有潜力真正成为我们国家能源转型、低碳发展的排头兵和优等生。

我的介绍就这些，谢谢大家。

主持人 张凯：谢谢杨旭东院长的发言。杨院长的发言从农村的用能需求量、排放量，热泵、太阳能集热技术解决方案和数据测算等多个角度帮助我们理解了农村在实现碳中和目标中分布式能源应用市场的前景与市场机遇，杨院长提到农村实现碳中和趋势中的“五退三进”和2040年实现近零排放让人印象深刻，这比2060年实现碳中和提前20年，相信从现在到2040年，农村实现碳中和的过程中，分布式光伏和分布式生物质还有很大的发展潜力。