林波荣:双碳目标下建筑行业碳减排路径及科技创新重点

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来源:友绿网

本文作者:林波荣,清华大学建筑学院副院长,教育部长江学者特聘教授,国家杰青,清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室主任,2020年科学探索奖获奖者。


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“双碳”目标提出背景

1、全球气候变化和中国承诺

首先我们来看一下碳中和的发展背景。1997年,英国未来森林公司首次提出碳中和概念;到2015年,《巴黎协定》提出,在本世下半叶实现温室气体源的人为排放与汇的清除之间的平衡;2018年,IPCC《全球升温1.5℃特别报告》提出,要实现将全球温升控制在1.5℃目标,需要到2050年实现温室气体净零排放也即碳中和。


2019年以来,越多越多的国家提出碳中和目标,目前总数已经超过140个,碳中和的概念在世界各国慢慢深入人心。碳中和强调一定时期内,人为温室气体排放量与人为温室气体清除量相平衡,其内涵是经济社会发展与化石资源消耗脱钩。


从中国的角度来看,习近平主席于76届联合国大会一般性辩论再次重申:中国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。


2、双碳目标既是挑战也是机遇

1) 挑战—要付出极其艰巨的努力

· 从经济社会发展阶段看,我国尚处于工业化城镇化快速发展阶段,碳排放总量和强度“双高”将持续;

· 从碳达峰和碳中和实现时间周期看,我国仅30年左右,短于欧美等发达国家承诺的40~70年;

· 从技术储备看,当前我国低碳、零碳、负碳关键核心技术的发展水平不足以支撑碳中和目标实现。


2) 机遇—经济社会发展的新引擎

· 约1元能源投资可以创造9元社会福祉,每年GDP贡献率超过2%(全球能源互联网发展合作组织测算);

· 市场投资催生技术创新,驱动产业发展,创造大量就业岗位。


因此,这里引用《斯特恩报告》来提示我们:问题不在于是否负担得起采取行动的成本,而是是否承受得起不采取行动的后果。碳中和是我们必须要面对的一个问题。


3、我国碳排放现状及建筑业碳排放趋势

2020年,全国的二氧化碳排放量是112亿吨,包括40亿吨供给侧碳排放和72亿吨消费侧碳排放,供给侧碳排放主要包含了电力燃料等,其中电力占比约36%;消费侧主要包含工业、建筑、交通等,其中工业占44%,建筑占10%,交通占10%。上面的百分比数字指的是直接碳排放,因此当我们讨论碳排放时,我们需要分清楚是直接碳排放、间接碳排放还是隐含碳排放。


为了方便统计计量,根据IPCC定义划分了4个直接碳排放部门:工业、建筑、交通、电力。但是建筑的碳排放不仅是直接碳排放,它还包含了使用热力、电力导致的间接碳排放。因此,建筑的碳排放直接和间接加起来大概是22%,还有一部分约20%是隐含碳排放,主要指的是建材的消耗导致的碳排放,这部分其实都跟工业相关。所以综合来看,建筑业的碳排放占比达到了42%,这是一个很大的比例。

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2021年10月24日,国务院印发了2030年前碳达峰行动方案的通知—国发〔2021〕23号,提出了十大行动,主要为了达成以下几个目标:


1) 产业结构和能源结构调整优化取得明显进展;

2) 重点行业能源利用效率大幅提升,煤炭消费增长得到严格控制;

3) 新型电力系统加快构建;

4) 到2025年,非化石能源消费比重达到20%左右;

5) 到2030年,非化石能源消费比重达到25%左右。


4、能源绿色低碳转型行动

1) 推进煤炭消费替代和转型升级。加快煤炭减量步伐,“十四五”时期严格合理控制煤炭消费增长,“十五五”时期逐步减少。严格控制新增煤电项目,……,积极推进供热改造,推动煤电向基础保障性和系统调节性电源并重转型。严控跨区外送可再生能源电力配套煤电规模,新建通道可再生能源电量比例原则上不低于50%。推动重点用煤行业减煤限煤。大力推动煤炭清洁利用,合理划定禁止散烧区域,多措并举、积极有序推进散煤替代,逐步减少直至禁止煤炭散烧。


2) 大力发展新能源。全面推进风电、太阳能发电大规模开发和高质量发展,坚持集中式与分布式并举,加快建设风电和光伏发电基地。加快智能光伏产业创新升级和特色应用,创新“光伏+”模式,推进光伏发电多元布局。……积极发展太阳能光热发电,推动建立光热发电与光伏发电、风电互补调节的风光热综合可再生能源发电基地。因地制宜发展生物质发电、生物质能清洁供暖和生物天然气。探索深化地热能……开发利用。进一步完善可再生能源电力消纳保障机制。到2030年,风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。


3) 因地制宜开发水电。


4) 积极安全有序发展核电。


5) 合理调控油气消费。


6) 加快建设新型电力系统。构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统,推动清洁电力资源大范围优化配置。大力提升电力系统综合调节能力,加快灵活调节电源建设,引导自备电厂、传统高载能工业负荷、工商业可中断负荷、电动汽车充电网络、虚拟电厂等参与系统调节,建设坚强智能电网,提升电网安全保障水平。积极发展“新能源+储能”、源网荷储一体化和多能互补,支持分布式新能源合理配置储能系统。制定新一轮抽水蓄能电站中长期发展规划,完善促进抽水蓄能发展的政策机制。加快新型储能示范推广应用。深化电力体制改革,加快构建全国统一电力市场体系。到2025年,新型储能装机容量达到3000万千瓦以上。到2030年,抽水蓄能电站装机容量达到1.2亿千瓦左右,省级电网基本具备5%以上的尖峰负荷响应能力。


5、新形势与新任务

1) 中办、国办印发《关于推动城乡建设绿色发展的意见》(2021.10)

到2025年,建设方式绿色转型成效显著,碳减排扎实推进,城市整体性、系统性、生长性增强,“城市病”问题缓解,城乡生态环境质量整体改善,城乡发展质量和资源环境承载能力明显提升,综合治理能力显著提高,绿色生活方式普遍推广。


2) 中共中央、国务院印发《国家新型城镇化规划(2021-2035年)》(2022.1);发改委印发《“十四五”新型城镇化实施方案》(2022.7)

建设城市发展必须由“外延式扩张”为主向“内涵式发展”为主转变;强调要坚持人民城市人民建、人民城市为人民,加快转变发展方式,建设宜居、韧性、创新、智慧、绿色、人文城市。


3) 国务院批复《“十四五”新型城镇化实施方案》(2022.5)

以满足人民日益增长的美好生活需要为根本目的,深入推进以人为核心的新型城镇化战略,完善以城市群为主体形态、大中小城市和小城镇协调发展的城镇化格局,推动城市健康宜居安全发展。


4) 科技部等9部门印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》(2022.8)

加快突破建筑高效节能技术,建立新型建筑用能体系。加强建筑拆除及回用关键技术研发,突破绿色低碳建材、光储直柔、建筑电气化、热电协同、智能建造等关键技术。


5) 住建部、发改委印发《城乡建设领域碳达峰实施方案》(2022.6)

“大量建设、大量消耗、大量排放”基本扭转;“城市病”问题初步解决;建筑品质和工程质量进一步提高,人居环境质量大幅改善;绿色生活方式普遍形成,绿色低碳运行初步实现。


6、北京市能源现状

1) 煤炭消费量大幅削减

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2)可再生能源供给比重持续提升

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3) 用电量

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4)形成以热电联产、燃气供热主导,多种能源、多种供热方式相结合的清洁供热体系

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5) 北京市碳排放现状(团队测算)

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02

国外经验及启示:政策、技术、实践

1、发达国家碳中和目标与政策路径

美国、欧盟、英国、日本等发达国家都十分重视建筑部门减排,针对2050年碳中和目标的战略规划中,均涉及了建筑部门碳减排方案。

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从标准体系、技术创新、政策体系构建等层面提出了系列中长期减排路径:


1) 提升建筑节能标准,推广绿色建筑

· 美国“零碳排放行动计划”提出要出台新的建筑能源法规(NECB);

· 日本《绿色增长战略》将制定下一代住宅和商业建筑的节能规则制度列为重点;

· 美国、英国、日本等国绿色建筑评价标准均已明确了绿色建筑的碳排放要求。


2) 推动针对老旧建筑的节能低碳化改造

· 2020年法国设立建筑翻新工程补助金、帮助700万套高能耗住房符合低能耗建筑标准;

· 德国《气候行动规划2050》、欧盟《欧洲绿色新政》、英国《绿色工业革命10点计划》;

· 韩国“绿色新政”计划等均将推动建筑升级、绿色化改造列为重要行动之一。


3) 加强低碳建筑技术创新,打造低碳建筑、零碳建筑

· 英国提出要针对建筑领域加强低碳热网、混合热泵和高温热泵、氢能产热等技术创新;

· 日本将推进建筑用能智慧化管理、太阳电池与太阳能建筑一体化等技术;

· 欧盟2020年“革新浪潮”倡议提出通过技术创新推动2030年所有建筑实现近零能耗。


4) 通过财政补贴、绿色金融等经济激励,推动绿色建筑产业发展

· 英国将绿色创新和金融作为《绿色工业革命10点计划》之一;

· 2021年日本设立“绿色住宅积分”制度,符合节能标准的新建或改造住宅可享受最高上百万日元的换购补贴。


2、落实双碳目标的关键之一是构建新型电力系统

1) 美国目标2050年碳中和(Net Zero by 2050),鼓励的技术创新包括:

· 电网平衡管理;

· 灵活电力基础设施;

· 建筑需求端的能源响应。


2) 双碳背景下,日本国土交通省提出的绿色建筑/零碳建筑发展路线图:

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3、发达国家大都市能源结构及低碳发展路径

· 欧美等国家城市以核电为主要可再生能源,其次包括生物质能、水电和风电;

· 计划2030年实现50%~100%可再生能源比重;

· 均提出要最大化本地可再生能源,发展光伏为主,分布式地热、废热+热泵等零碳供暖、零碳建筑。

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4、发达国家大都市能源结构及低碳发展路径(亚洲地区)

· 亚洲等国家大都市人口密集,风光电、核电、地热等资源相对较为匮乏;

· 首尔2030年可再生能源应用比例14%,东京计划2030年30%可再生电力、2050年100%零碳能源;

· 也是最大化本地可再生能源,发展光伏为主,结合生物质+垃圾发电,零碳热能;日本推氢能。

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双碳转型下建筑行业科技创新的误区

1、碳达峰/碳中和≠各行业达峰/碳中和/零排放

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无论从国家还是省市层面来看,碳达峰和碳中和不等于每个行业都要达峰,每个行业都实现碳中和甚至零排放。因为双碳目标的落实不是简单的要求四个子部门达峰或者中和。2060年全社会碳中和状态下仍有15亿吨左右的碳排放,最终需要我们通过碳汇或者其他方式来实现中和,关键是跨部门协同才能效益最大化,在不影响经济发展的同时实现科学系统减排。但是需要看到,建筑部门具备高质量达峰和提前碳中和能力,可为其他部门碳中和创造更多时间和空间,因此需要相应的政策激励和创新科技支撑。需要指出的是,发达国家的策略可能不一定可以直接为中国参考,因为欧盟和美国经济增长已基本与碳排放脱钩,中国的经济增长目前跟碳排放还是强相关关系。因此,我们要重视系统的解决方案,强化各个部门之间的协同状态,以实现双碳目标。


关键:重视系统解决方案,强化跨部门协同解决措施

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资料来源:中国21世纪议程管理中心

这里我们借用一张中国21世纪议程管理中心的图来说明各部门协同的重要性。以大家熟悉的建筑行业为例,直接碳排放可能在2026年就达峰,直接加间接碳排放预计在2029年就会达峰,2030年碳排放开始下降,因此建筑部门是可以率先达峰。但与此同时工业与电力部门碳排放仍是增长状态,2030年会达到峰值,交通部门碳排放一直到2035年仍处在增长过程。因此整体来看不是所有部门都会在2030年实现碳达峰。同样我们看到2050年建筑部门可以实现近零排放,交通也是如此,电力实现零排放,工业还有13亿吨左右。所以到那个时候我们的重点是工业部门碳中和,所以这张图也告诉了我们碳达峰和碳中和的发展路径事实上是各部门协同、系统统筹优化的结果。


2、城乡建设碳达峰行动/碳中和≠发展零碳建筑

1) 城乡建设领域双碳行动≠零碳建筑(狭义)

· 超低能耗建筑的技术路线,围护结构性能提升,已到瓶颈,继续提升导致增量成本更高;

· 实现零能零碳建筑,增量成本?(600~1000元/平米,从各地补贴和工程实践)。


2) 可能的解决方案(成本下降50%,国际能源署IEA的建议,11.4)

· 空间低碳+主动技术协同;

· 发电端、电网、需求响应和储能等技术,在各种市场条件下实现大规模的多能融合;

· 推广冰/水蓄冷、风机水泵电梯变频等需求侧响应技术;

· 支持节能措施推进高效设备应用;刺激市场融资机制,创新商业模式。


3、碳达峰/碳中和不能只抓新建,忽视既有

需要指出,既有建筑碳减排是关键。例如某市既有建筑面积占比约85%,其中2000年前建成的建筑面积约占1/4,普遍存在节能标准落后、墙体窗户等围护结构老化、碳排放强度大等问题。如果我们只抓新建,事实上只抓住了真正排放中的很小一部分问题。为此,我们需要:


一是调整既有建筑改造的重点、措施和经费使用方向。

(1)保温层改造补贴用于窗户改造、电气化补贴或热力管网改造等收益投入比更高的方面;

(2)取消光热补贴,加大光电补贴;

(3)逐步淡化超低能耗补贴,调整为对既有建筑采用低碳、零碳措施的补贴。


二是率先推进公共建筑低碳节能改造,逐步推进居住建筑自愿/主动进行低碳节能改造。


04

科技创新重点

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1、用能柔性化

建筑能源系统全电气化和柔性化:适用于新型电力系统的双向柔性平衡。


· 围护结构:建筑本体围护结构可发挥一定的冷热量蓄存作用,与暖通空调系统特征相关联后可作为重要的建筑储能/蓄能资源;

· 水/冰/相变材料蓄冷蓄热:蓄热系统,实现电力移峰填谷;

· 电动车和各类设备电器的储能能力提升:作为一种重要的蓄电池资源,可发挥对建筑能源系统进行有效调蓄的重要作用。

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(1)供暖、热水、炊事电气化/可再生化;

非集中供暖地区建筑供暖——利用热泵替代锅炉制备热量(中温)


1) 建筑供暖热源

· 空气源热泵:在北方农村“煤改电”中得到广泛应用,运行费为燃气一半。

· 污水源热泵:利用城市污水提取热量,COP可达4。

· 土壤源热泵:垂直埋管,管内水循环,获得~10℃热量,再由热泵提升。

· 中深层地源热泵:垂直~2500米左右深井埋管,管内水循环,取热不取水。


2) 炊事:智能变频电气灶


3) 蒸汽全电气化:

小型电驱动热泵蒸汽发生器(0.5t/h),针对医院蒸汽消毒、洗衣房等(低压闪蒸,压缩机辅助);实现部分负荷部分压缩比下的高效调节。


4) 热泵制备生活热水( CO2为工质)从空气中或排水中提取热量,COP可达3。


(2)光储直柔+源网荷储用

光储直柔系统:配置分布式光伏和储能系统,采用直流电气系统,且末端设备具备柔性和智能化用电调节能力的建筑新型能源系统。


目标是柔,光伏、蓄电池和直流化都是手段,关键是提升电网柔性。


《2030碳达峰行动方案》(国发〔2021〕23号):“提高建筑终端电气化水平,建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑。到2025年,城镇建筑可再生50%”。

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柔性用能系统

· 蓄能空调系统|Thermal-storage Air-Conditioning System:变频高性能冷水机组+冰蓄冷(水蓄能);


· 建筑本体蓄能| Building Energy Storage:增加建筑本身蓄能,合理平移、削减建筑用能负荷(双层幕墙、地板或墙体内敷设水管、蓄热混凝土或相变材料);


· 智能双向充电桩|Smart Vehicle-to-Building:充分利用本场地资源,建设智能双向充电桩,实现建筑与电动车协同双向柔性储供电,实现建筑-车辆-电力的协同;


2、材料高新化

搭建再生建材节能的全生命周期体系,关注高性能新材料如气凝胶超级绝热材料,辐射自然降温材料,热电材料(常温自发电)等,这在未来的五到十年都有可能实现颠覆性的发展。

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(1)推广低碳结构和高性能建材

· 减少水泥、钢筋、玻璃等高碳建材使用;

· 形成低碳为目标导向的建筑设计新美学:竹木材料、利用植物纤维或残渣制成的新型环保建材;

· 高性能钢材、高性能纤维复材、高性能水泥基材料的高性能结构体系;

· 基于钢材、纤维复材、水泥基材料、竹木材料等复合应用的高性能结构体系。


(2)低碳建材的高性能结构体系

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公建:剪力墙>框剪>钢结构>框架>木结构,最高为最低的3倍;

住宅:框剪>剪力墙>框架>砌体>钢结构>内浇外砌;最高为最低的1.6倍。

所以,未来需用政策/标准/价格强化引领低碳结构体系的应用。


(3)高性能可调节围护结构展望

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· 新技术墙体——热二极管、热稳定器、热开关基本原理:

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· 新技术墙体——围护结构热二极管的应用:

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· 新技术墙体——围护结构热稳定器的应用:

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· 新技术墙体——围护结构热开关的应用:

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· 辐射冷却——原理:

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3、设计智能化:多目标导向绿色建筑智能设计方法

强化乘法效应:针对传统空间节能和设备节能脱节的问题,提出“乘法效应”优化思路,融合了建筑空间/热工/时间与设备节能:

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例如:东莞生态园办公楼:分区控温,中庭不控温,自然通风


利用自然通风后,空调时间可缩短40天左右;单项技术可降低空调耗电量约15%,折合22.3万kWh/a;荣获 2017 年国际气候大会 Construction 21 全球绿色建筑智慧解决方案奖第 2 名;全国绿色建筑创新奖一等奖;三星级绿色建筑运行标识项目;实测能耗:50kWh/平米年,节能55%;用户满意度>85%。


1) 问题:针对建筑空间创作设计创新性认知难题。


思路:提出设计三维建模过程认知表征方法和命令物体图谱,建立了基于事件日志和数据导向的设计思维认知模式。

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2) 问题:传统模拟计算速度慢,机器学习几何形体参数受限。


思路:建立深度学习快速性能预测代理模型,构建住宅平面和街区体块数据集,增强形体感知通用性,实现天然采光和自然通风性能模拟时间节约>95%。

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3) 问题:人工提取耗时、易出错,亟需低成本、快速提取方法。


思路:提出了基于OCR和区域生长的住宅户型平面图自动识别算法,构件层级的准确率达100%,识别率>96%。

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研发了基于智能设计机器学习算法和基于云端并行技术的大尺度(城区尺度)的性能快速算法,成果作为Building Simulation 封面文章发表。

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4、环境人因化:新型环境控制方法与产品开发

传统:全空间、全时间环境营造方式,存在所供≠所需or所用>当用,能耗高。


本研究:按需供给,精确匹配,聚焦从动态时间/空间实现以人为本(人因工程学)的健康环境营造与深度节能减排策略创新,实现所供=所需,所用=当用。

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我们要从传统的全空间、满时间的设计变为部分时间、局部空间的设计。传统营造方式,所供不等于所需,所用会大于当用,我们新的方式要针对人,以人为核心、以人为本来实现精确供给,从而实现所供等于所需,所用等于当用。这样在基于空间可变、环境可调,个性化、自然化、健康化的三化理念来实现围护结构、供暖、空调、照明系统的产品变革。


问题:非视觉健康光环境营造缺少国产化的核心技术和产品。


思路:开发新型智能五通道调节灯具,提出考虑视觉和非视觉效应、天然光和人工光相结合的调节方法,非视觉节律刺激范围扩大1倍以上,节能30%。

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5、运维智慧化

建筑环境健康与低碳智慧运维(科技变革):BIM-IoT空间实测技术、多维环境/能耗场和人体健康关联的海量数据挖掘技术、 空间流线的AI运维技术等。

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(1)二维/三维室内环境场的构建、可视化与智能调控


基于室内环境参数时空分布特征的环境健康与安全识别诊断、风险预警和保障技术。

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取代传统静态的集总参数法,可分时段、分区域对室内环境性能表现进行精细化剖析和靶向诊断。


(2)数据驱动的环境健康与节能智慧运维


信息反馈在多目标环境群体调控的作用机制:

· 群体+个性化”的智能调控新方式(替代“自上而下”);

· 消除个体偏见,科学引导用户行为——多目标调控策略。

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提出3类5种适用于建筑环境控制需求的预测优化智能算法:基于预测结果开展前馈控制,适用于多场景,预测精度提升约15%。

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已应用于办公楼、综合体等40余个典型公建,揭示了不同类型建筑室内环境的多参数、动态耦合规律;


研发了医院、监狱等场所呼出气溶胶传染风险监测预警技术,解决了疫情初期无法实时直接测量新冠病毒的难题。


05

总结——抓住机遇,推进建筑业可持续发展

1、更好推进以人为核心的城镇化,使城市更健康、更低碳、更宜居,成为人民高品质生活的空间;

2、低碳→碳中和,更强调数据、科学,更重视科技创新;

3、低碳、健康、智能,是未来创新的主题;

4、抢抓科研范式变革新机遇,增强源头创新,注重:场景驱动、工程服务、问题驱使;

5、跨学科合作,协同创新。


-全文完-


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