文森特·成 伍尚鈞 梁偉豪 / Vincent Cheng, Trevor Ng, Wai-ho Leung 譯_彭偉洲 / Translated by PENG Weizhou

1 “凈零碳”定義

凈零碳建筑策略?xún)H關(guān)注建筑的能源消耗問(wèn)題。這些策略可以被寬泛地分為以下5個(gè)類(lèi)別（UKGBC 2007①）：

（1）建筑的能源消耗完全自給自足。建筑所有的能耗需求都可以通過(guò)實(shí)地生成的可再生能源得到滿足；

（2）建筑連接到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。在一年時(shí)間內(nèi)建筑實(shí)地產(chǎn)生的可再生能源能夠抵消從電網(wǎng)消耗的電能；

（3）建筑就近連接到當(dāng)?shù)氐牡吞蓟蛄闾嫉碾娏┙o；

（4）建筑連接到遠(yuǎn)處的低碳或零碳的電力供給；

（5）建筑的碳排放量通過(guò)從碳排放交易市場(chǎng)購(gòu)得的碳排放額度來(lái)抵消。

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，奧雅納工程顧問(wèn)基于以上有關(guān)“凈零碳”的定義，根據(jù)不同的建筑類(lèi)別建立了一整套減排策略的框架并將其運(yùn)用在建筑上：

（1）建筑能夠完全自給自足。建筑所有的能源需求都由實(shí)地產(chǎn)生的低碳或零碳排放的能源來(lái)滿足；

（2）建筑連接到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。實(shí)地生成的可再生能源能夠部分抵消建筑從電網(wǎng)中消耗的電能；

（3）建筑就近從當(dāng)?shù)氐牡吞蓟蛄闾嫉碾娏?yīng)中獲取部分能源；

（4）建筑從遠(yuǎn)處的低碳或零碳的電力供應(yīng)中獲取其部分能源；

（5）建筑的部分碳排放通過(guò)從碳排放交易市場(chǎng)購(gòu)得的碳排放額度進(jìn)行抵消。

以上并非嚴(yán)格的定義，而是作為一個(gè)框架來(lái)幫助對(duì)不同減排方案相對(duì)的優(yōu)點(diǎn)和效果進(jìn)行認(rèn)識(shí)。通常來(lái)說(shuō)，屬于類(lèi)別1的建筑要優(yōu)于類(lèi)別5的建筑。

2 實(shí)現(xiàn)凈零碳的策略

以?xún)袅闾寂欧艦槟繕?biāo)的漸進(jìn)式能源管理概念主要包括以下4個(gè)策略：

（1）減少需求——減少建筑設(shè)備的使用并降低設(shè)備能耗，比如采用高效節(jié)能的電器，減少小型電器的數(shù)量等；

（2）需求控制——通過(guò)與建筑結(jié)合的設(shè)計(jì)手段來(lái)采用被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略以降低能耗，包括高性能的建筑立面、氣密性、外部遮陽(yáng)措施、建筑朝向等；

（3）能源的高效使用——在機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用主動(dòng)式的節(jié)能系統(tǒng)，包括采用高效系統(tǒng)，熱回收，采光控制等；

（4）可再生能源——通過(guò)實(shí)地利用可再生能源來(lái)滿足建筑余下的能源需求，包括太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和光熱系統(tǒng)等。

3 凈零碳策略在“綠色明天”中的應(yīng)用

名為“綠色明天”的零能耗建筑是韓國(guó)的一個(gè)可持續(xù)設(shè)計(jì)示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于韓國(guó)龍仁市（Yongin，Korea），場(chǎng)地面積為2 456m2，主要由2個(gè)建筑組成——零能耗樓（Zero Energy House，簡(jiǎn)稱(chēng)ZEH樓，建筑面積423m2）和公共關(guān)系樓（Public Relation Pavilion，簡(jiǎn)稱(chēng)PR樓，建筑面積298m2）。零能耗樓是一座以建筑零能耗為目標(biāo)的設(shè)計(jì)展示樓，公共關(guān)系樓則包括對(duì)外接待區(qū)和展覽及建筑管理人員的工作區(qū)（圖1～5）。

圖2 “綠色明天”周邊環(huán)境1

圖1 “綠色明天”實(shí)景（左：公共關(guān)系樓；右：零能耗樓）

圖3 “綠色明天”周邊環(huán)境2

圖4 零能耗樓

3.1 主要的可持續(xù)設(shè)計(jì)策略

該項(xiàng)目的建筑運(yùn)用了在零碳定義的基礎(chǔ)上發(fā)展的“碳中和框架”中的策略——“建筑連接到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。場(chǎng)地生成的可再生能源能夠部分抵消建筑從電網(wǎng)中消耗的電能”。當(dāng)產(chǎn)生的可再生能源超過(guò)零能耗樓的能源需求時(shí)，多余能源就被儲(chǔ)存在電池中留做將來(lái)用。當(dāng)產(chǎn)生的電能超過(guò)電池的儲(chǔ)存能力時(shí)，超出的部分就被用于抵消公共關(guān)系樓內(nèi)的電力消耗，以在一年中達(dá)到零能耗和零碳排放的目標(biāo)。

“綠色明天”零能耗樓除了電力需求外沒(méi)有其他的能源需求（建筑不需要使用其他的燃料，如生物質(zhì)、煤炭或天然氣等）。電能則是由可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生（太陽(yáng)能光電系統(tǒng)和光熱系統(tǒng)）。

該項(xiàng)目采用了基于能源管理概念的多個(gè)節(jié)能策略（表1、圖6）。

圖5 “綠色明天”夜景環(huán)境

表1 能源管理概念與節(jié)能策略

圖6 “綠色明天”節(jié)能策略示意

圖7 室內(nèi)吊頂

圖8 室內(nèi)吊頂

3.2 零碳設(shè)計(jì)的驗(yàn)證

計(jì)算機(jī)能源模擬被用來(lái)評(píng)估零能耗樓的全年能耗和碳排放（圖9）。

（1）模擬工具——能源模型

能源模擬由計(jì)算機(jī)軟件eQUEST 3.61來(lái)進(jìn)行，該軟件是一個(gè)能夠生成專(zhuān)業(yè)結(jié)果的復(fù)雜的建筑能源使用分析工具。eQUEST運(yùn)用復(fù)雜的建筑能源使用模擬技術(shù)讓使用者能夠?qū)ㄖO(shè)計(jì)和技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的比較分析。為了比較采用被動(dòng)式策略、主動(dòng)式節(jié)能系統(tǒng)和可再生能源的全年能耗情況，兩個(gè)eQUEST模型得到了建立和比較，一個(gè)是基于ASHRAE②標(biāo)準(zhǔn)90.1設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)模型，另一個(gè)則是本項(xiàng)目所采用的設(shè)計(jì)方案。

（2）模型參數(shù)

根據(jù)初步建筑設(shè)計(jì)和獲得的機(jī)電系統(tǒng)參數(shù)，能源模型按照項(xiàng)目的各個(gè)特征建立，并在一些類(lèi)別中采用了ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 結(jié)果對(duì)比

圖10顯示了該建筑采用被動(dòng)式策略、主動(dòng)式系統(tǒng)和可再生能源所達(dá)到的全年節(jié)能效果。

能源成本的節(jié)約主要來(lái)自以下4個(gè)方面：采暖能耗的減少——包括采暖、輔助加熱和熱泵輔助熱源；照明能耗的減少；風(fēng)扇能耗的減少；可再生能源的利用（光伏發(fā)電系統(tǒng)）。

3.3.1采暖節(jié)能

設(shè)計(jì)方案在采暖方面顯著地節(jié)約能源的主要原因包括：基準(zhǔn)模型中大部分的采暖期都采用電采暖，導(dǎo)致系統(tǒng)性能系數(shù)較低；建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（外窗和外墻）采用極好的保溫措施（U值）；建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有較低的空氣滲透率（良好的氣密性）；采用地源熱泵，而不是組裝式屋頂熱泵；熱回收系統(tǒng)的采用。

根據(jù) ASHRAE 90.1的表格 G3.1.1A（ASHRAE，2004），基準(zhǔn)方案的暖通空調(diào)系統(tǒng)是系統(tǒng)4，也就是具有風(fēng)扇控制的定風(fēng)量的組裝式屋頂熱泵。

條文G3.1.3.1的補(bǔ)充說(shuō)明指出“電動(dòng)空氣源熱泵應(yīng)配備電力輔助加熱進(jìn)行模擬。系統(tǒng)應(yīng)由多級(jí)控制的恒溫器進(jìn)行控制并連接室外空氣恒溫器，在達(dá)到最后一級(jí)恒溫控制或室外氣溫低于4℃時(shí)啟動(dòng)‘輔助加熱’”。項(xiàng)目場(chǎng)地龍仁市所處的氣候區(qū)被歸為4A類(lèi)（混合—潮濕）。根據(jù)從EnergyPlus能耗模擬結(jié)果分離出來(lái)的地方氣候數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)模型在4℃以下需要進(jìn)行電采暖的時(shí)期很長(zhǎng)（超過(guò)總運(yùn)行時(shí)間的45%）。因此，“熱泵輔助（包含輔助加熱）”就會(huì)被啟動(dòng)以提供額外的電采暖，并以較低的采暖效率進(jìn)行運(yùn)作（電采暖的系統(tǒng)性能系數(shù)較低）。與設(shè)計(jì)方案（采用地源熱泵）相比，基準(zhǔn)模型的能耗中“熱泵輔助”和“采暖”的比例較高。

再者，由于“綠色明天”項(xiàng)目的室內(nèi)空間靠近建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，大部分的室內(nèi)區(qū)域都被歸類(lèi)為周邊區(qū)域。因此，暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要是受到室外環(huán)境的顯著影響。高性能的建筑立面、良好的氣密性和厚保溫層的運(yùn)用可以節(jié)約建筑的暖通空調(diào)特別是采暖所消耗的能源。

在設(shè)計(jì)方案模型中，很多節(jié)能策略被應(yīng)用到該項(xiàng)目中。

（1）外墻、屋頂和地坪構(gòu)造的傳熱系數(shù)大大低于基準(zhǔn)模型的值，其中零能耗樓的U值比基準(zhǔn)模型高7倍，而公共關(guān)系樓的U值則比基準(zhǔn)模型高2.5倍。

根據(jù)傳熱方程式：傳熱量=UA（ΔT）

其中U=傳熱系數(shù)，A=傳熱面積（圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積），ΔT=室內(nèi)外溫差

（2）在冬季，韓國(guó)的室外氣溫約為0～13℃，而采暖的設(shè)計(jì)室內(nèi)氣溫為20℃。在室內(nèi)外溫差巨大的情況下，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的U值在冬季減少熱損失而夏季減少得熱方面就起到非常巨大的作用。

（3）零能耗樓的空氣滲透率保持在1m3/h/m2圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，這是比較優(yōu)良的（基準(zhǔn)模型的滲透率為2L/s/m2）。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有較低的空氣滲透率（即氣密性良好）可以使建筑形成“封閉區(qū)域”，把照明和設(shè)備產(chǎn)生的大部分內(nèi)部得熱保留住。因此，大部分的采暖需求可以通過(guò)內(nèi)部負(fù)荷得到滿足，降低了地源熱泵的運(yùn)行和負(fù)荷，從而大大減少采暖能耗。

（4）零能耗樓安裝了性能很高的窗戶(hù)，包括采用PVC（Polyvinyl Chloride，聚氯乙烯）窗框的三層玻璃窗和鋁合金窗框的雙層玻璃窗。三層和雙層玻璃窗的綜合U值僅為0.85W/m2K，這比模擬使用的基準(zhǔn)模型大大提高了性能。考慮到導(dǎo)熱傳熱，較低的窗扇U值可以在夏季降低空調(diào)的熱損失，而在冬季則避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱。

（5）暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了地源熱泵系統(tǒng)。它具有比典型的空氣對(duì)空氣熱泵更高的COP（Coefficient of Performance，制熱能效比）值。再者，地源熱泵系統(tǒng)無(wú)需提供“輔助加熱”，而在采用電動(dòng)熱泵的基準(zhǔn)模型中，這一部分耗費(fèi)了大量的能源。

（6）建筑安裝了熱回收設(shè)備。熱交換器焓輪通過(guò)捕獲和回收余熱來(lái)預(yù)熱/預(yù)冷空氣處理機(jī)中的新風(fēng)。通過(guò)回收余熱所節(jié)約的能源可能會(huì)因風(fēng)扇壓降而消除，因此需要安裝旁路系統(tǒng)。

3.3.2照明節(jié)能

照明系統(tǒng)中采用了以下兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)策略：較低的照明功率密度和自然采光的利用。

設(shè)計(jì)方案的照明功率密度比基準(zhǔn)模型大大降低，從而減少了建筑正常運(yùn)行情況下的能耗。另外，項(xiàng)目的兩個(gè)建筑中都應(yīng)用了自然采光策略。所有使用空間中都安裝了帶有日光傳感器的可調(diào)節(jié)和可進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制的照明設(shè)備。通過(guò)建立采光模擬模型RADIANCE，對(duì)采光策略的節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)估。模擬結(jié)果顯示超過(guò)60%的照明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間可以得到減少并由自然采光代替。

3.3.3 風(fēng)扇節(jié)能

該項(xiàng)目的風(fēng)扇節(jié)能主要源于兩方面：“地板輻射采暖”和“冷吊頂”的采用不存在風(fēng)扇能耗；采暖和制冷負(fù)荷的降低減少了暖通空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇能耗。

圖9 零能耗樓的計(jì)算機(jī)模型

圖10 采用被動(dòng)式策略、主動(dòng)式系統(tǒng)和可再生能源的全年節(jié)能情況

表2 設(shè)計(jì)方案中零能耗樓和公共關(guān)系樓各自的暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間

零能耗樓的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)在制冷方面采用吊頂式的風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組，在采暖方面則采用地板輻射系統(tǒng)。公共關(guān)系樓則采用冷吊頂系統(tǒng)用于制冷和地板送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用于采暖。

表2 設(shè)計(jì)方案中零能耗樓和公共關(guān)系樓各自的暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和基準(zhǔn)模型的全空氣系統(tǒng)相比，該項(xiàng)目方案結(jié)合了“地板輻射采暖”和“冷吊頂”來(lái)為零能耗樓和公共關(guān)系樓提供采暖和制冷負(fù)荷。

零能耗樓采用了地板輻射采暖。輻射采暖系統(tǒng)通過(guò)泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)熱水在管網(wǎng)中的循環(huán)來(lái)為建筑供暖。方案模型的風(fēng)扇能耗和全空氣系統(tǒng)相比得到降低，但是泵的能耗卻因?yàn)楣芫W(wǎng)（輻射）的水循環(huán)而增加。從表2可以看出，零能耗樓超過(guò)55%的暖通空調(diào)運(yùn)行期均運(yùn)行沒(méi)有風(fēng)扇能耗的輻射采暖系統(tǒng)。

通過(guò)采用冷吊頂系統(tǒng)，公共關(guān)系樓中也結(jié)合了類(lèi)似的節(jié)能理念。由于通過(guò)輻射和對(duì)流換熱，無(wú)需風(fēng)道系統(tǒng)，和全空氣式暖通空調(diào)系統(tǒng)相比，公共關(guān)系樓具有更高的環(huán)境舒適度和較低的風(fēng)扇能耗。

盡管“綠色明天”項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案節(jié)約了少量的風(fēng)扇能耗，但是和基準(zhǔn)模型相比，則產(chǎn)生了更多的泵的能耗（和基準(zhǔn)模型相比每年額外產(chǎn)生3 840kWh的泵能耗）。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了零碳設(shè)計(jì)的概念和以建筑凈零碳排放為目標(biāo)的可持續(xù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用。減少和控制能源需求，能源的有效使用和清潔可再生能源的利用是降低能耗達(dá)成凈零碳排放目標(biāo)的最重要也是最有效的手段。通過(guò)對(duì)“綠色明天”項(xiàng)目的評(píng)估，驗(yàn)證了一些可持續(xù)理念在達(dá)成建筑的零能耗和零碳排放方面的有效性。

在建筑的總體能耗中，和基準(zhǔn)模型相比采暖節(jié)能策略所節(jié)約的能源是最顯著的。這是由于（1）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)極好的保溫（U值）；（2）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)較低的空氣滲透率（良好氣密性）；（3）采用地源熱泵，而不是組裝式屋頂熱泵；（4）熱回收系統(tǒng)的運(yùn)用。在減少建筑能耗方面這些策略被證明是十分有效的。其他有效的節(jié)能策略，包括照明節(jié)能和風(fēng)扇節(jié)能，也對(duì)總體的主動(dòng)式和被動(dòng)式節(jié)能做出貢獻(xiàn)。

注釋

① 該分類(lèi)基于英國(guó)綠色建筑委員會(huì)《關(guān)于新建非住宅建筑減少碳排放的報(bào)告》，2007年12月。

② American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.，美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)。

[1] ASHRAE. ASHRAE90.1-2004《除低層住宅建筑外的建筑物的能源標(biāo)準(zhǔn)》[S]，2004.

[2] 英國(guó)綠色建筑委員會(huì)（UK-GBC）.《關(guān)于新建非住宅建筑減少碳排放的報(bào)告》[C]，2007.

[3] 美國(guó)能源部（Department of Energy，DOE） EnergyPlus能耗模擬軟件[CP/OL].http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus.

[4] 美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）.Radiance采光模擬軟件[CP/OL].http://radsite.lbl.gov/radiance.

[5] 美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL），J.J.Hirsch，Associates.eQuest能源模擬軟件[CP/OL].http://www.doe2.com/equest.