摘 要：城乡建设领域是我国实现“双碳”目标工作的重要领域之一,明确零碳建筑的技术措施、实施路径,推动零碳建筑发展尤为重要。以中国（上海）自由贸易试验区临港新片区105社区金融东九项目23-01地块C1楼零碳建筑为研究对象,从被动式降碳技术、主动式降碳技术、可再生能源系统3个方面对项目的降碳技术进行分析,并通过能耗模拟软件预测建筑运行碳排放,验证项目设计与技术应用的有效性,以期为推动夏热冬冷地区零碳建筑技术发展提供参考与借鉴。
0 引言
2020年9月,我国提出争取在2030年前实现“碳达峰”,努力争取于2060年前实现“碳中和”。城乡建设领域作为我国实现“双碳”目标工作的重要领域之一,2022年6月,住房城乡建设部、国家发展改革委印发《城乡建设领域碳达峰实施方案》,明确了推动低碳建筑规模化发展,鼓励建设零碳建筑和近零能耗建筑。2022年11月,上海市住房和城乡建设管理委员会、上海市发展和改革委员会印发《上海市城乡建设领域碳达峰实施方案》,明确要形成本市近零能耗建筑和零碳建筑关键技术措施、实施路径和技术标准,打造一批近零能耗、零碳建筑创新示范。我国零碳建筑的实施路径及评价正在起步阶段,2023年7月,住房城乡建设部办公厅发布《零碳建筑技术标准（征求意见稿）》,中国建筑节能协会发布团体标准《零碳建筑评价标准（征求意见稿）》。根据《零碳建筑技术标准（征求意见稿）》,零碳建筑控制指标形式采用相对降碳率或碳排放强度绝对值指标进行约束。笔者以中国（上海）自由贸易试验区临港新片区（以下简称“新片区”）105社区金融东九项目23-01地块C1楼零碳建筑为例,探索夏热冬冷气候区公共建筑实现零碳建筑的适宜技术和技术路径;结合模拟软件PKPM进行运行碳排放模拟预测,验证项目设计与技术应用的有效性,推动零碳建筑技术发展,为其他公共建筑项目提供参考与借鉴。项目位于新片区,属于夏热冬冷地区,建筑类型为文化建筑,主要功能空间为展厅和办公区。建筑面积为7810.4m2,建筑高度为20.35m,地上3层,地下2层。建筑地下为区域能源中心,该中心为区域内14个地块共计73.5万m2建筑供能。项目效果图,如图1所示。
通过紧凑的建筑形体、合理的窗墙比和高效的适度保温隔热设计,可以降低建筑物对外部气候条件的敏感度,减少采暖和制冷系统的运行能耗需求,这是零碳建筑被动式设计的关键内容之一。在夏热冬冷地区,紧凑的建筑形体更有利于建筑进行被动式设计,体形系数宜控制在0.3。建筑南向、北向窗墙比对建筑全年空调及照明能耗有显著影响。随着北向窗墙比的增加,建筑全年能耗呈线性增加趋势。在寒冷季节,北向窗户可能会导致更多的热量散失,导致全年能耗的增加。南向窗户可以在冬季充分利用阳光,减轻供暖负荷,但过大的南向窗墙比可能在夏季导致过度的热量,增加空调负荷。因此,建筑全年能耗随南向窗墙比的增大先减小后增加,存在最佳的窗墙比以实现平衡,宜控制在0.5左右。外墙、屋面和外窗的保温性能对建筑被动式降碳的影响是非常关键的。在夏热冬冷地区,外墙传热系数对建筑降碳量的敏感度最高,其次分别为外窗传热系数和屋面传热系数。本项目体形系数为0.17,外立面窗墙比结合建筑功能布局考虑,北向主要布置设备机房,窗墙比控制在0.1以内,其他朝向均设有功能房间,窗墙比均控制在0.5以内。外墙采用内置105mm厚岩棉板的砌块墙＋内置180mm厚岩棉板的硅酸钙板＋内置150mm/200mm厚岩棉板的金属幕墙,外墙平均传热系数为0.4W/(m2·K)。屋面采用195mm厚泡沫玻璃板保温,传热系数为0.3W/(m2·K)。玻璃幕墙采用6mm＋1.52mmPVB＋6mm（双银Low-E）＋12mmAr＋8mm＋12mmAr＋8mm玻璃,传热系数为1.51W/(m2·K)。相较于GB55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》的规定,外墙、屋面、玻璃幕墙的传热系数分别降低50%、25%和31%。在夏热冬冷地区,遮阳设计对于建筑的降碳效果和居住的舒适性非常重要。在夏季,遮阳设计可以有效减少建筑受到的日照,控制热量进入室内;在冬季,太阳高度角较低,通过合理的遮阳设计,可以最大化利用冬季阳光。此外,适宜的遮阳设计还能减少阳光直射,改善室内光照条件,提高居住者的舒适感。调光玻璃是一种新型的窗口节能材料,它通过调节太阳光透过率达到节能的效果。调光玻璃的核心是致变色材料,根据原理可以分为电致变色、热致变色及液晶基等类型。通过对玻璃的太阳得热系数（SHGC）及可见光透射比（VLT）的动态调节,并结合智能照明控制系统,可以降低约占建筑总能耗10%的建筑照明、空调能耗。本项目东向、西向、南向遮阳方式采用聚合物分散液晶（PDLC）调光玻璃。PDLC玻璃通过电流切换玻璃的透明度,当电源关闭时,液晶分子杂乱排列,阻挡光线使玻璃雾化;当电源开启时,液晶分子整齐排列,光线可以平行通过,玻璃呈透明状态。在断电雾化状态下,玻璃遮阳系数为0.1;在通电透明状态下,玻璃遮阳系数为0.47,可见光透射率为0.6,可以获得良好的自然采光效果。一般来说,照明在建筑能耗中的比例为10%～40%。合理利用自然采光,也可以减少对人工照明系统的依赖。导光管采光系统是无电照明系统,建筑物白天利用太阳光进行室内照明,具有节电、改善室内光环境、适用广泛等优点。设计人员在位于三层的露台布置了5台晶钻集光器,通过导光管直管及弯管传输光线至二层办公区,末端漫射器将自然光重新分配,使室内照明光线均匀分布。不同的供暖和空调热源形式将直接影响能源使用、碳排放。采用低碳的非化石燃料、提升设备系统效能、利用能源储存等手段,有助于提高整体的能源效率和减碳效果。全面推进建筑电气化是向清洁低碳终端能源消费方向迈进的重要举措。建筑实现全电气化是终端能源消费向清洁低碳方向转型的重要手段。基于电力规划设计总院发布的《中国能源电力发展报告2020》和上海市发展和改革委员会印发的《上海能源电力领域碳达峰实施方案》,相关研究推算出：到2060年,上海市电力碳排放因子会大幅下降,电力碳排放因子将从当前0.42kgCO2/(kW·h)降低到0.072～0.260kgCO2/(kW·h)。本项目建筑地下为区域能源中心,采用“纯电制冷/制热＋储水双蓄”的高效能源转换模式,推动电能对化石能源的深度替代。能源中心设备采用高效机组,定频冷水机组能效比（COP）≥6.3,综合部分负荷性能系数（IPLV）≥6.572,变频离心式水水热泵机组COP≥5.82,IPLV≥8.06,定频风冷热泵机组COP≥3.1,电锅炉热效率≥99%。能源中心利用蓄冷机组、风冷热泵机组在夜间进行峰谷蓄能,白天释能。通过这种运行策略可以减少主机在电价高峰时段开启的数量,降低电网峰值负荷,同时解决了空调负荷波动对供能系统运行效率的影响,减少了项目的运行成本。新风系统利用热交换器回收排风中的能量,可以减少整栋建筑的设计总负荷,建筑设计冷负荷可减少20%以上,热负荷可减少45%以上,降低建筑运行能耗和碳排放。此外,采用新风热回收装置还可以减少冷热源设备和水泵数量,以此可减少设备投资,经济节约性较好。设计团队在一层及二层展厅设置了4台热回收组合式空调箱,机组采用热管热回收,制冷温度效率＞70%,制热温度效率＞75%,过渡季可以通过旁通阀实现全新风运行,最大新风比＞50%。建筑照明和电梯能耗在总能耗中的占比通常也较大。在一些高层商业、办公建筑中,照明和电梯能耗可能占总能耗的1/3以上。照明与电梯的设备效率和使用时间是影响能耗的主要因素。采用先进的照明与电梯节能设备和智能管理系统,可有效地减少这两项能耗的比例。本项目照明系统以LED光源为主,全部采用高效LED灯具,照明LED灯具达到GB30255—2019《室内照明用LED产品能效限定值及能效等级》节能评价值要求。主要功能房间的照明密度值达到GB50034—2013《建筑照明设计标准》规定目标值的70%以下,天然采光区域设置日光感应照明系统。电梯采用A级能效电梯,搭载高效电机和先进控制技术,配置能量反馈装置,同时采用VVVF变频变流变压控制系统和群控技术,确保电梯高效节能运行。光伏系统是夏热冬冷地区实现零碳建筑的一项重要降碳技术,可通过将光能转换成电能满足建筑的电力需求,减少对传统电网的依赖,实现零碳排放。本项目屋面设置625m2光伏板,东、南、西向玻璃幕墙层间设置约180m2碲化镉光伏玻璃,三层露台设置1个2.5kW可追踪的太阳能花,可最大化利用光伏系统为C1楼提供全年清洁电力。本项目屋面光伏系统采用转换效率为21.3%的光伏板单晶硅,单块光伏板功率约为550Wp,屋顶光伏板装机容量为137.5kWp,首年发电约14.44万kW·h,考虑衰减效率,25年年均发电量为13.06万kW·h。我国“十四五”规划明确氢能将是未来国家能源体系的重要组成部分。氢能源作为一种清洁二次能源,可有效调节消纳可再生能源天然存在的波动性,实现电网大规模调峰和跨季节、跨地域储能。依托于新片区的氢能规划,本项目应用绿氢发电作为储能调峰措施。本项目氢能发电系统主要设备包括55kW集装箱式燃料电池、150kg固态储氢装置、外部管道等。氢能燃料电池每天运行11h,日耗氢45kg,预计可以为项目提供22.08万kW·h清洁电力,绿氢提供电力的碳排放值为0。基于建筑的零碳建筑方案,采用能耗模拟软件PKPM-PHEnergy进行全年建筑能耗及碳排放模拟。本项目电气化率为100%,建筑年总能耗为346032.28kW·h,能耗强度为44.3kW·h/m2。按电力碳排放因子0.5kgCO2/(kW·h),建筑年碳排放总量为173016.14kgCO2,碳排放强度为22.16kgCO2/m2·a。本项目建筑的碳排放来源为建筑内供暖空调、照明系统、电梯系统、插座和生活热水,碳排放强度分别为10.15kgCO2/m2·a、4.50kgCO2/m2·a、0.67kgCO2/m2·a、4.11kgCO2/m2·a和2.73kgCO2/m2·a。其中,供暖空调、照明系统、插座为最主要碳排放来源,占建筑碳排放比例分别为46%、20%和19%,生活热水和电梯系统仅占12%和3%。为实现零碳建筑目标,本项目将建筑光伏和绿氢发电系统接入到低压配电系统为建筑提供清洁电力。光伏平均每年可提供130600kW·h,氢能可提供220800kW·h,分别降低建筑电力碳排放强度8.36kgCO2/m2·a和14.14kgCO2/m2·a。综上,本项目降碳率可以达到100%,碳排放强度值为0。零碳建筑并非通过某一项技术实现,需要考虑建筑被动式降碳技术、主动式降碳技术、可再生能源系统的综合整合应用。本项目在充分利用被动式技术大幅降低建筑能耗和碳排放的基础上,采用高效的能源系统、新风、照明与电梯等能源设备与技术进一步减少能耗需求,结合可再生能源的利用和资源整合,实现零碳。笔者通过对本项目降碳技术路径的分析,归纳了实现零碳建筑可采用的关键技术,以期为推动夏热冬冷地区的零碳建筑技术发展提供设计参考,助力零碳建筑的推广和应用。
