夏熱冬冷地區(qū)凈零能耗示范建筑能耗及碳排放分析

鐘輝智 蔡君偉

（中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院 成都 610041）

0 引言

世界氣候的劇烈變化，已經(jīng)成為人類共同面臨的最大威脅之一，而人類的活動(dòng)引起的溫室氣體排放增加是引起這一變化的重要因素[1,2]。第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間，習(xí)近平總書記向全世界鄭重承諾我國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。炭達(dá)峰指二氧化碳的排放達(dá)到峰值不再增長(zhǎng)，意味著中國(guó)要在2030年前，使二氧化碳的排放總量達(dá)到峰值，之后不再增長(zhǎng)，并逐漸下降。碳中和指通過植樹造林、節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)調(diào)整等形式，抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放。碳排放主要來源于工業(yè)、建筑和交通運(yùn)輸三個(gè)領(lǐng)域[3]，目前我國(guó)建筑領(lǐng)域占總碳排放的20%左右，建筑全生命周期碳排放過程中運(yùn)營(yíng)階段占比超過70%[3]，控制建筑運(yùn)營(yíng)階段碳排放量對(duì)于降低建筑碳排放起決定性作用。

1 項(xiàng)目概況及研究?jī)?nèi)容

夏熱冬冷地區(qū)“凈零能耗建筑”的示范區(qū)域如圖1所示，共2 層，建筑面積約2000m，主要使用功能為辦公室。該示范項(xiàng)目預(yù)期實(shí)現(xiàn)建筑年綜合能耗≤65kWh/(m ·a)（包含供暖、通風(fēng)、供冷和照明能耗，不含可再生能源），綜合節(jié)能率達(dá)到60%（以近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為參考）[4]；光伏裝機(jī)容量80kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量5.6 萬kWh。

圖1 “凈零能耗建筑”示范區(qū)域（虛線）Fig.1 Demonstration area of"net zero energy consumption building"

2 項(xiàng)目主要節(jié)能技術(shù)效果分析

2.1 高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)

圖2 建筑各項(xiàng)熱損失比較Fig.2 Comparison of various heat losses of buildings

總的負(fù)荷指標(biāo)中，人員、設(shè)備及照明占冷負(fù)荷總量超過60%，為空調(diào)冷負(fù)荷降低帶來極大的挑戰(zhàn)。窗戶傳熱、外墻在整個(gè)過程中對(duì)負(fù)荷降低是正相關(guān)作用，太陽(yáng)輻射得熱非常厲害，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)窗戶的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)。綜合分析后，項(xiàng)目采用種植屋面，保溫隔熱基層采用120mmXPS，屋面總的傳熱系數(shù)K小于0.25W/m ·K。透明幕墻（外窗）部位采用三玻雙中空三銀玻璃（10 超白+12Ar+8 超白+12Ar+6 超白），從而降低了大于780nm 的電磁波進(jìn)入室內(nèi)的熱量，其傳熱系數(shù)低至1.2W/m ·K，太陽(yáng)得熱系數(shù)達(dá)到0.23，同時(shí)每層均有1.145m 寬的外挑板，使得綜合太陽(yáng)得熱系數(shù)降低到0.184。實(shí)體墻部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)為裝配模式，采用骨架板式保溫體系，傳熱系數(shù)小于0.40W/m ·K。

2.2 建筑制冷涂料應(yīng)用

反斯托克斯夜光制冷又稱激光制冷或光學(xué)冰箱，是指以一低能量的泵浦激光激發(fā)具有發(fā)光中心的制冷單元，制冷單元自發(fā)輻射出高能量的光子從而實(shí)現(xiàn)物體制冷的物理現(xiàn)象。本項(xiàng)目在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了反斯托克斯熒光制冷來冷卻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用，太陽(yáng)反射率接近涂層材料理論物理限值0.95，無論是白天還是夜晚，屋頂和西墻外表面溫度恒低于氣溫，遠(yuǎn)低于沒有涂覆涂料的表面溫度。

圖3 隔熱制冷涂料的測(cè)試曲線Fig.3 Test curve of thermal insulation refrigeration coating

2.3 自然通風(fēng)降溫和預(yù)冷技術(shù)

通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了夏熱冬冷地區(qū)過渡季節(jié)的自然氣候條件，通風(fēng)預(yù)冷的節(jié)能潛力主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是直接帶走室內(nèi)熱負(fù)荷，二是對(duì)室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)冷，間接的帶走第二天的熱負(fù)荷。對(duì)其在有無夜晚通風(fēng)作用下的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷卻效果分析如圖4所示。

圖4 不同模式下圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度分布Fig.4 Temperature distribution of building envelope under different modes

由圖4可知，采用了夜晚通風(fēng)后，在冷空氣的作用下，外墻、樓板、梁、柱等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度明顯下降，說明空氣的冷量在這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行了蓄存，到了白天，這些冷量就是對(duì)流及長(zhǎng)波輻射換熱的形式釋放出來，以減小空調(diào)的負(fù)荷。

圖5為過渡季節(jié)通風(fēng)潛力分析，其通風(fēng)全年能耗降低34%；圖6為全年通風(fēng)潛力分析，其全年能耗降低可達(dá)24%。由此可見，建筑的全年通風(fēng)預(yù)冷節(jié)能潛力非常明顯。

圖5 過渡季節(jié)通風(fēng)潛力分析Fig.5 Analysis of ventilation potential in transitional season

圖6 全年通風(fēng)潛力分析Fig.6 Annual ventilation potential analysis

2.4 溫濕分控的高效空調(diào)系統(tǒng)

通過模擬發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目潛熱比例高達(dá)60～75%，夏熱冬冷地區(qū)新風(fēng)與除濕負(fù)荷占主導(dǎo)地位。為了提高空調(diào)的效率，降低空調(diào)能耗，項(xiàng)目采用了“雙冷源新風(fēng)系統(tǒng)+干式風(fēng)機(jī)盤管末端空調(diào)系統(tǒng)”及“雙冷源全空氣系統(tǒng)+工位送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)”的溫濕分控空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)較常規(guī)冷水機(jī)組節(jié)能15%以上。

圖7 全熱耗冷量與顯熱耗冷量比較Fig.7 Comparison of total heat cooling capacity and sensible heat cooling capacity

2.5 太陽(yáng)能光伏與直流供電技術(shù)

太陽(yáng)能發(fā)電，是對(duì)自然資源進(jìn)行利用的最直接、有效的方式，建筑本身利用太陽(yáng)所發(fā)的電，是建筑自身的產(chǎn)能，可用來抵消建筑從外網(wǎng)消耗的能源，使建筑最大程度的符合近零、甚至凈零能耗的標(biāo)準(zhǔn)。成都地區(qū)太陽(yáng)能輻照資源相對(duì)較少，一般現(xiàn)場(chǎng)均采用多晶硅，其轉(zhuǎn)換效率高，弱光效應(yīng)好。

項(xiàng)目光伏太陽(yáng)能電池板設(shè)于建筑兩個(gè)模塊屋面（約600m），光伏裝機(jī)容量為80kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量5.6 萬kWh。其運(yùn)行模式是在有太陽(yáng)輻射的條件下，太陽(yáng)能電池組件陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換輸出的電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給建筑自身負(fù)載，不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。

3 建筑能耗模擬分析

3.1 計(jì)算方法和參數(shù)設(shè)定

項(xiàng)目在模擬計(jì)算方面，選擇了數(shù)值模擬軟件EnergyPlus，軟件模擬中透明和非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造層次和熱工性能參數(shù)指標(biāo)完全按照本項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施的技術(shù)措施進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和供暖空調(diào)設(shè)備能效指標(biāo)等設(shè)置均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189-2015的規(guī)定。軟件的模型如圖8所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)Table 1 Index of building envelope

圖8 建筑模型圖Fig.8 Building model drawing

3.2 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)軟件模擬計(jì)算得到本項(xiàng)目的單位面積年耗電量結(jié)果如表2所示，本工程按照凈零能耗公共建筑能效指標(biāo)進(jìn)行比較與分析，計(jì)算建筑耗電量指標(biāo)時(shí)綜合考慮了供暖能耗、空調(diào)能耗、照明能耗、新風(fēng)設(shè)備能耗等。

通過能效指標(biāo)計(jì)算參數(shù)設(shè)置，可以得到設(shè)計(jì)建筑和基準(zhǔn)建筑的能耗綜合值（不含可再生能源利用量）分別為：95.134kWh/m ·a 和146.224kWh/m ·a。設(shè)計(jì)建筑的建筑本體節(jié)能率為34.94%，大于GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中建筑本體節(jié)能率≥20%的約束性指標(biāo)。

示范工程單位面積發(fā)電量為28kWh 電/m，由此可得，示范工程建筑綜合節(jié)能率為84.73%，大于GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中建筑綜合節(jié)能率≥60%的約束性指標(biāo)。

表3 建筑綜合節(jié)能率分析Table 3 Analysis on comprehensive energy-saving rate of building

4 建筑運(yùn)行階段碳排放分析

4.1 植物固炭

植物通過光合可實(shí)現(xiàn)固碳釋氧和降溫增濕的功能，達(dá)到改善城市空氣質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的效果[5,6]。固炭釋氧指在可見光的照射下，利用葉綠素等光合色素，將CO2和H2O 轉(zhuǎn)換為能夠儲(chǔ)存的有機(jī)物，并釋放O2，維持空氣中的炭氧平衡的生化過程[7]。一般情況下，植物的光合作用的固碳量大于呼吸消耗的碳量，植物整體表現(xiàn)為固定CO2，釋放出O2，因此植物體被稱作天然的碳匯體[8]。本項(xiàng)目示范區(qū)設(shè)置有垂直綠化和屋頂綠化，綠植主要為草本花卉，其總面積約為1000m，按照日固碳量計(jì)算參數(shù)（參考文獻(xiàn)）計(jì)算得到綠植每年固炭量約為4.4tCO2。

圖9 示范區(qū)垂直綠化Fig.9 Vertical greening in demonstration area

4.2 光伏減炭

本項(xiàng)目在屋頂安裝了太陽(yáng)能光伏發(fā)電板，面積約為600m，采用峰值輸出功率為320W 的單晶硅組件，整個(gè)項(xiàng)目分別2 個(gè)區(qū)域共布置光伏組件261塊，總功率為80kW。

圖10 示范區(qū)光伏布置圖Fig.10 Photovoltaic layout of demonstration area

成都全年日照時(shí)數(shù)914 小時(shí)，項(xiàng)目所在地太陽(yáng)能年總輻射量3564.0MJ/m 。光伏電站光伏發(fā)電損耗系數(shù)約在16.7%～30.0%，光伏發(fā)電工程總效率為70.0%～83.3%，本工程按70%取值。經(jīng)對(duì)光伏電站周圍的地形、環(huán)境、地面建筑物情況進(jìn)行考察，建立本工程太陽(yáng)能光伏發(fā)電站上網(wǎng)電量的計(jì)算模型，可計(jì)算得典型氣象年系統(tǒng)發(fā)電量預(yù)測(cè)結(jié)果，全年5.6 萬kWh。光伏減碳量可以由如下公式：光伏減碳量=光伏發(fā)電量×發(fā)電碳排放因子-光伏發(fā)電量×光伏發(fā)電碳排放因子。其中四川省發(fā)電碳排放因子為0.125kg/kWh，光伏發(fā)電碳排放因子為0.0094kg/kWh。計(jì)算可得光伏系統(tǒng)每年凈減碳排放量為6.47tCO 。

4.3 模擬結(jié)果與分析

示范區(qū)年用電量=2000×36.59=73180kWh，其碳排放量=73180×0.125/1000=9.15tCO，目前光伏發(fā)電全部用于示范區(qū)，該示范區(qū)運(yùn)營(yíng)階段對(duì)外碳=示范區(qū)用電碳排放量-植物固炭量-光伏減碳量=9.15-4.4-7.98=-3.23tCO，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)過程中碳的零排放，并且每年可以提供3.23tCO2的減碳指標(biāo)。

5 總結(jié)

中建濱湖設(shè)計(jì)總部示范區(qū)通過采用高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑智能涂料、新風(fēng)預(yù)冷技術(shù)、高效空調(diào)技術(shù)、智慧建筑技術(shù)、太陽(yáng)能光伏與直流供電技術(shù)、辦公室公務(wù)照明控制方式等主動(dòng)、被動(dòng)技術(shù)滿足了《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51350-2019 中建筑綜合節(jié)能率≥60%的約束性指標(biāo)；同時(shí)通過設(shè)置屋頂、垂直綠化和太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了示范區(qū)建筑運(yùn)營(yíng)過程中炭的零排放，對(duì)于建筑碳中和研究具有示范意義。