零碳建筑概念辨析及基于重慶地區特征的邊界條件研究

王凈怡,楊元華,吳俊楠

(1重慶市建設技術發展中心,重慶 400015;2重慶市建筑節能中心,重慶 400015)

1 零碳建筑的概念

1.1 零碳建筑的發展起源

近年來,我國以生態優先綠色發展行動計劃和質量提升行動計劃為引領,大力推廣建筑節能和綠色建筑發展,重慶市城鎮新建民用建筑已實現100%執行節能強制性標準.隨著建筑節能與綠色建筑技術、綠色建材的全面發展,在執行強制性標準的基礎上,對建筑節能與綠色建筑又提出了更高的需求,引入了"零碳建筑"、"低碳建筑"、"近零能耗建筑"等概念.

零碳建筑 (Zero Carbon Buildings)的概念最早見于英國,2002年英國建成了全球首個"零碳社區"和 "零碳屋".美國、德國、瑞典、日本、韓國等國家也都在積極推進零碳建筑的研究和發展,并開始從示范項目走向大規模市場推廣.在《從數千到數十億——2050年實現100%零碳建筑的協同行動》一書中,世界綠色建筑委員會(World GBC)呼吁通過以下兩個目標來實現向完全零碳建筑環境的轉變:一是自2030年起,所有新建建筑必須實現零碳排放;二是截止到2050年,所有的建筑必須在零碳排放條件下運營[1-2].

碳排放引起的全球氣候變化問題一直是世界各國的關注重點,建設低碳城市、低碳社會已經成為各國應對全球氣候變暖的一種世界潮流.然而,零碳建筑在我國的發展尚處探索階段,其原因主要有兩點:一是標準體系尚未建立,目前尚無國家、地方相關標準和規程對零碳建筑進行準確的定義;二是技術體系尚未成熟,零碳建筑對建筑節能與綠色建筑的技術體系研究、資金投入、相關產業配套等要求很高,目前難以大范圍推廣,尚缺乏成熟的技術路線研究和示范項目成功經驗.

1.2 零碳建筑的概念辨析

世界碳排放交易協會(World GBC)對零碳建筑的定義為:高效節能的建筑,所有剩余的能耗都由現場,或者場地外的可再生能源提供補償,以實現每年的凈零碳排放.目前,世界范圍內尚未對零碳建筑的概念進行統一的定義,零碳建筑概念研究多見于發達國家,根據英國社區及地方政府部(DCLG),零碳建筑最初的定義為:按照一個年度計算,包括采暖、空調、通風、照明、熱水,以及烹調、洗滌、娛樂等在內的所有相關電器、設備所使用的能源所帶來的碳排放為零.但是這一定義中零碳建筑的邊界條件過于嚴格,且造價昂貴,英國也僅在個別試點項目中得以實施,難以大規模推行.

澳大利亞可持續建設環境委員會 (Australian Sustainable Built Environment Council,ASBEC)提出的零碳建筑"標準定義"是:零碳建筑即為在運行階段中產生的年度凈碳排放量為零的建筑,包括直接碳排放和因用電、采暖等產生的間接碳排放,其中運行階段包括建筑中所有交付使用的熱水器、內置灶具、固定照明、共享基礎設施,以及可再生能源設備等,同時,ASBEC還針對不同程度的"零碳",提出了5個引申術語,見表1[3].

表1 澳大利亞ASBEC提出的零碳建筑術語[3]

為了進一步大規模推廣零碳建筑,2013年挪威零排放建筑研究中心(ZEB)提出,應基于決心水平、計算依據、系統邊界、碳排放因素、能源質量、產需比例、最低能效要求、室內環境要求以及使用中驗證等九個要點建立新的零排放建筑定義,并提出四個零碳級別,見表2[4].

可見,世界各國目前對"零碳建筑"的概念尚無統一的定義,各組織對零碳建筑邊界條件的定義也有所不同.但總的來說,零碳建筑是以建筑最終實現零碳排放作為結果引導,以實現零碳排放的過程中以不同的邊界條件來劃分零碳建筑不同的級別或者定義,以階段性目標引導為手段,最終實現建筑正在零碳排放的目的.

表2 挪威ZEB的零碳建筑的四個級別[4]

2 重慶地區可再生能源資源特征

國務院發布的《"十三五"節能減排綜合工作方案》文中提出"推進利用太陽能、淺層地熱能、空氣熱能、工業余熱等解決建筑用能需求".考慮到每個地區氣候和地理不同,適宜的可再生能源應用方式也會有所區別.重慶地區是全國太陽能資源最少的地區之一,同時擁有豐富的地表水資源,應根據其獨特的資源特征采取不同的可再生能源利用方式.

2.1 太陽能

在建筑用能中,太陽能作為最清潔的能源之一,得到了廣泛研究和實際工程中的應用,太陽能熱水器、光伏發電等一系列太陽能產品在實際工程中的廣泛應用為實現節能減排、環境保護做出了重要的貢獻.重慶地區是典型的太陽能資源貧乏地區,典型年太陽輻射年總量僅為848.3kWh/m2.在重慶市太陽輻射中,直接輻射約占總輻射的38%,散射輻射約占62%,分布總體來說東多西少,夏多冬少.

重慶市太陽能月總輻射量分布如圖1所示,整體呈現出夏季太陽輻射量大,冬季輻射量少的趨勢.7月是太陽輻射最大的月份,總輻射量為133.61 kWh/m2左右,之后太陽能輻射量逐漸下降,到12月份達到最低輻射量23.18 kWh/m2.

圖1 重慶地區太陽能月總輻射量分布(數據來源:重慶市氣象局)

日照時數也是太陽能利用的評價標準之一,通常日照時數是指垂直于太陽光線平面上的輻射強度等于或大于120W/m2的時間長度.重慶素有"霧都"之稱,空氣濕度大,全年霧氣、云層較多,阻擋了大量太陽輻射到達地面,是全國平均日照最少的地方之一,年平均日照時數僅為1154.5h,日平均日照時數為3.2h,相對日照為26%,年平均晴天為24.7d,陰天達244.6d,日照時數在春末、夏季和秋初時長較長,在秋末、冬季和春初時較短.若利用太陽能進行光熱或光電轉換,則最好是在夏季,其次是春秋季節才能獲取較高的利用價值.

重慶主城地區全年太陽輻射量和日照時數分布極不均勻,整體輻射量較少,日照時數較短,屬于太陽能貧乏地區,可利用程度較低,不適宜大規模應用.

2.2 淺層地熱能

(1)地表水資源

地表水資源的利用通常以水源熱泵的形式得以利用.重慶擁有長江、嘉陵江和烏江三大水系及為數眾多的湖泊、水庫,擁有豐富的地表水資源.江水平均溫度在夏季為22~25℃,在冬季為12~16℃,水溫日變化幅度不超過0.5℃,且具有水量充沛、水文紀錄完整的特點.重慶已經在長江、嘉陵江、烏江等河流有著多個成功應用水源熱泵的示范項目,江北嘴CBD建成了400萬㎡國內最大江水源區域集中供冷供熱項目.

(2)土壤能資源

土壤源熱泵系統具有高效節能的特性,并在重慶地區得到了成功的推廣和應用.土壤的導熱特性習慣對土壤源熱泵系統的性能影響很大,直接影響系統地埋管換熱器的換熱效果,重慶土壤源導熱系數多在1.68~2.44W/(m.K)之間,土壤初始溫度在18.8~19.5℃之間,地埋管換熱效果好,適合推廣應用.

土壤源熱泵分散式系統需要占用較大的面積,適用于低密度建筑.

2.3 空氣熱能

空氣熱能用于供熱(供暖和生活熱水)主要依靠空氣源熱泵.其基本原理是依靠消耗部分電能,通過熱力循環,將空氣中難以直接利用的低品位熱能(空氣)提升為可利用的高品位熱能,近年來北方地區"煤改清潔能源"行動及長江流域冬季供熱等涉及供熱的重大國際民生問題都將空氣源熱泵作為重要的技術途徑之一.

重慶市城鄉建設委員會發布的 《可再生能源建筑應用不利條件專項論證審查要點》中,將空氣源熱泵與地表水水源熱泵、地埋管地源熱泵、熱泵熱水機和太陽能光伏一起列為了單體建筑面積大于50000m2(含)且采用集中空調系統的高能耗公共建筑應采用的可再生能源建筑應用認定類型.

3 重慶地區零碳建筑的邊界條件

要辨析零碳建筑的概念,最重要的是明確零碳建筑的邊界條件.國內對零碳建筑的研究尚在初步階段,對邊界條件目前尚無統一的定義,本文將從建筑碳排放生命周期、考察周期、物理邊界和減排要求四個維度出發,基于重慶市執行的建筑節能標準和可再生能源明確零碳建筑的邊界條件.

3.1 碳排放生命周期

在辨析零碳建筑的定義時,最常見的辯論就是 "運營零碳"和"全生命周期零碳"的區別.運營碳排放是指建筑在運營投入使用階段中產生的碳排放,而嚴格的全生命周期碳排放包括建筑的原料生產、加工、運輸、使用和銷毀的全生命周期的碳排放.

聯合國環境規劃署(UNEP)在2010年發布了常見碳排放指標,構件了建筑全生命周期碳排放概念分解,如表3所示.

表3 聯合國環境規劃署(UNEP)建筑全生命周期碳排放概念

全生命周期排放量=隱含碳排放+建筑碳排放+用戶碳排放+裝修碳排放+銷毀碳排放量.

從建筑碳減排的根本目的考慮,零碳建筑的最終目標應為建筑的全生命周期內碳排放為零,但全生命周期的概念中存在兩大問題:一是全生命周期各個階段的碳排放量目前沒有統一、科學的計算方法和評估標準;二是在當前技術條件下,實現全生命周期范疇內的絕對"零碳"并不容易,不具備推廣性.因此,零碳建筑更多的是指"運營零碳".

根據聯合國環境規劃署(UNEP)的定義,運營碳排放包含建筑碳排放、用戶碳排放和裝修碳排放.其中裝修碳排放、用戶碳排放主要受用戶行為影響,不確定性較大,且難以準確測算其碳排放量.因此,在國內和眾多國外的零碳建筑研究中,運營碳排放主要是指建筑碳排放.建筑碳排放涉及暖通空調系統、生活熱水系統、照明系統和其他用能設備系統(電梯、水泵等),而不包含與用戶使用相關的插座系統,如表4所示.

表4 零碳建筑運營碳排放分類

在重慶市《公共建筑節能(綠色建筑)設計標準》DBJ 50-052-2016、《居住建筑節能65%(綠色建筑)設計標準》DBJ 50-071-2016和 《居住建筑節能50%設計標準》DBJ 50-102-2010中,重慶市建筑節能領域用于判斷建筑能耗的范圍為供熱、供冷、通風、照明和動力的能耗[5-7],同時考慮到插座等與用戶相關的能耗具有較大的不可控性,本文采用運營階段建筑碳排放作為零碳建筑的碳排放生命周期.

3.2 考察周期

雖然目前世界各國家各組織對零碳建筑的定義尚未統一,但考察周期都一致以年度為單位,因此,本文采用一年作為零碳建筑的考察周期.

3.3 物理邊界

建筑物理邊界的劃分主要影響建筑物消耗的可再生能源的來源.通常將建筑的物理邊界劃分為 "場地內"(on-site)和"場地外"(off-site),物理邊界用于確定某項可再生能源是在"場地內"還是"場地外",如建筑自身的光伏發電、地緣熱泵、利用清潔能源的電網的電力.

根據Marszal等對建筑可再生能源的物理劃分,建筑可再生能源根據其物理劃分可分為五類,如表5所示[8].

表5 可再生能源劃分[8]

場地內的可再生能源相對比較明確,納入物理邊界易于理解,符合建筑建造管理程序.但僅考慮場地內的可再生能源存在限制零碳建筑發展的可能性.重慶市淺層地熱能豐富,在發展以水源熱泵技術為主的可再生能源區域集中供冷供熱系統方面具有很好的條件,今年來積極推動區域可再生能源供冷供熱,包括采用可再生能源利用的冷熱源站、燃氣冷熱電聯供冷熱源站和工業余熱利用冷熱源站,先后建立了江北嘴CBD區域國內最大的江水源熱泵集中供冷供熱項目,為江北城CBD區域內400萬m2的公共建筑空調系統提供冷熱源,重慶市CBD總部經濟區集中供熱供冷項目,利用長江水資源和天然氣資源,采用天然氣冷、熱、電三聯供技術和江水源熱泵技術,建設區域能源站,對彈子石CBD總部經濟區80萬m2建筑進行集中供冷供熱.允許計入場地外的可再生能源可以使零碳建筑在推廣過程中,鼓勵發展清潔能源,為未來產能建筑的發展提供機會.

對建筑物來說,以單棟建筑還是建筑群(小區)作為計算對象,對能耗平衡的計算有著較大的影響.以"建筑群"作為物理邊界時,受建筑群區域大小、建筑性質、不同類型建筑比例影響,用能特性有很高的不確定性,很難準確計算一個建筑群的負荷需求.因此,以單棟建筑作為建筑碳排放計算研究對象更為科學合理.

本文在零碳建筑的物理邊界劃分上將以單棟建筑作為研究對象,該單棟建筑紅線作為其物理邊界,同時考慮場地內和場地外的可再生能源.

3.4 碳排放指標

盡管不同國家、地區對零碳建筑的生命周期、系統邊界的劃分上存在一定的分歧,但在技術指標上一致都采取了以"零碳"作為標準,即建筑綜合碳排放為零.綜合碳排放是指建筑向外界環境排放的CO2量,在滿足一定舒適度和不較大改變現有的生活習慣的條件下,絕對的"零碳排放"是不現實的,因此,我們可以通過降低建筑碳排放的同時,利用可再生能源或增加自然碳匯等措施來補償壽命周期內的排放,從而實現建筑綜合碳排放為零.

本文以運營周期內單棟建筑一年內產生的建筑碳排放,小于或等于由建筑場地內的可再生能源、自然碳匯以及獲得權威機構認可通過外部輸入的可再生能源所補償的碳排放的總和,實現綜合碳排放為零,作為零碳建筑的技術指標要求.

4 結語

終上所述,零碳建筑在國內的研究尚屬于探索階段,對其概念的辨析和邊界條件的確定將會為零碳建筑的推廣以及相關標準、政策制定提供重要的基礎理論研究支撐.基于重慶地區資源特征和建筑碳排放特性、資源特征,適合重慶地區的零碳建筑應以運營周期內單棟建筑一年內產生的建筑碳排放,小于或等于由建筑場地內的可再生能源、自然碳匯以及獲得權威機構認可通過外部輸入的可再生能源所補償的碳排放的總和,實現綜合碳排放為零.