夏熱冬冷地區凈零能耗示范建筑能耗及碳排放分析

鐘輝智 蔡君偉

（中國建筑西南設計研究院 成都 610041）

0 引言

世界氣候的劇烈變化，已經成為人類共同面臨的最大威脅之一，而人類的活動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 屆聯合國大會期間，習近平總書記向全世界鄭重承諾我國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。炭達峰指二氧化碳的排放達到峰值不再增長，意味著中國要在2030年前，使二氧化碳的排放總量達到峰值，之后不再增長，并逐漸下降。碳中和指通過植樹造林、節能減排、產業調整等形式，抵消自身產生的二氧化碳排放。碳排放主要來源于工業、建筑和交通運輸三個領域[3]，目前我國建筑領域占總碳排放的20%左右，建筑全生命周期碳排放過程中運營階段占比超過70%[3]，控制建筑運營階段碳排放量對于降低建筑碳排放起決定性作用。

1 項目概況及研究內容

夏熱冬冷地區“凈零能耗建筑”的示范區域如圖1所示，共2 層，建筑面積約2000m，主要使用功能為辦公室。該示范項目預期實現建筑年綜合能耗≤65kWh/(m ·a)（包含供暖、通風、供冷和照明能耗，不含可再生能源），綜合節能率達到60%（以近零能耗建筑技術標準為參考）[4]；光伏裝機容量80kW，設計年發電量5.6 萬kWh。

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

2 項目主要節能技術效果分析

2.1 高性能圍護結構

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

總的負荷指標中，人員、設備及照明占冷負荷總量超過60%，為空調冷負荷降低帶來極大的挑戰。窗戶傳熱、外墻在整個過程中對負荷降低是正相關作用，太陽輻射得熱非常厲害，應特別強調窗戶的遮陽設計。綜合分析后，項目采用種植屋面，保溫隔熱基層采用120mmXPS，屋面總的傳熱系數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 的電磁波進入室內的熱量，其傳熱系數低至1.2W/m ·K，太陽得熱系數達到0.23，同時每層均有1.145m 寬的外挑板，使得綜合太陽得熱系數降低到0.184。實體墻部分圍護結構為裝配模式，采用骨架板式保溫體系，傳熱系數小于0.40W/m ·K。

2.2 建筑制冷涂料應用

反斯托克斯夜光制冷又稱激光制冷或光學冰箱，是指以一低能量的泵浦激光激發具有發光中心的制冷單元，制冷單元自發輻射出高能量的光子從而實現物體制冷的物理現象。本項目在太陽光譜范圍內實現了反斯托克斯熒光制冷來冷卻圍護結構的工程應用，太陽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，遠低于沒有涂覆涂料的表面溫度。

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

2.3 自然通風降溫和預冷技術

通風設計時充分考慮了夏熱冬冷地區過渡季節的自然氣候條件，通風預冷的節能潛力主要體現在兩個方面，一是直接帶走室內熱負荷，二是對室內圍護結構進行預冷，間接的帶走第二天的熱負荷。對其在有無夜晚通風作用下的溫度場進行模擬，圍護結構冷卻效果分析如圖4所示。

圖4 不同模式下圍護結構溫度分布Fig.4 Temperature distribution of building envelope under different modes

由圖4可知，采用了夜晚通風后，在冷空氣的作用下，外墻、樓板、梁、柱等圍護結構的溫度明顯下降，說明空氣的冷量在這些圍護結構內部進行了蓄存，到了白天，這些冷量就是對流及長波輻射換熱的形式釋放出來，以減小空調的負荷。

圖5為過渡季節通風潛力分析，其通風全年能耗降低34%；圖6為全年通風潛力分析，其全年能耗降低可達24%。由此可見，建筑的全年通風預冷節能潛力非常明顯。

圖5 過渡季節通風潛力分析Fig.5 Analysis of ventilation potential in transitional season

圖6 全年通風潛力分析Fig.6 Annual ventilation potential analysis

2.4 溫濕分控的高效空調系統

通過模擬發現，項目潛熱比例高達60～75%，夏熱冬冷地區新風與除濕負荷占主導地位。為了提高空調的效率，降低空調能耗，項目采用了“雙冷源新風系統+干式風機盤管末端空調系統”及“雙冷源全空氣系統+工位送風空調系統”的溫濕分控空調系統，該系統較常規冷水機組節能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 太陽能光伏與直流供電技術

太陽能發電，是對自然資源進行利用的最直接、有效的方式，建筑本身利用太陽所發的電，是建筑自身的產能，可用來抵消建筑從外網消耗的能源，使建筑最大程度的符合近零、甚至凈零能耗的標準。成都地區太陽能輻照資源相對較少，一般現場均采用多晶硅，其轉換效率高，弱光效應好。

項目光伏太陽能電池板設于建筑兩個模塊屋面（約600m），光伏裝機容量為80kW，設計年發電量5.6 萬kWh。其運行模式是在有太陽輻射的條件下，太陽能電池組件陣列將太陽能轉換輸出的電能，經過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網逆變器逆變成交流電供給建筑自身負載，不足的電力通過聯接電網來調節。

3 建筑能耗模擬分析

3.1 計算方法和參數設定

項目在模擬計算方面，選擇了數值模擬軟件EnergyPlus，軟件模擬中透明和非透明圍護結構的構造層次和熱工性能參數指標完全按照本項目實際實施的技術措施進行設置，如表1所示。室內環境參數和供暖空調設備能效指標等設置均符合國家標準《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2015的規定。軟件的模型如圖8所示。

表1 圍護結構指標Table 1 Index of building envelope

圖8 建筑模型圖Fig.8 Building model drawing

3.2 模擬結果與分析

根據軟件模擬計算得到本項目的單位面積年耗電量結果如表2所示，本工程按照凈零能耗公共建筑能效指標進行比較與分析，計算建筑耗電量指標時綜合考慮了供暖能耗、空調能耗、照明能耗、新風設備能耗等。

通過能效指標計算參數設置，可以得到設計建筑和基準建筑的能耗綜合值（不含可再生能源利用量）分別為：95.134kWh/m ·a 和146.224kWh/m ·a。設計建筑的建筑本體節能率為34.94%，大于GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術標準》中建筑本體節能率≥20%的約束性指標。

示范工程單位面積發電量為28kWh 電/m，由此可得，示范工程建筑綜合節能率為84.73%，大于GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術標準》中建筑綜合節能率≥60%的約束性指標。

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

4 建筑運行階段碳排放分析

4.1 植物固炭

植物通過光合可實現固碳釋氧和降溫增濕的功能，達到改善城市空氣質量，實現城市生態系統良性循環的效果[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 轉換為能夠儲存的有機物，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]。本項目示范區設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，按照日固碳量計算參數（參考文獻）計算得到綠植每年固炭量約為4.4tCO2。

圖9 示范區垂直綠化Fig.9 Vertical greening in demonstration area

4.2 光伏減炭

本項目在屋頂安裝了太陽能光伏發電板，面積約為600m，采用峰值輸出功率為320W 的單晶硅組件，整個項目分別2 個區域共布置光伏組件261塊，總功率為80kW。

圖10 示范區光伏布置圖Fig.10 Photovoltaic layout of demonstration area

成都全年日照時數914 小時，項目所在地太陽能年總輻射量3564.0MJ/m 。光伏電站光伏發電損耗系數約在16.7%～30.0%，光伏發電工程總效率為70.0%～83.3%，本工程按70%取值。經對光伏電站周圍的地形、環境、地面建筑物情況進行考察，建立本工程太陽能光伏發電站上網電量的計算模型，可計算得典型氣象年系統發電量預測結果，全年5.6 萬kWh。光伏減碳量可以由如下公式：光伏減碳量=光伏發電量×發電碳排放因子-光伏發電量×光伏發電碳排放因子。其中四川省發電碳排放因子為0.125kg/kWh，光伏發電碳排放因子為0.0094kg/kWh。計算可得光伏系統每年凈減碳排放量為6.47tCO 。

4.3 模擬結果與分析

示范區年用電量=2000×36.59=73180kWh，其碳排放量=73180×0.125/1000=9.15tCO，目前光伏發電全部用于示范區，該示范區運營階段對外碳=示范區用電碳排放量-植物固炭量-光伏減碳量=9.15-4.4-7.98=-3.23tCO，可以實現運營過程中碳的零排放，并且每年可以提供3.23tCO2的減碳指標。

5 總結

中建濱湖設計總部示范區通過采用高性能圍護結構、建筑智能涂料、新風預冷技術、高效空調技術、智慧建筑技術、太陽能光伏與直流供電技術、辦公室公務照明控制方式等主動、被動技術滿足了《近零能耗建筑技術標準》GB/T51350-2019 中建筑綜合節能率≥60%的約束性指標；同時通過設置屋頂、垂直綠化和太陽能光伏發電技術實現了示范區建筑運營過程中炭的零排放，對于建筑碳中和研究具有示范意義。