净零碳设计——韩国三星“绿色明天”

文森特·成 伍尚钧 梁伟豪 / Vincent Cheng, Trevor Ng, Wai-ho Leung 译_彭伟洲 / Translated by PENG Weizhou

1 “净零碳”定义

净零碳建筑策略仅关注建筑的能源消耗问题。这些策略可以被宽泛地分为以下5个类别（UKGBC 2007①）：

（1）建筑的能源消耗完全自给自足。建筑所有的能耗需求都可以通过实地生成的可再生能源得到满足；

（2）建筑连接到当地电网。在一年时间内建筑实地产生的可再生能源能够抵消从电网消耗的电能；

（3）建筑就近连接到当地的低碳或零碳的电力供给；

（4）建筑连接到远处的低碳或零碳的电力供给；

（5）建筑的碳排放量通过从碳排放交易市场购得的碳排放额度来抵消。

经过多年的实践，奥雅纳工程顾问基于以上有关“净零碳”的定义，根据不同的建筑类别建立了一整套减排策略的框架并将其运用在建筑上：

（1）建筑能够完全自给自足。建筑所有的能源需求都由实地产生的低碳或零碳排放的能源来满足；

（2）建筑连接到当地电网。实地生成的可再生能源能够部分抵消建筑从电网中消耗的电能；

（3）建筑就近从当地的低碳或零碳的电力供应中获取部分能源；

（4）建筑从远处的低碳或零碳的电力供应中获取其部分能源；

（5）建筑的部分碳排放通过从碳排放交易市场购得的碳排放额度进行抵消。

以上并非严格的定义，而是作为一个框架来帮助对不同减排方案相对的优点和效果进行认识。通常来说，属于类别1的建筑要优于类别5的建筑。

2 实现净零碳的策略

以净零碳排放为目标的渐进式能源管理概念主要包括以下4个策略：

（1）减少需求——减少建筑设备的使用并降低设备能耗，比如采用高效节能的电器，减少小型电器的数量等；

（2）需求控制——通过与建筑结合的设计手段来采用被动式设计策略以降低能耗，包括高性能的建筑立面、气密性、外部遮阳措施、建筑朝向等；

（3）能源的高效使用——在机电系统的设计中采用主动式的节能系统，包括采用高效系统，热回收，采光控制等；

（4）可再生能源——通过实地利用可再生能源来满足建筑余下的能源需求，包括太阳能发电系统和光热系统等。

3 净零碳策略在“绿色明天”中的应用

名为“绿色明天”的零能耗建筑是韩国的一个可持续设计示范项目。该项目位于韩国龙仁市（Yongin，Korea），场地面积为2 456m2，主要由2个建筑组成——零能耗楼（Zero Energy House，简称ZEH楼，建筑面积423m2）和公共关系楼（Public Relation Pavilion，简称PR楼，建筑面积298m2）。零能耗楼是一座以建筑零能耗为目标的设计展示楼，公共关系楼则包括对外接待区和展览及建筑管理人员的工作区（图1～5）。

图2 “绿色明天”周边环境1

图1 “绿色明天”实景（左：公共关系楼；右：零能耗楼）

图3 “绿色明天”周边环境2

图4 零能耗楼

3.1 主要的可持续设计策略

该项目的建筑运用了在零碳定义的基础上发展的“碳中和框架”中的策略——“建筑连接到当地电网。场地生成的可再生能源能够部分抵消建筑从电网中消耗的电能”。当产生的可再生能源超过零能耗楼的能源需求时，多余能源就被储存在电池中留做将来用。当产生的电能超过电池的储存能力时，超出的部分就被用于抵消公共关系楼内的电力消耗，以在一年中达到零能耗和零碳排放的目标。

“绿色明天”零能耗楼除了电力需求外没有其他的能源需求（建筑不需要使用其他的燃料，如生物质、煤炭或天然气等）。电能则是由可再生能源系统产生（太阳能光电系统和光热系统）。

该项目采用了基于能源管理概念的多个节能策略（表1、图6）。

图5 “绿色明天”夜景环境

表1 能源管理概念与节能策略

图6 “绿色明天”节能策略示意

图7 室内吊顶

图8 室内吊顶

3.2 零碳设计的验证

计算机能源模拟被用来评估零能耗楼的全年能耗和碳排放（图9）。

（1）模拟工具——能源模型

能源模拟由计算机软件eQUEST 3.61来进行，该软件是一个能够生成专业结果的复杂的建筑能源使用分析工具。eQUEST运用复杂的建筑能源使用模拟技术让使用者能够对建筑设计和技术进行详细的比较分析。为了比较采用被动式策略、主动式节能系统和可再生能源的全年能耗情况，两个eQUEST模型得到了建立和比较，一个是基于ASHRAE②标准90.1设计的基准模型，另一个则是本项目所采用的设计方案。

（2）模型参数

根据初步建筑设计和获得的机电系统参数，能源模型按照项目的各个特征建立，并在一些类别中采用了ASHRAE标准。

3.3 结果对比

图10显示了该建筑采用被动式策略、主动式系统和可再生能源所达到的全年节能效果。

能源成本的节约主要来自以下4个方面：采暖能耗的减少——包括采暖、辅助加热和热泵辅助热源；照明能耗的减少；风扇能耗的减少；可再生能源的利用（光伏发电系统）。

3.3.1采暖节能

设计方案在采暖方面显著地节约能源的主要原因包括：基准模型中大部分的采暖期都采用电采暖，导致系统性能系数较低；建筑围护结构（外窗和外墙）采用极好的保温措施（U值）；建筑围护结构具有较低的空气渗透率（良好的气密性）；采用地源热泵，而不是组装式屋顶热泵；热回收系统的采用。

根据 ASHRAE 90.1的表格 G3.1.1A（ASHRAE，2004），基准方案的暖通空调系统是系统4，也就是具有风扇控制的定风量的组装式屋顶热泵。

条文G3.1.3.1的补充说明指出“电动空气源热泵应配备电力辅助加热进行模拟。系统应由多级控制的恒温器进行控制并连接室外空气恒温器，在达到最后一级恒温控制或室外气温低于4℃时启动‘辅助加热’”。项目场地龙仁市所处的气候区被归为4A类（混合—潮湿）。根据从EnergyPlus能耗模拟结果分离出来的地方气候数据，基准模型在4℃以下需要进行电采暖的时期很长（超过总运行时间的45%）。因此，“热泵辅助（包含辅助加热）”就会被启动以提供额外的电采暖，并以较低的采暖效率进行运作（电采暖的系统性能系数较低）。与设计方案（采用地源热泵）相比，基准模型的能耗中“热泵辅助”和“采暖”的比例较高。

再者，由于“绿色明天”项目的室内空间靠近建筑的围护结构，大部分的室内区域都被归类为周边区域。因此，暖通空调系统的能耗主要是受到室外环境的显著影响。高性能的建筑立面、良好的气密性和厚保温层的运用可以节约建筑的暖通空调特别是采暖所消耗的能源。

在设计方案模型中，很多节能策略被应用到该项目中。

（1）外墙、屋顶和地坪构造的传热系数大大低于基准模型的值，其中零能耗楼的U值比基准模型高7倍，而公共关系楼的U值则比基准模型高2.5倍。

根据传热方程式：传热量=UA（ΔT）

其中U=传热系数，A=传热面积（围护结构面积），ΔT=室内外温差

（2）在冬季，韩国的室外气温约为0～13℃，而采暖的设计室内气温为20℃。在室内外温差巨大的情况下，建筑围护结构的U值在冬季减少热损失而夏季减少得热方面就起到非常巨大的作用。

（3）零能耗楼的空气渗透率保持在1m3/h/m2围护结构面积，这是比较优良的（基准模型的渗透率为2L/s/m2）。建筑围护结构具有较低的空气渗透率（即气密性良好）可以使建筑形成“封闭区域”，把照明和设备产生的大部分内部得热保留住。因此，大部分的采暖需求可以通过内部负荷得到满足，降低了地源热泵的运行和负荷，从而大大减少采暖能耗。

（4）零能耗楼安装了性能很高的窗户，包括采用PVC（Polyvinyl Chloride，聚氯乙烯）窗框的三层玻璃窗和铝合金窗框的双层玻璃窗。三层和双层玻璃窗的综合U值仅为0.85W/m2K，这比模拟使用的基准模型大大提高了性能。考虑到导热传热，较低的窗扇U值可以在夏季降低空调的热损失，而在冬季则避免围护结构的得热。

（5）暖通空调系统设计中采用了地源热泵系统。它具有比典型的空气对空气热泵更高的COP（Coefficient of Performance，制热能效比）值。再者，地源热泵系统无需提供“辅助加热”，而在采用电动热泵的基准模型中，这一部分耗费了大量的能源。

（6）建筑安装了热回收设备。热交换器焓轮通过捕获和回收余热来预热/预冷空气处理机中的新风。通过回收余热所节约的能源可能会因风扇压降而消除，因此需要安装旁路系统。

3.3.2照明节能

照明系统中采用了以下两个主要的设计策略：较低的照明功率密度和自然采光的利用。

设计方案的照明功率密度比基准模型大大降低，从而减少了建筑正常运行情况下的能耗。另外，项目的两个建筑中都应用了自然采光策略。所有使用空间中都安装了带有日光传感器的可调节和可进行开关控制的照明设备。通过建立采光模拟模型RADIANCE，对采光策略的节能效果进行评估。模拟结果显示超过60%的照明系统运行时间可以得到减少并由自然采光代替。

3.3.3 风扇节能

该项目的风扇节能主要源于两方面：“地板辐射采暖”和“冷吊顶”的采用不存在风扇能耗；采暖和制冷负荷的降低减少了暖通空调系统的风扇能耗。

图9 零能耗楼的计算机模型

图10 采用被动式策略、主动式系统和可再生能源的全年节能情况

表2 设计方案中零能耗楼和公共关系楼各自的暖通空调系统的运行时间

零能耗楼的暖通空调设计在制冷方面采用吊顶式的风机盘管机组，在采暖方面则采用地板辐射系统。公共关系楼则采用冷吊顶系统用于制冷和地板送风空调系统用于采暖。

表2 设计方案中零能耗楼和公共关系楼各自的暖通空调系统的运行时间和基准模型的全空气系统相比，该项目方案结合了“地板辐射采暖”和“冷吊顶”来为零能耗楼和公共关系楼提供采暖和制冷负荷。

零能耗楼采用了地板辐射采暖。辐射采暖系统通过泵系统驱动热水在管网中的循环来为建筑供暖。方案模型的风扇能耗和全空气系统相比得到降低，但是泵的能耗却因为管网（辐射）的水循环而增加。从表2可以看出，零能耗楼超过55%的暖通空调运行期均运行没有风扇能耗的辐射采暖系统。

通过采用冷吊顶系统，公共关系楼中也结合了类似的节能理念。由于通过辐射和对流换热，无需风道系统，和全空气式暖通空调系统相比，公共关系楼具有更高的环境舒适度和较低的风扇能耗。

尽管“绿色明天”项目设计方案节约了少量的风扇能耗，但是和基准模型相比，则产生了更多的泵的能耗（和基准模型相比每年额外产生3 840kWh的泵能耗）。

4 结论

本文总结了零碳设计的概念和以建筑净零碳排放为目标的可持续设计系统的应用。减少和控制能源需求，能源的有效使用和清洁可再生能源的利用是降低能耗达成净零碳排放目标的最重要也是最有效的手段。通过对“绿色明天”项目的评估，验证了一些可持续理念在达成建筑的零能耗和零碳排放方面的有效性。

在建筑的总体能耗中，和基准模型相比采暖节能策略所节约的能源是最显著的。这是由于（1）建筑围护结构极好的保温（U值）；（2）建筑围护结构较低的空气渗透率（良好气密性）；（3）采用地源热泵，而不是组装式屋顶热泵；（4）热回收系统的运用。在减少建筑能耗方面这些策略被证明是十分有效的。其他有效的节能策略，包括照明节能和风扇节能，也对总体的主动式和被动式节能做出贡献。

注释

① 该分类基于英国绿色建筑委员会《关于新建非住宅建筑减少碳排放的报告》，2007年12月。

② American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.，美国采暖、制冷与空调工程师学会。

[1] ASHRAE. ASHRAE90.1-2004《除低层住宅建筑外的建筑物的能源标准》[S]，2004.

[2] 英国绿色建筑委员会（UK-GBC）.《关于新建非住宅建筑减少碳排放的报告》[C]，2007.

[3] 美国能源部（Department of Energy，DOE） EnergyPlus能耗模拟软件[CP/OL].http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus.

[4] 美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）.Radiance采光模拟软件[CP/OL].http://radsite.lbl.gov/radiance.

[5] 美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL），J.J.Hirsch，Associates.eQuest能源模拟软件[CP/OL].http://www.doe2.com/equest.