夏热冬冷地区净零能耗示范建筑能耗及碳排放分析

钟辉智 蔡君伟

（中国建筑西南设计研究院 成都 610041）

0 引言

世界气候的剧烈变化，已经成为人类共同面临的最大威胁之一，而人类的活动引起的温室气体排放增加是引起这一变化的重要因素[1,2]。第75 届联合国大会期间，习近平总书记向全世界郑重承诺我国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。炭达峰指二氧化碳的排放达到峰值不再增长，意味着中国要在2030年前，使二氧化碳的排放总量达到峰值，之后不再增长，并逐渐下降。碳中和指通过植树造林、节能减排、产业调整等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放。碳排放主要来源于工业、建筑和交通运输三个领域[3]，目前我国建筑领域占总碳排放的20%左右，建筑全生命周期碳排放过程中运营阶段占比超过70%[3]，控制建筑运营阶段碳排放量对于降低建筑碳排放起决定性作用。

1 项目概况及研究内容

夏热冬冷地区“净零能耗建筑”的示范区域如图1所示，共2 层，建筑面积约2000m，主要使用功能为办公室。该示范项目预期实现建筑年综合能耗≤65kWh/(m ·a)（包含供暖、通风、供冷和照明能耗，不含可再生能源），综合节能率达到60%（以近零能耗建筑技术标准为参考）[4]；光伏装机容量80kW，设计年发电量5.6 万kWh。

图1 “净零能耗建筑”示范区域（虚线）Fig.1 Demonstration area of"net zero energy consumption building"

2 项目主要节能技术效果分析

2.1 高性能围护结构

图2 建筑各项热损失比较Fig.2 Comparison of various heat losses of buildings

总的负荷指标中，人员、设备及照明占冷负荷总量超过60%，为空调冷负荷降低带来极大的挑战。窗户传热、外墙在整个过程中对负荷降低是正相关作用，太阳辐射得热非常厉害，应特别强调窗户的遮阳设计。综合分析后，项目采用种植屋面，保温隔热基层采用120mmXPS，屋面总的传热系数K小于0.25W/m ·K。透明幕墙（外窗）部位采用三玻双中空三银玻璃（10 超白+12Ar+8 超白+12Ar+6 超白），从而降低了大于780nm 的电磁波进入室内的热量，其传热系数低至1.2W/m ·K，太阳得热系数达到0.23，同时每层均有1.145m 宽的外挑板，使得综合太阳得热系数降低到0.184。实体墙部分围护结构为装配模式，采用骨架板式保温体系，传热系数小于0.40W/m ·K。

2.2 建筑制冷涂料应用

反斯托克斯夜光制冷又称激光制冷或光学冰箱，是指以一低能量的泵浦激光激发具有发光中心的制冷单元，制冷单元自发辐射出高能量的光子从而实现物体制冷的物理现象。本项目在太阳光谱范围内实现了反斯托克斯荧光制冷来冷却围护结构的工程应用，太阳反射率接近涂层材料理论物理限值0.95，无论是白天还是夜晚，屋顶和西墙外表面温度恒低于气温，远低于没有涂覆涂料的表面温度。

图3 隔热制冷涂料的测试曲线Fig.3 Test curve of thermal insulation refrigeration coating

2.3 自然通风降温和预冷技术

通风设计时充分考虑了夏热冬冷地区过渡季节的自然气候条件，通风预冷的节能潜力主要体现在两个方面，一是直接带走室内热负荷，二是对室内围护结构进行预冷，间接的带走第二天的热负荷。对其在有无夜晚通风作用下的温度场进行模拟，围护结构冷却效果分析如图4所示。

图4 不同模式下围护结构温度分布Fig.4 Temperature distribution of building envelope under different modes

由图4可知，采用了夜晚通风后，在冷空气的作用下，外墙、楼板、梁、柱等围护结构的温度明显下降，说明空气的冷量在这些围护结构内部进行了蓄存，到了白天，这些冷量就是对流及长波辐射换热的形式释放出来，以减小空调的负荷。

图5为过渡季节通风潜力分析，其通风全年能耗降低34%；图6为全年通风潜力分析，其全年能耗降低可达24%。由此可见，建筑的全年通风预冷节能潜力非常明显。

图5 过渡季节通风潜力分析Fig.5 Analysis of ventilation potential in transitional season

图6 全年通风潜力分析Fig.6 Annual ventilation potential analysis

2.4 温湿分控的高效空调系统

通过模拟发现，项目潜热比例高达60～75%，夏热冬冷地区新风与除湿负荷占主导地位。为了提高空调的效率，降低空调能耗，项目采用了“双冷源新风系统+干式风机盘管末端空调系统”及“双冷源全空气系统+工位送风空调系统”的温湿分控空调系统，该系统较常规冷水机组节能15%以上。

图7 全热耗冷量与显热耗冷量比较Fig.7 Comparison of total heat cooling capacity and sensible heat cooling capacity

2.5 太阳能光伏与直流供电技术

太阳能发电，是对自然资源进行利用的最直接、有效的方式，建筑本身利用太阳所发的电，是建筑自身的产能，可用来抵消建筑从外网消耗的能源，使建筑最大程度的符合近零、甚至净零能耗的标准。成都地区太阳能辐照资源相对较少，一般现场均采用多晶硅，其转换效率高，弱光效应好。

项目光伏太阳能电池板设于建筑两个模块屋面（约600m），光伏装机容量为80kW，设计年发电量5.6 万kWh。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，不足的电力通过联接电网来调节。

3 建筑能耗模拟分析

3.1 计算方法和参数设定

项目在模拟计算方面，选择了数值模拟软件EnergyPlus，软件模拟中透明和非透明围护结构的构造层次和热工性能参数指标完全按照本项目实际实施的技术措施进行设置，如表1所示。室内环境参数和供暖空调设备能效指标等设置均符合国家标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015的规定。软件的模型如图8所示。

表1 围护结构指标Table 1 Index of building envelope

图8 建筑模型图Fig.8 Building model drawing

3.2 模拟结果与分析

根据软件模拟计算得到本项目的单位面积年耗电量结果如表2所示，本工程按照净零能耗公共建筑能效指标进行比较与分析，计算建筑耗电量指标时综合考虑了供暖能耗、空调能耗、照明能耗、新风设备能耗等。

通过能效指标计算参数设置，可以得到设计建筑和基准建筑的能耗综合值（不含可再生能源利用量）分别为：95.134kWh/m ·a 和146.224kWh/m ·a。设计建筑的建筑本体节能率为34.94%，大于GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技术标准》中建筑本体节能率≥20%的约束性指标。

示范工程单位面积发电量为28kWh 电/m，由此可得，示范工程建筑综合节能率为84.73%，大于GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技术标准》中建筑综合节能率≥60%的约束性指标。

表3 建筑综合节能率分析Table 3 Analysis on comprehensive energy-saving rate of building

4 建筑运行阶段碳排放分析

4.1 植物固炭

植物通过光合可实现固碳释氧和降温增湿的功能，达到改善城市空气质量，实现城市生态系统良性循环的效果[5,6]。固炭释氧指在可见光的照射下，利用叶绿素等光合色素，将CO2和H2O 转换为能够储存的有机物，并释放O2，维持空气中的炭氧平衡的生化过程[7]。一般情况下，植物的光合作用的固碳量大于呼吸消耗的碳量，植物整体表现为固定CO2，释放出O2，因此植物体被称作天然的碳汇体[8]。本项目示范区设置有垂直绿化和屋顶绿化，绿植主要为草本花卉，其总面积约为1000m，按照日固碳量计算参数（参考文献）计算得到绿植每年固炭量约为4.4tCO2。

图9 示范区垂直绿化Fig.9 Vertical greening in demonstration area

4.2 光伏减炭

本项目在屋顶安装了太阳能光伏发电板，面积约为600m，采用峰值输出功率为320W 的单晶硅组件，整个项目分别2 个区域共布置光伏组件261块，总功率为80kW。

图10 示范区光伏布置图Fig.10 Photovoltaic layout of demonstration area

成都全年日照时数914 小时，项目所在地太阳能年总辐射量3564.0MJ/m 。光伏电站光伏发电损耗系数约在16.7%～30.0%，光伏发电工程总效率为70.0%～83.3%，本工程按70%取值。经对光伏电站周围的地形、环境、地面建筑物情况进行考察，建立本工程太阳能光伏发电站上网电量的计算模型，可计算得典型气象年系统发电量预测结果，全年5.6 万kWh。光伏减碳量可以由如下公式：光伏减碳量=光伏发电量×发电碳排放因子-光伏发电量×光伏发电碳排放因子。其中四川省发电碳排放因子为0.125kg/kWh，光伏发电碳排放因子为0.0094kg/kWh。计算可得光伏系统每年净减碳排放量为6.47tCO 。

4.3 模拟结果与分析

示范区年用电量=2000×36.59=73180kWh，其碳排放量=73180×0.125/1000=9.15tCO，目前光伏发电全部用于示范区，该示范区运营阶段对外碳=示范区用电碳排放量-植物固炭量-光伏减碳量=9.15-4.4-7.98=-3.23tCO，可以实现运营过程中碳的零排放，并且每年可以提供3.23tCO2的减碳指标。

5 总结

中建滨湖设计总部示范区通过采用高性能围护结构、建筑智能涂料、新风预冷技术、高效空调技术、智慧建筑技术、太阳能光伏与直流供电技术、办公室公务照明控制方式等主动、被动技术满足了《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019 中建筑综合节能率≥60%的约束性指标；同时通过设置屋顶、垂直绿化和太阳能光伏发电技术实现了示范区建筑运营过程中炭的零排放，对于建筑碳中和研究具有示范意义。