天空辐射制冷规模化应用对我国建筑的减碳作用研究

徐第开 盛茗峰 杨荣贵 赵东亮

(1 东南大学能源与环境学院 南京 210096;2 华中科技大学能源与动力工程学院 武汉 430074)

为实现《巴黎协定》将全球温升控制在1.5 ℃以内的目标[1],我国于2020年提出力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。为此,住建部发布并于2022年4月起强制实施《建筑节能与可再生能源利用通用规范》[2],表明建筑作为能源转型与减碳的重点领域[3],亟需低成本且可广泛应用的减碳技术[4]。在我国建筑部门的碳中和路径中,降低建筑运行阶段的用电量是减少间接碳排放的重要任务之一[5]。天空辐射制冷作为无额外能耗、无需制冷剂的利用外太空极冷环境的制冷技术,对于提升建筑可再生能源使用比例,缓解城市热岛效应以实现“双碳”目标具有重要的研究意义与应用价值。

天空辐射制冷现象普遍存在于自然界中,是沙漠夜间低温的重要原因[6-7],但直至20世纪50年代人们才开始深入研究辐射制冷并对其应用潜力开展较为系统的研究[8-10]。尤其近十年,随着纳米光学和超材料技术的发展,可以在白天实现低于环境温度的辐射制冷材料被制备出来[11]。2014年,美国斯坦福大学Fan Shanhui团队通过在硅晶圆上制备不同厚度的SiO2和HfO2交替形成的多层膜结构,实现了白天890 W/m2太阳直射条件下低于环境温度4.9 ℃的制冷效果[12]。2017年,美国科罗拉多大学Yang Ronggui团队通过在背衬银的聚甲基戊烯中随机镶嵌微米级SiO2小球制备出可以大规模生产的日间辐射制冷材料[13],该材料在白天正午太阳直射条件下具有93 W/m2的平均制冷功率,表面温度比周边环境温度最大降低8 ℃。

辐射制冷材料的深入研究也为大规模应用辐射制冷技术提供了可能[14]。在碳中和大背景的推动下,辐射制冷巨大的节能减碳潜力受到研究者们的关注,周志华等[15]分析了辐射制冷在建筑冷却、太阳能光伏冷却、辅助冷源等方面的节能减排潜力。由于我国建筑存量巨大[16],将辐射制冷材料直接应用于建筑物围护结构外表面效果尤为突出,能够起到良好的降温效果,降低建筑物的冷负荷,从而减少空调系统能耗。Cui Zengkai等[17]将辐射制冷应用于通信基站这类全年散热量需求很大的结构表面,分析结果表明,在全国不同地区年均节能率可达6.77%～64.29%。Yi Zhitong等[18]研究了将透明辐射制冷膜应用于建筑天窗,可实现最大表面温降21.6 ℃,对于不同气候条件下空调能耗可降低40.9%～63.4%。目前辐射制冷产品已经实现了规模化生产,且已有部分商业化应用[19]。我国幅员辽阔,存在多个气候区,而辐射制冷资源受气候影响显著,Zhu Yazhu等[20]根据我国气候分区探讨了各省潜在的辐射制冷资源分布状况,但缺乏对于实际利用率的分析。在此基础上,本研究综合考虑到我国不同地区的气候特点和环境特点差异[16],以既有建筑作为辐射制冷实际应用的载体,拟针对我国不同地区、不同气候条件分析在应用天空辐射制冷技术后的运行阶段所能实现的减碳效果,以及该效果对我国碳中和目标的预期贡献。

1 研究方法

由于现有的统计报告和文献数据大多仅提供了全国建筑存量面积的估计总值[21],且大小有所出入,为了对不同建筑类型的碳排放分别进行分析统计,首先对我国统计年鉴[22]、建筑业统计年鉴[23]、人口普查年鉴[24]的数据进行了详细分析和分类汇总,获得各省不同建筑类型的存量数据。然后,对不同建筑类型分别选取一典型建筑进行建模,利用建筑能耗模拟工具EnergyPlus模拟获得单位面积基准碳排放量和应用辐射制冷后的减碳率。最后根据减碳率和建筑存量获得总减碳量,即天空辐射制冷规模化应用的减碳作用预期。

1.1 建筑存量面积

本研究中对于建筑面积的估算和建筑类型的分类全部基于《中国统计年鉴》、《中国建筑业统计年鉴》和《中国人口普查年鉴》中的数据,且只考虑除港澳台地区外我国的31个省级行政区。年鉴中房屋面积的主要指标有房屋施工面积和房屋竣工面积,其中房屋竣工面积指报告期内房屋建筑按照设计要求已全部完工,达到住人和使用条件,经验收鉴定合格或达到竣工验收标准,可正式移交使用的各栋房屋建筑面积的总和。《中国建筑业统计年鉴》中对建筑类型按用途进行了划分,1997—2002年分为厂房、住宅、办公用房、商业居民服务业用房、文化教育用房、医疗用房、科研用房和其他用房;2003—2010年进一步细化为厂房仓库、住宅、办公用房、批发和零售用房、住宿和餐饮用房、居民服务业用房、教育用房、文化体育娱乐用房、卫生医疗用房、科研用房和其他用房;2010年以后建筑统计中分出了8大类,分别为住宅用房、商业及服务用房、办公用房、科研教育和医疗用房、文化体育和娱乐用房、厂房及建筑物、仓库和其他用房,其中几个大类又进一步细分为几个小类。基于上述分类,为便于统计,本研究将所有建筑分为9类,如图1所示。其中城市住宅住宿用房包含了城市住宅用房和宾馆住宿用房,与农村住宅用房一起组成了存量建筑中近70%的建筑面积。住宅住宿用房是既有建筑中的主要组成部分,从建筑自身的运行能耗而言也是碳排放的主要来源。其他建筑包含了商务会展用房等数量较少、未在年鉴中列明的建筑。图1所示的各建筑类型竣工面积比例基于近十年(2010—2020)的年鉴数据分类汇总得出,所有数据经过《中国统计年鉴》和《中国建筑业统计年鉴》对比以保证准确性。

图1 近十年我国各类型建筑总竣工面积比例

由于早年我国统计数据较为粗糙,仅凭建筑业年鉴难以得出准确的存量,所以本研究根据《中国人口普查年鉴-2020》[24]的人均住房面积数据计算得出各省农村与城市住房存量面积,通过现存住房面积结合图1中的比例,估计各省不同类型建筑存量面积。结果表明,截至2020年我国建筑的总存量面积为774.9亿m2,其中各省或自治区的存量面积如图2所示。

图2 截至2020年各省/自治区建筑存量面积

1.2 典型建筑模型

对不同建筑类型中的典型建筑进行EnergyPlus建模,如图3所示。通常建筑又可分为居住建筑、工业建筑和公共建筑,不同建筑遵循不同的节能设计标准,对居住建筑而言各气候区也有各自的节能设计标准,如表1所示。针对辐射制冷应用,围护结构的区别是不同气候区效果的关键影响因素,为此依据标准修改了各建筑模型在不同气候区条件下的外墙、屋顶保温层厚度及窗户的太阳得热系数等。应用辐射制冷后,建筑模型的主要改变在于围护结构外表面的辐射性能参数。需要注意的是,我国高层住宅楼、写字楼也有很高的存量,可以在这些建筑中的侧墙外立面和窗户应用辐射制冷[25],本研究中将该情况归纳简化为典型建筑于屋顶表面的辐射制冷应用。基于规模化生产的辐射制冷产品参数[13],将应用辐射制冷后的屋顶外表面的太阳及可见光波段(0.3～2.5 μm)吸收率设置为0.04,中红外波段(>2.5 μm)吸收率设置为0.93。

表1 各典型建筑所属类别及遵照标准

图3 典型建筑模型

1.3 气象资料

按建筑气候区划标准[32],我国可分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区,如图4所示。本研究在我国各省选取一座气象站的典型气象年数据[33]作为模拟建筑能耗的依据,各气象站所在城市、地理位置以及相对海拔高度均绘制于图中。

图4 所选气象站地理位置及海拔高度(含气候分区)

1.4 碳排放分析

建筑模型中以电作为制冷的驱动能源,天然气作为采暖的主要方式。故对于碳排放的计算分为电力碳排放和天然气碳排放两部分[34],均以CO2(当量)为单位。电力碳排放计算:

Ee=QFgrid

(1)

式中:Ee为电力碳排放,kg CO2;Q为耗电量,kW·h;Fgrid为电力碳排放因子,为不同区域电网年度电量边际排放因子的加权平均值,按表2选取。

表2 区域电网基准碳排放因子

天然气碳排放计算:

(2)

式中:Egas为天然气碳排放,kg CO2;VCO2为常规能源的碳排放因子,kg CO2/(kW·h);天然气的碳排放系数为0.448 3 kg CO2/kg ce(标准煤);Qgas为天然气实际燃烧后的供热量,MJ;qst为常规能源的标准热值,即1 kg标准煤的发热量,为29.307 MJ;ηt为以传统能源为热源时的运行效率,选用天然气时该值为0.8[35]。

2 结果与分析

2.1 代表性城市气候及减碳预期

为直观展现各建筑类型于各气候区的能耗和减碳潜力差别,首先选取了严寒地区的乌鲁木齐、寒冷地区的北京、夏热冬冷地区的重庆和上海、夏热冬暖地区的广州和海口以及温和地区的贵阳作为代表性城市进行模拟。根据典型气象年数据,这7座城市在各自夏季和冬季设计日的天气条件如图5和图6所示。由图可知,夏季各地气温均带来了一定的制冷需求,但湿度的差异相对较大,非严寒和寒冷地区的湿度明显更低。而冬季设计日,各城市温、湿度的差异都很显著,在部分城市甚至一天内的变化都很大。

图5 各城市夏季设计日全天温湿度变化

运用前述模拟方法,首先针对各气候区代表性城市与典型建筑进行基于辐射制冷的节能改造模拟。在应用辐射制冷前,典型建筑在各城市的碳排放如图7所示,后续减碳量、减碳率的计算均基于此基准碳排放值。可以看到,在如贵阳的温和地区碳排放的基准值最低;海口的冷负荷较大,而制冷所导致的用电碳排放很高,所以整个地区的碳排放均值较高。从建筑类型来看,医疗用房、办公用房、批发零售餐饮用房这类公共建筑的基准碳排放量很高,这与公共建筑需要满足更长时间、更高要求的室内热环境标准有关。基准碳排放最低的建筑是厂房及仓库,该建筑类型通常仅在部分办公区域进行温湿度的调节,因此运行碳排放相对较低。

应用辐射制冷技术后,各典型建筑在代表性城市的减碳率如图8所示。可以看到,厂房及仓库这类建筑中,虽然碳排放的基准值较低,但减碳率相对最高。因为该类建筑通常为单层或低楼层,辐射制冷获取的冷量分摊至单位建筑面积上更多,实现更高的单位面积减碳率,因此从减碳率来看辐射制冷在这类建筑中更具应用优势。此外可以看到,两种居住建筑的减碳率均在较高的水平,鉴于我国居住建筑存量巨大这一现状,可以初步判断辐射制冷的应用潜力很大。在所有情况中,还有部分建筑类型在部分城市无法实现减碳效果,这一点在全国碳排放空间分布分析中会进一步体现。

2.2 全国碳排放空间分布及减碳预期

用相同的方法对全国各省进行节能与减碳的模拟计算。首先获得各典型建筑在各省的基准碳排放表现,如图9所示,不同建筑的平均减碳率相差较大,但与代表性城市的主要趋势符合。医疗用房的碳排放很高,但存量面积小,农村住宅和城市住宅住宿用房的存量面积很大,但单位面积的基准碳排放相对较小。厂房及仓库建筑拥有最低的碳排放基准量。将各建筑单位面积的基准碳排放量与各省各建筑类型存量面积(图2)进行乘积求和,可知全国总建筑运行碳排放为22.74亿t CO2,与《中国建筑能耗研究报告2020》[16]中的21.1亿t CO2相对误差小于8%,基本符合实际情况。

因为居住建筑、公共建筑和工业建筑3类建筑拥有完全不同的标准和负荷动态,以下分别以农村住宅建筑、厂房及仓库用房和办公用房为例,分析减碳率的空间分布,如图10～图12所示。我国的农村住宅建筑因其建筑历史及特点,通常层数低,保温性能一般,在减碳方面具有较高的潜力。由图10可知,在全国范围内,应用辐射制冷对此类建筑均有减碳效果。尤其是在西南地区减碳率整体较高,原因是该地区制冷需求较大,通过辐射制冷可以降低的电力消耗显著,同时采暖需求不高,辐射制冷带来的过冷问题无显著影响,不会引入过高的采暖负荷。较为特殊的是新疆,整体减碳率较高,主要原因是当地的辐射制冷资源较为丰富[36],且此类建筑的辐射制冷适用性较高。在厂房及仓库建筑,地区分布的规律同样成立。但因为前述此类建筑的特点,在气温较高的时间段辐射制冷带来的效果好,同时在一些不需要制冷的日子里,过冷的问题又会凸显,因此该类建筑的减碳量地区差异很大。在新疆等辐射制冷资源极为丰富的地区,对保温较差的建筑,过冷的问题尤其突出,不适合使用辐射制冷进行改造。在办公用房这类公共建筑中,为了维持室内长时间的热舒适性,通常冷热负荷均较大,且保温性能较好,辐射制冷能带来的节能效果有限,减碳率也相对较低。

图10 典型居住建筑(农村住宅)减碳率分布

图12 典型公共建筑(办公用房)减碳率分布

按总减碳量除以基准碳排放量计算得出各省所有建筑的平均减碳率分布图13所示。需要说明的是,平均减碳率的统计仅统计了具有减碳效果的地区和建筑类型,若减碳率值为负,即说明在此地该建筑类型不适宜应用辐射制冷技术。其中居住建筑和工业建筑具有较高的平均减碳率和中位数。由图13可知,辐射制冷应用在全国均有减碳潜力,平均减碳率中位数为9.22%。若按气候分区为界,严寒地区为4.92%,寒冷地区为8.81%,夏热冬冷地区为10.71%,夏热冬暖地区为10.92%,温和地区为16.77%,可以看到在南方地区的减碳率更高,与单一建筑的空间分布规律类似。

图13 应用辐射制冷以后各省/自治区平均减碳率及按气候区划分的平均减碳率

根据分省分建筑类型存量统计和各建筑类型在不同城市气候下的减碳率,计算得出各省总减碳量如图14所示。可以看到,应用辐射制冷进行既有建筑改造,广东的减碳效果遥遥领先,主要与该地区人口众多、建筑存量大,以及天气炎热、降温需求大有关。总计而言,全国年总减碳量为2.30亿t CO2,其中住宅建筑为1.75亿t CO2,工业建筑为0.22亿t CO2,公共建筑为0.33亿t CO2。按年建筑运行碳排放21.1亿t CO2且建筑运行占能源总碳排放21.9%[22]计算,全国规模化应用辐射制冷的减碳量占建筑运行碳排放的10.90%,占能源总碳排放的2.39%,具有广阔的应用前景。

图14 应用辐射制冷后各省/自治区年总减碳量

3 结论

本文研究了辐射制冷技术在我国建筑应用的减碳预期,即降低建筑运行阶段碳排放的潜力。以《中国统计年鉴》、《中国建筑业统计年鉴》和《中国人口普查年鉴》为依据统计我国目前的总建筑存量面积,以及各省各建筑类型的存量面积。结果表明我国目前建筑存量面积约为774.9亿m2,可按其用途大致分为城市住宅住宿用房、农村住宅、厂房及仓库、办公用房、科教文体娱用房、批发零售餐饮用房、其他建筑、居民服务业用房、医疗用房。对这9类建筑类型分别按节能标准建模,并在我国31个省级行政区(除港澳台)分别选取气象站典型气象年数据,利用建筑能耗模拟工具EnergyPlus计算获得各省各建筑类型在建筑运行阶段用电与用天然气的碳排放基准值及应用辐射制冷后的减碳量、减碳率。结果表明居住建筑和工业建筑具有较高的平均减碳率。进一步分析了全国的减碳率空间分布,按气候区划分的平均减碳率为严寒地区4.92%,寒冷地区8.11%,夏热冬冷地区10.71%,夏热冬暖地区10.92%,温和地区16.77%。汇总得出全国年总减碳量为2.30亿t CO2,占建筑运行碳排放的10.90%,占能源总碳排放的2.39%。对于我国实现双碳战略目标贡献巨大。