零碳建筑实现技术路径分析

    人类正面临着气候变暖这一全球性的问题，为了应对这一问题，我国提出了碳达峰、碳中和的“双碳”目标，此目标的提出将把绿色发展的道路提升到新的高度，我国目前处于经济高速发展的阶段，“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，如何在保证经济高速发展的情况下有效地降低碳排放成为经济发展的重要目标，建筑领域作为我国主要碳排放的来源之一，零碳建筑的实现是实现双碳目标的重要方面，而可再生能源的有效利用是近零碳建筑实现的重要措施。

一、近零碳建筑概述

我国建筑领域的节能减排经历了节能建筑、绿色建筑、超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑几个主要发展阶段，在双碳背景下，随着城镇化和人民生活水平的提高，产业结构的调整，城乡建设领域碳排放种类和占比将持续上升，在“能源，碳排放”的双重约束下，推动了建筑领域的低碳转型，在零能耗建筑的基础上，结合建筑全生命周期，提出了近零碳建筑、零碳建筑，零碳建筑考虑的不仅仅是建筑运行阶段的碳排放，更是全面考虑建筑建造过程中的隐含碳排放，目标是在建筑的全生命周期中实现碳的零排放。

零碳建筑是指充分利用建筑本体节能措施和可再生能源，使可再生能源二氧化碳年减碳量大于等于建筑全年全部二氧化碳排放量的建筑，它除了采用被动式建筑设计中的高效保温、高效节能窗等被动式节能技术外，更多的是通过主动技术措施提高能源设备与系统的效率，引入更多的智能控制技术，充分利用可再生能源，同时注重实现材料和产品的循环利用，有效的减少建筑全生命周期的减少碳排放。

二、零碳建筑技术路径

零碳建筑设计通过被动式建筑设计最大幅度降低建筑对能源的需求，通过主动技术措施在运行过程中采用节能减排措施使建筑排放的碳量处于较低水平。

1、被动式建筑设计

（1）在方案设计阶段通过以气候特征为引导进行建筑方案设计，规划设计在建筑布局、朝向、体型系数和使用功能方面，体现零碳建筑的理念和特点，并注重与气候的适应性。严寒和寒冷地区冬季以保温和获得太阳能为主，兼顾夏季隔热遮阳要求；通过建筑设计研究制定合理的新风处理方案，并进行气流组织的优化设计，过渡季节能实现充分的自然通风。

（2）建筑外维护结构采用高性能的建筑保温系统和门窗，维护结构及外窗的保温性能的确定遵循性能化设计原则，通过能耗模拟技术进行优化分析后确定，保温材料选择性能更高的保温材料，减少保温层厚度，外窗选用传热系数更低的被动窗。

（3）施工图设计阶段通过节点的优化设计，断热桥材料的使用，实现建筑外围护结构的无热桥设计及建筑整体的高气密性，以达到近零碳建筑的设计要求。

2、主动式建筑设计

（1）遮阳设计方面根据地区的气候特点、房间的使用要求以及窗口所在朝向综合考虑，近零碳建筑一般采用可调节外遮阳、遮阳反光板+内遮阳、玻璃内置电动百叶遮阳系统、太阳能与建筑一体化遮阳的光电幕墙遮阳，光电板遮阳等几种形式来兼顾夏季遮阳与冬季得热；遮阳系统的控制方式也引入了智能控制系统，智能控制系统可根据太阳照射高度位置、方向及太阳光的强弱的感应而自动调节遮阳板的遮阳方向、角度、位置、遮阳面积大小等，以达到精确控制夏季遮阳与冬季室内得热的需求；

（2）高效的新风热回收系统，零碳建筑采用高效新风热回收系统，通过回收利用排风中的能量降低供暖制冷需求，实现超低能耗目标；新风热回收主要是通过热交换器来回收排风中的冷（热）能，对新风进行预处理，根据回收热量的形式可分为显热交换器和全热交换器两类，空气中的能量包括显热（温度）和潜热（湿度），显热交换器仅回收排风中的显热，全热交换器不仅能回收排风中的显热，还能回收排风中的潜热，从节能效果上显热交换器不如全热交换器，另外由于显热交换器不能调节湿度，所以结露风险远远高于全热交换器。

（3）地道风技术，有条件时，高效新风热回收系统宜利用土壤蓄存的热量和冷量，即以地道风（土壤热交换器）的方式对新风进行预热预冷，地道风是利用土壤夏冷冬热的特点为建筑提供热（冷）能，通过设计阶段对管道冷却能力的计算，确定管道的尺寸、长度、埋深及间距等，利用地道风技术，可以有效的缩短空调开启时间，极大限度的降低建筑的使用能耗。

（4）地源热泵技术，地源热泵指所有使用大地作为冷热源的热泵全部称为地源热泵，包括土壤热泵（即地耦合热泵），地下水热泵，地表水热泵（包括江河湖海的水）等，是利用地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统，是一种既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统，通过输入少量的电能，即可实现较多的能量从低温热源向高温热源的转移，利用地源热泵技术制冷，与传统中央空调技术相比可以能耗可降低20%以上，是一种清洁高效的能源利用形式；水源热泵由于需要利用地球表面浅层的水源，存在对水源造成污染的可能性，设计过程中应充分了解项目的水源情况，不得对地下水造成污染。

（5）空气源热泵技术，空气源热泵是由电动机驱动的，利用空气中的热量作为低温热源，经过空调冷凝器或蒸发器进行热交换，然后通过循环系统，提取或释放热能，利用机组循环系统将能量转移到建筑物内用户需求，它能通过使用少量的电能将低温热源中的热量转移到高温热源中的装置，在冬季将室外空气中的热量转移到室内空气中，夏季将室内空气中的热量转移到室外空气中；热泵属于冷热一体机，设备利用率较高，且空气是优良的低位热源，但空气源热泵机组的制热量受室外空气状态影响显著，设计时需考虑室外温度、湿度及结霜、融霜状况后，对机组额定工况下制热性能进行修正才能衡量空气源热泵机组是否可以满足设计需求，总体来说适用范围较广，运行成本低，节能效果突出，具有显著的节能效益和环保效益。

（6）太阳能系统，太阳能系统在建筑中的利用主要有附加光伏系统（BAPV）、光伏一体化建筑（BIPV）与光伏光热一体化技术（PVT）三种形式，附加光伏系统（BAPV）是最早且最常用的一种形式，它与建筑结构常见安装形式主要是屋顶光伏电站；建筑光伏一体化（BIPV）是将光伏建材产品与建筑融为一体，直接替代原有建筑结构，BIPV采用的光伏技术目前主要可分为晶硅光伏组件和薄膜光伏组件，晶硅组件是目前市场的主流产品，单位装机功率高，转化效率可达16%至22%，同样装机面积下发电量优于薄膜组件，但由于工艺原因，其色彩一致性较差，影响建筑的整体效果，相比于晶硅组件，碲化镉薄膜组件具有弱光效应好、透光率高、可定制化外观、热斑效应弱等特点，未来能让光伏在建筑上的应用更加多样化；太阳能光伏光热一体化（PVT）组件主要由光伏与光热两个部分组成，光伏部分采用技术成熟的太阳能光伏面板，通过控制系统为建筑提供所需电能，光热部分主要为集热器，将太阳能转换为热能，同时使用热循环机制，冷却太阳电池，提高光电转换效率，更高效地利用太阳热能，太阳能光热系统可用于供暖、热水、光热发电系统。

三、结语

零碳建筑对碳排放的要求包含隐含碳、运营碳和全生命周期的碳排放三个方面，其目的就是不断推动建筑领域从建造、设计、施工及使用的整个全生命周期内实现最小的碳排放和最好的资源利用效率，以达到节约能源，降低建筑自身能耗的目的，为我国“双碳”目标的按时完成提供支撑，也为全球的碳减排做出更多的贡献。