零碳建筑及其关键技术分析_冯国会.pdf

低碳环保与节能减排68节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023零碳建筑及其关键技术分析冯国会 吴苏洋*常莎莎（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）摘要：全面建成零碳建筑是我国实现“双碳”目标路径上非常重要的一步。详细介绍零碳建筑的内涵与特征，并与被动式建筑、绿色建筑进行对比，厘清三者间的内在联系；阐述国内如何对零碳建筑进行认定并与国外的认定规则进行对比，为规则的完善指明方向；从运营碳、隐含碳和控制技术角度对零碳建筑的关键技术进行分析，指出需要大力发展和改进的方向。关键词：零碳建筑；碳排放核算；碳中和；运营碳；隐含碳中图分类号：TU201.5 文献标识码：B 文章编号：1004-7948（2023）05-0068-05 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.018Analysis of zero-carbon buildings and its key technologiesFENG Guo-hui WU Su-yang CHANG Sha-shaAbstract：The comprehensive completion of zero-carbon buildings is a very important step in China to achieve the double carbon goal.The paper introduces the connotation and characteristics of zero-carbon buildings in detail,compares them with passive buildings and green buildings,clarifies the internal relationship between the three.It expounds how to identify zero-carbon buildings in China and compare them with foreign identification rules,and point out the direction for the improvement of the rules.The key technologies of zero-carbon buildings are analyzed from the perspective of operating carbon,hidden carbon and control technology,and the direction of vigorous development and improvement is pointed out.Key words:zero-carbon building;carbon emissions accounting;carbon neutralization;operating carbon;hidden carbon引言与19世纪末期相比，21世纪初期全球平均地表温度上升 0.87 1。截至 2020 年，全球平均地表温差升至1.2。若不改变高碳排放以及高能耗的生产生活模式，将导致全球气温继续上升，突破1.5 的温差限值对全球的影响和破坏不可估量。我国一直致力于人类命运共同体的构建以及推动人类社会可持续健康发展，对全球变暖问题给予充分重视。据我国建筑节能协会中国建筑能耗研究报告(2020)2显示，2018年全国建筑全过程能耗总量为 21.47 亿吨标准煤，占全国能源消费总量的46.5%。建筑业碳排放量占据较大份额，实现建筑业的降碳是专家学者均在思索的问题，零碳建筑的概念应运而生。但是国内目前对零碳建筑概念认识不够清晰，相关认定规则不够健全，技术的应用不够成熟，采用对比法剖析零碳建筑的概念，探究认定规则需要改进的方面，从运营碳、隐含碳和控制技术角度分析零碳建筑应用的关键技术。1零碳建筑的内涵与比较1.1零碳建筑的内涵英国在2003年提出低碳经济概念，逐渐被其他国家采纳。建筑业在摸索低碳绿色的建造方式，如被动式建筑、绿色建筑等。为了达成“双碳”目标，进一步发展零碳建筑。零碳建筑不会取代被动式建筑、绿色建筑，三者皆为了保护环境被提出，但侧重点不同。绿色低碳迈向零碳的路径3如图1所示。图1绿色低碳迈向零碳的路径作者简介：冯国会（1964）男，博士，教授，研究方向为建筑节能技术。通信作者：吴苏洋（1998）男，硕士在读，研究方向为零碳建筑系统构建及优化。基金项目：辽宁省教育厅重点项目（项目编号：LJKZ0577）；沈阳市科技计划项目（项目编号：21-108-9-03）收稿日期：2022-09-29引用本文：冯国会，吴苏洋，常莎莎.零碳建筑及其关键技术分析 J.节能，2023，42（5）：68-72.低碳环保与节能减排69NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION零碳建筑在西方被称为净零碳建筑（Net Zero Carbon Buildings，ZCB）4。“零”代表建筑不产生任何碳排放，“净零”表示建筑可以产生一定量的碳排放，随后通过技术手段抵消这部分碳排放。国内零碳建筑的定义5是碳排放量为零的建筑物，可以使用太阳能或风能而独立于电网运行，要求在不消耗化石能源的同时由物理边界内的可再生能源作为整栋建筑的能量供给来源。在现阶段的技术手段下，实现大面积建筑严格符合以上定义较为困难，仅可能在几栋建筑、社区或小镇范围内实现，并且需要庞大充足的可再生能源量、相匹配的储能装置以及高效的智能微网系统。借鉴零能耗建筑的4种分类，可以将其分为狭义上的零碳以及广义上的零碳。狭义上的零碳建筑需要严格按照定义，独立于电网运行，且所有消耗的能源由现场提供；广义上可以并入电网，但需保证所购入的电力无碳化。零碳建筑的特征可以归纳为以下4点：（1）建筑全面电气化；（2）建筑围护结构的极高设计标准以及被动式技术的应用；（3）可再生能源的高效利用；（4）建筑全生命周期的零碳化6。第一点是实现零碳建筑的前提，通过全面电气化以避免对化石能源的直接使用，既能够减少直接碳排放，还能够保证电力成为建筑唯一的能源供给来源，为绿电助力零碳建筑的实现进行铺垫。第二点、第三点从节流和开源角度表述实现零碳建筑的主要方向，在降耗提效的同时将可再生能源与建筑本体结合。第四点是实现零碳建筑的目的，全生命周期产生的碳排放主要分为运营碳和隐含碳。过往国内将更多的精力放在减少运营碳方面，随着运营碳占比逐渐降低，隐含碳的问题被暴露，目前降低隐含碳是实现零碳建筑的关键。隐含碳包含建材、建造、运输等诸多方面，降低隐含碳需要相关部门和行业的诸多努力。现阶段，必须同时研究降低运营碳和隐含碳的技术，在建筑的各个阶段进行精细控制，才有可能达成全生命周期零碳化。1.2零碳建筑与被动式建筑、绿色建筑的比较被动式建筑又称为被动房，根据能耗指标可将其划分为超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑7。通过对建筑本体和围护结构的节能设计以及对室内环境参数和设备参数的精细限定与控制，达到建筑运行超低能耗、近零能耗乃至零能耗的要求。被动房主要应用被动式技术，通过技术手段锁住室内的环境温度，防止能量流失；而零碳建筑是被动式技术与主动式技术相结合的模式。零碳建筑更符合我国国情，但在建筑性能指标方面，被动房为零碳建筑提供了数据支撑。绿色建筑概念在1992年的联合国环境与发展会议上被正式提出，随后被引入我国。我国对绿色建筑的理解在“四节一环保8”的基础上更加强调“健康、适用、高效、和谐、高质量、人文”，同时关注建筑的绿色性能。零碳建筑的部分特征也存在于绿色建筑，绿色建筑是零碳建筑的重要载体9。零碳建筑与被动式建筑、绿色建筑对比如表1所示。2零碳建筑的认定标准与对比目前，我国在建筑碳排放核算、近零能耗建筑设计与评价、绿色建筑设计与评价等方面已有相关标准和规范。同时，在“双碳”背景下，部分地区实施了与零碳建筑相关的规范，但并未介绍如何对零碳建筑进行认定。我国零碳建筑的认定标准还未发布，现已发布的只有由天津市环境科学学会编制的零碳建筑认定和评价指南（T/CASE 002021）（简称“指南”），遵循此指南进行分析。2.1确定认定的对象和边界指南以单栋建筑作为评价的主体，边界严格按照规划用地图纸划定。控制指标以物理边界内在规划、设计、表1零碳建筑与被动式建筑、绿色建筑对比指标类型建筑节能率建筑碳排放量建筑气密性材料使用可再生能源利用固体废弃物处理建筑周边微生态建筑运营管理零碳建筑节能率须满足零能耗要求，同时尽可能少使用化石能源。需要在建筑运营阶段监测及控制高气密性绿色低碳建材必须具备垃圾资源化营造绿色碳化生态微循环零碳化运营，碳排放管控被动式建筑（1）超低能耗（较现行标准再降低50%以上）；（2）近零能耗（较现行标准再降低60%75%以上）；（3）零能耗（可再生能源量建筑全年用能量）。不需要监测高气密性未规定必须具备未规定未规定低碳化运营绿色建筑一星级项目平均节能率为54.7%；二星级项目平均节能率为57.4%；三星级项目平均节能率为61.8%。不需要监测未规定应用高性能、低材（能）耗、可再生循环利用的建筑材料必须具备按照“分类分拣”袋装化进行归集处理，逐步采用垃圾生化处理技术。与自然环境共同构成和谐的有机环境低能耗运营，降低用能成本。低碳环保与节能减排70节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023运行阶段采取的技术措施为准。碳排放量计算边界以物理边界内使用的电力、热力、天然气和可再生能源为准。零碳建筑认定和评价在建筑运行阶段进行10。生命周期分析法未被应用在指南中，指南使用中国建筑能耗研究报告20202提出的碳排放模型，建筑全生命周期碳排放模型如图2所示。建材的生产加工、房屋建造、建筑拆除、运输等阶段造成的碳排放并未被纳入指南的碳排放核算中，主要因为建造过程中大型机械和建材碳足迹不够明晰以及建材碳排放因子研究不够成熟导致的。如果将上述部分纳入计算，会使碳排放量的计算造成很大的误差，使零碳建筑的认定结果不够有说服力。2.2零碳建筑控制指标室内环境参数和能源效率指标是指南指标审查的两大核心。其中能效指标对住宅类和公共类建筑具有更细致的要求。各控制指标的数值与范围主要参考近零能耗建筑技术标准（GB/T 513502019）和近零能耗建筑测评标准（T/CABEE 0032019），印证了被动式建筑的发展为零碳建筑提供数据支撑。认定过程中，会对参评的建筑各项控制指标予以验证，判断是否符合规定的标准。零碳建筑控制指标如下：室内环境参数：冬季和夏季室内温度、相对湿度、室内新风量、噪声级、空气品质（PM2.5、二氧化碳浓度）。居住建筑：供暖年耗热量、供冷年耗热量、建筑气密性。公共建筑和非住宅类居住建筑：建筑本体节能率、供冷年耗热量、建筑气密性。2.3碳排放核算碳排放核算是认定流程中的重要一环，采用排放因子法，计算范围是建筑物运行阶段产生的碳排放量，其中暖通空调占比较大，生活热水、照明等占比较小。排放因子法(Emission-Factor Approach)是较为权威的估算方法，计算公式为：E=AEF(1-ER/100)(1)式中：E温室气体排放量（如CO2、CH4等），t；A活动水平（单个排放源与碳排放直接相关的具体使用和投入数量），以热值表示，TJ；EF排放因子（单位某排放源使用量所释放的温室气体数量），tCO2/TJ；ER消减率，%。规范中列举了部分用于计算的碳排放因子数值，能源类较为详尽，建材类有待进一步补充。其中，由于电力构成不同，世界各国乃至国内各大电网的碳排放因子均有明显差异，计算时应正确选用，保证结果的真实性。建筑运行阶段总碳排放量C为：C=i()E购入电,i+E购入热,i+E购入冷,i+E购入气,i-i()E绿电,i(2)式中：E购入电,i购入市政电力产生的温室气体排放量；E购入热,i购入市政热量产生的温室气体排放量；E购入冷,i购入冷量产生的温室气体排放