新建零碳建筑设计方案和技术策略

随着可持续生活方式的渐入人心，很多城市正试图找到创建环境友好型社区的策略。从被动设计到回收材料，建筑师正把注意力转向气候变化，并试图通过建筑和设计找到解决方案。

到2050年，世界上的每一栋建筑——每一个家庭、办公室、学校、工厂——都需要实现零碳排放，以将全球气温增幅保持在2摄氏度以下。城市占全球二氧化碳排放量的70%以上。其中一半的排放量来自建筑物中消耗的照明、电力、供暖和制冷能量。此外，新兴经济体的城市将占多数，并导致到2030年全球能源使用的继续增长。

世界上估计有数以千亿级平方的建筑，但是都不是净零碳建筑，碳排放量很大。为了改变这种状况，2019年9月在“2019年联合国气候行动峰会”上与会国家发起了一项名为“人人零碳建筑”的多伙伴全球倡议。包括肯尼亚、土耳其、阿拉伯联合酋长国和联合王国在内的参与国承诺实施国家和地方政策，到2030年使所有新建筑实现零碳排放，到2050年使所有现有建筑实现零碳排放。

 

什么是零碳建筑(ZCB)?

净零碳建筑，由世界绿色建筑理事会提出的“高能效建筑，完全由现场和/或场外可再生能源供电。”因此，对于这些建筑，能源消耗被生产的可再生能源所抵消。许多国家和城市已经明确设定了零净建筑的目标，以达到《巴黎协定》设定的最高标准。

研究表明，降低建筑能耗是应对气候变化最具成本效益的方法。zcb也有重要的共同利益，如改善居民和工人的健康和生活质量。

零碳建筑的五个关键组成部分，来自世界绿色建筑理事会

零碳之路

减少建筑运行产生的碳排放有明显的必要性。然而，我们目前没有实现任何显著的同比削减成绩，除非体现了新标准、激励和惩罚的新政策到位，否则我们不太可能实现这一目标。

    为我们的新住房设定零碳目标将是实现真正减排的一个明确而大胆的步骤，许多城市和地区正在朝着这个目标前进。

   检查来自能源性能证书的数据以及来自真实建筑的监测数据，我们可以知道，采用净零排放方法存在三个问题：（1）预测的热能需求和实际能源使用之间存在性能差距；（2）能源需求(冬季供暖)和可再生能源发电(夏季太阳能光伏发电和秋冬风能发电)之间存在季节性差异。这表明需要跨季节储能，这会导致储能损失；（3）通过国家电网可以部署和管理的可再生能源数量是有限的

     由于这些问题，一个名义上的零碳家庭不会有CO2排放，但实际仍会每年排放18公斤CO2/平方米，英国平均68平方米的新家需要28块太阳能电池板才能实现零净运营碳排放，这个需求面积是远远超过其可用的屋顶空间。

      从国家层面推断，这种零碳模式是不可实现的，因为增加电网容量、存储容量以及支持这一模式所需的可再生能源发电的空间和成本是不可实现的。

     相比之下，相同面积的被动房只需要14块太阳能电池板，这大大降低了电网和存储增强的需求，所需的可再生能源发电能力减半即能满足。因此，通过被动式策略优先的方法来减少热能需求是实现零碳家庭的唯一可行方法。

 

      如果这种零碳策略从单个建筑扩展到国家层面，那么如果我们新家的外围节能效率水平提高到被动房的水平，实现净零运营碳建筑环境是可能的。

建筑需要能量来为居住者提供一个可居住的环境，如前表所述。虽然我们可以采取措施提高能源使用效率，但我们永远无法将实际使用量降至零。因此，为了实现零排放，我们需要能够用来自可再生能源的电量来抵消我们的实际能源使用。这似乎使零碳的定义变得简单明了——所有受监管和不受监管的能源都必须由可再生能源来抵消。

    然而，我们使用多少碳也与我们使用什么类型的能源以及这些能源是如何产生的有关。英国的国家战略是通过引入更多可再生能源来实现“脱碳”电网。这已经产生了重大影响，目前0.519千克二氧化碳/千瓦时的电网排放系数将从2020年开始降至0.233千克二氧化碳/千瓦时。这几乎相当于天然气的排放水平（0.21千克二氧化碳/千瓦时）。

与直接用电相比，使用热泵将使供暖和热水的实际耗电量至少减少一半。因此，似乎简单地从燃气转换到热泵来利用电网脱碳本身就能显著减少排放。这是否足以让我们接近零碳？

下图显示了根据建筑法规标准10.0建造的一栋68平方米的房屋的年能源需求明细，该房屋首先使用燃气锅炉进行供暖和热水(当前情况)，然后使用空气源热泵对同一栋房屋应用2020年排放系数。这些要求与16块太阳能电池板的发电量相抵触。

平均新建筑能源需求-现状和从2020年与ASHP

我们说的是碳还是能源

当然，我们的目标必须是减少碳排放，但单纯关注排放而不考虑能效可能会导致不合理的决策。随着与不同能源相关的碳排放因子的变化，建筑产生的碳排放会随着时间而变化。随着供应国家电网的能源的变化，这些可以在长期(几年)或短期(几小时)内变化。所采用的建筑服务类型也对最终排放水平有重大影响，因此在建筑寿命期间，升级和更换各种建筑服务系统将改变与建筑用途相关的碳排放量。因此，准确测量和预测碳使用变得复杂，并且基于几个假设——随着我们展望未来，这些假设变得越来越不可靠。

   相比之下，一栋建筑的能源需求在其整个生命周期中是相对一致的，最显著的变化是由居住习惯和气候造成的。如果建筑的能源需求首先被最小化，那么随后由减少的碳因子产生的排放的减少是一个受欢迎的奖励。出于这些原因，本分析将重点关注作为主要衡量标准的能源使用情况，但在适当的情况下会将其与碳排放联系起来。

新建零碳建筑的设计策略：

  ZCB的关键是所谓的深层能源效率。这是一个整体建筑的方法，设计和建筑，建筑材料，包括保温和窗户，加热与冷却系统，电力和空气交换设备都集成在一起，以减少50%到75%的能源使用，甚至更多。

• 1.利用建筑物的设计来最大限度地利用自然光。
• 2.安装遮阳设施，减少夏季的太阳热量，并在冬季最大限度地利用太阳能。
• 3.在建筑周围创建一个新的高性能气密外围护，在不可能的地方，升级现有的密闭系统。
• 4.增加和改善建筑物墙壁、地板和屋顶的隔热性能。
• 5.减少整个建筑的热桥。
• 6.通过安装三层或真空玻璃，优先考虑朝北和暴露的立面，最大限度地减少通过窗户的热量损失。
• 7.安装一个机械通风热量回收(MVHR)系统，以确保用户舒适，减少热量损失。
• 8.确保所有需要的照明都由发光二极管提供。
• 9.确保所有的灯都由被动红外传感器控制
• 10.将太阳能光伏和太阳能热能安装到合适的立面和朝南的屋顶上。
• 11.利用SMART节能控件。
• 12.拆除燃气锅炉，使用空气或地源热泵加热建筑物。在不可能的地方，安装带有烟气热回收装置的高效锅炉。
• 13.拆下燃气器具，换上电。
• 14.安装智能化显示屏幕，使能源使用可视化，并鼓励居住者改变行为。
• 15.通过选择材料、技术和翻新方式，减少翻新的碳含量。
• 16.翻新现有家具，并确保所有新家具都是高质量的，建造时间超过2036年，并且易于内部维护。
• 17.安装并利用雨水收集。
• 18.安装绿色屋顶或无障碍屋顶花园。
• 19.在住宅建筑中，将建筑设计成公共空间。仅在公共空间提供电视和娱乐，以减少能源需求。
• 20.安装收集动能的健身设备，并利用它为建筑提供动力。
• 21.确保至少一年的高质量使用后评估

建筑翻新设计策略：

针对现有建筑的类似方法被称为“深层能源改造”。在既有住宅中，这种改造可能包括：

• 1.在可能的情况下，利用建筑的设计来最大限度地利用自然光。
• 2.在建筑周围创建一个新的高性能密闭外围护，如果不可能，升级现有的围护体系，同时保持其密闭性。
• 3.增加和改善建筑物的墙壁、地板和屋顶的保温。
• 4.减少整个建筑的热桥。
• 5.通过安装三层、双层或真空玻璃将窗户的热量损失降至最低。可能拆除原来的窗户，然后用二次玻璃进行重建。
• 6.安装机械通风热回收系统(MVHR)。
• 7.确保所有需要的照明都由发光二极管提供。
• 8.确保所有的灯都由被动红外传感器操作
• 9.拆除燃气锅炉，使用地源或空气源热泵加热建筑物。在不可能的地方，安装带有烟气热回收装置的高效锅炉。
• 10.尽可能利用太阳能光伏和太阳能热能。如有必要，藏在外墙后面，以保持建筑的外部美感。
• 11.安装蓄电池。
• 12.利用SMART控件。
• 13.安装可视化智能屏幕，向用户展示能源使用情况，以鼓励行为改变。
• 14.通过选择材料、技术和翻新方式，减少翻新的碳含量。
• 15.翻新现有家具，并确保所有新家具都是高质量的，使用可持续来源的材料建造至2036年，并且易于内部维护。
• 16.安装并利用雨水收集。
• 17.在可能的情况下，建造无障碍的屋顶花园或绿色屋顶。
• 18.在住宅建筑中，将建筑设计成公共空间。仅在公共空间提供电视和娱乐，以减少能源需求。
• 19.确保至少一年的高质量使用后评估。
  
  

纽约市的标志性建筑帝国大厦2009年进行了深度能源改造，减少了近40%的能源使用，每年节省440万美元的能源成本。八个简单的节能措施，精心的协调实施措施，只用了三年的资金回收就能支付翻新费用。

要想在2050年前让所有建筑都实现零净值，就需要大幅增加翻新建筑的数量。根据全球建筑和建设联盟的数据，目前每年只有不到1%的现有建筑进行任何类型的翻新。为了达到2050年的目标，这需要每年至少增加3%。

“建筑是最大的被忽视的气候问题，”斯图尔特说我们需要使用整个系统的思维，让从机械工程师到建筑师到交易人员和建筑居住者的每个人一起工作来解决这个问题。"

框架

零碳建筑框架围绕两种实现零碳的方法制定了定义和原则，这两种方法同等重要:

（1）A/净零碳建筑

• 通过使用补偿或现场可再生能源的净出口，当一个建筑的产品和施工阶段到实际完工的碳排放量为零或负值时。

（2）净零碳——运营能源

• 当每年与建筑运行能源相关的碳排放量为零或负值时。一个净零碳建筑是高能效的，由现场和/或场外可再生能源提供动力，并有任何剩余的碳平衡补偿。

在建筑中追求零碳排放的开发商应设计建筑，使运营能源实现零碳排放，在可能的情况下，这应在每年的使用中实现。建筑和运营能源的净零碳代表了对框架的最大承诺。

碳/净零碳——终身但是还需要进一步的工作来确定这种方法的范围和要求。

• 当一个建筑在其整个生命周期内，包括其处置过程中，与建筑的具体影响和运营影响相关的碳排放量为零或为负值时。
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• 天津信树碳汇科技有限公司零碳建筑创始人翟俊汉:“零碳建筑是世界实现巴黎协议设定的气候目标的解决方案的核心。我们建议我们的所有客户都进行建筑或改造，以达到净零碳标准。"

  零碳建筑的十大基本优势

  • 1.运行成本为零的经济实惠的建筑——超低的生命周期成本
  • 2.气密结构优异
  • 3.集成太阳能光伏屋顶的清洁能源生产和收入
  • 4.多项获奖设计
  • 4.符合ESFA设计和布局规范。
  • 5.负碳排放资产评级
  • 6.出色的隔热性能，最大限度减少热量损失
  • 7.快速施工——在建筑场地上花费的时间非常少
  • 8.最先进的节能供暖和制冷每年运行成本仅为5英镑/平方米
  • 9.能源零运行成本。
  • 10.显著降低维护成本。
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