凈零碳設(shè)計——韓國三星“綠色明天”

文森特·成 伍尚鈞 梁偉豪 / Vincent Cheng, Trevor Ng, Wai-ho Leung 譯_彭偉洲 / Translated by PENG Weizhou

1 “凈零碳”定義

凈零碳建筑策略僅關(guān)注建筑的能源消耗問題。這些策略可以被寬泛地分為以下5個類別（UKGBC 2007①）：

（1）建筑的能源消耗完全自給自足。建筑所有的能耗需求都可以通過實地生成的可再生能源得到滿足；

（2）建筑連接到當?shù)仉娋W(wǎng)。在一年時間內(nèi)建筑實地產(chǎn)生的可再生能源能夠抵消從電網(wǎng)消耗的電能；

（3）建筑就近連接到當?shù)氐牡吞蓟蛄闾嫉碾娏┙o；

（4）建筑連接到遠處的低碳或零碳的電力供給；

（5）建筑的碳排放量通過從碳排放交易市場購得的碳排放額度來抵消。

經(jīng)過多年的實踐，奧雅納工程顧問基于以上有關(guān)“凈零碳”的定義，根據(jù)不同的建筑類別建立了一整套減排策略的框架并將其運用在建筑上：

（1）建筑能夠完全自給自足。建筑所有的能源需求都由實地產(chǎn)生的低碳或零碳排放的能源來滿足；

（2）建筑連接到當?shù)仉娋W(wǎng)。實地生成的可再生能源能夠部分抵消建筑從電網(wǎng)中消耗的電能；

（3）建筑就近從當?shù)氐牡吞蓟蛄闾嫉碾娏?yīng)中獲取部分能源；

（4）建筑從遠處的低碳或零碳的電力供應(yīng)中獲取其部分能源；

（5）建筑的部分碳排放通過從碳排放交易市場購得的碳排放額度進行抵消。

以上并非嚴格的定義，而是作為一個框架來幫助對不同減排方案相對的優(yōu)點和效果進行認識。通常來說，屬于類別1的建筑要優(yōu)于類別5的建筑。

2 實現(xiàn)凈零碳的策略

以凈零碳排放為目標的漸進式能源管理概念主要包括以下4個策略：

（1）減少需求——減少建筑設(shè)備的使用并降低設(shè)備能耗，比如采用高效節(jié)能的電器，減少小型電器的數(shù)量等；

（2）需求控制——通過與建筑結(jié)合的設(shè)計手段來采用被動式設(shè)計策略以降低能耗，包括高性能的建筑立面、氣密性、外部遮陽措施、建筑朝向等；

（3）能源的高效使用——在機電系統(tǒng)的設(shè)計中采用主動式的節(jié)能系統(tǒng)，包括采用高效系統(tǒng)，熱回收，采光控制等；

（4）可再生能源——通過實地利用可再生能源來滿足建筑余下的能源需求，包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)和光熱系統(tǒng)等。

3 凈零碳策略在“綠色明天”中的應(yīng)用

名為“綠色明天”的零能耗建筑是韓國的一個可持續(xù)設(shè)計示范項目。該項目位于韓國龍仁市（Yongin，Korea），場地面積為2 456m2，主要由2個建筑組成——零能耗樓（Zero Energy House，簡稱ZEH樓，建筑面積423m2）和公共關(guān)系樓（Public Relation Pavilion，簡稱PR樓，建筑面積298m2）。零能耗樓是一座以建筑零能耗為目標的設(shè)計展示樓，公共關(guān)系樓則包括對外接待區(qū)和展覽及建筑管理人員的工作區(qū)（圖1～5）。

圖2 “綠色明天”周邊環(huán)境1

圖1 “綠色明天”實景（左：公共關(guān)系樓；右：零能耗樓）

圖3 “綠色明天”周邊環(huán)境2

圖4 零能耗樓

3.1 主要的可持續(xù)設(shè)計策略

該項目的建筑運用了在零碳定義的基礎(chǔ)上發(fā)展的“碳中和框架”中的策略——“建筑連接到當?shù)仉娋W(wǎng)。場地生成的可再生能源能夠部分抵消建筑從電網(wǎng)中消耗的電能”。當產(chǎn)生的可再生能源超過零能耗樓的能源需求時，多余能源就被儲存在電池中留做將來用。當產(chǎn)生的電能超過電池的儲存能力時，超出的部分就被用于抵消公共關(guān)系樓內(nèi)的電力消耗，以在一年中達到零能耗和零碳排放的目標。

“綠色明天”零能耗樓除了電力需求外沒有其他的能源需求（建筑不需要使用其他的燃料，如生物質(zhì)、煤炭或天然氣等）。電能則是由可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生（太陽能光電系統(tǒng)和光熱系統(tǒng)）。

該項目采用了基于能源管理概念的多個節(jié)能策略（表1、圖6）。

圖5 “綠色明天”夜景環(huán)境

表1 能源管理概念與節(jié)能策略

圖6 “綠色明天”節(jié)能策略示意

圖7 室內(nèi)吊頂

圖8 室內(nèi)吊頂

3.2 零碳設(shè)計的驗證

計算機能源模擬被用來評估零能耗樓的全年能耗和碳排放（圖9）。

（1）模擬工具——能源模型

能源模擬由計算機軟件eQUEST 3.61來進行，該軟件是一個能夠生成專業(yè)結(jié)果的復(fù)雜的建筑能源使用分析工具。eQUEST運用復(fù)雜的建筑能源使用模擬技術(shù)讓使用者能夠?qū)ㄖO(shè)計和技術(shù)進行詳細的比較分析。為了比較采用被動式策略、主動式節(jié)能系統(tǒng)和可再生能源的全年能耗情況，兩個eQUEST模型得到了建立和比較，一個是基于ASHRAE②標準90.1設(shè)計的基準模型，另一個則是本項目所采用的設(shè)計方案。

（2）模型參數(shù)

根據(jù)初步建筑設(shè)計和獲得的機電系統(tǒng)參數(shù)，能源模型按照項目的各個特征建立，并在一些類別中采用了ASHRAE標準。

3.3 結(jié)果對比

圖10顯示了該建筑采用被動式策略、主動式系統(tǒng)和可再生能源所達到的全年節(jié)能效果。

能源成本的節(jié)約主要來自以下4個方面：采暖能耗的減少——包括采暖、輔助加熱和熱泵輔助熱源；照明能耗的減少；風扇能耗的減少；可再生能源的利用（光伏發(fā)電系統(tǒng)）。

3.3.1采暖節(jié)能

設(shè)計方案在采暖方面顯著地節(jié)約能源的主要原因包括：基準模型中大部分的采暖期都采用電采暖，導(dǎo)致系統(tǒng)性能系數(shù)較低；建筑圍護結(jié)構(gòu)（外窗和外墻）采用極好的保溫措施（U值）；建筑圍護結(jié)構(gòu)具有較低的空氣滲透率（良好的氣密性）；采用地源熱泵，而不是組裝式屋頂熱泵；熱回收系統(tǒng)的采用。

根據(jù) ASHRAE 90.1的表格 G3.1.1A（ASHRAE，2004），基準方案的暖通空調(diào)系統(tǒng)是系統(tǒng)4，也就是具有風扇控制的定風量的組裝式屋頂熱泵。

條文G3.1.3.1的補充說明指出“電動空氣源熱泵應(yīng)配備電力輔助加熱進行模擬。系統(tǒng)應(yīng)由多級控制的恒溫器進行控制并連接室外空氣恒溫器，在達到最后一級恒溫控制或室外氣溫低于4℃時啟動‘輔助加熱’”。項目場地龍仁市所處的氣候區(qū)被歸為4A類（混合—潮濕）。根據(jù)從EnergyPlus能耗模擬結(jié)果分離出來的地方氣候數(shù)據(jù)，基準模型在4℃以下需要進行電采暖的時期很長（超過總運行時間的45%）。因此，“熱泵輔助（包含輔助加熱）”就會被啟動以提供額外的電采暖，并以較低的采暖效率進行運作（電采暖的系統(tǒng)性能系數(shù)較低）。與設(shè)計方案（采用地源熱泵）相比，基準模型的能耗中“熱泵輔助”和“采暖”的比例較高。

再者，由于“綠色明天”項目的室內(nèi)空間靠近建筑的圍護結(jié)構(gòu)，大部分的室內(nèi)區(qū)域都被歸類為周邊區(qū)域。因此，暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要是受到室外環(huán)境的顯著影響。高性能的建筑立面、良好的氣密性和厚保溫層的運用可以節(jié)約建筑的暖通空調(diào)特別是采暖所消耗的能源。

在設(shè)計方案模型中，很多節(jié)能策略被應(yīng)用到該項目中。

（1）外墻、屋頂和地坪構(gòu)造的傳熱系數(shù)大大低于基準模型的值，其中零能耗樓的U值比基準模型高7倍，而公共關(guān)系樓的U值則比基準模型高2.5倍。

根據(jù)傳熱方程式：傳熱量=UA（ΔT）

其中U=傳熱系數(shù)，A=傳熱面積（圍護結(jié)構(gòu)面積），ΔT=室內(nèi)外溫差

（2）在冬季，韓國的室外氣溫約為0～13℃，而采暖的設(shè)計室內(nèi)氣溫為20℃。在室內(nèi)外溫差巨大的情況下，建筑圍護結(jié)構(gòu)的U值在冬季減少熱損失而夏季減少得熱方面就起到非常巨大的作用。

（3）零能耗樓的空氣滲透率保持在1m3/h/m2圍護結(jié)構(gòu)面積，這是比較優(yōu)良的（基準模型的滲透率為2L/s/m2）。建筑圍護結(jié)構(gòu)具有較低的空氣滲透率（即氣密性良好）可以使建筑形成“封閉區(qū)域”，把照明和設(shè)備產(chǎn)生的大部分內(nèi)部得熱保留住。因此，大部分的采暖需求可以通過內(nèi)部負荷得到滿足，降低了地源熱泵的運行和負荷，從而大大減少采暖能耗。

（4）零能耗樓安裝了性能很高的窗戶，包括采用PVC（Polyvinyl Chloride，聚氯乙烯）窗框的三層玻璃窗和鋁合金窗框的雙層玻璃窗。三層和雙層玻璃窗的綜合U值僅為0.85W/m2K，這比模擬使用的基準模型大大提高了性能?？紤]到導(dǎo)熱傳熱，較低的窗扇U值可以在夏季降低空調(diào)的熱損失，而在冬季則避免圍護結(jié)構(gòu)的得熱。

（5）暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中采用了地源熱泵系統(tǒng)。它具有比典型的空氣對空氣熱泵更高的COP（Coefficient of Performance，制熱能效比）值。再者，地源熱泵系統(tǒng)無需提供“輔助加熱”，而在采用電動熱泵的基準模型中，這一部分耗費了大量的能源。

（6）建筑安裝了熱回收設(shè)備。熱交換器焓輪通過捕獲和回收余熱來預(yù)熱/預(yù)冷空氣處理機中的新風。通過回收余熱所節(jié)約的能源可能會因風扇壓降而消除，因此需要安裝旁路系統(tǒng)。

3.3.2照明節(jié)能

照明系統(tǒng)中采用了以下兩個主要的設(shè)計策略：較低的照明功率密度和自然采光的利用。

設(shè)計方案的照明功率密度比基準模型大大降低，從而減少了建筑正常運行情況下的能耗。另外，項目的兩個建筑中都應(yīng)用了自然采光策略。所有使用空間中都安裝了帶有日光傳感器的可調(diào)節(jié)和可進行開關(guān)控制的照明設(shè)備。通過建立采光模擬模型RADIANCE，對采光策略的節(jié)能效果進行評估。模擬結(jié)果顯示超過60%的照明系統(tǒng)運行時間可以得到減少并由自然采光代替。

3.3.3 風扇節(jié)能

該項目的風扇節(jié)能主要源于兩方面：“地板輻射采暖”和“冷吊頂”的采用不存在風扇能耗；采暖和制冷負荷的降低減少了暖通空調(diào)系統(tǒng)的風扇能耗。

圖9 零能耗樓的計算機模型

圖10 采用被動式策略、主動式系統(tǒng)和可再生能源的全年節(jié)能情況

表2 設(shè)計方案中零能耗樓和公共關(guān)系樓各自的暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行時間

零能耗樓的暖通空調(diào)設(shè)計在制冷方面采用吊頂式的風機盤管機組，在采暖方面則采用地板輻射系統(tǒng)。公共關(guān)系樓則采用冷吊頂系統(tǒng)用于制冷和地板送風空調(diào)系統(tǒng)用于采暖。

表2 設(shè)計方案中零能耗樓和公共關(guān)系樓各自的暖通空調(diào)系統(tǒng)的運行時間和基準模型的全空氣系統(tǒng)相比，該項目方案結(jié)合了“地板輻射采暖”和“冷吊頂”來為零能耗樓和公共關(guān)系樓提供采暖和制冷負荷。

零能耗樓采用了地板輻射采暖。輻射采暖系統(tǒng)通過泵系統(tǒng)驅(qū)動熱水在管網(wǎng)中的循環(huán)來為建筑供暖。方案模型的風扇能耗和全空氣系統(tǒng)相比得到降低，但是泵的能耗卻因為管網(wǎng)（輻射）的水循環(huán)而增加。從表2可以看出，零能耗樓超過55%的暖通空調(diào)運行期均運行沒有風扇能耗的輻射采暖系統(tǒng)。

通過采用冷吊頂系統(tǒng)，公共關(guān)系樓中也結(jié)合了類似的節(jié)能理念。由于通過輻射和對流換熱，無需風道系統(tǒng)，和全空氣式暖通空調(diào)系統(tǒng)相比，公共關(guān)系樓具有更高的環(huán)境舒適度和較低的風扇能耗。

盡管“綠色明天”項目設(shè)計方案節(jié)約了少量的風扇能耗，但是和基準模型相比，則產(chǎn)生了更多的泵的能耗（和基準模型相比每年額外產(chǎn)生3 840kWh的泵能耗）。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了零碳設(shè)計的概念和以建筑凈零碳排放為目標的可持續(xù)設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用。減少和控制能源需求，能源的有效使用和清潔可再生能源的利用是降低能耗達成凈零碳排放目標的最重要也是最有效的手段。通過對“綠色明天”項目的評估，驗證了一些可持續(xù)理念在達成建筑的零能耗和零碳排放方面的有效性。

在建筑的總體能耗中，和基準模型相比采暖節(jié)能策略所節(jié)約的能源是最顯著的。這是由于（1）建筑圍護結(jié)構(gòu)極好的保溫（U值）；（2）建筑圍護結(jié)構(gòu)較低的空氣滲透率（良好氣密性）；（3）采用地源熱泵，而不是組裝式屋頂熱泵；（4）熱回收系統(tǒng)的運用。在減少建筑能耗方面這些策略被證明是十分有效的。其他有效的節(jié)能策略，包括照明節(jié)能和風扇節(jié)能，也對總體的主動式和被動式節(jié)能做出貢獻。

注釋

① 該分類基于英國綠色建筑委員會《關(guān)于新建非住宅建筑減少碳排放的報告》，2007年12月。

② American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.，美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會。

[1] ASHRAE. ASHRAE90.1-2004《除低層住宅建筑外的建筑物的能源標準》[S]，2004.

[2] 英國綠色建筑委員會（UK-GBC）.《關(guān)于新建非住宅建筑減少碳排放的報告》[C]，2007.

[3] 美國能源部（Department of Energy，DOE） EnergyPlus能耗模擬軟件[CP/OL].http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus.

[4] 美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）.Radiance采光模擬軟件[CP/OL].http://radsite.lbl.gov/radiance.

[5] 美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL），J.J.Hirsch，Associates.eQuest能源模擬軟件[CP/OL].http://www.doe2.com/equest.