零碳建筑概念辨析及基于重慶地區(qū)特征的邊界條件研究

王凈怡,楊元華,吳俊楠

(1重慶市建設(shè)技術(shù)發(fā)展中心,重慶 400015;2重慶市建筑節(jié)能中心,重慶 400015)

1 零碳建筑的概念

1.1 零碳建筑的發(fā)展起源

近年來,我國以生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展行動計劃和質(zhì)量提升行動計劃為引領(lǐng),大力推廣建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展,重慶市城鎮(zhèn)新建民用建筑已實現(xiàn)100%執(zhí)行節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn).隨著建筑節(jié)能與綠色建筑技術(shù)、綠色建材的全面發(fā)展,在執(zhí)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,對建筑節(jié)能與綠色建筑又提出了更高的需求,引入了"零碳建筑"、"低碳建筑"、"近零能耗建筑"等概念.

零碳建筑 (Zero Carbon Buildings)的概念最早見于英國,2002年英國建成了全球首個"零碳社區(qū)"和 "零碳屋".美國、德國、瑞典、日本、韓國等國家也都在積極推進(jìn)零碳建筑的研究和發(fā)展,并開始從示范項目走向大規(guī)模市場推廣.在《從數(shù)千到數(shù)十億——2050年實現(xiàn)100%零碳建筑的協(xié)同行動》一書中,世界綠色建筑委員會(World GBC)呼吁通過以下兩個目標(biāo)來實現(xiàn)向完全零碳建筑環(huán)境的轉(zhuǎn)變:一是自2030年起,所有新建建筑必須實現(xiàn)零碳排放;二是截止到2050年,所有的建筑必須在零碳排放條件下運營[1-2].

碳排放引起的全球氣候變化問題一直是世界各國的關(guān)注重點,建設(shè)低碳城市、低碳社會已經(jīng)成為各國應(yīng)對全球氣候變暖的一種世界潮流.然而,零碳建筑在我國的發(fā)展尚處探索階段,其原因主要有兩點:一是標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立,目前尚無國家、地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程對零碳建筑進(jìn)行準(zhǔn)確的定義;二是技術(shù)體系尚未成熟,零碳建筑對建筑節(jié)能與綠色建筑的技術(shù)體系研究、資金投入、相關(guān)產(chǎn)業(yè)配套等要求很高,目前難以大范圍推廣,尚缺乏成熟的技術(shù)路線研究和示范項目成功經(jīng)驗.

1.2 零碳建筑的概念辨析

世界碳排放交易協(xié)會(World GBC)對零碳建筑的定義為:高效節(jié)能的建筑,所有剩余的能耗都由現(xiàn)場,或者場地外的可再生能源提供補(bǔ)償,以實現(xiàn)每年的凈零碳排放.目前,世界范圍內(nèi)尚未對零碳建筑的概念進(jìn)行統(tǒng)一的定義,零碳建筑概念研究多見于發(fā)達(dá)國家,根據(jù)英國社區(qū)及地方政府部(DCLG),零碳建筑最初的定義為:按照一個年度計算,包括采暖、空調(diào)、通風(fēng)、照明、熱水,以及烹調(diào)、洗滌、娛樂等在內(nèi)的所有相關(guān)電器、設(shè)備所使用的能源所帶來的碳排放為零.但是這一定義中零碳建筑的邊界條件過于嚴(yán)格,且造價昂貴,英國也僅在個別試點項目中得以實施,難以大規(guī)模推行.

澳大利亞可持續(xù)建設(shè)環(huán)境委員會 (Australian Sustainable Built Environment Council,ASBEC)提出的零碳建筑"標(biāo)準(zhǔn)定義"是:零碳建筑即為在運行階段中產(chǎn)生的年度凈碳排放量為零的建筑,包括直接碳排放和因用電、采暖等產(chǎn)生的間接碳排放,其中運行階段包括建筑中所有交付使用的熱水器、內(nèi)置灶具、固定照明、共享基礎(chǔ)設(shè)施,以及可再生能源設(shè)備等,同時,ASBEC還針對不同程度的"零碳",提出了5個引申術(shù)語,見表1[3].

表1 澳大利亞ASBEC提出的零碳建筑術(shù)語[3]

為了進(jìn)一步大規(guī)模推廣零碳建筑,2013年挪威零排放建筑研究中心(ZEB)提出,應(yīng)基于決心水平、計算依據(jù)、系統(tǒng)邊界、碳排放因素、能源質(zhì)量、產(chǎn)需比例、最低能效要求、室內(nèi)環(huán)境要求以及使用中驗證等九個要點建立新的零排放建筑定義,并提出四個零碳級別,見表2[4].

可見,世界各國目前對"零碳建筑"的概念尚無統(tǒng)一的定義,各組織對零碳建筑邊界條件的定義也有所不同.但總的來說,零碳建筑是以建筑最終實現(xiàn)零碳排放作為結(jié)果引導(dǎo),以實現(xiàn)零碳排放的過程中以不同的邊界條件來劃分零碳建筑不同的級別或者定義,以階段性目標(biāo)引導(dǎo)為手段,最終實現(xiàn)建筑正在零碳排放的目的.

表2 挪威ZEB的零碳建筑的四個級別[4]

2 重慶地區(qū)可再生能源資源特征

國務(wù)院發(fā)布的《"十三五"節(jié)能減排綜合工作方案》文中提出"推進(jìn)利用太陽能、淺層地?zé)崮堋⒖諝鉄崮?、工業(yè)余熱等解決建筑用能需求".考慮到每個地區(qū)氣候和地理不同,適宜的可再生能源應(yīng)用方式也會有所區(qū)別.重慶地區(qū)是全國太陽能資源最少的地區(qū)之一,同時擁有豐富的地表水資源,應(yīng)根據(jù)其獨特的資源特征采取不同的可再生能源利用方式.

2.1 太陽能

在建筑用能中,太陽能作為最清潔的能源之一,得到了廣泛研究和實際工程中的應(yīng)用,太陽能熱水器、光伏發(fā)電等一系列太陽能產(chǎn)品在實際工程中的廣泛應(yīng)用為實現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)做出了重要的貢獻(xiàn).重慶地區(qū)是典型的太陽能資源貧乏地區(qū),典型年太陽輻射年總量僅為848.3kWh/m2.在重慶市太陽輻射中,直接輻射約占總輻射的38%,散射輻射約占62%,分布總體來說東多西少,夏多冬少.

重慶市太陽能月總輻射量分布如圖1所示,整體呈現(xiàn)出夏季太陽輻射量大,冬季輻射量少的趨勢.7月是太陽輻射最大的月份,總輻射量為133.61 kWh/m2左右,之后太陽能輻射量逐漸下降,到12月份達(dá)到最低輻射量23.18 kWh/m2.

圖1 重慶地區(qū)太陽能月總輻射量分布(數(shù)據(jù)來源:重慶市氣象局)

日照時數(shù)也是太陽能利用的評價標(biāo)準(zhǔn)之一,通常日照時數(shù)是指垂直于太陽光線平面上的輻射強(qiáng)度等于或大于120W/m2的時間長度.重慶素有"霧都"之稱,空氣濕度大,全年霧氣、云層較多,阻擋了大量太陽輻射到達(dá)地面,是全國平均日照最少的地方之一,年平均日照時數(shù)僅為1154.5h,日平均日照時數(shù)為3.2h,相對日照為26%,年平均晴天為24.7d,陰天達(dá)244.6d,日照時數(shù)在春末、夏季和秋初時長較長,在秋末、冬季和春初時較短.若利用太陽能進(jìn)行光熱或光電轉(zhuǎn)換,則最好是在夏季,其次是春秋季節(jié)才能獲取較高的利用價值.

重慶主城地區(qū)全年太陽輻射量和日照時數(shù)分布極不均勻,整體輻射量較少,日照時數(shù)較短,屬于太陽能貧乏地區(qū),可利用程度較低,不適宜大規(guī)模應(yīng)用.

2.2 淺層地?zé)崮?/h3>

(1)地表水資源

地表水資源的利用通常以水源熱泵的形式得以利用.重慶擁有長江、嘉陵江和烏江三大水系及為數(shù)眾多的湖泊、水庫,擁有豐富的地表水資源.江水平均溫度在夏季為22~25℃,在冬季為12~16℃,水溫日變化幅度不超過0.5℃,且具有水量充沛、水文紀(jì)錄完整的特點.重慶已經(jīng)在長江、嘉陵江、烏江等河流有著多個成功應(yīng)用水源熱泵的示范項目,江北嘴CBD建成了400萬㎡國內(nèi)最大江水源區(qū)域集中供冷供熱項目.

(2)土壤能資源

土壤源熱泵系統(tǒng)具有高效節(jié)能的特性,并在重慶地區(qū)得到了成功的推廣和應(yīng)用.土壤的導(dǎo)熱特性習(xí)慣對土壤源熱泵系統(tǒng)的性能影響很大,直接影響系統(tǒng)地埋管換熱器的換熱效果,重慶土壤源導(dǎo)熱系數(shù)多在1.68~2.44W/(m.K)之間,土壤初始溫度在18.8~19.5℃之間,地埋管換熱效果好,適合推廣應(yīng)用.

土壤源熱泵分散式系統(tǒng)需要占用較大的面積,適用于低密度建筑.

2.3 空氣熱能

空氣熱能用于供熱(供暖和生活熱水)主要依靠空氣源熱泵.其基本原理是依靠消耗部分電能,通過熱力循環(huán),將空氣中難以直接利用的低品位熱能(空氣)提升為可利用的高品位熱能,近年來北方地區(qū)"煤改清潔能源"行動及長江流域冬季供熱等涉及供熱的重大國際民生問題都將空氣源熱泵作為重要的技術(shù)途徑之一.

重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會發(fā)布的 《可再生能源建筑應(yīng)用不利條件專項論證審查要點》中,將空氣源熱泵與地表水水源熱泵、地埋管地源熱泵、熱泵熱水機(jī)和太陽能光伏一起列為了單體建筑面積大于50000m2(含)且采用集中空調(diào)系統(tǒng)的高能耗公共建筑應(yīng)采用的可再生能源建筑應(yīng)用認(rèn)定類型.

3 重慶地區(qū)零碳建筑的邊界條件

要辨析零碳建筑的概念,最重要的是明確零碳建筑的邊界條件.國內(nèi)對零碳建筑的研究尚在初步階段,對邊界條件目前尚無統(tǒng)一的定義,本文將從建筑碳排放生命周期、考察周期、物理邊界和減排要求四個維度出發(fā),基于重慶市執(zhí)行的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和可再生能源明確零碳建筑的邊界條件.

3.1 碳排放生命周期

在辨析零碳建筑的定義時,最常見的辯論就是 "運營零碳"和"全生命周期零碳"的區(qū)別.運營碳排放是指建筑在運營投入使用階段中產(chǎn)生的碳排放,而嚴(yán)格的全生命周期碳排放包括建筑的原料生產(chǎn)、加工、運輸、使用和銷毀的全生命周期的碳排放.

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)在2010年發(fā)布了常見碳排放指標(biāo),構(gòu)件了建筑全生命周期碳排放概念分解,如表3所示.

表3 聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)建筑全生命周期碳排放概念

全生命周期排放量=隱含碳排放+建筑碳排放+用戶碳排放+裝修碳排放+銷毀碳排放量.

從建筑碳減排的根本目的考慮,零碳建筑的最終目標(biāo)應(yīng)為建筑的全生命周期內(nèi)碳排放為零,但全生命周期的概念中存在兩大問題:一是全生命周期各個階段的碳排放量目前沒有統(tǒng)一、科學(xué)的計算方法和評估標(biāo)準(zhǔn);二是在當(dāng)前技術(shù)條件下,實現(xiàn)全生命周期范疇內(nèi)的絕對"零碳"并不容易,不具備推廣性.因此,零碳建筑更多的是指"運營零碳".

根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)的定義,運營碳排放包含建筑碳排放、用戶碳排放和裝修碳排放.其中裝修碳排放、用戶碳排放主要受用戶行為影響,不確定性較大,且難以準(zhǔn)確測算其碳排放量.因此,在國內(nèi)和眾多國外的零碳建筑研究中,運營碳排放主要是指建筑碳排放.建筑碳排放涉及暖通空調(diào)系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和其他用能設(shè)備系統(tǒng)(電梯、水泵等),而不包含與用戶使用相關(guān)的插座系統(tǒng),如表4所示.

表4 零碳建筑運營碳排放分類

在重慶市《公共建筑節(jié)能(綠色建筑)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》DBJ 50-052-2016、《居住建筑節(jié)能65%(綠色建筑)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》DBJ 50-071-2016和 《居住建筑節(jié)能50%設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》DBJ 50-102-2010中,重慶市建筑節(jié)能領(lǐng)域用于判斷建筑能耗的范圍為供熱、供冷、通風(fēng)、照明和動力的能耗[5-7],同時考慮到插座等與用戶相關(guān)的能耗具有較大的不可控性,本文采用運營階段建筑碳排放作為零碳建筑的碳排放生命周期.

3.2 考察周期

雖然目前世界各國家各組織對零碳建筑的定義尚未統(tǒng)一,但考察周期都一致以年度為單位,因此,本文采用一年作為零碳建筑的考察周期.

3.3 物理邊界

建筑物理邊界的劃分主要影響建筑物消耗的可再生能源的來源.通常將建筑的物理邊界劃分為 "場地內(nèi)"(on-site)和"場地外"(off-site),物理邊界用于確定某項可再生能源是在"場地內(nèi)"還是"場地外",如建筑自身的光伏發(fā)電、地緣熱泵、利用清潔能源的電網(wǎng)的電力.

根據(jù)Marszal等對建筑可再生能源的物理劃分,建筑可再生能源根據(jù)其物理劃分可分為五類,如表5所示[8].

表5 可再生能源劃分[8]

場地內(nèi)的可再生能源相對比較明確,納入物理邊界易于理解,符合建筑建造管理程序.但僅考慮場地內(nèi)的可再生能源存在限制零碳建筑發(fā)展的可能性.重慶市淺層地?zé)崮茇S富,在發(fā)展以水源熱泵技術(shù)為主的可再生能源區(qū)域集中供冷供熱系統(tǒng)方面具有很好的條件,今年來積極推動區(qū)域可再生能源供冷供熱,包括采用可再生能源利用的冷熱源站、燃?xì)饫錈犭娐?lián)供冷熱源站和工業(yè)余熱利用冷熱源站,先后建立了江北嘴CBD區(qū)域國內(nèi)最大的江水源熱泵集中供冷供熱項目,為江北城CBD區(qū)域內(nèi)400萬m2的公共建筑空調(diào)系統(tǒng)提供冷熱源,重慶市CBD總部經(jīng)濟(jì)區(qū)集中供熱供冷項目,利用長江水資源和天然氣資源,采用天然氣冷、熱、電三聯(lián)供技術(shù)和江水源熱泵技術(shù),建設(shè)區(qū)域能源站,對彈子石CBD總部經(jīng)濟(jì)區(qū)80萬m2建筑進(jìn)行集中供冷供熱.允許計入場地外的可再生能源可以使零碳建筑在推廣過程中,鼓勵發(fā)展清潔能源,為未來產(chǎn)能建筑的發(fā)展提供機(jī)會.

對建筑物來說,以單棟建筑還是建筑群(小區(qū))作為計算對象,對能耗平衡的計算有著較大的影響.以"建筑群"作為物理邊界時,受建筑群區(qū)域大小、建筑性質(zhì)、不同類型建筑比例影響,用能特性有很高的不確定性,很難準(zhǔn)確計算一個建筑群的負(fù)荷需求.因此,以單棟建筑作為建筑碳排放計算研究對象更為科學(xué)合理.

本文在零碳建筑的物理邊界劃分上將以單棟建筑作為研究對象,該單棟建筑紅線作為其物理邊界,同時考慮場地內(nèi)和場地外的可再生能源.

3.4 碳排放指標(biāo)

盡管不同國家、地區(qū)對零碳建筑的生命周期、系統(tǒng)邊界的劃分上存在一定的分歧,但在技術(shù)指標(biāo)上一致都采取了以"零碳"作為標(biāo)準(zhǔn),即建筑綜合碳排放為零.綜合碳排放是指建筑向外界環(huán)境排放的CO2量,在滿足一定舒適度和不較大改變現(xiàn)有的生活習(xí)慣的條件下,絕對的"零碳排放"是不現(xiàn)實的,因此,我們可以通過降低建筑碳排放的同時,利用可再生能源或增加自然碳匯等措施來補(bǔ)償壽命周期內(nèi)的排放,從而實現(xiàn)建筑綜合碳排放為零.

本文以運營周期內(nèi)單棟建筑一年內(nèi)產(chǎn)生的建筑碳排放,小于或等于由建筑場地內(nèi)的可再生能源、自然碳匯以及獲得權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可通過外部輸入的可再生能源所補(bǔ)償?shù)奶寂欧诺目偤?實現(xiàn)綜合碳排放為零,作為零碳建筑的技術(shù)指標(biāo)要求.

4 結(jié)語

終上所述,零碳建筑在國內(nèi)的研究尚屬于探索階段,對其概念的辨析和邊界條件的確定將會為零碳建筑的推廣以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、政策制定提供重要的基礎(chǔ)理論研究支撐.基于重慶地區(qū)資源特征和建筑碳排放特性、資源特征,適合重慶地區(qū)的零碳建筑應(yīng)以運營周期內(nèi)單棟建筑一年內(nèi)產(chǎn)生的建筑碳排放,小于或等于由建筑場地內(nèi)的可再生能源、自然碳匯以及獲得權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可通過外部輸入的可再生能源所補(bǔ)償?shù)奶寂欧诺目偤?實現(xiàn)綜合碳排放為零.