1. 引言

能源是社會發(fā)展的基礎(chǔ)，是建立可持續(xù)發(fā)展社會的保障。當(dāng)前我國嚴峻的能源形勢與城市建筑能耗的快速增長密切相關(guān)。近年來，中國新增建筑面積約占全球建筑面積年增長量的三分之一，建筑能耗總量呈逐年上升趨勢。2023年，中國建筑業(yè)碳排放量約為23億噸，約占中國碳排放總量的18.25%。該行業(yè)仍然是中國碳排放的重要貢獻者，反映了中國對建筑材料和建筑活動的高能源需求。

隨著中國提出“力爭 2030 年前達到碳峰值、爭取 2060 年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標，建筑領(lǐng)域面臨著能源與環(huán)境的雙重壓力，迫切需要轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的建筑能源供給方式，推動城市和建筑低碳技術(shù)的系統(tǒng)升級，實現(xiàn)建筑能源的綠色化、低碳化。

為推動中國“碳達峰，碳中和”工作，中國政府發(fā)布的一系列政策文件，要求加快推動建筑用能電氣化和低碳化，支持利用太陽能、地?zé)崮艿冉ㄔO(shè)可再生能源建筑供能系統(tǒng)，在具備條件的地區(qū)推進供熱計量改革和供熱設(shè)施智能化建設(shè)，鼓勵建設(shè)綠色用能產(chǎn)業(yè)園區(qū)和企業(yè)，發(fā)展工業(yè)綠色微電網(wǎng)，支持在自有場所開發(fā)利用清潔低碳能源。

本研究旨在通過開發(fā)多系統(tǒng)集成的智能解決方案，結(jié)合材料科學(xué)、建筑學(xué)、暖通空調(diào)和計算機科學(xué)來實現(xiàn)零碳建筑。研究重點整合了多功能圍護結(jié)構(gòu)、PEDF 技術(shù)和區(qū)域能源站等技術(shù)。這種綜合方法被應(yīng)用于三亞市崖州灣的一個零碳建筑項目，精確的碳排放計算驗證了其有效性。結(jié)果表明，該解決方案將支持建筑的零碳運營，這與研究的核心目標一致。

2. 發(fā)展概況

零碳建筑的起源可追溯到20世紀70年代的能源危機時期。當(dāng)時，能源價格飆升和供應(yīng)不穩(wěn)定性促使人們開始關(guān)注建筑的能效問題。這一時期的零碳建筑主要以美國的被動式太陽能住宅和歐洲的低能耗建筑為主。主要集中在通過優(yōu)化設(shè)計和施工技術(shù)來降低能耗和碳排放。例如，Kang Y等提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的綜合PSO-SVM-NSGA-III方法，該方法有助于優(yōu)化被動設(shè)計參數(shù)以實現(xiàn)零碳建筑。Ansah M K 等提出了一種考慮成本效益的低碳建筑參數(shù)化設(shè)計優(yōu)化方法，并探討了混雜因素對實現(xiàn)低碳設(shè)計的影響。在此階段，設(shè)計優(yōu)化主要涉及被動式設(shè)計策略，包括建筑的朝向、自然通風(fēng)和日光利用等，以最大程度減少對供暖、制冷和人工照明的需求。

隨著可再生能源技術(shù)的進步，太陽能和風(fēng)能等逐漸被整合到建筑系統(tǒng)中，推動了零碳目標的實現(xiàn)。例如，光伏發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用不僅為建筑提供了清潔能源，還降低了對傳統(tǒng)化石燃料的依賴。此外，風(fēng)能和地?zé)崮艿绕渌稍偕茉醇夹g(shù)也逐漸被應(yīng)用于建筑中，以進一步減少碳排放。Deymi-Dashtebayaz M等從能源、運動、經(jīng)濟和環(huán)境方法建立了一個創(chuàng)新的多代太陽能-風(fēng)能系統(tǒng)的動態(tài)模型，該模型被集成到俄羅斯圣彼得堡的一座近零能耗建筑中，目的是覆蓋該建筑每小時的制冷、供暖和電力負荷。

進入二十一世紀，零碳建筑的標準和認證體系如LEED（Leadership in Energy and Environmental Design）和BREEAM（Building Research Establishment Environmental Assessment Method）顯著提升了行業(yè)規(guī)范和實踐水平。這些認證體系通過制定嚴格的評估標準，鼓勵建筑項目在設(shè)計、施工和運營階段采用可持續(xù)發(fā)展的最佳實踐方法。此外，政府的激勵政策和法規(guī)也在全球范圍內(nèi)促進了零碳建筑的發(fā)展。許多國家和地區(qū)通過稅收優(yōu)惠、財政補貼和技術(shù)支持等措施，鼓勵開發(fā)商和建筑業(yè)主采用零碳建筑技術(shù)。例如，中國的綠色建筑行動計劃和歐盟的《氣候與能源框架》都為零碳建筑的發(fā)展提供了強有力的政策支持。近年來，伴隨著人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)的進步，通過智能建筑管理系統(tǒng)完成對建筑能源的實時監(jiān)控和優(yōu)化，將顯著提升建筑的運行能效，實現(xiàn)建筑的節(jié)能減碳，進一步推動零碳建筑的普及和可持續(xù)性發(fā)展。Haidar N等建立了一種新的依賴于消費者的能源管理系統(tǒng)，以降低智能建筑的成本和碳影響。Yu L等總結(jié)了深度學(xué)習(xí)算法在智能建筑能源管理中的應(yīng)用，并指出了未來建筑能源管理領(lǐng)域可能的研究方向。

PEDF 系統(tǒng)是一種融合多種技術(shù)的能源解決方案，旨在實現(xiàn)能源高效利用和減少碳排放。PEDF 系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，特別是在零碳建筑中。Kong Y、Zhao Z 和 Zhang Z 等以雄安新區(qū)的一座公共建筑為例，設(shè)計了 PEDF 系統(tǒng)，以實現(xiàn)建筑的節(jié)能減碳。Mao T 和Xu J介紹了 PEDF 建筑光伏系統(tǒng)的重要評價指標，并以一個真實項目為例，介紹了 PEDF 建筑光伏系統(tǒng)的選型、配置、模型構(gòu)建、系統(tǒng)仿真等整個設(shè)計過程。

綜合能源站通過整合多種能源資源，可提高能源效率、減少碳排放，為零碳建筑提供強有力的能源支持。它們是實現(xiàn)建筑碳中和的關(guān)鍵技術(shù)之一 。Dou Z等人從規(guī)劃、設(shè)計和運營等多個角度概述了綜合能源站技術(shù)。Xu X等提出了一種基于三步規(guī)劃方法的綜合能源規(guī)劃方案，目標是實現(xiàn)近零碳排放示范區(qū)。

從上述討論來看，實現(xiàn)零碳建筑需要多種方法，包括建筑材料的選擇和能源供應(yīng)解決方案的設(shè)計。這是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。如何開發(fā)出普遍適用且可推廣的零碳建筑多系統(tǒng)集成解決方案，成為目前制約零碳建筑大規(guī)模建設(shè)和推廣的主要問題之一。

3. 零碳建筑的多系統(tǒng)集成功能架構(gòu)

基于以上分析，研究團隊進行了大量的研究工作。重點討論了零碳建筑定量機理研究中的關(guān)鍵問題和對策，以及零碳建筑中能源利用、節(jié)約和生產(chǎn)的理論框架。通過這些研究，本文提出了零碳建筑的多系統(tǒng)集成功能架構(gòu)，如圖 1 所示。

圖 1.零碳建筑的多系統(tǒng)集成功能架構(gòu)。

為實現(xiàn)建筑物運行期間碳排放接近于零的目標，可以通過多功能圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，PEDF系統(tǒng)，區(qū)域能源站系統(tǒng)共同實現(xiàn)。

其中，多功能圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用碳礦化水泥基圍護材料、相變儲能墻、輻射冷卻材料、多功能光伏發(fā)電材料等技術(shù)實現(xiàn)碳礦化水泥基外殼材料可以提高能源效率和耐用性，同時通過利用礦化和回收成分來減少建筑物的碳足跡。相變儲能墻采用相變材料 （PCM） 來儲存和釋放熱量，穩(wěn)定室內(nèi)溫度并減少加熱和冷卻的能源使用。輻射冷卻材料通過以紅外輻射的形式發(fā)射熱量來被動冷卻建筑物，從而減少對空調(diào)的需求。多功能光伏發(fā)電材料利用太陽光發(fā)電，同時提供隔熱或遮陽功能，支持能源效率的提升和可再生能源發(fā)電。

PEDF 系統(tǒng)包含光伏發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)、直流電技術(shù)、柔性交互技術(shù)。PEDF 系統(tǒng)的組件直接相互作用，以優(yōu)化建筑物的能源效率。光伏 （PV） 板發(fā)電，可立即使用或由儲能系統(tǒng)儲存以備后用。直流電 （DC） 技術(shù)通過避免 AC/DC 轉(zhuǎn)換來最大限度地減少能量損失，從而提高能量流的整體效率。靈活性組件動態(tài)調(diào)整能源消耗和生產(chǎn)，響應(yīng)供需波動，從而確保穩(wěn)定高效的能源管理，這對于實現(xiàn)建筑的零碳運營至關(guān)重要。

能源站系統(tǒng)集成了多種可再生和高效的能源技術(shù)，它通常包括水源熱泵、地源熱泵或空氣源熱泵，用于傳遞熱能以進行對建筑物的加熱和冷卻。熱交換系統(tǒng)優(yōu)化了不同能源之間的能量傳輸，而多能互補系統(tǒng)則確保了各種能源的平衡供應(yīng)。此外，熱存儲技術(shù)可以將剩余能源儲存起來以備后用，從而提高整體效率，并確保零碳建筑運營中持續(xù)、可靠的能源供應(yīng)。

本研究根據(jù)能源生產(chǎn)、節(jié)能和能源利用對零碳建筑的各種功能系統(tǒng)進行了分類。所有系統(tǒng)均具有節(jié)能功能。

4. 零碳建筑的關(guān)鍵技術(shù)

4.1. 多功能圍護結(jié)構(gòu)

零碳建筑MES是指將多種材料融為一體，實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、提高居住舒適度的建筑圍護結(jié)構(gòu)。本研究將碳礦化水泥基圍護材料、相變儲能墻體、輻射冷卻材料和多功能光伏發(fā)電材料四項技術(shù)整合到零碳建筑的圍護結(jié)構(gòu)中，體現(xiàn)了建筑設(shè)計的整體方法。每項技術(shù)都具有多種功能，以互補的方式為能源效率、熱舒適度和碳減排做出貢獻。本研究還設(shè)計了零碳建筑的屋頂結(jié)構(gòu)和墻體結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。

圖 2.零碳建筑的屋頂結(jié)構(gòu)和墻體結(jié)構(gòu)。

圖 2 說明了零碳建筑屋頂和墻壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計和組成。建筑圍護結(jié)構(gòu)中采用的關(guān)鍵材料包括碳礦化水泥基材料。這些材料在生產(chǎn)過程中吸收二氧化碳，從而減少建筑的碳足跡。它還強調(diào)了相變儲能墻的使用，通過吸收和釋放熱量來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，從而減少能源需求。應(yīng)用于屋頂和墻壁的輻射冷卻材料通過發(fā)射熱輻射來促進被動冷卻，從而最大限度地減少對主動冷卻系統(tǒng)的需求。此外，多功能光伏發(fā)電材料嵌入到結(jié)構(gòu)中，以產(chǎn)生可再生能源，同時提供絕緣和遮陽。這些材料共同創(chuàng)造了一個高效的圍護系統(tǒng)，提高了建筑的能源性能，并有助于零碳運營。

(1)碳礦化水泥基外殼材料

碳礦化膠凝材料是一種先進的建筑材料，在生產(chǎn)過程中將二氧化碳 （CO?） 融入其結(jié)構(gòu)中。這是通過一種稱為碳化的化學(xué)過程實現(xiàn)的，其中 CO? 與水泥中的鈣化合物反應(yīng)，形成穩(wěn)定的碳酸鈣。該工藝不僅可以封存二氧化碳，減少材料的碳足跡，還可以提高材料的機械性能，例如強度和耐用性。

這些材料用于建造建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，例如墻壁、地板和屋頂。通過將碳礦化水泥基材料整合到圍護系統(tǒng)中，該建筑可以顯著減少其隱含碳。通過降低與建筑相關(guān)的碳排放，這有助于實現(xiàn)零碳建筑的總體目標。

(2)相變儲能墻體

相變材料（PCM）是在改變其物理狀態(tài)時（例如，從固體變?yōu)橐后w，反之亦然）吸收或釋放大量潛熱的物質(zhì)。相變儲能墻采用 PCM 來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。當(dāng)溫度升高時，相變材料通過熔化吸收多余的熱量。當(dāng)溫度下降時，相變材料通過凝固釋放儲存的熱量。這種熱能儲存能力有助于維持穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境并減少對加熱和冷卻的需求。

相變儲能墻體被集成到建筑物的圍護結(jié)構(gòu)中，既起到隔熱作用，又起到熱緩沖的作用。通過吸收和釋放熱量，這些墻壁有助于調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，減少供暖和制冷的能耗，并提高整體能源效率。這有助于零碳建筑的能源性能的提升，確保舒適度，同時最大限度地減少能源使用。

(3)輻射冷卻材料

輻射冷卻材料旨在通過將熱量從建筑物表面輻射到天空來被動冷卻建筑物，尤其是在夜間。這些材料在紅外光譜中具有高發(fā)射率，使其能夠有效地發(fā)射熱輻射。它們還可以具有選擇性反射特性，反射大部分太陽輻射，同時允許建筑物通過輻射熱損失進行冷卻。

這些材料可以應(yīng)用于屋頂和外墻，在減少建筑物的冷卻負荷方面起著至關(guān)重要的作用。通過將輻射冷卻材料納入圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，建筑物可以更有效地散發(fā)多余的熱量，降低室內(nèi)溫度，而無需主動冷卻系統(tǒng)。這種被動冷卻策略對于降低能耗和實現(xiàn)建筑零碳至關(guān)重要。

(4)多功能光伏發(fā)電材料

多功能光伏（PV）材料是將傳統(tǒng)的PV技術(shù)與隔熱、遮陽和美感增強等附加功能相結(jié)合的產(chǎn)物。這些材料通常集成到外墻、屋頂和窗戶等建筑元素中（建筑光伏一體化或BIPV）。它們利用陽光發(fā)電，同時服務(wù)于其他建筑功能。

在零碳建筑中，這些材料是建筑能源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。通過將光伏材料整合到建筑物的圍護結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)可以直接產(chǎn)生可再生能源，減少對外部能源的依賴，并為實現(xiàn)凈零能耗目標做出貢獻。此外，它們的多功能性意味著它們提供了額外的好處，如絕緣和遮陽，以進一步提高建筑的能源效率。

4.2. 光伏、儲能、直流電電、柔性交互 （PEDF） 系統(tǒng)

通過采用 PEDF 系統(tǒng)，零碳建筑可以實現(xiàn)高能效、提高可靠性并顯著減少碳足跡。其中，光伏技術(shù)提供了一種可持續(xù)和可再生的電力來源。儲能技術(shù)可確保在需要時提供這種可再生能源，從而克服了太陽能的間歇性。直流電技術(shù)通過最大限度地減少轉(zhuǎn)換損耗來提高能源系統(tǒng)的效率。Flexibility 技術(shù)可實現(xiàn)智能、自適應(yīng)的能源管理，從而優(yōu)化能源供需之間的平衡。這些技術(shù)共同創(chuàng)建一個能源生態(tài)系統(tǒng)，以支持可持續(xù)發(fā)展目標，減少對不可再生能源的依賴，并為建筑環(huán)境中的彈性、低碳未來鋪平道路。這四種技術(shù)之間的關(guān)系如圖 3 所示。

圖 3.PEDF 技術(shù)的相互關(guān)系。

圖 3 概述了 PEDF 系統(tǒng)的四項核心技術(shù)之間的相互作用：光伏 （PV） 技術(shù)、儲能、直流電 （DC） 系統(tǒng)和靈活性。光伏技術(shù)從陽光中發(fā)電，太陽能可以立即使用或通過儲能系統(tǒng)儲存。直流電技術(shù)通過減少與 AC/DC 轉(zhuǎn)換相關(guān)的損耗來優(yōu)化系統(tǒng)的能源效率。靈活性是指系統(tǒng)根據(jù)需求變化調(diào)整能源生產(chǎn)和消耗的能力，從而優(yōu)化整體能源使用。這些技術(shù)協(xié)同工作，以最大限度地利用可再生能源并確保零碳建筑的高效能源管理。

(1)光伏 （PV） 技術(shù)

光伏技術(shù)涉及使用具有光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。太陽能電池板由多個太陽能電池組成，可捕獲太陽能并將其轉(zhuǎn)化為直流電 （DC） 電。這項技術(shù)是利用太陽能可再生能源的核心。

在零碳建筑中，光伏技術(shù)對于現(xiàn)場可再生能源發(fā)電至關(guān)重要。通過在屋頂和外墻安裝太陽能電池板，或?qū)⑺鼈兗傻浇ㄖ牧现校ńㄖ惑w化光伏或 BIPV），建筑物可以通過清潔、可持續(xù)的來源產(chǎn)生很大一部分能源需求。這減少了對化石燃料的依賴，降低了碳排放，并支持實現(xiàn)凈零能耗的目標。

(2)儲能技術(shù)

儲能技術(shù)涉及捕獲一次產(chǎn)生的能量以供以后使用。最常見的形式是電池存儲，它以化學(xué)形式存儲電力并根據(jù)需要釋放。其他形式包括熱能存儲，用于加熱或冷卻。以及機械儲存，例如抽水蓄能、壓縮空氣等。

儲能系統(tǒng)對于平衡零碳建筑的供需至關(guān)重要。它們能夠在生產(chǎn)高峰期（例如，晴天）存儲光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的多余能量，并在太陽能發(fā)電量低或沒有太陽能發(fā)電的時期（例如，夜間或陰天）提供電力。這確保了穩(wěn)定可靠的能源供應(yīng)，增強了能源安全，并優(yōu)化了可再生能源的使用，從而減少了對電網(wǎng)電力的需求和相關(guān)的碳排放。

(3)直流電（DC）技術(shù)

在零碳建筑中，采用直流電技術(shù)可以提高能源效率。通過創(chuàng)建直流電微電網(wǎng)或使用直流電配電系統(tǒng)，建筑物可以直接連接光伏系統(tǒng)和電池存儲系統(tǒng)，而無需在交流和直流電之間進行多次轉(zhuǎn)換，這通常會導(dǎo)致能量損失。這種簡化的方法提高了整體系統(tǒng)效率，減少了能源浪費，并支持可再生能源的整合，從而為零碳目標做出了貢獻。

(4)柔性交互技術(shù)

柔性交互技術(shù)包括一系列系統(tǒng)和策略，旨在根據(jù)不斷變化的環(huán)境條件調(diào)整能源生產(chǎn)、消耗和儲存。這包括需求響應(yīng)（根據(jù)電網(wǎng)信號調(diào)整能源使用）、靈活負載（可以改變運行時間的設(shè)備或系統(tǒng)）以及根據(jù)電網(wǎng)需求主動管理能源使用的電網(wǎng)交互式高效建筑。

柔性交互技術(shù)是優(yōu)化零碳建筑能源管理的關(guān)鍵。通過動態(tài)調(diào)整能源使用模式、集成實時數(shù)據(jù)以及與電網(wǎng)交互，建筑物可以提高能源效率、減少峰值需求并更好地利用可再生能源。例如，在太陽能發(fā)電量高的時期，靈活的建筑可能會增加電池充電或預(yù)冷空間等任務(wù)的能耗，同時在電網(wǎng)需求高峰時段減少使用量。這種智能的能源管理有助于最大限度地利用可再生能源，穩(wěn)定電網(wǎng)，并進一步減少碳排放。

4.3. 綜合能源站技術(shù)

綜合能源站技術(shù)是實現(xiàn)零碳建筑的重要技術(shù)之一。它通過利用可再生熱能（如水/地/空氣源熱泵和熱交換技術(shù)）提供高效的加熱和冷卻。為了確保平衡、有彈性和高效的能源供應(yīng)，綜合能源站可以集成各種可再生能源、存儲解決方案和轉(zhuǎn)換技術(shù)。通過集成能源站技術(shù)，零碳建筑可以實現(xiàn)高能效、可靠性和可持續(xù)性。這種全面的方法減少了對化石燃料的依賴，降低了碳排放，并支持能源安全和環(huán)境管理的更廣泛目標。以儲能型地源熱泵能源站為例，系統(tǒng)工藝原理如圖 4 所示。

圖 4.儲能地源熱泵能源站的系統(tǒng)工藝原理。

圖 4 顯示了使用地源熱泵和儲能的能源站的運行過程。該系統(tǒng)在地面和建筑物之間傳遞熱量，利用可再生的地?zé)崮芴峁┕┡椭评洹４送猓瑹峤粨Q技術(shù)通過回收建筑物內(nèi)的熱能來提高能源效率。多能源互補技術(shù)的集成允許各種能源的組合使用，確保一致的能源供應(yīng)。該能源站在可再生能源發(fā)電量高的時期儲存多余的能源，并在低發(fā)電量時期利用它，從而提高整體系統(tǒng)的彈性并減少碳排放。

(1)水/地/空氣源熱泵

熱泵是使用制冷循環(huán)將熱量從一個位置傳遞到另一個位置的設(shè)備。它們效率很高，因為它們可以移動熱量而不是直接產(chǎn)生熱量。根據(jù)熱源的差異，熱泵可分為以下幾類：

?水源熱泵：從水源（如湖泊、河流或地下水）中提取熱量。

?地源熱泵（地?zé)幔簭牡孛嫣崛崃浚ǔＭㄟ^充滿傳熱流體的埋地管道。

?空氣源熱泵：從外部空氣中提取熱量。

熱泵因其高效率和利用可再生能源的能力而對零碳建筑至關(guān)重要。通過利用水、地面或空氣作為熱源，這些系統(tǒng)可以顯著減少對化石燃料進行加熱和冷卻的依賴。這降低了碳排放量，提高了建筑的能源效率，有助于實現(xiàn)零碳狀態(tài)的總體目標。

(2)熱交換技術(shù)

熱交換技術(shù)涉及在兩種或多種流體之間傳遞熱量而不混合它們。常見的換熱器類型包括：

?板式換熱器：使用金屬板在兩種流體之間傳遞熱量。

?管殼式換熱器：由一系列管子組成，一組包含要加熱或冷卻的流體，另一組包含加熱或冷卻流體。

?熱回收通風(fēng)機 （HRV） 和能量回收通風(fēng)機 （ERV）：在通風(fēng)系統(tǒng)中的進出氣流之間傳遞熱量（有時是水分）。

熱交換技術(shù)通過回收和余熱再利用來提高零碳建筑的能源效率。例如，HRV 和 ERV 可以從廢氣中捕獲熱量，并使用它來預(yù)熱進入的新鮮空氣，從而減少對額外加熱的需求。高效的熱交換系統(tǒng)最大限度地減少了能源浪費并優(yōu)化了可用熱能的使用，從而降低了整體能耗和碳排放。

(3)多能互補技術(shù)

多能源互補技術(shù)涉及多種能源的集成和優(yōu)化，以滿足建筑物或地區(qū)的能源需求。通過結(jié)合多種能源和存儲解決方案，建筑物可以最大限度地利用可再生能源，最大限度地減少對化石燃料的依賴，并增強能源安全。不同能源形式的互補使用可實現(xiàn)靈活高效的能源管理，這對于保持低碳排放和實現(xiàn)零碳目標至關(guān)重要。

(4)儲熱轉(zhuǎn)化技術(shù)

儲熱轉(zhuǎn)換技術(shù)是將低品位能源轉(zhuǎn)化為高品位能源的重要方法，在能源站中得到廣泛應(yīng)用。這對于零碳建筑至關(guān)重要，因為它們能夠有效利用間歇性可再生能源。通過在可再生能源發(fā)電量高時儲存多余的熱能，在發(fā)電量低時利用熱能。這一技術(shù)確保了一致和可靠的能源供應(yīng)，減少了對基于化石燃料的備用系統(tǒng)的需求，降低了碳排放，并增強了建筑物的能源獨立性和彈性。

5. 綜合碳排放計算方法

結(jié)合前文的引言，本研究提出了一套全面的碳排放計算方法，包括能源消耗計算、可再生能源發(fā)電計算、能源儲存和利用效率計算、碳排放計算以及碳抵消和凈排放。在這種方法中，每個公式都建立在前一個公式的基礎(chǔ)上，提供了一種循序漸進的方法來計算建筑物的能源消耗、可再生能源貢獻、存儲效率和凈碳排放量。它為共同實現(xiàn)和評估零碳建筑運營提供了一個全面的工具。

(1)能耗計算

(2)可再生能源發(fā)電計算

公式（2）表示建筑物產(chǎn)生的可再生能源，包括光伏（太陽能）能源和來自風(fēng)能、生物質(zhì)能或地?zé)崮艿哪茉础４砉夥a(chǎn)生的能量，以及代表其他可再生能源技術(shù)產(chǎn)生的能量。該公式評估建筑物產(chǎn)生的可再生能源量，主要通過光伏系統(tǒng)以及其他可再生能源，如風(fēng)能、生物質(zhì)能或地?zé)崮堋Ｋ跊Q定可再生能源發(fā)電可以抵消多少建筑物的能源消耗方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

(3)儲能與利用效率

考慮到存儲效率，公式（3）決定了儲存以備后用的有效能量。代表儲能系統(tǒng)的效率，以及代表光伏系統(tǒng)的能量立即使用而不被儲存。該公式評估了儲能系統(tǒng)的效率，這些系統(tǒng)捕獲了多余的可再生能源以備后用，它還考慮了光伏系統(tǒng)，確保能源得到有效利用，而不會造成不必要的浪費。

(4)碳排放計算

公式（4）通過考慮來自非可再生能源的能源消耗和可再生能源抵消的能源來計算碳排放總量。表示來自天然氣或煤炭等非可再生能源的能源。表示每種非可再生能源每單位能源的碳排放量。表示可再生能源的碳排放抵消量。表示可再生能源的排放因子，該因子通常為零，因為太陽能和風(fēng)能等可再生能源不會產(chǎn)生直接碳排放。此公式通過考慮來自非可再生能源的能源消耗，并減去可再生能源的碳抵消量來計算碳排放總量。它考慮了不同能源的排放率，同時認識到太陽能和風(fēng)能等可再生能源不會產(chǎn)生直接碳排放。

6. 案例研究

6.1. 案例介紹

海南省太陽能資源豐富，年平均日照時數(shù)高，是開發(fā)零碳建筑的理想場所。該省出臺了幾項關(guān)鍵政策舉措，以促進這一發(fā)展，包括與中國碳中和目標相一致的“零碳島”倡議。該倡議旨在減少能源需求，提高能源效率，并擴大可再生能源的使用。

本研究中的項目案例位于中國海南省三亞市的崖州灣地區(qū)，是政府資助的采用新技術(shù)的計劃的一部分。該項目包括兩種類型的公共便利設(shè)施：濱海城市驛站和城市街區(qū)驛站。前者用磚混結(jié)構(gòu)混凝土建造，而后者則采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)建造。兩種類型的建筑都是單層的，占地面積約為250至300平方米。由于項目所在地的自然資源有限，且受項目預(yù)算限制，該項目僅通過在屋頂使用光伏技術(shù)來實現(xiàn)建筑物的綠色節(jié)能。

為了確保穩(wěn)定的電力供應(yīng)并節(jié)省獨立的存儲成本，屋頂光伏系統(tǒng)直接連接到公共電網(wǎng)。同時，項目采用家用鋰離子電池儲能方式，滿足夜間6小時以上的用電需求。該項目如圖 5 所示。

圖 5.零碳建筑項目俯視圖。（a） 城市街區(qū)驛站。（b） 濱海城市驛站。

6.2. 碳排放計算

(1)裝機容量

濱海城市驛站屋頂安裝光伏的合適面積為192平方米，而城市街區(qū)驛站的合適面積為 100平方米。該項目采用尺寸為1200×1600毫米的鋼化夾層功率玻璃（每片240 W），成分為3.2 CdTe（碲化鎘）+ 0.5 POE（聚烯烴彈性體）+ 3.2 TP（鋼化玻璃）來完成屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)。濱海城市驛站共安裝了 100 個屋頂，城市街區(qū)驛站共安裝了52個屋頂，共計152個屋頂，裝機容量約為 36.48 kWp。

此外，該項目采用高壓液冷電池預(yù)制艙進行儲能，以滿足建筑物夜間的用電需求。根據(jù)設(shè)計規(guī)范，每日儲存的電力通常是每天發(fā)電量的兩倍。因此，該項目的最大存儲容量為 80 kWp。儲能系統(tǒng)的參數(shù)如表 1 所示。

表 1.儲能系統(tǒng)參數(shù)摘要。

(2)發(fā)電量的計算

該項目使用 Meteonorm 氣象數(shù)據(jù)確定海南省三亞市的年平均太陽總輻射量為6142.55 MJ/平方米，年平均日照高峰時段為1706.4小時。圖6顯示了太陽相對于朝向真北（方位角 0°）的傾斜平面在天空中的路徑。縱軸表示太陽在地平線上方的高度，而橫軸表示其方位角或指南針方向。黃色區(qū)域表示太陽全天的軌跡，特定的時間標簽標記了太陽在不同時間的位置。紅線表示太陽在平面前方可見的時間，而藍線表示太陽低于地平線平面的時間。

圖 6.太陽路徑相對于特定位置的地平線。

使用 PVSYST 7.2 光伏仿真軟件模擬了屋頂光伏系統(tǒng)在25年內(nèi)的年發(fā)電量及其衰減。PVSYST 7.2是一款廣泛使用的 PV 仿真軟件，專為太陽能系統(tǒng)的分析、設(shè)計和優(yōu)化而設(shè)計。它允許用戶對各種類型的太陽能光伏系統(tǒng)進行建模和仿真，包括并網(wǎng)、獨立和混合系統(tǒng)。

表 2 顯示了濱海城市驛站的屋頂發(fā)電量。第一年，該系統(tǒng)發(fā)電量為30,500 kWh，每年以 0.4% 的速度逐漸下降，直到第 25 年發(fā)電量下降到 27,700 kWh。25 年累計總發(fā)電量為 727,558 kWh，整體衰減率為 14.60%。

表 2.濱海城市驛站屋頂發(fā)電。

同樣，表 3 顯示了城市街區(qū)驛站的屋頂發(fā)電量。第一年，該系統(tǒng)發(fā)電量為 15,900 kWh，每年以 0.4% 的速度逐漸下降，直到第 25 年發(fā)電量下降到 14,400 kWh。25 年累計總發(fā)電量為 379,064 kWh，整體衰減率為 14.60%。

表 3.城市街區(qū)驛站屋頂發(fā)電。

從表 1 和表 2 中的數(shù)據(jù)可以預(yù)測，該零碳建筑項目在其 25 年生命周期內(nèi)的累計發(fā)電量約為 1,106,622 度電，平均年發(fā)電量約為 44,265 度電。由于本項目驛站的主要功能是為城市居民提供公共廁所和商店等便捷服務(wù)，因此用電量非常低。據(jù)估計，每個驛站的年平均用電量約為 100 kWh/平方米。屋頂光伏系統(tǒng)的發(fā)電可以滿足驛站的電力需求。

(3)碳和其他污染物排放計算

根據(jù)《2020中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告》顯示，全國6000 kW及以上火電廠的用煤標準為0.328 kg/kWh、二氧化碳排放量為0.997 kg/kWh、二氧化硫排放量為0.03 kg/kWh、氮氧化物排放量為0.015 kg/kWh、煙霧排放量為0.272 kg/kWh。該項目每年可減少 44.1322 噸二氧化碳排放。在 25 年的生命周期內(nèi)，總共可減少 1103.3051 噸二氧化碳排放。計算結(jié)果如表 4 所示。

表 4.碳和其他污染物排放計算。

6.3. 研究結(jié)果

7. 研究意義

7.1. 理論意義

本研究介紹了多功能圍護系統(tǒng)、PEDF 系統(tǒng)和區(qū)域能源站系統(tǒng)的集成，為零碳建筑領(lǐng)域提供了創(chuàng)新的理論框架，并解決了現(xiàn)有研究中孤立研究這些系統(tǒng)的空白。該方法通過多系統(tǒng)的協(xié)同互動，系統(tǒng)地探索了實現(xiàn)建筑零碳排放的潛力，從而推進了零碳建筑施工方法的理論發(fā)展。

7.2. 實際意義

本研究提出的多系統(tǒng)集成方法不僅有效實現(xiàn)了建筑零碳排放，有助于實現(xiàn)碳中和目標。該方法具有可復(fù)制性和可擴展性，已在海南省三亞市崖州灣零碳驛站項目中成功應(yīng)用，并為其他地區(qū)的類似項目提供了寶貴的經(jīng)驗。這種方法平衡了顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟可行性，為未來智慧城市的發(fā)展和可持續(xù)建筑技術(shù)的廣泛采用提供了實踐指導(dǎo)。

8. 結(jié)論

本研究提出了一種全面的多系統(tǒng)集成方法，結(jié)合了多功能圍護系統(tǒng)、PEDF 系統(tǒng)和區(qū)域能源站系統(tǒng)，以應(yīng)對實現(xiàn)零碳建筑的挑戰(zhàn)。這個創(chuàng)新的系統(tǒng)框架彌合了這些技術(shù)通常被孤立研究的差距，并為可持續(xù)建筑提供了可擴展的解決方案。該方法在三亞崖州灣的零碳驛站項目中成功實施，并證明了該方法的實際可行性。計算顯示，利用該方法設(shè)計的零碳建筑運營階段碳排放減少了  CO₂約44.13 噸/年，25年總計減少 CO₂排放約1103.31噸，這主要歸功于建筑的屋頂光伏系統(tǒng)。