零碳建筑概念辨析及基于重庆地区特征的边界条件研究

王净怡,杨元华,吴俊楠

(1重庆市建设技术发展中心,重庆 400015;2重庆市建筑节能中心,重庆 400015)

1 零碳建筑的概念

1.1 零碳建筑的发展起源

近年来,我国以生态优先绿色发展行动计划和质量提升行动计划为引领,大力推广建筑节能和绿色建筑发展,重庆市城镇新建民用建筑已实现100%执行节能强制性标准.随着建筑节能与绿色建筑技术、绿色建材的全面发展,在执行强制性标准的基础上,对建筑节能与绿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)的概念最早见于英国,2002年英国建成了全球首个"零碳社区"和 "零碳屋".美国、德国、瑞典、日本、韩国等国家也都在积极推进零碳建筑的研究和发展,并开始从示范项目走向大规模市场推广.在《从数千到数十亿——2050年实现100%零碳建筑的协同行动》一书中,世界绿色建筑委员会(World GBC)呼吁通过以下两个目标来实现向完全零碳建筑环境的转变:一是自2030年起,所有新建建筑必须实现零碳排放;二是截止到2050年,所有的建筑必须在零碳排放条件下运营[1-2].

碳排放引起的全球气候变化问题一直是世界各国的关注重点,建设低碳城市、低碳社会已经成为各国应对全球气候变暖的一种世界潮流.然而,零碳建筑在我国的发展尚处探索阶段,其原因主要有两点:一是标准体系尚未建立,目前尚无国家、地方相关标准和规程对零碳建筑进行准确的定义;二是技术体系尚未成熟,零碳建筑对建筑节能与绿色建筑的技术体系研究、资金投入、相关产业配套等要求很高,目前难以大范围推广,尚缺乏成熟的技术路线研究和示范项目成功经验.

1.2 零碳建筑的概念辨析

世界碳排放交易协会(World GBC)对零碳建筑的定义为:高效节能的建筑,所有剩余的能耗都由现场,或者场地外的可再生能源提供补偿,以实现每年的净零碳排放.目前,世界范围内尚未对零碳建筑的概念进行统一的定义,零碳建筑概念研究多见于发达国家,根据英国社区及地方政府部(DCLG),零碳建筑最初的定义为:按照一个年度计算,包括采暖、空调、通风、照明、热水,以及烹调、洗涤、娱乐等在内的所有相关电器、设备所使用的能源所带来的碳排放为零.但是这一定义中零碳建筑的边界条件过于严格,且造价昂贵,英国也仅在个别试点项目中得以实施,难以大规模推行.

澳大利亚可持续建设环境委员会 (Australian Sustainable Built Environment Council,ASBEC)提出的零碳建筑"标准定义"是:零碳建筑即为在运行阶段中产生的年度净碳排放量为零的建筑,包括直接碳排放和因用电、采暖等产生的间接碳排放,其中运行阶段包括建筑中所有交付使用的热水器、内置灶具、固定照明、共享基础设施,以及可再生能源设备等,同时,ASBEC还针对不同程度的"零碳",提出了5个引申术语,见表1[3].

表1 澳大利亚ASBEC提出的零碳建筑术语[3]

为了进一步大规模推广零碳建筑,2013年挪威零排放建筑研究中心(ZEB)提出,应基于决心水平、计算依据、系统边界、碳排放因素、能源质量、产需比例、最低能效要求、室内环境要求以及使用中验证等九个要点建立新的零排放建筑定义,并提出四个零碳级别,见表2[4].

可见,世界各国目前对"零碳建筑"的概念尚无统一的定义,各组织对零碳建筑边界条件的定义也有所不同.但总的来说,零碳建筑是以建筑最终实现零碳排放作为结果引导,以实现零碳排放的过程中以不同的边界条件来划分零碳建筑不同的级别或者定义,以阶段性目标引导为手段,最终实现建筑正在零碳排放的目的.

表2 挪威ZEB的零碳建筑的四个级别[4]

2 重庆地区可再生能源资源特征

国务院发布的《"十三五"节能减排综合工作方案》文中提出"推进利用太阳能、浅层地热能、空气热能、工业余热等解决建筑用能需求".考虑到每个地区气候和地理不同,适宜的可再生能源应用方式也会有所区别.重庆地区是全国太阳能资源最少的地区之一,同时拥有丰富的地表水资源,应根据其独特的资源特征采取不同的可再生能源利用方式.

2.1 太阳能

在建筑用能中,太阳能作为最清洁的能源之一,得到了广泛研究和实际工程中的应用,太阳能热水器、光伏发电等一系列太阳能产品在实际工程中的广泛应用为实现节能减排、环境保护做出了重要的贡献.重庆地区是典型的太阳能资源贫乏地区,典型年太阳辐射年总量仅为848.3kWh/m2.在重庆市太阳辐射中,直接辐射约占总辐射的38%,散射辐射约占62%,分布总体来说东多西少,夏多冬少.

重庆市太阳能月总辐射量分布如图1所示,整体呈现出夏季太阳辐射量大,冬季辐射量少的趋势.7月是太阳辐射最大的月份,总辐射量为133.61 kWh/m2左右,之后太阳能辐射量逐渐下降,到12月份达到最低辐射量23.18 kWh/m2.

图1 重庆地区太阳能月总辐射量分布(数据来源:重庆市气象局)

日照时数也是太阳能利用的评价标准之一,通常日照时数是指垂直于太阳光线平面上的辐射强度等于或大于120W/m2的时间长度.重庆素有"雾都"之称,空气湿度大,全年雾气、云层较多,阻挡了大量太阳辐射到达地面,是全国平均日照最少的地方之一,年平均日照时数仅为1154.5h,日平均日照时数为3.2h,相对日照为26%,年平均晴天为24.7d,阴天达244.6d,日照时数在春末、夏季和秋初时长较长,在秋末、冬季和春初时较短.若利用太阳能进行光热或光电转换,则最好是在夏季,其次是春秋季节才能获取较高的利用价值.

重庆主城地区全年太阳辐射量和日照时数分布极不均匀,整体辐射量较少,日照时数较短,属于太阳能贫乏地区,可利用程度较低,不适宜大规模应用.

2.2 浅层地热能

(1)地表水资源

地表水资源的利用通常以水源热泵的形式得以利用.重庆拥有长江、嘉陵江和乌江三大水系及为数众多的湖泊、水库,拥有丰富的地表水资源.江水平均温度在夏季为22~25℃,在冬季为12~16℃,水温日变化幅度不超过0.5℃,且具有水量充沛、水文纪录完整的特点.重庆已经在长江、嘉陵江、乌江等河流有着多个成功应用水源热泵的示范项目,江北嘴CBD建成了400万㎡国内最大江水源区域集中供冷供热项目.

(2)土壤能资源

土壤源热泵系统具有高效节能的特性,并在重庆地区得到了成功的推广和应用.土壤的导热特性习惯对土壤源热泵系统的性能影响很大,直接影响系统地埋管换热器的换热效果,重庆土壤源导热系数多在1.68~2.44W/(m.K)之间,土壤初始温度在18.8~19.5℃之间,地埋管换热效果好,适合推广应用.

土壤源热泵分散式系统需要占用较大的面积,适用于低密度建筑.

2.3 空气热能

空气热能用于供热(供暖和生活热水)主要依靠空气源热泵.其基本原理是依靠消耗部分电能,通过热力循环,将空气中难以直接利用的低品位热能(空气)提升为可利用的高品位热能,近年来北方地区"煤改清洁能源"行动及长江流域冬季供热等涉及供热的重大国际民生问题都将空气源热泵作为重要的技术途径之一.

重庆市城乡建设委员会发布的 《可再生能源建筑应用不利条件专项论证审查要点》中,将空气源热泵与地表水水源热泵、地埋管地源热泵、热泵热水机和太阳能光伏一起列为了单体建筑面积大于50000m2(含)且采用集中空调系统的高能耗公共建筑应采用的可再生能源建筑应用认定类型.

3 重庆地区零碳建筑的边界条件

要辨析零碳建筑的概念,最重要的是明确零碳建筑的边界条件.国内对零碳建筑的研究尚在初步阶段,对边界条件目前尚无统一的定义,本文将从建筑碳排放生命周期、考察周期、物理边界和减排要求四个维度出发,基于重庆市执行的建筑节能标准和可再生能源明确零碳建筑的边界条件.

3.1 碳排放生命周期

在辨析零碳建筑的定义时,最常见的辩论就是 "运营零碳"和"全生命周期零碳"的区别.运营碳排放是指建筑在运营投入使用阶段中产生的碳排放,而严格的全生命周期碳排放包括建筑的原料生产、加工、运输、使用和销毁的全生命周期的碳排放.

联合国环境规划署(UNEP)在2010年发布了常见碳排放指标,构件了建筑全生命周期碳排放概念分解,如表3所示.

表3 联合国环境规划署(UNEP)建筑全生命周期碳排放概念

全生命周期排放量=隐含碳排放+建筑碳排放+用户碳排放+装修碳排放+销毁碳排放量.

从建筑碳减排的根本目的考虑,零碳建筑的最终目标应为建筑的全生命周期内碳排放为零,但全生命周期的概念中存在两大问题:一是全生命周期各个阶段的碳排放量目前没有统一、科学的计算方法和评估标准;二是在当前技术条件下,实现全生命周期范畴内的绝对"零碳"并不容易,不具备推广性.因此,零碳建筑更多的是指"运营零碳".

根据联合国环境规划署(UNEP)的定义,运营碳排放包含建筑碳排放、用户碳排放和装修碳排放.其中装修碳排放、用户碳排放主要受用户行为影响,不确定性较大,且难以准确测算其碳排放量.因此,在国内和众多国外的零碳建筑研究中,运营碳排放主要是指建筑碳排放.建筑碳排放涉及暖通空调系统、生活热水系统、照明系统和其他用能设备系统(电梯、水泵等),而不包含与用户使用相关的插座系统,如表4所示.

表4 零碳建筑运营碳排放分类

在重庆市《公共建筑节能(绿色建筑)设计标准》DBJ 50-052-2016、《居住建筑节能65%(绿色建筑)设计标准》DBJ 50-071-2016和 《居住建筑节能50%设计标准》DBJ 50-102-2010中,重庆市建筑节能领域用于判断建筑能耗的范围为供热、供冷、通风、照明和动力的能耗[5-7],同时考虑到插座等与用户相关的能耗具有较大的不可控性,本文采用运营阶段建筑碳排放作为零碳建筑的碳排放生命周期.

3.2 考察周期

虽然目前世界各国家各组织对零碳建筑的定义尚未统一,但考察周期都一致以年度为单位,因此,本文采用一年作为零碳建筑的考察周期.

3.3 物理边界

建筑物理边界的划分主要影响建筑物消耗的可再生能源的来源.通常将建筑的物理边界划分为 "场地内"(on-site)和"场地外"(off-site),物理边界用于确定某项可再生能源是在"场地内"还是"场地外",如建筑自身的光伏发电、地缘热泵、利用清洁能源的电网的电力.

根据Marszal等对建筑可再生能源的物理划分,建筑可再生能源根据其物理划分可分为五类,如表5所示[8].

表5 可再生能源划分[8]

场地内的可再生能源相对比较明确,纳入物理边界易于理解,符合建筑建造管理程序.但仅考虑场地内的可再生能源存在限制零碳建筑发展的可能性.重庆市浅层地热能丰富,在发展以水源热泵技术为主的可再生能源区域集中供冷供热系统方面具有很好的条件,今年来积极推动区域可再生能源供冷供热,包括采用可再生能源利用的冷热源站、燃气冷热电联供冷热源站和工业余热利用冷热源站,先后建立了江北嘴CBD区域国内最大的江水源热泵集中供冷供热项目,为江北城CBD区域内400万m2的公共建筑空调系统提供冷热源,重庆市CBD总部经济区集中供热供冷项目,利用长江水资源和天然气资源,采用天然气冷、热、电三联供技术和江水源热泵技术,建设区域能源站,对弹子石CBD总部经济区80万m2建筑进行集中供冷供热.允许计入场地外的可再生能源可以使零碳建筑在推广过程中,鼓励发展清洁能源,为未来产能建筑的发展提供机会.

对建筑物来说,以单栋建筑还是建筑群(小区)作为计算对象,对能耗平衡的计算有着较大的影响.以"建筑群"作为物理边界时,受建筑群区域大小、建筑性质、不同类型建筑比例影响,用能特性有很高的不确定性,很难准确计算一个建筑群的负荷需求.因此,以单栋建筑作为建筑碳排放计算研究对象更为科学合理.

本文在零碳建筑的物理边界划分上将以单栋建筑作为研究对象,该单栋建筑红线作为其物理边界,同时考虑场地内和场地外的可再生能源.

3.4 碳排放指标

尽管不同国家、地区对零碳建筑的生命周期、系统边界的划分上存在一定的分歧,但在技术指标上一致都采取了以"零碳"作为标准,即建筑综合碳排放为零.综合碳排放是指建筑向外界环境排放的CO2量,在满足一定舒适度和不较大改变现有的生活习惯的条件下,绝对的"零碳排放"是不现实的,因此,我们可以通过降低建筑碳排放的同时,利用可再生能源或增加自然碳汇等措施来补偿寿命周期内的排放,从而实现建筑综合碳排放为零.

本文以运营周期内单栋建筑一年内产生的建筑碳排放,小于或等于由建筑场地内的可再生能源、自然碳汇以及获得权威机构认可通过外部输入的可再生能源所补偿的碳排放的总和,实现综合碳排放为零,作为零碳建筑的技术指标要求.

4 结语

终上所述,零碳建筑在国内的研究尚属于探索阶段,对其概念的辨析和边界条件的确定将会为零碳建筑的推广以及相关标准、政策制定提供重要的基础理论研究支撑.基于重庆地区资源特征和建筑碳排放特性、资源特征,适合重庆地区的零碳建筑应以运营周期内单栋建筑一年内产生的建筑碳排放,小于或等于由建筑场地内的可再生能源、自然碳汇以及获得权威机构认可通过外部输入的可再生能源所补偿的碳排放的总和,实现综合碳排放为零.