减少建筑物的碳排放对于实现巴黎气候目标以及2050年之前净零碳排放至关重要。数据显示,建筑物的温室气体排放占全球总排放量的39%,其中28%为建筑运营产生的排放11%则为建筑材料和建筑施工带来的排放


到2060年,全球的建筑面积预计将翻一番,但只有3%的新增建筑投资是绿色高效的,因此,持续数十年的高排放已成定局。既有建筑的翻新改造率仅为1%,远不及巴黎气候目标所需比例的三分之一。

 

尽管建筑物脱碳仍面临重重挑战,但同时也蕴含着巨大的机遇。高效的零碳建筑能够利用现有的低成本技术减少排放,同时促进当地社区的健康、平等和经济繁荣。

 

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建筑物的脱碳对实现全球气候目标至关重要

图源:Fabio Achilli/Flickr

 

推动零碳建筑的四个关键趋势分别是:

 

脱碳(decarbonization)

电气化(electrification)

效率(efficiency)

数字化(digitalization)

 

推动零碳建筑的四个关键趋势分别是:脱碳(decarbonization)、电气化(electrification)、高能效(efficiency)和数字化(digitalization)。结合这四大趋势,可减少碳排放,并降低运营和配套基础设施的总体成本。通过逐步削减化石燃料供暖、使用本地或异地的可再生能源、减少使用高全球变暖潜值的制冷剂以及在建筑中使用低碳、可回收、可再生的材料,建筑行业将足以实现零碳排放(或零碳就绪,zero carbon ready)。

 

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全球变暖将带来更多的电力需求

图源:Statista

 

全球变暖本身将带来更多的电力需求,因为一些原先气候温和的地区,例如美国太平洋西北部,现在也需要空调来最大限度地减少热应激【1】。异常寒冷的天气也会增加温暖地区的电力需求。有时,这将导致建筑业主的成本增加,因为化石能源通常受到补贴成本较低,而日益增长的间歇式可再生能源供给,需要扩大发电、输配电以及管理的能力,相应增加对电力基础设施的投资。

*热应激:指高温环境对人体产生的热负荷。高温会影响人的热舒适性、工作效率和身心健康,甚至能导致死亡。

 

即使拥有脱碳能源的支持,提高能源效率仍必须是零碳建筑的重中之重。无论是在当地、就地发电还是在电网层面,在能源效率上每投资一美元,就可以在能源供应上节省约两美元。它还能降低未来电网基础设施的总成本,以满足不断增长的需求。加强建筑隔热性和高能效设备等被动措施可以降低整体电力需求,而主动提效措施可以在需求端灵活匹配间歇式可再生能源供应,如自动需求响应和动态能源优化等措施。数字化将更好地赋能建筑能源效率和需求端灵活性,数字化“智能”建筑拥有先进的传感控制、系统集成、数据分析和能源优化功能,能在主动减少能耗和需求的同时,令居住者更舒适、更健康、生产力更高,并在设施的使用上更灵活弹性。将这些数字功能嵌入“智能”设备电器中除了减少能源使用和排放,还具有提高可靠性和优化远程管理的额外优点。

 

智能建筑的节能潜力十分可观。基础的自动化控制技术在商业建筑中可节省10-15%的能源消耗。其他更高级的功能,如按需控制的通风,可额外再节省5-10%的能源消耗。与基本HVAC(供暖、通风和空调)和照明控制相比,集成的建筑系统可节省8-18%的增量能源。能源信息管理系统(Energy Information Management)使用先进的能耗计量设备,监控建筑物中的终端设备使用,平均可节省3%的能耗,而自动故障检测和诊断功能平均可节省9%的能耗。

 

最近的一项研究表明,电网交互式高效建筑(Grid-interactive Efficient Buildings)可以通过主动需求管理,将能源成本降低20%。能源优化系统可以根据电网的实时碳强度控制建筑物的能源使用,并协调清洁热源与备用化石燃料设备,全天候最大限度地减少碳排放,同时弹性灵活地满足能源需求。

 

Case Study 

 

位于马里兰州银泉(Silver Spring, Maryland)的Unisphere大楼是美国最大的净零能源项目之一。它包括一套地热热泵、现场太阳能和集成控制系统,能够控制暖通空调、照明、能源及可调光窗户。位于挪威特隆赫姆(Trondheim, Norway)的Brattorkaia发电厂是一幢八层办公楼,能够在整个建筑生命周期中主动产生能源,包括生产和运输建筑材料、现场施工和报废拆解所消耗的能源。该建筑还配备3000平方米的太阳能电池板,并在水源处设有一个具有加热和制冷功能的天然制冷剂热泵。这是一幢非常高效的建筑,兼具被动增效措施与主动增效措施,包括能够自主适应居住者的暖通空调和照明系统。

 

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位于挪威特隆赫姆的能源大楼Brattørkaia

图源:林赛·克劳斯(Lyndsayclose)/维基媒体

 

全球变暖和气候变化也将对热带气候地区产生重大影响,不断增长的电力冷却需求驱动了这些地区的建筑物能源消耗。新加坡在其《2030年绿色发展蓝图(Green Plan for 2030)》中,提出了雄心勃勃的脱碳战略目标:到2025年,实现太阳能部署翻两番;到2030年,实现2GWp(千兆瓦峰值)的太阳能产量;2030年起,80%的新建筑将是“超低能耗建筑”,能源效率比2005年最佳绿色建筑的能源消耗水平提高80%;到2030年,至少20%的学校实现碳中和。

 

Case Study 

 

新加坡国立大学设计与环境学院SDE4

该建筑是新加坡第一座新建的净零能耗建筑,也是东南亚地区第一座获得国际未来生活研究所(International Living Future Institute)零能耗认证的建筑。其六层建筑采用创新的混合冷却系统,能够有效降低建筑能耗。该建筑密切监测入住率、空间使用情况、室内空气质量和天气状况,用于优化系统运行。428 kWp屋顶太阳能电池板产生的电力足够为所有系统供电,多余的电力将动态输出到校园电网,供相邻的建筑物使用。自2019年1月启用以来,该建筑一直是净能源,产生的能量减去其消耗的能量,净剩余高达460兆瓦时。
 

SMU-X 净零能耗大楼

该大楼位于新加坡市中心,是第一座大型大规模工程木材建筑,能够通过建筑内的光伏系统抵消100%的年度能源消耗。除此之外,还有新加坡国立大学设计与环境学院(NUS School of Design and Environment 1 and 3 (SDE 1&3)),这幢翻新过的建筑采用先进的建筑立面,能够平衡进入建筑物的自然光和热量,并配备有先进的照明控制系统和太阳能屋顶,以达到净零能耗。

 

新加坡发展银行

新加坡发展银行牛顿办公室是一幢四层建筑的改造项目,通过在屋顶上应用双面光伏组件(两面都能产生电力的光伏面板)和先进物联网功率优化技术,节能70%,实现净零能耗性能。
 

可见,数字化正在逐渐作为清洁电力的重要驱动因素,也在实现高效零碳的建筑性能、减轻未来电网基础设施的投资负担方面发挥着日益关键的作用。