碳中和 Carbon Neutral
建筑行业如何实现碳中和？
2020年9月22日习大大在75届联合国大会上做出承诺，中国决定 “二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。这一消息的宣布，对于能源环保行业的工作者无疑是振奋人心的大新闻，“碳中和”也成为一时间的热词。作为全球碳排放总量最大的的国家，习大大的这一决定对于整体减缓全球变暖至关重要。
▲ 全球六大温室气体排放国 (左)绝对排放量 (右) 人均排放量. 来源《2020年排放差距报告》
那么碳中和对于我国意味着什么？
按照百科的解释，碳中和是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。
换句话来说就是要想实现碳中和,排放了多少碳就需要采取多少抵销措施，使净碳排放接近零。在我们的实际生产生活中不可能不排放二氧化碳，尤其是现在城市化浪潮中，我国建筑能耗空前增长。
根据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告2020》统计， 2018年全国建筑全过程能耗总量为21.47亿tce，占全国能源消费总量比重为46.5%；碳排放总量为49.3亿tCO2，占全国碳排放的比重为51.3%。鉴于建筑行业碳排放这么高的比例，想要实现碳中和，建筑行业必然会迎来史无前例的大挑战。
▲ 建筑全过程能耗（左）和碳排放（右）数据分析
来源：中国建筑能耗研究报告（2020）
那么建筑行业该如何面对这一巨大挑战？
建筑行业的碳排放如此之高，想要实现碳中和，需要实现建筑排放从亿吨级到0的跨越，肯定不是件容易事情。在建筑行业，与碳中和对应，有一种建筑---零能耗建筑，对于实现碳中和目标显得尤为重要。所谓“零能耗”并不是指建筑能耗为零，而是在近零能耗建筑基础上，通过充分利用可再生能源，实现建筑用能与可再生能源产能的平衡。
▲ 大同能源馆-国内首座展馆类的正能建筑
通常情况下，建筑建造过程中会考虑到供暖和热水制备的外部能源成本，例如燃气供暖系统。而零能耗建筑则不同，它的设计是尽可能的减少对外部能源的需求。在这种情况下，全年的能源消耗由自产能源来承担。零能耗房屋的标准是通过两个方面来实现的：
一方面，减少能耗需求，如减少热损失：零能耗房屋的特点是通过窗户、外门、墙面和屋顶的保温，使得建筑热量损失极少，如通过结合尽可能小的外表面积和高保温水平的结构形式来实现。此外，零能耗房屋建设的重要方面是气密性和避免热桥。在节能方面，零能耗房屋属于节能房屋或低能耗房屋，介于被动式房屋和超能耗房屋之间，它们符合比被动式房屋更严格的要求。
另一方面，零能耗房屋会自备新能源设施，因此能源需求几乎可以全部自发，仅在极端不利的天气阶段情况下，选择使用公共电网的能源。这一点是零能耗建筑与被动式建筑的明显区别是，后者顾名思义是被动地利用太阳辐射产生的能量和居住者以体温形式散发的能量。被动式房屋不提供主动式能源生产，例如通过屋顶太阳能系统。
零能耗建筑中的能源系统目前最常用的有三种：
1、太阳能光伏系统或太阳能光电光热一体化系统
通常，光伏板敷设在建筑物屋顶、侧面，也可以放置在建筑物附近与建筑物连接，如停车场等位置。随着建筑光伏一体化的技术发展，也可采用光伏与建筑集成为一体的集成技术BIPV，如光伏窗玻璃（光伏幕墙）。在零能耗建筑中，光伏系统通常需要与储能系统配合。
▲ 采用碲化镉透光发电玻璃的青海国投广场光伏幕墙
2、小型生物质锅炉或者冷热电联产系统
利用生物质代替传统化石能源作为燃料，可以有效减少化石燃料带来的碳排放。随着近些年来可再生能源的扩张，生物质在能源领域的应用也不断地被开发。通过热处理过程如焚烧、气化和高温分解，又或者通过细菌分解技术等，可以有效利用生物质原料，时常与热电联产设备配合使用，代替化石燃料，生产电力与热能。
3、空气源热泵系统、地源热泵系统、水源热泵系统
这类系统可以同时供冷、供热和供应生活热水，而且随着各国对此类系统进行大量补贴，使用也非常广泛。对于零能耗办公建筑，通风系统可以单独设置，匹配高效换热器，可以和夏季自然通风、夜间通风降温、高效吊顶式风扇联合使用。
典型案例
目前世界上已经有大量零能耗建筑，其中比较著名的有苹果公司新总部园区Apple Park，号称地球上最贵的公司总部。
这个号称地球上最贵的公司总部，圆环中庭是广场，一共占据了 70.8 万平方米。据了解，该建筑历时四年完成，主要采用5项被动式技术，包括：
1、自然采光;
2、自然通风;
3、室内外绿植景观;
4、建筑外遮阳;
5、防眩光反光板。
这些的被动式技术都有一个共同的特点，充分利用了自然条件与建筑外部条件，减少了建筑的最终负荷，其中，通过优化自然通风和自然采光满足了建筑最大舒适度，通过外部的绿植和外遮阳可以充分减少夏季建筑的冷负荷，苹果称一年中的 9 个月里都不用使用冷气或暖气。而防眩光反光板能优化建筑的采光，可有效减少建筑的照明需求。
此外，建筑还采用了8项主动式技术手段：
1、高效新风热回收;
2、全新风置换通风设计；
3、辐射供暖;
4、辐射供冷;
5、高效电器;
6、工位照明优化;
7、高效照明灯具;
8、室内环境监控。
这些主动式技术的特点则是，通过设备减少建筑的能耗终端能耗需求。其中，通过新风回收和全新风置换通风设计，可以减少建筑的通风能耗需求；辐射技术能够有效减少供冷供热的损失；而高效的电器以及照明系统的优化则可以减少照明的能耗，其中工位照明的设计可以优化工作台区域光线的同时，降低单位照明功率20%。室内环境检测可以很大程度上优化建筑在运行过程中的能耗需求，借助建筑环境监控系统，能够实现按需供能，避免不需要的能耗。
来源：de.wikipedia.org/wiki/Apple_Park
最后，整座大楼还是一个大型的新能源电站，建筑的顶部铺设了太阳能光伏板，装机容量达到了17 MW，与燃料电池系统(供电负荷4MW)共同供电，日供冷峰值负荷约15.8MW，可以满足75%的日峰值用电负荷，剩余25%由加州光伏电站供给满足，同时建筑已成功并网，非峰值用电期间可以向电网输送电能，100%实现零能耗可再生能源。
参考资料：
1.https://www.yicai.com/news/100843313.html 2060年中国“碳中和”目标的路径、机遇与挑战
2.中国建筑节能协会，《中国建筑能耗研究报告2020》
3.https://zhuanlan.zhihu.com/p/145265887 五大案例解剖全球的“零”建筑！【LEED视角】
4.http://m.sino-cec.com/m/news_view.aspx?TypeId=4&Id=1370&Fid=t2:4:2 碳中和建筑一定是零能耗建筑吗？
5.交能网，《综合能源关键技术》
6.交能网，《建筑综合能源实践指南》
7.https://de.wikipedia.org/wiki/Apple_Park
8.https://www.zhihu.com/question/56246549
9.https://www.cagbc.org/CAGBC/Zero_Carbon/Project_Profiles/scotia_bank_plaza.asx
