胡昂院士讲座 | 智能零碳建筑的前沿趋势（上）

Original HUFUJII Lab. 胡藤井研究室 2023-08-30

收录于合集 #建筑文化 17个

引言2023年7月9日，胡昂院士受邀出席中国材料大会，作特邀报告“智能零碳建筑的前沿趋势”，分享其与中建西勘院合作研究的相关成果。本文内容节选自以上报告。

为什么关注零碳建筑

城市居住着全球一半以上的人口，占气候危机核心的二氧化碳排放量的 70%，其中建筑产业对全球气候变化的影响尤为显著。根据联合国全球环境状况报告数据统计，建筑业直接和间接产生的CO²排放量占全球碳排放量总和的49%。其中建材生产运输安装碳排放占全球总碳排放的11%，建筑运行碳排放占全球总碳排放的28%。

· 建筑业对气候变化的影响（数据来源：联合国全球环境状况报告；美国能源信息署全球能源前景）

另外，未来建筑业碳排，运行能耗所占的比例会越来越高，伴随城镇化率的提高，2050年，全球68% 的人口将居住在城市，从而加剧能源消耗、基础设施需求增加和碳排放增加。建筑行业需要从建造手段、运行模式和法规政策等方面进行快速转型，以实现一体化的零碳未来。

· 2020-2050年全球新建建筑碳排放总量（数据来源https://architecture2030.org/）

什么是零碳建筑

当我们谈论零碳建筑时候，需要区别几个概念：一是碳中和、二是净零碳、三是零碳。

· 碳中和、净零碳、零碳概念（图片来源：Simon Wyatt - Partner at Cundall & Chair of the CIBSE Knowledge Generation Panel）

“碳中和”的概念始于1997年，由来自英国伦敦的未来森林公司(后更名为碳中和公司)首度提出，指家庭或个人以环保为目的，通过购买经过认证的碳信用来抵消自身的碳排放，公司亦为这些用户提供植树造林等减碳服务。广义上的“碳中和”则指通过植树造林、生物固碳、节能环保等方式抵消一段时间内国家或企业产生的二氧化碳或温室气体排放量，使其从大气中去除的碳量等于排放的碳量。从本质上讲，碳中和是一个更狭义的术语，用于表示净零中发生的情况，特别关注碳的去除。

“净零碳”这个概念来源于《巴黎协定》提出的2℃温控目标，并力求将升温控制在1.5℃以内。要求全球尽快实现温室气体排放达峰，本世纪下半叶实现全球温室气体净零排放，以降低气候变化带来的风险与影响。与此同时，很多的国际大公司也基于科学碳目标设立方式相继宣布自己的净零排放目标。与碳中和不同的是，净零排放是包括除了二氧化碳以外的所有温室气体，其排放量与温室气体清除量达到平衡时，被称为净零温室气体排放。

· 传统碳排放产业迈向新兴绿色产业的碳中和示意图（图片来源：https://bbs.zhulong.com/106010_group_923/detail43166194/）

“零碳”这个概念，主要是从产品端来考虑，由原来的低碳产品、低碳建筑更进一步实现“零碳”。“零碳”从原理上来说应该是表示不产生任何碳排，比如太阳能电池板在使用过程确实是零碳排的，但是在生产制造过程中其实并非零碳。

“零碳”相较于“碳中和”来说，“碳中和”是比较宏观的大的概念，且会更注重碳的抵消的部分；而“零碳”更多是对于单体的描述，对象较为具体，且更注重自身本身的碳排水平。而在我国关于“零碳”的概念可能需要更多等待之后将要出台的标准要求。

基于零碳的概念我们可以知道，零碳建筑，就是指建筑通过再生能源、碳储存、回收再利用等措施，抵消建筑在运输、建造、运行、拆除过程中产生的碳排放，实现全生命周期综合碳排放为 0 的建筑。

怎样实现零碳建筑

从零碳建筑的概念可以得知，建筑碳排放发生在建筑材料生产运输建造、建筑运行以及建筑拆除整个生命周期，每个阶段均存在降低碳排的措施和方法，牵涉到材料、交通、工程、机电、能源、智能化等方方面面，是一个涉及庞杂而宽泛的知识体系的综合性工程。建筑师能够把控的方面，主要在建筑的建造、运行以及拆除阶段，本次分享也将聚焦在这几个方面目前前言的发展趋势和高新技术。

· 零碳建筑建造 - RICS 全生命周期碳方法论（图片来源：Simon Wyatt - Partner at Cundall & Chair of the CIBSE Knowledge Generation Panel）

· 建筑全生命周期碳排放定义范畴（图片来源https://architecture2030.org/）

智能零碳建筑技术集

首先是建筑材料的选择。作为建筑物全生命周期碳排放降低，控制建筑材料生产的碳排放量，可以通过选择环保低碳的建筑材料替代生产过程碳排放量高的材料来有效实现。

· 智能零碳建筑技术集成（图片来源：https://buildingcampaign.ece.illinois.edu/net-zero-features-solar-power/）

· 意大利特伦托科学博物馆生态节能措施（图片来源：Renzo Piano 事务所官网）

按照单位体积产生碳排放量来分类，相对来说，金属板材的碳排放量最高，其次是结构钢材、铝合金、水泥纤维类板材，再次是砖瓦、砌体、玻璃、混凝土，砂浆等，碳排放量最低的材料是竹木等可再生的材料。

·各类材料生产碳排放量比较（图片来源：https://www.archdaily.cn/cn/978621/cong-quan-sheng-ming-zhou-qi-tan-xun-zhong-guo-jing-tan-jian-zhu-zhi-lu）

另外，建筑材料保温隔热的热工性能，能够降低建筑的热损耗，提高建筑的保温隔热性，从而降低空调能耗，达到节能减排的功效。

· 高热工性能材料（图片来源：https://architecture2030.org/）

新型建筑材料的发展，还出现了各类具有特殊功能的建材，比如薄膜发电玻璃，能够集成到光伏建筑一体化幕墙中，实现建筑外墙的再生能源功能。再次，多采用可回收可利用的建筑材料，同样可以大大降低建筑材料在拆除和新建时造成的能源浪费，从而降低碳排放量。

· 绿色可再生材料（图片来源：https://architecture2030.org/）

建筑光伏发电

建筑再生能源的开发利用是建筑物在运行阶段节能减排最重要的技术措施，它能够有效抵消建筑能耗带来的碳排，从建筑全生命周期来看，甚至能够抵消建筑建造阶段产生的碳排放量。

· 太阳能发电/光伏建筑一体化（图片来源：Endeavor Business Media:Net Zero Buildings - September 2013）

在建筑光伏领域，除了我们熟知的硅晶板发电外，目前和光伏建筑一体化结合得较好的还有碲化镉薄膜发电玻璃。作为一种柔性建筑发电薄膜材料，可以集成到玻璃当中，应用到玻璃幕墙和实体幕墙上，其铺设面积和部位都较硅晶板要多样自由，未来随着发电效能的提高和价格的降低，将普遍应用到建筑外墙的设计中，大大提升建筑外墙发电的效能。

地源热泵—浅层地温能热泵

我国目前主要的供暖方式是天然气供暖，从2004年首个LNG终端(液化天然气终端)投入运营以来，中国天然气对外进口量、依存度是逐年上升，在全球共同应对气候变化以及世界能源危机的大背景下，建筑的供暖也需要零碳转型。热泵设备是碳排放最低的供暖设备，相对于燃气设备，热泵的碳减排优势将会越来越突出。

· 太阳能发电/光伏建筑一体化（图片来源：dimplex.co.uk 中国科普博览）

图为热泵（Heat Pump）供暖工作原理：从地下或空气中取得低温热源，将室内和地下的热交换进行升温或降温，从而实现空气调节的目的。首先是蒸发压缩制冷，然后通过冷凝器，使热能得到释放，得到制热效果。

图中显示热泵系统具有极高的能效, COP 能效比可以达到3.5，地源热泵基本可以在 4.0 以上！也就是说消耗1KWh的能量，用户可得到4KWh以上的热量或冷量。

· 地源热泵机组（图片来源：网络）

· 地热直接利用场景（图片来源：网络）

热泵系统主要有空气源热泵、地源热泵、水源热泵。分散式的热泵系统主要是空气源热泵，集中式的热泵技术主要有余热热泵、地源热泵，目前，由于地热资源储量丰富、稳定可靠、地热能已成为全球新能源利用的热点。

零碳建筑储能系统

在新型电力系统中，储能作为至关重要的一环，是新能源消纳以及电网安全必要的保障，在发电侧、电网侧、用电侧都得到了广泛的应用。2021 年 7 月，国家发改委联合国家能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，指出到 2025 年新型储能装机规模需达到 30GW，2030 年实现新型储能全面市场化。

· 中国已投运电力储能项目比例（数据来源：CNESA全球储能项目库）

如图中国已投运的电力储能项目中最主要是是机械类的抽水蓄能，技术成熟，新型储能技术为电化学储能，占25.2%，其中锂电占电化学储能的93%。对于各种新型的储能电池，右表列出了主要的性能对比，储能主要指标是电气性能如能量密度、寿命，安全性、还有成本等等，对于以磷酸铁锂为代表的电化学储能来说，长寿命相对容易实现，低成本随着行业规模提升终将得到解决，贯穿始终的将是安全性问题。目前：磷酸铁锂、钠离子电池、液流电池、压缩空气储能技术能够较好地适应各类应用场景，安全性可控。

· 用户侧储能（图片来源：《2022 年度电化学储能电站行业统计数据》）

对于零碳建筑来说，主要是看用户侧储能，从图表可知2022年度用户侧电化学储能的发展情况来看，是逐年增高趋势，特别是工商业用户侧达到了758兆瓦时，储能起到了削峰填谷、调频、备用电源以及在未来建立微电网以后，可以起到需求侧响应的作用。目前这个阶段，也是可以通过削峰填谷给末端用户带来巨大的经济效益。

零碳建筑的储能技术场景

那么作为储能技术在用户侧具体有哪些应用场景呢？

· 场景一：工业用户、储能（图片来源：网络）

场景一是工商业用户，采用的是占地较大的集装箱储能，这种是电池系统、消防系统、空调系统、逆变器、温度控制一体化设置，也是目前电网侧和较大用电量的用户侧主要使用的储能产品。

· 场景二：户用储能（图片来源：网络）

场景二是户用储能，一般是几个千瓦到20多个千瓦，采用光伏一体机，主要是自用自发。根据相关普查数据，在国外（主要为欧美、日本、澳大利亚的）的住户中居住在独立/半独立式住宅中的比例均超过50%，我国户用储能主要用于乡镇农村，安装户用光储系统的前提主要依赖于独立的住房结构。

· 场景三：光储充一体化（图片来源：网络）

光储充一体化系统主要是分布式光伏加储能加充电桩的一个场景，目前也有不少应用，主要是解决区域充电站增容困难的问题。

· 场景四：未来双向充电桩作为移动储能装置（图片来源：网络）

最后一个是未来的充电桩的一个发展趋势，双向充电桩使用的是V2G充电技术，可以将电动汽车看成一个小型充电宝，当电网用电低峰时，低价储存进汽车动力电池，到了用电高峰时，再用高价把电能卖回给电网。

智能零碳建筑可持续发展

低碳建筑乃至零碳建筑都代表了人们想要追求一个可持续发展的生活空间，是人类对美好生活的向往，那么智能建筑、或者建筑的智能化将把我们的生活空间打造得更加的宜居舒适、绿色生态。

智能化系统架构

目前建筑智能化主要是由物联网技术来实现的，在现场感知层设置多种传感技术，经过网络传输，在数据层进行处理，分类，直到在应用层进行呈现和管理。数字化技术发展，让建筑运营中产生的大量数据，在建筑的运营阶段得以应用，使设备运行更高效、安全更有保障，生活更加舒适。从这个智能建筑管理平台可以看到，目前做的比较多的是主要是三大版块，一是物业服务，一是设备的能耗监控，一是安防管理、停车管理等。设备能耗监测板块可以扩展成为一个能源监控的板块，包括对各种分布式能源的数据监测和用电监测，充电桩监测、建筑整体碳排放监测等。

· 智能零碳建筑智能化系统架构

智能家居

智能家居内部可以通过智能面板，控制照明开启、灯光亮度模式、场景模式、调节温湿度，以及自动通风遮阳、监控、报警、主要控制方式有手动控制、定时控制、场景控制、APP控制等。

绿色建筑-雨水净化系统

智能建筑可持续发展包含了宜居舒适，低碳节能，还有绿色生态。

· 新加坡Kampung Admiralty 综合体项目（图片来源：www.iarch.cn/thread-40772-1-1.html）

垂直绿化是改善城市生态环境、丰富城市绿化景观重要而有效的方式。有助于进一步增加城市绿量，减少热岛效应，吸尘、减少噪音和有害气体，营造和改善城区生态环境。还能保温隔热，节约能源，也可以滞留雨水，缓解城市排水压力。

建筑外部的绿色屋顶、垂直绿化、雨水花园，将收集，清洁和回收的雨水用于非家庭用途的灌溉和水景配置。

· 雨水收集净化系统（图片来源：https://www.163.com/dy/article/E49A7UN405188AIB.html）

大部分的雨水在从建筑顶端流向下层的过程中被收集和过滤，然后重力流向中间层。过滤后的水以及来自屋顶的直接径流水量足以维持连续三天的植物灌溉和回补两个生态池。

未完待续

腾讯智慧城市交通与网联、中建西勘院张力、吴倩等对此文亦有贡献