建筑能源低碳化的思考与实践

叶水泉

（源牌集团，杭州　310030）

建筑能源低碳化的思考与实践

叶水泉

（源牌集团，杭州310030）

2011年我国二氧化碳排放总量为79.55亿t，居世界第一，2013年我国一次能源消贾总量为37.5亿tce，也居世界第一。同时，我国已成为世界第二大经济体，国际国内的呼声都要求中国加大对节能减排和改善民生的投入。因此，我国为加速推进低碳经济，正从经济和社会的整体出发，努力构建低碳化发展新体系，并着重在能源、交通、建筑、农业、工业、服务和消贾7个方面实现“低碳化”。其中，建筑能耗约占社会总能耗的1/3，并且仍在不断增长中。因此，作为当今世界的第一建设大国，建筑低碳化无疑是我国低碳化体系中非常重要的一个方面。

1　建筑低碳化的思考

建筑节能是在建筑规划、设计、建造和运行过程中，通过可再生能源的应用、新型保温材料的使用、高效节能设备的应用、智能化系统的控制等降低建筑能源消耗，减少碳排放，合理、有效地利用能源的活动。针对建筑节能，有以下3个方面的思考：一是降低建筑能源需求；二是充分利用可再生资源；三是科学管理建筑能源。

1.1降低建筑能源需求

提高能源使用效率从而降低建筑能源需求是目前最普遍的建筑节能手段，但建筑节能应从规划做起，在规划阶段就应融合节能的理念，能源规划作为建筑节能重要环节的作用日益凸显。降低能源需求除了提高能源使用效率外，还应注重能源规划和提高能源转换效率。

（1）有效规划低碳能源。低碳能源规划主要指对现有及已有资源的利用，采用更加合理的方式解决建筑的一部分功能需求，从而实现建筑低碳化；在宏观上，可以通过整个区域综合资源规划的方法，改变过去单纯以增加资源供给来满足日益增长需求的思维定势，将提高用户端的节能率和能源利用率、降低电力负荷和电力消耗量作为目标，从而实现节约投资和节能减排，这种方式被称为区域低碳能源规划。即针对一个城市或区域，首先分析其外围能够提供什么样的能源接入（如：大电网、蒸汽热网），再分析其内部是否有可挖掘的可利用资源（如：太阳能、风能、浅层地热能等），最后再结合区域内建筑的具体需求（冷、热、电能），将这三者综合考虑，以排碳最低为最终目标，对能源使用方式进行设计和规划。

针对相关微观的建筑本体，则充分考虑建筑节能设计，可以因地制宜地选用合理风水布置、保温墙体、双向呼吸玻璃幕墙、节能门窗、遮阳系统、导光纤维照明应用等这些被动建筑节能方式，充分利用天然资源，从而降低建筑的能源需求。

（2）提高能源转换效率。传统的矿物质能源使用方式，是建设大型电厂，通过高压输配到各个城市的变电站，经过调节、变压、分配，再输送到各个建筑中，直接使用或再经设备转化成冷、热能，以满足人们的生活需求。从矿物质能源，转化为建筑用的电、冷、热能，即使采用目前最先进的技术系统，综合效率也不超过40%。因此，要实现节能减排，提高能源从生产到消耗中间过程的转换效率是必由之路。在建筑领域，与之对应的解决方案是冷热电三联供为代表的分布式能源，以及以集中供冷供热为特征的区域能源系统。

分布式能源，其核心解决思路是能源的就地消纳与梯级利用。以冷热电三联供为例，在小片区域或者单体建筑中，单独设立能源站对一次能源进行加工转化，并将其转化过程中的不同产品，给予不同方式的有效利用。如：燃气内燃机系统，采用天然气作资源，燃烧过程中产生的高温烟气部分转化为高品味的电能，中温部分通过溴化锂吸收式制冷主机为用户提供空调，低温部分则直接供用户采暖和生活热水，通过这种方式实现能源的梯级利用，实现一次能源的综合利用率的提高。发展“热—电—冷”三联供技术，技术层面已成熟，但推广应用需政策配套以及合适的建筑群周边条件，才能发挥较好的经济效益，如：杭州某试点，尚存在天然气供给价格较高、发电上网缺乏配套政策、余热未能有效综合利用等问题。图1为冷热电三联供系统示意图。

图1　冷热电三联供系统示意图

在一些没有条件发电的建筑群中，由于建筑能耗的60%以上发生在空调和采暖系统上，业态的差异导致其空调负荷存在同时使用系数远远低于1的情况，则可以采用规模化的区域供冷、供热方式系统的降低空调系统的装机容量，减少能源消耗和碳排放。

（3）提高能源使用效率。对于建筑物的主要用能系统，通过技术手段提高能源的使用效率，其带来的节能效益是显而易见的。目前围绕这一方面有着多种多样的技术，如：新型空调技术、建筑智能控制技术、高效率的空调机组以及LED照明等。由于空调和采暖系统是用能大户，目前很多建筑节能技术，如：围护结构节能、自然通风、建筑绿化等，最终目标就是降低空调与采暖的负荷。因此，研究节约建筑能耗，空调采暖技术尤为重要，应重视该领域的低碳建筑技术开发和应用。

另外，蓄能技术应用也可以解决一些问题。电能一般来说是不能储存的，或者即使能实现一定程度上的储存，以目前的技术成本也非常高，往往得不偿失，尽管电能不方便储存，但是建筑能源需求中的冷和热是有办法实现储存的。在夜间空调负荷相对较低，电力负荷同样较低的情况下，通过技术手段和相应设备将将电能转变为冷和热储存起来，白天再释放使用，这样的方式就叫做蓄能空调技术。蓄能空调技术已经成为我国电力需求侧管理行之有效的重要技术手段之一，各级政府和电力系统高度重视并不断推出优惠政策，引导社会企、事业单位广泛采用，指导用户科学用电、合理用能，其最主要的功能是实现电力移峰填谷，具有良好的社会效益和经济效益。蓄能空调作为一项已经比较成熟的技术，在国内的发展已经有20余年历史，要在国内加快发展建筑节能事业，可以学习日本、韩国等资源紧张的国家，将蓄能空调技术作为一定规模以上建筑必须采用的节能技术，在更大层面上推广和普及蓄能空调技术。

1.2充分利用可再生资源

采用风能、太阳能、浅层地热能以及其他可再生、非矿物质能源，来替代以煤为代表的矿物质能源，来减少建筑运行中用能造成的排放，是能源行业以及建筑低碳化的必然趋势。地方政府将可再生能源的利用比例纳入节能强制考核标准，这显然是非常有利于我国建筑低碳化进程的加速发展。

（1）地（水）源热泵系统。地（水）源热泵是实现低品位热能向高品位热能转移的冷暖两用空调系统，从能源角度来说，它主要利用常温土壤、地表水或地下水中的能源制冷和供暖，而这些能源来源于太阳能，所以它是一种利用可再生能源的技术，其高效、节能等特点已经被社会广泛认同，但其应用受到地理条件和水文地质的影响较大，成为制约地源热泵应用的主要障碍，同时气候条件也是影响其节能性能的因素之一。按照气候带划分，杭州处于夏热冬冷地区，夏季需要制冷，冬季需要供暖，地源热泵系统一机多用的优点非常适合该类地区的制冷、供暖及生活热水要求，因此从地理条件上看，杭州适合发展地源热泵；在水文地质条件上，杭州市地表水及生活污水丰富，钱塘江及京杭运河等地表水体都较适合做闭式水源热泵系统的热源热汇，另根据杭州市区已有的土壤源热泵空调系统的实际测试，地下岩土温度全年基本恒定在18～20℃左右，具有良好的土壤源地源热泵使用条件；另外，通过技术手段解决夏热冬冷地区土壤源热泵地下岩土热平衡问题，则使土壤源地源热泵在夏热冬冷地区的推广更具有优势。

（2）太阳能光伏发电系统。太阳能光伏发电系统也有着较好的节能价值，绿色设计理念对太阳能建筑来说尤为重要，建筑应该从设计开始就将太阳能系统考虑为建筑不可分割的一个组成部分，将太阳能外露部件与建筑立面进行有机结合，实现太阳能与建筑材料一体化。园区建设中若建筑形式普遍占地大、楼层低、容积率不高，则具有良好的应用太阳能光伏的条件。以位于浙江青山湖科技城的源牌绿色工坊为例，其光伏系统装机250 kW，于2012年10月投运。根据完整运行年的统计数据，其光伏发电量已经占到了工厂生产和办公总用电量的42%。

（3）风电的新应用。近些年我国能源结构中，煤炭的比例从80%多下降到60%多，有很大一部分原因是风电的大规模发展。南方的风电资源较少，但值得一提的是大多数风场都位于我国西部和北方，经济发展相对落后于南方与东部沿海地区，因此其用电负荷也较小，导致大量风力发电产生的电力没有得到有效利用，从而产生“弃风现象”，无论对于风电的投资还是其产生的能源都是极大的浪贾。因此可适当考虑一些新的方式，对这些地区发出的电力加以更为合理的应用，如：在小型城镇周边的风场，安装高效率的“电极式锅炉”，将风场发出的电就地转化为热水或蒸汽，供当地城镇采暖。一方面减少了风电的浪贾，另一方面也降低了北方和西部采暖的煤耗，也间接减轻了北方空气污染的现象，不失为一种尝试。

1.3科学管理建筑能源

科学管理建筑能源包含建立建筑能效基准，加强建筑节能事后监管以及建筑能效测评，也应当作为实现建筑能源低碳化的重要研究方向之一。

（1）建立各类建筑能耗基准

建筑能耗基准是判定和分析能源利用效率水平高低的重要依据。与欧美发达国家相比，我国建筑能耗基准方面的工作基础较差，建筑能耗及建筑基本情况等基础数据严重匮乏。所幸业内各界已认识到建筑基础数据的重要性，目前相关的建筑节能和信息统计工作已连续开展多年，目前已经取得一定成果。与此同时还应开展关于建筑能耗数据分析的工作，提出我国建筑能耗的一些特点及存在的问题，建立基于我国国情的各类建筑降耗基准。

（2）能源监测和行为节能

有了许多先进的理念和技术，最终还需要有着科学成熟的系统来进行管理和实施。一栋建筑的水、电、冷、热，用到哪里去了、用了多少，在探索建筑节能的过程中，必须要搞清楚，然后才能找到节能的方向，降低这些能源的消耗。以节能监管为目的的面向政府及主管部门的能源管理系统（又称能源监管系统或能耗监管平台等）是政府节能主管部门的监管体系的核心以及长效监管机制的保障。该系统作为区域级建筑的能耗监测、统计、分析的平台基础，为相关部门开展能源审计、能耗统计提供科学充分的数据；同时，还可以利用该系统实现能效公示、能耗定额等功能，提高管理水平。

2　建筑低碳化的实践

以建筑能源低碳化实践的案例——浙江青山湖科技城，作为建筑低碳化思考的案例。

青山湖科技城是按照浙江省委、省政府实施“创业富民、创新强省”总战略要求，在临安青山湖区域打造的省级科研机构创新基地，其首期核心研发区块总规划建筑面积约80万m2，重要纲领性原则之一即“区域性低碳能源系统是科技城成为低碳经济示范园区的重要积极因素”。在科技城建设初期，就结合规划区域的实际情况，以可持续发展、对环境友好、能源使用效率高、节约能源使用等为原则对区域内的各种能源（主要为电、冷、热）供应进行了科学的区域规划，并出台了《科创基地低碳建筑节能技术应用导则》，指导园区内入驻单位进行绿色低碳技术的应用和节能建筑建设。在这个导则中，列出了园区入驻单位必须使用的建筑节能技术30项，称为控制类技术；建议选择使用的技术14项，称为一般类技术；示范优选类节能技术8项，称为优选类技术，具体如表1所示。同时，将接受该导则作为土地招拍挂的附加条件，这样就保证了无论土地谁竞拍、谁建设、谁设计，都会遵循该《低碳建筑设计导则》，从源头上保证了建筑低碳节能技术在园区的有效、合理应用。

表1　青山湖科技城低碳建筑设计导则摘要

该园区还创新了一种建设方式，入驻的17家院所，以原本各自需要建设普通空调系统的资金，共同出资成立了青山湖节能投资公司，并以这个公司为主体，投资建设了覆盖整个园区的区域供冷供热能源站，为园区内约80万m2的科研办公类型建筑提供空调用冷热源。采用区域供冷供热能源站，通过提高能源使用效率，减少能源消耗和污染排放；同时，入驻院所共同出资成立的主体以经营的方式对能源站的运行进行管理，取得的效益可继续投资建设新的区域能源站，使之成为一种良性循环的低碳能源事业。

综合以上几点，青山湖科技城的这一实践，成为真正受欢迎的多赢举措。青山湖区域能源站建设于青山湖节能科技大厦地下，设计采用地源热泵蓄能耦合技术，设计负荷较常规中央空调减少35%，转移高峰电力6 000 kW，年节省电贾40%，节约用水40%，减少二氧化碳排放37 000 t。图2为青山湖区域能源站。

图2　青山湖区域能源站

3　结束语

基于对建筑能源低碳化的思考与实践，认为杭州市率先建设低碳城市具有得天独厚的有利条件，低碳建筑是其最重要的抓手之一，为杭州市低碳绿色建筑更加科学快速发展，有如下建议：①以设计导则为抓手，推广区域建筑低碳能源规划，强调建筑能源管理应从源头做起；②加快发展可再生能源建筑一体化应用，因地制宜地采用适合我市可再生能源规模化应用技术；③建立建筑能效基准，发展建筑能效测评工作，着力加强建筑节能事后监管；④重视低碳建筑技术开发，扶持拥有自主知识产权的绿色节能建筑技术应用及推广，并在本地项目中优先进行示范推广。D

（本栏责任编辑徐文红孙晶）

Thinking and practice of low carbonization building energy sources

YE Shui-quan
（RunPAQ Group，Hangzhou 310030，China）

2014-11-10