建筑业的碳中和未来：零碳建筑和零能耗建筑

       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。然而据数据显示，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。

　　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。早在2010年，世博零碳馆，中国第一座零碳排放公共建筑的问世，就展示出我国在零碳建筑方面所作出的努力。

　　虽然占地仅2500平方米，也没有奇思妙想的外部造型，但它却有着强大的功能——取用黄浦江水，利用水源热泵作为房屋的天然空调；用餐后留下的剩饭剩菜，将被降解为生物质能，用于发电。

　　这里所有的设计和建造主题只有一个，那就是零二氧化碳排放，建造零碳建筑的未来。

　　世博零碳馆利用太阳能种植绿植

　　零碳建筑与零能耗建筑

　　零碳建筑，是指充分利用建筑本体节能措施和可再生能源，使可再生能源二氧化碳年减碳量大于等于建筑全年全部二氧化碳排放量的建筑。

　　零碳建筑除了采用被动式建筑设计中的高效保温、高效节能窗等被动式节能技术外，更多的是通过主动技术措施提高能源设备与系统的效率，同时引入更多的智能控制技术，充分利用光伏等可再生能源，注重实现材料和产品的循环利用，有效地减少建筑全生命周期的碳排放。

　　零碳建筑家居技术使用图

　　零碳建筑和零能耗建筑是很相近甚至被经常混用的两个概念，但它们是有区别的。

　　零能耗建筑，是指不消耗常规能源，完全依靠太阳能或者其它可再生能源的建筑。而零碳建筑是指在全生命周期内综合碳排放不大于零的建筑，近零碳建筑即最大限度地接近零碳建筑水平。

　　零能耗侧重于建筑使用阶段的节能，而零碳建筑则侧重建筑全生命周期的碳排放控制，包括在建材生产阶段、运输阶段、工程建设、建筑使用以及拆除回收这五个阶段。

　　2024年3月，《加快推动建筑领域节能降碳工作方案》提出加快节能降碳先进技术研发推广。支持超低能耗、近零能耗、低碳、零碳等建筑新一代技术研发。可以预见的是，零能耗及零碳是建筑业迈向碳中和的重要的技术发展方向。

　　国家电网的零能耗建筑

　　国内外案例

　　巴西・Petinelli库里蒂巴总部

　　作为全球第一个LEED零能耗探索者，也作为全球首个获得LEED零水耗认证的建筑，此项目最大化地利用了能耗数据收集和场地可再生能源的优势。

　　建筑使用的所有能源均在现场产生，现场的能源使用强度仅为每年每平方米25千瓦时。仅一个15千瓦的光伏阵列，就足以提供这所供25个人使用的办公室所需的能量，甚至还能有盈余。

　　Petinelli库里蒂巴总部内部构造图

　　通过楼顶的人工湿地，这栋14层的建筑可以就地处理100%的废水，通过将雨水储存在屋顶上，雨水汇流池覆盖了整个屋顶表面，一套升降地板系统方便人们在外部行走，地板顶部铺满了细砾石，种植的大型植物和水生植物一起在水域中或水源附近茁壮成长。

　　除了零水耗，据悉，这个办公室的室内空气质量水平比普通建筑要高，其二氧化碳、挥发性有机物和氡含量都在平均线以下。此外，大楼以高节能和热舒适为目标进行设计和建造，因此，机械系统只需要使用少量的能源来供热或制冷，能为所有空间提供增强通风。

　　美国・Unisphere

　　美国联合医疗公司的Unisphere大楼位于美国马里兰州银泉，是美国最大的净零能源项目之一，也被ENR杂志评委2019年“最佳绿色项目”，已完成LEED铂金级认证。

　　为了满足与净零相关的要求，大楼结合地热热泵、现场太阳能和一个集成控制系统，包括窗户在外界温度升高时会自动变暗；在建筑物下方12英尺处的混凝土结构可以用作被动的供暖和制冷系统等。

　　Unisphere大楼内部（来源：Better Buildings）

　　然而，Unisphere的建筑节能能力还有很大的提升空间。比如在建筑里面安装的3，000块太阳能光伏面板运营时间短，尚未达到最佳效率。之后，为解决这一问题，大楼安装SolarEdge或Enphase智能监控平台，实时跟踪每块面板的发电数据，识别异常；运用FLIR热像仪定位热点和故障面板，使其发电能力有所提升。

　　通过遵循净零能耗的道路，Unisphere的整体能耗能有所改进，并实现对外输送15%的可再生能源。

　　挪威・Powerhouse Brattørkaia

　　Brattørkaia能源大楼位于挪威的特隆赫姆市，旨在建立未来建筑的新标准——在包含建造与拆除的建筑全寿命中，建筑产生的能源多于其消耗的能源。

　　该地位于北纬63度，故一年四季的太阳光照量差异极大，这给太阳能的生产和存储创造了一个独特的探索机会。建筑师在大楼倾斜的五角形屋顶和立面的上半部分布置了3000平方米的太阳能面板，以使太阳能的生产量达到最大。

　　据估计，这栋能源大楼一年会产生大约50万千瓦时的清洁再生能源。而这也使得这栋大楼成为了城市中间的一个小型发电站，藏于大楼脚下且空间充足的储电室，则可以解决大楼夏冬两季光照时间极端化的气候局限。

　　Brattørkaia能源大楼外观图（来源：ArchDaily）

　　为进一步减少大楼照明所需的能源消耗，建筑师还采用了一个名为“液体光”的设计概念，即楼内的人工照明系统可以根据内部人员的活动差异，柔和地调节自身的光照亮度。这样一来，这栋能源大楼在照明上所消耗的能源，大约是目前同等规模商业大楼消耗量的一半。

　　同时，建筑师还利用了一系列其他的科技手段，以减少大楼日常运行所消耗的能源，从而使之成为一栋极度节能的建筑。这些手段包括了：将大楼的隔热效率提到最大、安装空气流通的智能设备以减少供热需求、通风和灰水（除卫生间外的所有废水）的热回收策略制定、利用海水进行制冷和供热、以及节能电器的大规模使用。

　　中新天津生态城公屋展示中心

　　中新天津生态城是中国、新加坡两国政府间重大合作项目，是世界上首个国家间合作开发的生态城市，自从建设以来，一直主打低碳、环保、绿色的理念。

　　2024年，国务院批复中新天津生态城建设国家绿色发展示范区“升级版”，将为全球城市绿色低碳发展打造“中国样板”。

　　该中心采用了13项节能环保技术，包括屋顶光伏电板、土壤热源泵、外维护结构、太阳能保温隔热等，强调建筑围护结构被动式节能设计，将建筑能源需求转向太阳能、风能、浅层地热能、生物质能等可再生资源，为人类、建筑与环境和谐共生寻找最佳解决方案。

　　该中心还根据天津本地日照时间和强度，充分考虑光伏板吸收太阳光照的时间问题，公屋展示中心选择了南偏东15°的方向。公屋展示中心的太阳能光伏板面积达2600平方米，每年可发电24万千瓦时，而公屋展示中心一年的用电量只有21万千瓦时左右。

　　中新天津生态城公屋展示中心俯瞰图（来源：中新天津生态城投资开发有限公司）

　　2024年，中新天津生态城公屋展示中心完成中国绿色建筑三星级与新加坡Green Mark白金级双认证，同时也开放公众预约参观，设置VR交互展区展示零碳技术原理。

　　作为生态城“零碳旅游路线”核心节点，2025年预计年接待访客目标10万人次，数据共享至全球建筑碳排放数据库（如CaGBC），推动国际标准制定。

　　世博零碳馆

　　文章开头提到的世博零碳馆，原型取自于世界上第一栋零二氧化碳的社区贝丁顿零碳社区。世博零碳馆由两栋零碳排放的建筑前后相接而成，分为四层，设置了零碳报告厅、零碳餐厅、零碳展示厅和六套零碳样板房，是在中国建成的第一栋零二氧化碳公共建筑，从多角度多层面向世博访客展示中国和世界建筑节能减排的最新成果。

　　零碳馆所需的电力，由建筑附件的太阳能发电版和生物能热电联产生，采用热电联产，可有效地把这部分热能利用起来。更值得一提的是，生物能热电联产将餐厅的食品废弃物和有机物质等我们平时生活中产生的生物垃圾混合，通过生物厌氧过程降解，产生电和热以实现生物能的释放，该系统处理后的产品能够用于还田作为生物肥使用，做到了变废为宝。

　　阳光和水的利用也在零碳馆中体现地淋漓尽致。屋顶上的太阳能板能将太阳能转化为电能，建筑的背面通过漫射太阳光培育绿色屋顶植被，同时北向漫射光为室内提供了相应的自然采光照明；通过屋顶收集雨水，用来冲洗马桶或灌溉植物等，减少了零碳馆对自来水的需求。

　　零碳馆

　　同时，零碳馆采用整体外保温的策略，墙壁是用绝热材料建造的，减少室外热渗透，吸收室内多余热量，稳定室内气温波动。通过零碳馆的这些设计，能够为访客提供既环保又舒适的未来生活体验。

　　该馆将各类节能环保的高科技材料贯穿运用于整个场馆，使用的能源利用与循环、建筑材料与设计、水资源循环利用、地板吸收二氧化碳等绿色循环技术，不仅可以减少温室气体排放，还能推动技术创新与产业转型，改善人居环境与健康。

　　挑战与机遇

　　尽管零碳建筑和零能耗建筑代表了建筑行业向绿色低碳转型的重要方向，但这些新型建筑模式仍面临着诸多挑战，例如节能技术升级建筑物通常需要大量的前期投资，阻止了许多建筑业主进行此类项目；每种结构都可能需要一种独特的建筑脱碳方法；缺乏标准化的政策和不明确的法规等。

　　为应对这些挑战，可再生能源整合、建设建筑能源管理系统等多种方法被提出。未来，零碳建筑可以与智能化技术深度融合。通过物联网、大数据、人工智能等技术的应用，建筑将实现更精准的能源管理、更智能的环境调节，从而为使用者提供更加高效、便捷、舒适的居住体验。

　　零碳建筑和零能耗建筑代表了可持续建筑的未来，是减缓气候变化和实现碳中和的重要步骤。通过采用可再生能源、高效能源系统和可持续材料，不仅减少碳排放，还提供更健康、更经济的生活方式。它还可以向更多建筑类型拓展，除了已经较为常见的住宅和办公建筑外，未来在商业综合体、学校、医院等公共建筑领域也可以尝试应用零碳或零能耗技术。这种多元化发展不仅能够扩大市场规模，也将推动相关技术的创新和完善。

　　建筑行业的碳中和是国家实现碳中和目标中必不可少的部分，推动建筑领域节能降碳至关重要，零碳和零能耗建筑将成为这其中的重要技术手段，为实现“双碳”目标做出重要贡献。