摘要：本研究的重点是通过整合多个系统来开发和实施零碳建筑，以实现中国的碳中和目标。它强调了建筑行业在碳排放中的重要作用，并强调了与中国“双碳”目标相冲突的能源消耗增加的挑战。为了解决这个问题，本研究提出了一个综合框架，该框架结合了多功能围护结构系统（MES），光伏发
本研究的重点是通过整合多个系统来开发和实施零碳建筑，以实现中国的碳中和目标。它强调了建筑行业在碳排放中的重要作用，并强调了与中国“双碳”目标相冲突的能源消耗增加的挑战。为了解决这个问题，本研究提出了一个综合框架，该框架结合了多功能围护结构系统（MES），光伏发电、储能、直流电 （DC） 、柔性能源管理 （PEDF） 和区域能源站。该框架集成了相变材料、辐射制冷和碳矿化水泥等不同技术，旨在减少建筑整个生命周期的碳排放。该方法已成功应用于海南三亚崖州湾零碳驿站项目，实现了碳减排量的精确计算。计算显示每年减少了 44.13 吨 CO2排放，25年寿命期内总计可减少CO2排放1103.31 吨，这主要归功于屋顶光伏系统。实践结果证明多系统集成可以有效减少建筑碳排放，并为中国更广泛的碳中和目标做出贡献。这种方法如果得到广泛采用，可以加快中国建筑领域碳中和的实现。
关键词：零碳建筑;碳排放计算;MES;PEDF;储能
1. 引言
能源是社会发展的基础，是建立可持续发展社会的保障。当前我国严峻的能源形势与城市建筑能耗的快速增长密切相关。近年来，中国新增建筑面积约占全球建筑面积年增长量的三分之一，建筑能耗总量呈逐年上升趋势。2023年，中国建筑业碳排放量约为23亿吨，约占中国碳排放总量的18.25%。该行业仍然是中国碳排放的重要贡献者，反映了中国对建筑材料和建筑活动的高能源需求。
随着中国提出“力争 2030 年前达到碳峰值、争取 2060 年前实现碳中和”的“双碳”目标，建筑领域面临着能源与环境的双重压力，迫切需要转变现有的建筑能源供给方式，推动城市和建筑低碳技术的系统升级，实现建筑能源的绿色化、低碳化。
为推动中国“碳达峰，碳中和”工作，中国政府发布的一系列政策文件，要求加快推动建筑用能电气化和低碳化，支持利用太阳能、地热能等建设可再生能源建筑供能系统，在具备条件的地区推进供热计量改革和供热设施智能化建设，鼓励建设绿色用能产业园区和企业，发展工业绿色微电网，支持在自有场所开发利用清洁低碳能源。
建筑领域供能的节能减碳是中国实现碳达峰、碳中和目标的“重要一环”。若维持现有建筑用能方式和供能技术不变，建筑领域的碳达峰将明显滞后全国碳排放总量达峰时间，这无疑将对中国兑现“2060 碳中和”目标构成巨大挑战。在双碳战略背景下，结合自然资源禀赋条件，推动低品位能源利用效率，采用多能互补形式发展太阳能零碳建筑，是降低建筑碳排放的主要途径。
本研究旨在通过开发多系统集成的智能解决方案，结合材料科学、建筑学、暖通空调和计算机科学来实现零碳建筑。研究重点整合了多功能围护结构、PEDF 技术和区域能源站等技术。这种综合方法被应用于三亚市崖州湾的一个零碳建筑项目，精确的碳排放计算验证了其有效性。结果表明，该解决方案将支持建筑的零碳运营，这与研究的核心目标一致。
2. 发展概况
零碳建筑的起源可追溯到20世纪70年代的能源危机时期。当时，能源价格飙升和供应不稳定性促使人们开始关注建筑的能效问题。这一时期的零碳建筑主要以美国的被动式太阳能住宅和欧洲的低能耗建筑为主。主要集中在通过优化设计和施工技术来降低能耗和碳排放。例如，Kang Y等提出了一种基于数据驱动的综合PSO-SVM-NSGA-III方法，该方法有助于优化被动设计参数以实现零碳建筑。Ansah M K 等提出了一种考虑成本效益的低碳建筑参数化设计优化方法，并探讨了混杂因素对实现低碳设计的影响。在此阶段，设计优化主要涉及被动式设计策略，包括建筑的朝向、自然通风和日光利用等，以最大程度减少对供暖、制冷和人工照明的需求。
随着可再生能源技术的进步，太阳能和风能等逐渐被整合到建筑系统中，推动了零碳目标的实现。例如，光伏发电系统的广泛应用不仅为建筑提供了清洁能源，还降低了对传统化石燃料的依赖。此外，风能和地热能等其他可再生能源技术也逐渐被应用于建筑中，以进一步减少碳排放。Deymi-Dashtebayaz M等从能源、运动、经济和环境方法建立了一个创新的多代太阳能-风能系统的动态模型，该模型被集成到俄罗斯圣彼得堡的一座近零能耗建筑中，目的是覆盖该建筑每小时的制冷、供暖和电力负荷。
进入二十一世纪，零碳建筑的标准和认证体系如LEED（Leadership in Energy and Environmental Design）和BREEAM（Building Research Establishment Environmental Assessment Method）显著提升了行业规范和实践水平。这些认证体系通过制定严格的评估标准，鼓励建筑项目在设计、施工和运营阶段采用可持续发展的最佳实践方法。此外，政府的激励政策和法规也在全球范围内促进了零碳建筑的发展。许多国家和地区通过税收优惠、财政补贴和技术支持等措施，鼓励开发商和建筑业主采用零碳建筑技术。例如，中国的绿色建筑行动计划和欧盟的《气候与能源框架》都为零碳建筑的发展提供了强有力的政策支持。近年来，伴随着人工智能、数字孪生等技术的进步，通过智能建筑管理系统完成对建筑能源的实时监控和优化，将显著提升建筑的运行能效，实现建筑的节能减碳，进一步推动零碳建筑的普及和可持续性发展。Haidar N等建立了一种新的依赖于消费者的能源管理系统，以降低智能建筑的成本和碳影响。Yu L等总结了深度学习算法在智能建筑能源管理中的应用，并指出了未来建筑能源管理领域可能的研究方向。
此外，新兴材料的开发和应用，如高效隔热材料和可再生建筑材料，将进一步降低建筑的碳足迹。这些技术和材料的创新不仅有助于实现零碳目标，还能提高建筑的整体性能和舒适度。Kalbasi R和Afrand M研究了如何通过不同比例的相变材料和保温材料来实现零碳建筑。Du F等开发了一种多功能水泥气凝胶材料，用于建筑物的外墙。其卓越的保温性能和耐火性能将有助于实现零碳建筑。Hua W等人总结了基于相变材料的季节性热能存储技术的进展，以支持零碳建筑的实现。
PEDF 系统是一种融合多种技术的能源解决方案，旨在实现能源高效利用和减少碳排放。PEDF 系统在建筑领域得到了广泛的发展和应用，特别是在零碳建筑中。Kong Y、Zhao Z 和 Zhang Z 等以雄安新区的一座公共建筑为例，设计了 PEDF 系统，以实现建筑的节能减碳。Mao T 和Xu J介绍了 PEDF 建筑光伏系统的重要评价指标，并以一个真实项目为例，介绍了 PEDF 建筑光伏系统的选型、配置、模型构建、系统仿真等整个设计过程。
综合能源站通过整合多种能源资源，可提高能源效率、减少碳排放，为零碳建筑提供强有力的能源支持。它们是实现建筑碳中和的关键技术之一 。Dou Z等人从规划、设计和运营等多个角度概述了综合能源站技术。Xu X等提出了一种基于三步规划方法的综合能源规划方案，目标是实现近零碳排放示范区。
从上述讨论来看，实现零碳建筑需要多种方法，包括建筑材料的选择和能源供应解决方案的设计。这是一个复杂的系统工程。如何开发出普遍适用且可推广的零碳建筑多系统集成解决方案，成为目前制约零碳建筑大规模建设和推广的主要问题之一。
3. 零碳建筑的多系统集成功能架构
基于以上分析，研究团队进行了大量的研究工作。重点讨论了零碳建筑定量机理研究中的关键问题和对策，以及零碳建筑中能源利用、节约和生产的理论框架。通过这些研究，本文提出了零碳建筑的多系统集成功能架构，如图 1 所示。
图 1.零碳建筑的多系统集成功能架构。
为实现建筑物运行期间碳排放接近于零的目标，可以通过多功能围护结构系统，PEDF系统，区域能源站系统共同实现。
其中，多功能围护结构系统采用碳矿化水泥基围护材料、相变储能墙、辐射冷却材料、多功能光伏发电材料等技术实现碳矿化水泥基外壳材料可以提高能源效率和耐用性，同时通过利用矿化和回收成分来减少建筑物的碳足迹。相变储能墙采用相变材料 （PCM） 来储存和释放热量，稳定室内温度并减少加热和冷却的能源使用。辐射冷却材料通过以红外辐射的形式发射热量来被动冷却建筑物，从而减少对空调的需求。多功能光伏发电材料利用太阳光发电，同时提供隔热或遮阳功能，支持能源效率的提升和可再生能源发电。
PEDF 系统包含光伏发电技术、储能技术、直流电技术、柔性交互技术。PEDF 系统的组件直接相互作用，以优化建筑物的能源效率。光伏 （PV） 板发电，可立即使用或由储能系统储存以备后用。直流电 （DC） 技术通过避免 AC/DC 转换来最大限度地减少能量损失，从而提高能量流的整体效率。灵活性组件动态调整能源消耗和生产，响应供需波动，从而确保稳定高效的能源管理，这对于实现建筑的零碳运营至关重要。
能源站系统集成了多种可再生和高效的能源技术，它通常包括水源热泵、地源热泵或空气源热泵，用于传递热能以进行对建筑物的加热和冷却。热交换系统优化了不同能源之间的能量传输，而多能互补系统则确保了各种能源的平衡供应。此外，热存储技术可以将剩余能源储存起来以备后用，从而提高整体效率，并确保零碳建筑运营中持续、可靠的能源供应。
本研究根据能源生产、节能和能源利用对零碳建筑的各种功能系统进行了分类。所有系统均具有节能功能。
4. 零碳建筑的关键技术
4.1. 多功能围护结构
零碳建筑MES是指将多种材料融为一体，实现节能、环保、提高居住舒适度的建筑围护结构。本研究将碳矿化水泥基围护材料、相变储能墙体、辐射冷却材料和多功能光伏发电材料四项技术整合到零碳建筑的围护结构中，体现了建筑设计的整体方法。每项技术都具有多种功能，以互补的方式为能源效率、热舒适度和碳减排做出贡献。本研究还设计了零碳建筑的屋顶结构和墙体结构，如图 2 所示。
图 2.零碳建筑的屋顶结构和墙体结构。
图 2 说明了零碳建筑屋顶和墙壁结构的设计和组成。建筑围护结构中采用的关键材料包括碳矿化水泥基材料。这些材料在生产过程中吸收二氧化碳，从而减少建筑的碳足迹。它还强调了相变储能墙的使用，通过吸收和释放热量来调节室内温度，从而减少能源需求。应用于屋顶和墙壁的辐射冷却材料通过发射热辐射来促进被动冷却，从而最大限度地减少对主动冷却系统的需求。此外，多功能光伏发电材料嵌入到结构中，以产生可再生能源，同时提供绝缘和遮阳。这些材料共同创造了一个高效的围护系统，提高了建筑的能源性能，并有助于零碳运营。
(1)碳矿化水泥基外壳材料
碳矿化胶凝材料是一种先进的建筑材料，在生产过程中将二氧化碳 （CO₂） 融入其结构中。这是通过一种称为碳化的化学过程实现的，其中 CO₂ 与水泥中的钙化合物反应，形成稳定的碳酸钙。该工艺不仅可以封存二氧化碳，减少材料的碳足迹，还可以提高材料的机械性能，例如强度和耐用性。
这些材料用于建造建筑物的结构构件，例如墙壁、地板和屋顶。通过将碳矿化水泥基材料整合到围护系统中，该建筑可以显著减少其隐含碳。通过降低与建筑相关的碳排放，这有助于实现零碳建筑的总体目标。
(2)相变储能墙体
相变材料（PCM）是在改变其物理状态时（例如，从固体变为液体，反之亦然）吸收或释放大量潜热的物质。相变储能墙采用 PCM 来调节室内温度。当温度升高时，相变材料通过熔化吸收多余的热量。当温度下降时，相变材料通过凝固释放储存的热量。这种热能储存能力有助于维持稳定的室内环境并减少对加热和冷却的需求。
相变储能墙体被集成到建筑物的围护结构中，既起到隔热作用，又起到热缓冲的作用。通过吸收和释放热量，这些墙壁有助于调节室内温度，减少供暖和制冷的能耗，并提高整体能源效率。这有助于零碳建筑的能源性能的提升，确保舒适度，同时最大限度地减少能源使用。
(3)辐射冷却材料
辐射冷却材料旨在通过将热量从建筑物表面辐射到天空来被动冷却建筑物，尤其是在夜间。这些材料在红外光谱中具有高发射率，使其能够有效地发射热辐射。它们还可以具有选择性反射特性，反射大部分太阳辐射，同时允许建筑物通过辐射热损失进行冷却。
这些材料可以应用于屋顶和外墙，在减少建筑物的冷却负荷方面起着至关重要的作用。通过将辐射冷却材料纳入围护结构系统，建筑物可以更有效地散发多余的热量，降低室内温度，而无需主动冷却系统。这种被动冷却策略对于降低能耗和实现建筑零碳至关重要。
(4)多功能光伏发电材料
多功能光伏（PV）材料是将传统的PV技术与隔热、遮阳和美感增强等附加功能相结合的产物。这些材料通常集成到外墙、屋顶和窗户等建筑元素中（建筑光伏一体化或BIPV）。它们利用阳光发电，同时服务于其他建筑功能。
在零碳建筑中，这些材料是建筑能源系统的关键组成部分。通过将光伏材料整合到建筑物的围护结构中，该结构可以直接产生可再生能源，减少对外部能源的依赖，并为实现净零能耗目标做出贡献。此外，它们的多功能性意味着它们提供了额外的好处，如绝缘和遮阳，以进一步提高建筑的能源效率。
4.2. 光伏、储能、直流电电、柔性交互 （PEDF） 系统
通过采用 PEDF 系统，零碳建筑可以实现高能效、提高可靠性并显着减少碳足迹。其中，光伏技术提供了一种可持续和可再生的电力来源。储能技术可确保在需要时提供这种可再生能源，从而克服了太阳能的间歇性。直流电技术通过最大限度地减少转换损耗来提高能源系统的效率。Flexibility 技术可实现智能、自适应的能源管理，从而优化能源供需之间的平衡。这些技术共同创建一个能源生态系统，以支持可持续发展目标，减少对不可再生能源的依赖，并为建筑环境中的弹性、低碳未来铺平道路。这四种技术之间的关系如图 3 所示。
图 3.PEDF 技术的相互关系。
图 3 概述了 PEDF 系统的四项核心技术之间的相互作用：光伏 （PV） 技术、储能、直流电 （DC） 系统和灵活性。光伏技术从阳光中发电，太阳能可以立即使用或通过储能系统储存。直流电技术通过减少与 AC/DC 转换相关的损耗来优化系统的能源效率。灵活性是指系统根据需求变化调整能源生产和消耗的能力，从而优化整体能源使用。这些技术协同工作，以最大限度地利用可再生能源并确保零碳建筑的高效能源管理。
(1)光伏 （PV） 技术
光伏技术涉及使用具有光伏效应的半导体材料将太阳光转化为电能。太阳能电池板由多个太阳能电池组成，可捕获太阳能并将其转化为直流电 （DC） 电。这项技术是利用太阳能可再生能源的核心。
在零碳建筑中，光伏技术对于现场可再生能源发电至关重要。通过在屋顶和外墙安装太阳能电池板，或将它们集成到建筑材料中（建筑一体化光伏或 BIPV），建筑物可以通过清洁、可持续的来源产生很大一部分能源需求。这减少了对化石燃料的依赖，降低了碳排放，并支持实现净零能耗的目标。
(2)储能技术
储能技术涉及捕获一次产生的能量以供以后使用。最常见的形式是电池存储，它以化学形式存储电力并根据需要释放。其他形式包括热能存储，用于加热或冷却。以及机械储存，例如抽水蓄能、压缩空气等。
储能系统对于平衡零碳建筑的供需至关重要。它们能够在生产高峰期（例如，晴天）存储光伏系统产生的多余能量，并在太阳能发电量低或没有太阳能发电的时期（例如，夜间或阴天）提供电力。这确保了稳定可靠的能源供应，增强了能源安全，并优化了可再生能源的使用，从而减少了对电网电力的需求和相关的碳排放。
(3)直流电（DC）技术
直流电技术是指使用沿一个方向流动的直流电，而不是周期性反转方向的交流电（AC）。许多现代电子设备以及太阳能电池板和电池本身都使用直流电。利用直流电系统可以减少与 AC/DC 转换相关的能量损失。
在零碳建筑中，采用直流电技术可以提高能源效率。通过创建直流电微电网或使用直流电配电系统，建筑物可以直接连接光伏系统和电池存储系统，而无需在交流和直流电之间进行多次转换，这通常会导致能量损失。这种简化的方法提高了整体系统效率，减少了能源浪费，并支持可再生能源的整合，从而为零碳目标做出了贡献。
(4)柔性交互技术
柔性交互技术包括一系列系统和策略，旨在根据不断变化的环境条件调整能源生产、消耗和储存。这包括需求响应（根据电网信号调整能源使用）、灵活负载（可以改变运行时间的设备或系统）以及根据电网需求主动管理能源使用的电网交互式高效建筑。
柔性交互技术是优化零碳建筑能源管理的关键。通过动态调整能源使用模式、集成实时数据以及与电网交互，建筑物可以提高能源效率、减少峰值需求并更好地利用可再生能源。例如，在太阳能发电量高的时期，灵活的建筑可能会增加电池充电或预冷空间等任务的能耗，同时在电网需求高峰时段减少使用量。这种智能的能源管理有助于最大限度地利用可再生能源，稳定电网，并进一步减少碳排放。
4.3. 综合能源站技术
综合能源站技术是实现零碳建筑的重要技术之一。它通过利用可再生热能（如水/地/空气源热泵和热交换技术）提供高效的加热和冷却。为了确保平衡、有弹性和高效的能源供应，综合能源站可以集成各种可再生能源、存储解决方案和转换技术。通过集成能源站技术，零碳建筑可以实现高能效、可靠性和可持续性。这种全面的方法减少了对化石燃料的依赖，降低了碳排放，并支持能源安全和环境管理的更广泛目标。以储能型地源热泵能源站为例，系统工艺原理如图 4 所示。
图 4.储能地源热泵能源站的系统工艺原理。
图 4 显示了使用地源热泵和储能的能源站的运行过程。该系统在地面和建筑物之间传递热量，利用可再生的地热能提供供暖和制冷。此外，热交换技术通过回收建筑物内的热能来提高能源效率。多能源互补技术的集成允许各种能源的组合使用，确保一致的能源供应。该能源站在可再生能源发电量高的时期储存多余的能源，并在低发电量时期利用它，从而提高整体系统的弹性并减少碳排放。
(1)水/地/空气源热泵
热泵是使用制冷循环将热量从一个位置传递到另一个位置的设备。它们效率很高，因为它们可以移动热量而不是直接产生热量。根据热源的差异，热泵可分为以下几类：
▪水源热泵：从水源（如湖泊、河流或地下水）中提取热量。
▪地源热泵（地热）：从地面提取热量，通常通过充满传热流体的埋地管道。
▪空气源热泵：从外部空气中提取热量。
热泵因其高效率和利用可再生能源的能力而对零碳建筑至关重要。通过利用水、地面或空气作为热源，这些系统可以显着减少对化石燃料进行加热和冷却的依赖。这降低了碳排放量，提高了建筑的能源效率，有助于实现零碳状态的总体目标。
(2)热交换技术
热交换技术涉及在两种或多种流体之间传递热量而不混合它们。常见的换热器类型包括：
▪板式换热器：使用金属板在两种流体之间传递热量。
▪管壳式换热器：由一系列管子组成，一组包含要加热或冷却的流体，另一组包含加热或冷却流体。
▪热回收通风机 （HRV） 和能量回收通风机 （ERV）：在通风系统中的进出气流之间传递热量（有时是水分）。
热交换技术通过回收和余热再利用来提高零碳建筑的能源效率。例如，HRV 和 ERV 可以从废气中捕获热量，并使用它来预热进入的新鲜空气，从而减少对额外加热的需求。高效的热交换系统最大限度地减少了能源浪费并优化了可用热能的使用，从而降低了整体能耗和碳排放。
(3)多能互补技术
多能源互补技术涉及多种能源的集成和优化，以满足建筑物或地区的能源需求。通过结合多种能源和存储解决方案，建筑物可以最大限度地利用可再生能源，最大限度地减少对化石燃料的依赖，并增强能源安全。不同能源形式的互补使用可实现灵活高效的能源管理，这对于保持低碳排放和实现零碳目标至关重要。
(4)储热转化技术
储热转换技术是将低品位能源转化为高品位能源的重要方法，在能源站中得到广泛应用。这对于零碳建筑至关重要，因为它们能够有效利用间歇性可再生能源。通过在可再生能源发电量高时储存多余的热能，在发电量低时利用热能。这一技术确保了一致和可靠的能源供应，减少了对基于化石燃料的备用系统的需求，降低了碳排放，并增强了建筑物的能源独立性和弹性。
5. 综合碳排放计算方法
结合前文的引言，本研究提出了一套全面的碳排放计算方法，包括能源消耗计算、可再生能源发电计算、能源储存和利用效率计算、碳排放计算以及碳抵消和净排放。在这种方法中，每个公式都建立在前一个公式的基础上，提供了一种循序渐进的方法来计算建筑物的能源消耗、可再生能源贡献、存储效率和净碳排放量。它为共同实现和评估零碳建筑运营提供了一个全面的工具。
(1)能耗计算
公式（1）总结了建筑物的总能耗，考虑了所有一次能源的使用。表示总能耗，而和代表建筑物中的主要能源消耗者。先进的加热技术，如水/地/空气源热泵，可以通过利用可再生热源来显着减少这些能源需求。表示照明系统的能耗。表示设备的能耗。表示通风系统的能耗。此公式计算建筑物消耗的总能量，包括照明、电器和通风等主要能源消耗系统的贡献。它还考虑了先进的加热技术，如热泵，这些技术可以通过利用可再生热源来减少整体能源需求。
(2)可再生能源发电计算
公式（2）表示建筑物产生的可再生能源，包括光伏（太阳能）能源和来自风能、生物质能或地热能的能源。代表光伏产生的能量，以及代表其他可再生能源技术产生的能量。该公式评估建筑物产生的可再生能源量，主要通过光伏系统以及其他可再生能源，如风能、生物质能或地热能。它在决定可再生能源发电可以抵消多少建筑物的能源消耗方面发挥着关键作用。
(3)储能与利用效率
考虑到存储效率，公式（3）决定了储存以备后用的有效能量。代表储能系统的效率，以及代表光伏系统的能量立即使用而不被储存。该公式评估了储能系统的效率，这些系统捕获了多余的可再生能源以备后用，它还考虑了光伏系统，确保能源得到有效利用，而不会造成不必要的浪费。
(4)碳排放计算
公式（4）通过考虑来自非可再生能源的能源消耗和可再生能源抵消的能源来计算碳排放总量。表示来自天然气或煤炭等非可再生能源的能源。表示每种非可再生能源每单位能源的碳排放量。表示可再生能源的碳排放抵消量。表示可再生能源的排放因子，该因子通常为零，因为太阳能和风能等可再生能源不会产生直接碳排放。此公式通过考虑来自非可再生能源的能源消耗，并减去可再生能源的碳抵消量来计算碳排放总量。它考虑了不同能源的排放率，同时认识到太阳能和风能等可再生能源不会产生直接碳排放。
6. 案例研究
6.1. 案例介绍
海南省太阳能资源丰富，年平均日照时数高，是开发零碳建筑的理想场所。该省出台了几项关键政策举措，以促进这一发展，包括与中国碳中和目标相一致的“零碳岛”倡议。该倡议旨在减少能源需求，提高能源效率，并扩大可再生能源的使用。
本研究中的项目案例位于中国海南省三亚市的崖州湾地区，是政府资助的采用新技术的计划的一部分。该项目包括两种类型的公共便利设施：滨海城市驿站和城市街区驿站。前者用砖混结构混凝土建造，而后者则采用预制钢结构建造。两种类型的建筑都是单层的，占地面积约为250至300平方米。由于项目所在地的自然资源有限，且受项目预算限制，该项目仅通过在屋顶使用光伏技术来实现建筑物的绿色节能。
为了确保稳定的电力供应并节省独立的存储成本，屋顶光伏系统直接连接到公共电网。同时，项目采用家用锂离子电池储能方式，满足夜间6小时以上的用电需求。该项目如图 5 所示。
图 5.零碳建筑项目俯视图。（a） 城市街区驿站。（b） 滨海城市驿站。
6.2. 碳排放计算
(1)装机容量
滨海城市驿站屋顶安装光伏的合适面积为192平方米，而城市街区驿站的合适面积为 100平方米。该项目采用尺寸为1200×1600毫米的钢化夹层功率玻璃（每片240 W），成分为3.2 CdTe（碲化镉）+ 0.5 POE（聚烯烃弹性体）+ 3.2 TP（钢化玻璃）来完成屋顶光伏发电系统。滨海城市驿站共安装了 100 个屋顶，城市街区驿站共安装了52个屋顶，共计152个屋顶，装机容量约为 36.48 kWp。
此外，该项目采用高压液冷电池预制舱进行储能，以满足建筑物夜间的用电需求。根据设计规范，每日储存的电力通常是每天发电量的两倍。因此，该项目的最大存储容量为 80 kWp。储能系统的参数如表 1 所示。
表 1.储能系统参数摘要。
(2)发电量的计算
该项目使用 Meteonorm 气象数据确定海南省三亚市的年平均太阳总辐射量为6142.55 MJ/平方米，年平均日照高峰时段为1706.4小时。图6显示了太阳相对于朝向真北（方位角 0°）的倾斜平面在天空中的路径。纵轴表示太阳在地平线上方的高度，而横轴表示其方位角或指南针方向。黄色区域表示太阳全天的轨迹，特定的时间标签标记了太阳在不同时间的位置。红线表示太阳在平面前方可见的时间，而蓝线表示太阳低于地平线平面的时间。
图 6.太阳路径相对于特定位置的地平线。
使用 PVSYST 7.2 光伏仿真软件模拟了屋顶光伏系统在25年内的年发电量及其衰减。PVSYST 7.2是一款广泛使用的 PV 仿真软件，专为太阳能系统的分析、设计和优化而设计。它允许用户对各种类型的太阳能光伏系统进行建模和仿真，包括并网、独立和混合系统。
表 2 显示了滨海城市驿站的屋顶发电量。第一年，该系统发电量为30,500 kWh，每年以 0.4% 的速度逐渐下降，直到第 25 年发电量下降到 27,700 kWh。25 年累计总发电量为 727,558 kWh，整体衰减率为 14.60%。
表 2.滨海城市驿站屋顶发电。
同样，表 3 显示了城市街区驿站的屋顶发电量。第一年，该系统发电量为 15,900 kWh，每年以 0.4% 的速度逐渐下降，直到第 25 年发电量下降到 14,400 kWh。25 年累计总发电量为 379,064 kWh，整体衰减率为 14.60%。
表 3.城市街区驿站屋顶发电。
从表 1 和表 2 中的数据可以预测，该零碳建筑项目在其 25 年生命周期内的累计发电量约为 1,106,622 度电，平均年发电量约为 44,265 度电。由于本项目驿站的主要功能是为城市居民提供公共厕所和商店等便捷服务，因此用电量非常低。据估计，每个驿站的年平均用电量约为 100 kWh/平方米。屋顶光伏系统的发电可以满足驿站的电力需求。
(3)碳和其他污染物排放计算
根据《2020中国电力行业年度发展报告》显示，全国6000 kW及以上火电厂的用煤标准为0.328 kg/kWh、二氧化碳排放量为0.997 kg/kWh、二氧化硫排放量为0.03 kg/kWh、氮氧化物排放量为0.015 kg/kWh、烟雾排放量为0.272 kg/kWh。该项目每年可减少 44.1322 吨二氧化碳排放。在 25 年的生命周期内，总共可减少 1103.3051 吨二氧化碳排放。计算结果如表 4 所示。
表 4.碳和其他污染物排放计算。
6.3. 研究结果
结果表明，综合多系统方法在显著减少零碳建筑的碳足迹方面的有效性。每年减少 44.13 吨 CO，25 年累计产量达到 1103.31 吨，凸显了这些技术的长期可持续性和环境效益。这种大幅减少主要是通过集成光伏系统和节能建筑设计来实现的，凸显了这些解决方案在缓解气候变化方面的实用性。此外，这一结果表明，即使使用单一的零碳技术，拟议的系统也可以对减少建筑物的运营碳排放产生有意义的影响。结果还表明这种方法的可扩展性，使其适用于广泛的建筑项目，从而为国家和全球碳中和目标做出贡献。
7. 研究意义
7.1. 理论意义
本研究介绍了多功能围护系统、PEDF 系统和区域能源站系统的集成，为零碳建筑领域提供了创新的理论框架，并解决了现有研究中孤立研究这些系统的空白。该方法通过多系统的协同互动，系统地探索了实现建筑零碳排放的潜力，从而推进了零碳建筑施工方法的理论发展。
7.2. 实际意义
本研究提出的多系统集成方法不仅有效实现了建筑零碳排放，有助于实现碳中和目标。该方法具有可复制性和可扩展性，已在海南省三亚市崖州湾零碳驿站项目中成功应用，并为其他地区的类似项目提供了宝贵的经验。这种方法平衡了显著的环境效益和经济可行性，为未来智慧城市的发展和可持续建筑技术的广泛采用提供了实践指导。
8. 结论
本研究提出了一种全面的多系统集成方法，结合了多功能围护系统、PEDF 系统和区域能源站系统，以应对实现零碳建筑的挑战。这个创新的系统框架弥合了这些技术通常被孤立研究的差距，并为可持续建筑提供了可扩展的解决方案。该方法在三亚崖州湾的零碳驿站项目中成功实施，并证明了该方法的实际可行性。计算显示，利用该方法设计的零碳建筑运营阶段碳排放减少了 CO约44.13 吨/年，25年总计减少 CO排放约1103.31吨，这主要归功于建筑的屋顶光伏系统。
尽管取得了这些积极成果，但零碳建筑仍然存在重大挑战。有限的资源禀赋、高昂的初始成本以及集成各种技术（如储能和智能管理系统）的复杂性，为业主更为广泛地采用零碳建筑技术方案构成了障碍。此外，地理和气候变化会影响某些技术的有效性，例如可再生能源的生产和储存。这些因素需要灵活的本地化解决方案，这使得零碳建筑的标准化和可扩展性变得复杂。未来的研究将集中在智能能源管理系统上，并使所有这些技术适应不同的资源和气候条件，同时通过案例研究进一步验证该方案的普适性。应对这些挑战对于提高零碳建筑解决方案的全球适用性和为实现更广泛的碳中和目标做出贡献至关重要。
作者团队介绍: 本文主要作者来自于湖北省绿色智能建筑工程技术研究中心（以下简称“中心”）。该中心成立于2017年5月15日，是由湖北省科学技术厅主管，依托武汉理工大学的科研平台。中心下设绿色智能建筑设计与系统环境、先进土木结构体系与智能控制、新材料新能源与建筑综合集成技术、建筑工业化建造与信息化管理技术、人居生态环境与海绵城市技术研究室五个研究室。研究方向涵盖建筑设计、土木工程、建筑材料、建筑环境等领域。近三年来，中心承担并完成了国家级和省部级重大专项等近30项，申请或授权国家发明专利近100件，发表高水平研究论文200余篇，获得国家科技成果奖2项，省部级奖5项，是我国建设行业重要的人才培养与科技发展基地。
友绿编译自：Buildings 2024, 14(11), 3394; https://doi.org/10.3390/buildings14113394
作者：Jiaji Zhang,Yuting Lin,Lan Wang,Qiankun Wang ,Ke Zhu,Shize Yang，Guoqing Guo
来源：友绿
