零能耗建筑的设计策略与案例分享！零碳达人立青

零能耗建筑的设计策略与案例分享！

零碳达人立青建筑节能合作联盟2022-10-19 08:03发表于上海

建筑部门排放了大量的温室气体，因此必须采取紧急行动来避免气候灾难。未来几十年，净零能耗建筑将在遏制全球变暖方面发挥重要作用。当大多数人想到全球变暖和温室气体排放时，他们可能会想到运输中的化石燃料。因此，令人惊讶且重要的是，建筑部门产生了全球近 40% 的排放量。为实现《巴黎协定》的目标，建筑行业必须在 2050 年之前实现净零碳排放。这意味着全球数十亿建筑需要遵守规定，才能将全球变暖控制在 2 摄氏度以下。拜登政府还设定了到 2050 年实现净零碳排放的目标。

什么是净零能耗建筑？

净零能耗建筑是通过可再生资源制造或供应能源的建筑，从而实现零碳排放。简而言之，净零能耗建筑是指每年产生的能源与消耗的能源一样多。这些类型的建筑物可以从电网获取能量，并将未使用的能量送回以抵消其能源消耗。

不要被相互矛盾的术语所迷惑。NZEB 代表“净零能耗建筑”。ZNE 是“零净能源建筑”的缩写。它们都是同一个意思。它们也可能被称为“绿色建筑”。

“净零”和“零”是有区别的。例如，纽约州法律规定85% 的减排量必须来自该州自身的工业和能源排放。剩下的 15% 可能来自碳补偿，包括林业和农业。无论组织是停止自己的排放还是在其他地方抵消其减排量，碳抵消都有效。气候效应是一样的。

在 1970 年代，家庭屋顶上的太阳能电池板开始利用太阳能。这降低了能源成本，同时帮助了环境。加利福尼亚州和其他州制定了鼓励使用它们的计划，但它们并没有让我们到达我们需要的地方。虽然太阳能电池板很重要，但它们不能单独完成这项工作。

这是因为净零能耗建筑的方法必须更加全面。它需要包括许多促进节能的因素。它还应该远远超出单户可再生能源住宅和住宅建筑。它必须包括其他建筑类型，包括商业建筑。

以下部分将介绍实现净零能耗的一些方法。

建筑如何实现净零能耗？

设计实现净零能耗目标的节能建筑有几个因素。

1.地点

要建造净零能耗建筑，您必须考虑几个条件。建筑工地，你正在建造的地方，气候和建筑物的暴露都会产生影响。

除其他事项外，请考虑：

（1）气候

（2）太阳

（3）风纹

（4）温度

（5）雨型

2.方向

建筑物的朝向取决于能否成功实现净零能耗。某些可再生能源发电机制，如太阳能电池板，在建筑物朝南时效果最佳。但节约能源的因素也很重要。除了利用太阳能之外，您还可以通过调整建筑物的方向以最大限度地利用阴影来节约能源。在温暖的气候中，这意味着您将需要更少地使用空调来保持建筑物凉爽。

照明是另一个重要因素。照明系统可占建筑物总能耗的近 25% 。将建筑物定向以利用自然采光可以减少该负载。窗户布置和天窗的使用是决定建筑物方向时可以考虑的策略。

您还可以将建筑物放置在自然风中。使用自然资源为建筑物的能源系统提供动力并降低能源需求，同时可以节约资源。

3.设计

接下来是建筑设计。确保尽可能选择最好的绝缘材料，以便建筑物尽可能多地节约能源。窗户（双玻璃或更好的三玻璃且有效密封）可以成为节约能源的主要因素。

被动策略与能源生产无关。它们是关于最大限度地减少能源使用 - 并最大限度地提高能源性能。事实上，它们在不使用能源的情况下运行，这就是它们帮助建筑物实现净零能源使用的原因：

高效电器需要更少的能源并减轻整体能源负荷。

低能耗 HVAC 系统也是如此。

空气密封可防止冷却或加热的空气通过裂缝逸出，通常在窗户和门等开口周围。这导致对空调或暖气的需求减少以维持气候控制。

绝缘材料通过在建筑物的内部和外部之间提供额外的屏障来发挥相同的功能。该层捕获热量（冬季）和凉爽的空调空气（夏季），否则可能会通过墙壁、天花板等逸出。

保温的有效性以 R 值表示。这些因绝缘材料的厚度、密度和类型而异：R 值越高越好。保温类型包括：

（1）玻璃纤维保温

（2）羊毛保温

（3）泡沫板或块

（4）纤维素

（5）聚苯乙烯

（6）聚异氰脲酸酯

（7）聚氨酯

通风在热带气候中尤为重要。有必要用新鲜空气代替陈旧的空气。这有助于调节内部温度，同时减少可能导致霉菌和难闻气味的水分积聚。例如，通过使用电风扇来维持适当通风所用的能量可以通过采用自然策略来显着减少。

新建筑的建筑设计可最大限度地提高效率并促进可持续性。

ASHRAE 或美国供暖、制冷和空调工程师协会制定了适用于建筑设计的标准。该小组成立于 1894 年，拥有 87 个活跃的标准和指南项目委员会，负责处理以下一些主题：

热舒适

建筑节能

减少制冷剂排放

室内空气质量

4.可再生能源

设计高性能建筑的最后一步是根据建筑确定最相关的可再生能源。如果建筑物是工业规模的，风力发电机可能会在现场而不是场外使用。太阳能电池板可能是建造新房甚至可以改造房屋的方式。

积极策略通过使用可再生能源策略来减少建筑过程中的能源消耗，例如：

（1）光伏— 光伏是使用半导体材料（如硅）将光直接转换为电能。每个太阳能电池板都包含许多光伏电池，它们一起工作来发电。

（2）风能——风是一种由三个因素产生的太阳能。它受到太阳不均匀地加热大气、地球表面的不规则性以及行星自转的影响。由此产生的风使螺旋桨叶片围绕转子旋转，转子旋转发电机，产生电力。圣贝纳迪诺(San Gorgonio Pass) 和北加州 (Altamont Pass)附近山口的风电场包含数百个巨大的螺旋桨。

（3）水力发电——水力发电厂捕获落水的能量并将其转化为电能。水流下山，被大坝后面的水库捕获。这个水库就像一个电池，在需求高峰期释放水来发电。

（4）生物质——生物质储存来自太阳的化学能，由植物通过光合作用产生。它可以直接燃烧产生热量，也可以转化为可再生的液体和气体燃料。生物质可以像火上的木头一样简单。它就像一个太阳能电池，可以释放生物能源。

（5）地热发电——地热发电涉及蒸汽形式的水压。地热井钻了一英里或两英里的地下泵热水到地表。在那里，压力下降，水变成蒸汽。蒸汽使与发电机相连的涡轮机旋转，从而产生电力。

（6）太阳能——照射在面板上的阳光被面板中的光伏电池吸收。这会响应电池中的电场而产生电荷，从而产生电力。

（7）太阳热能——太阳能热能发电系统使用镜子收集阳光并集中它。这会升高温度，直到温度高到足以发电。例子包括弯曲的抛物槽，例如在莫哈韦沙漠中使用的那些。

净零能耗建筑以各种方式对其当地电网作出反应。电网是集成的还是传统的会影响它与建筑物和策略（例如可再生能源）的交互方式。

（1）能源在电网和传统能源建筑之间以单一方向移动。它使用传统的计量方式从电网流向建筑物。

（2）中等响应的建筑物具有交互式需求响应。

（3）与电网完全集成的建筑物包括被动效率功能以及现场可再生能源生产。

换句话说，两种类型的 ZNE 构建类型必须协同工作以优化电网性能：

（1）面向可再生能源（积极战略）

（2）效率导向（被动策略）

同时使用被动和主动策略将证明对公用电网和 ZNE 建筑物之间的关系最有利。

现有建筑物的净零改造

能源改造可以定义为在现有建筑物中添加新技术以减少能源消耗。改造建筑物的过程需要时间、计划以及大量材料、建筑设备和劳动力。改造现有建筑通常比新建建筑更环保且成本更低。当考虑建筑位置、当前设计和建筑稳定性时，情况确实如此。

根据研究，以下是我们所知道的关于改造成功率以及相关成本的信息：

（1）建筑物越紧凑，如果进行能源改造，它的能源效率就越高。

（2）气候温和和恶劣地区的建筑物最接近实现净零能源节约。

（3）改造建设项目的成本越低，建筑物就越有可能节省净零能源。每平方英尺 200 美元到 450 美元之间是理想的。

（4）对净零效率贡献最大的元素是太阳能电池板和窗户更换。

（5）新建筑施工对环境的负面影响占绝大多数。节能建筑的新建工程将在竣工 10 至 80 年后对环境产生负面影响。

（6）与改造建筑相比，新建建筑最适合提高能源性能、节约和维护成本。

改造能源项目通常用于提高效率。由于美国家庭的平均年龄接近 40 岁，因此迫切需要它们。但这不仅对 20 世纪早期或中期兴起的建筑物很重要。早在 1999 年就符合能源规范而建造的建筑物比现在建造的建筑物使用的能源多 67%。改造不仅是提高效率的措施；它们还具有成本效益，因为它们可以降低运营成本。两种策略特别有用：

（1）建筑重新蒙皮——简单来说，这个过程意味着对现有建筑的外部进行更多的绝缘改造。对建筑物的外部进行三维扫描。然后使用扫描来创建可以安装在建筑物上并在现场快速安装的绝缘板。

（2）封装的机械装置——该过程将机械装置的组件简化为一个单元，以便于安装、连接和控制。它减少了现场所需的工作量。一个包可以包括一个集成控制模块内的热泵、太阳能热水泵和能量监控。

在进行能源改造之前，创建一个包含以下步骤的行动计划会很有帮助。

（1）确定要更换哪些系统以获得最高效率。一些系统可能已经在峰值水平运行，不需要更换。

（2）回顾过去几年的水电费账单。这可以判断能源消耗是否上升。

（3）执行能源审计以做出相应的调整。能源审计可以揭示哪些系统需要升级。它可以识别过滤器堵塞、泄漏、传感器失效和接线不良等问题。

（4）检查建筑围护结构是否有适当的通风和绝缘。检查通风口和管道周围的间隙、密封不良的窗户以及湿气进入的区域。

改造建筑物以实现净零能耗的 5 种方法

简单地改造您的建筑不会自动产生净零能源节约。轻微的改变可能还不够。此外，每种情况都是不同的，因此没有一种万能的改造方法。工作量取决于修改需要的范围。这以及其他几个因素：气候、建筑物的原始设计、结构稳定性和您使用的材料。这些也会影响项目的成本。虽然改造几乎总是比从头开始便宜，但需要大量工作的旧建筑可能需要在材料、设备、拆除处置和劳动力方面进行大量投资。税收优惠和其他刺激措施可以抵消部分长期成本以及未来的能源节约。

以下是改造建筑以实现净零目标的五种方法：

1.更换过时的机械系统。

将炉子/锅炉/窗户空调换成中央系统和/或太阳能热水器。

2. 隔离泄漏。

隔离地下室以减少霉菌。

用喷涂泡沫隔热屋顶和地基，使建筑内部在夏天保持凉爽，在冬天保持温暖。

隔离空墙以有效地温暖老房子。

3.更换旧窗户。

窗户类似于绝缘。它们可以防止气候控制的空气逸出，同时防止空气和水进入房屋。能源之星提供了一个高效窗口列表。

（1）三层玻璃窗是实现最大能源效率的最佳选择。虽然双窗格设计几乎可以将窗户隔热水平提高一倍，但三窗格窗户的效率更高。

（2）应正确安装窗户，以防止水损坏或空气渗透，以实现最佳能源效率。

（3）窗户的放置可以提高您的能源效率。例如，放置在东墙或西墙上的窗户所浪费的能源是朝北或朝南的窗户的两倍。这是因为它们分别在早上和下午面临阳光直射。

低辐射玻璃涂层可减少透过玻璃的红外线和紫外线量。然而，这些低辐射涂层不会影响透过的可见光量。这使您可以：

（4）在夏天通过反射热量来保持室内凉爽。

（5）在冬天通过反射冷空气来保持温暖

（6）通过阻挡紫外线来防止褪色损坏。

4. 购买能源之星产品。

这些类型的产品最适合节能和减少电费。能源之星提供了一个在线投资组合经理来对任何建筑物的能源使用进行基准测试。它在消耗和性能水平方面与类似建筑物进行了对比。自 1992 年以来，能源之星及其合作伙伴已帮助企业和家庭节省了 4500 亿美元的能源成本。他们还减少了 40 亿吨温室气体排放，节省了 5 万亿千瓦时的电力。

能源之星可能因对一系列电器和电子产品进行认证而为消费者所熟知，包括：

冰箱和冰柜

洗衣机和烘干机

空气净化器和除湿机

洗碗机

电视

数字媒体播放器

电灯泡

但是，它也对建筑产品进行认证，包括：

屋面产品

密封和绝缘

风暴窗户

住宅门窗和天窗

此外，它还对加热和冷却产品进行认证，这些产品在建筑物的能源效率中发挥着作用，包括：

中央空调和房间空调

炉子

地热和空气源热泵

无管加热和冷却

智能恒温器

换气扇

锅炉

5. 改用可再生能源。

使用各种类型的可再生能源生产您自己的能源，以帮助节约能源和降低成本。这些可以是太阳能、风能、水电和光伏。改造通常是相当大的项目，可能需要重型设备，尤其是在引入大量新材料的情况下。您可以考虑租用建筑设备来提供帮助。

净零能耗建筑和电网

尽管可再生能源的产量有所增加，但我们没有大规模储存能源的技术。仅水电大坝是远远不够的。如前所述，需要电网连接来帮助建筑物实现净零能耗。它将建筑物产生的任何多余能源送回公用电网。这涉及一个称为负载灵活性的概念，在该概念下，可以调整需求以适应风能和太阳能供应的波动。会有需求高峰期。但有时也会使用积极的可再生能源战略产生剩余电力。

负载灵活性涉及到电网的完全连接，其工作原理如下：

（1）在气候条件允许的情况下，将建筑物与电网集成以产生您自己的能源可以让您依赖该能源。换句话说，当阳光普照、水在流动或风在吹时，你就会产生能量。

（2）您在这些期间产生的任何多余电力都会反馈到电网中。大多数州和公用事业公司都采用净计量，当您向电网供电时，它会“转回”您的电表。公用电网需要具有响应性和交互性。他们需要与所有类型的可再生能源合作，以实现净零能源。

（3）当条件不允许您创造自己的能源时，您可以使用电网提供的能源。这意味着当太阳不照耀，水不流，风不吹时。

（4）要采用此选项，您需要知道：

连接电网需要哪些设备，包括电表、电源调节设备和安全设备。

您的电力供应商设定了哪些要求。

您必须满足哪些州和社区法规和要求。

有两种不同的净零建筑类型：可再生能源导向和效率导向。

可再生能源建筑：

使用更多的能源，但也会产生更多的能源。

依靠主动策略，例如机械 HVAC 系统、蓄热、需求响应和夜间通风。

效率型建筑：

使用和产生更少的能源。

依靠被动策略，如有效绝缘、内置遮阳、采光和建筑方向。

净零能耗建筑的未来

数十亿建筑物需要翻新或净零建造，以减少全球变暖并满足《巴黎协定》。为了实现这些目标，国家可再生能源实验室致力于可再生能源和节能技术的研发。现任美国总统政府的美国就业计划寻求在就业、可再生能源和更新基础设施方面投资 2 万亿美元。

这项投资将通过以下方式影响气候危机：

提供基础设施以减少对环境和社区的影响。

支持清洁能源技术以减少温室气体的影响。

去除当前对环境有害的能源。

能源部已设定目标或指标，重点关注能源效率和可再生能源。其中：

在十年内部署 30 吉瓦的海上风电。这将有助于：

为美国人创造就业机会。

减少二氧化碳排放。

生产清洁能源，为数百万家庭供电。

通过改进太阳能技术和支持新的就业机会，到 2030 年将当前的太阳能成本降低 60%。这将有助于美国走上到 2035 年实现 100% 清洁电力的道路。

各国对净零能耗建筑的倡议

各州也在采取行动。纽约的 2019 年立法制定了到 2040 年实现 100% 无碳电力和到 2050 年实现净零排放的目标。夏威夷在 2015 年采用了 100% 的目标。加利福尼亚、科罗拉多、缅因州、新泽西、新墨西哥、俄勒冈和华盛顿已经通过重大气候变化立法。除其他外，加州的计划要求所有新的商业建筑都是零净能源。它还要求到 2030 年将一半的现有商业建筑改造成零净能源使用。

私营部门的净零能耗建筑

在私营部门，改造市场的持续扩张与净零能耗建筑的新建相结合。尽管如此，要对全球变暖产生重大影响，能源效率投资和电网交互性必须大幅增加。这意味着将建筑改造率从每年约 1% 提高到每年 5% 以上。主动和被动策略必须协调使用。但建筑商不能停留在能源效率上。建筑物必须与电网完全交互，并能够利用灵活的负载管理。

结论

挑战是巨大的，但应对和克服它们的方法是众所周知的。我们只需要加速这些方法并使它们协同工作以最大限度地提高能源效率。如果我们为新建和现有建筑物这样做，我们就可以实现我们为 2030 年和 2040 年设定的目标。我们甚至可以实现 2050 年的目标，因为我们正在努力确定新的长期目标。