零排放建筑：实现全球碳中和建造

建筑行业是全球温室气体排放的主要贡献者。从建筑材料的开采和制造，到建筑物运营寿命期间消耗的能源，其影响是巨大的。应对这一挑战需要向零排放建筑 (ZEB) 和碳中和建造的范式转变。本综合指南将探讨推动这一关键转型的原则、策略、技术和全球倡议。

理解零排放建筑与碳中和

“零排放建筑”的确切定义可能因具体情境和所应用的标准而异。然而，其核心概念围绕着最大限度地减少或消除与建筑整个生命周期相关的温室气体排放。

关键术语与概念

• 零排放建筑 (ZEB)： 一种在设计和建造上旨在实现年度净零温室气体排放的建筑。这通常涉及能效措施与现场或场外可再生能源发电的结合。
• 碳中和建造： 一个更广泛的概念，涵盖整个建造过程，旨在通过碳封存或抵消措施，平衡与材料生产、运输、施工活动和建筑运营相关的碳排放。
• 隐含碳： 与建筑材料的开采、制造、运输、安装以及施工过程本身相关的温室气体排放总量。
• 运营碳： 与运营建筑物所消耗的能源相关的温室气体排放，包括供暖、制冷、照明、通风和其他建筑服务。
• 净零能耗 (NZE)： 一种年度能源产量与消耗量相等的建筑，通常通过现场可再生能源发电实现。虽然净零能耗建筑通常是零排放建筑的一部分，但它们不一定解决隐含碳的问题。

建筑环境脱碳的紧迫性

建筑环境占全球能源消耗和温室气体排放的很大一部分。根据联合国环境规划署的数据，建筑约占全球能源消耗的40%和全球温室气体排放的33%。解决这些排放问题对于减缓气候变化和实现全球可持续发展目标至关重要。

此外，预计未来几十年对新建筑的需求将急剧增加，特别是在世界快速城市化的地区。这意味着，除非实施重大变革，否则建筑行业对环境的影响只会加剧。因此，向零排放建筑和碳中和建造的过渡不仅是可取的，而且是必不可少的。

实现零排放建筑的策略

实现零排放建筑需要一个多方面的方法，涵盖设计、材料选择、施工实践和运营策略。以下是一些关键策略：

1. 优先考虑能源效率

降低建筑的能源需求是实现零排放的首要且最关键的一步。这包括实施被动式设计策略，利用高性能建筑围护结构，以及整合节能技术。

• 被动式设计： 优化建筑朝向、遮阳、自然通风和热质量，以最大限度地减少对机械供暖和制冷的需求。例如，在热带气候中，设计带有大悬挑和浅色屋顶的建筑可以显著减少太阳热增益。在寒冷气候中，通过朝南的窗户最大化太阳能增益可以减少供暖需求。
• 高性能建筑围护结构： 使用隔热良好的墙壁、屋顶和窗户，以最大限度地减少冬季的热量损失和夏季的热量增益。例如，使用三层玻璃窗、高度隔热的墙体组件和气密施工技术来减少空气泄漏。
• 节能技术： 采用高效的暖通空调系统、LED照明和智能建筑控制系统，以最大限度地减少能源消耗。例如，变制冷剂流量 (VRF) 暖通空调系统可以提供分区供暖和制冷，以适应建筑内不同区域的特定需求。

2. 整合可再生能源

在实施能效措施后，通过现场发电或从场外可再生能源采购清洁能源，对于抵消剩余的能源需求至关重要。

• 现场可再生能源： 安装太阳能光伏 (PV) 板、风力涡轮机或地源热泵系统，直接在建筑现场发电或产生热能。现场可再生能源的可行性取决于气候、场地条件和建筑规模等因素。
• 场外可再生能源： 购买可再生能源证书 (REC) 或与可再生能源供应商签订购电协议 (PPA)。这使得建筑业主即使无法在现场发电，也能支持可再生能源的发展。

3. 减少隐含碳

解决建筑材料和施工过程中的隐含碳是实现真正碳中和的关键。这包括做出明智的材料选择、优化施工实践以及考虑建筑材料的整个生命周期。

• 低碳材料： 选择隐含碳较低的材料，如回收材料、可持续来源的木材以及含有替代胶凝材料（如粉煤灰、矿渣）的混凝土。生命周期评估 (LCA) 可用于比较不同材料的隐含碳。
• 优化的施工实践： 最大限度地减少建筑垃圾，使用高效的施工技术，并减少与材料运输相关的运输排放。实施精益施工原则有助于提高效率和减少浪费。
• 碳封存： 探索整合能主动封存碳的材料的机会，例如麻凝土或交叉层压木材 (CLT) 等生物基材料。

4. 优化建筑运营

高效的建筑运营对于长期维持零排放性能至关重要。这包括实施智能建筑技术、监测能源消耗以及鼓励使用者参与节能行为。

• 智能建筑技术： 使用传感器、数据分析和自动化来优化建筑性能，例如根据占用情况调整照明水平，并根据天气条件优化暖通空调系统运行。
• 能源监测与审计： 定期监测能源消耗并进行能源审计，以发现改进机会。
• 使用者参与： 教育建筑使用者有关节能行为的知识，并鼓励他们参与可持续发展倡议。

5. 碳抵消（作为最后手段）

虽然主要目标应该是直接最大限度地减少和消除排放，但碳抵消可以作为补偿任何剩余排放的最后一步。然而，确保抵消是可信和可验证的非常重要。

• 经核证的碳抵消： 从经过信誉良好组织认证的项目（如核证碳标准 (VCS) 或黄金标准）购买碳抵消额。
• 优先减排： 只有在用尽所有其他减排努力后，才应将抵消作为最后手段。

赋能零排放建筑的技术

一系列技术正在向零排放建筑的转型中发挥关键作用。这些技术涵盖了能源效率、可再生能源和建筑管理等领域。

节能技术

• 高性能窗户和玻璃： 带有低辐射涂层、填充气体和先进框架系统的窗户，以最大限度地减少热传递。
• 先进隔热材料： 真空绝热板 (VIP)、气凝胶和其他高性能隔热材料，以减少热量损失和增益。
• 热回收通风 (HRV) 和能量回收通风 (ERV)： 从排出的空气中回收热量或能量，以预热或预冷进入的新鲜空气的系统。
• 智能照明控制： 根据占用情况、日光可用性和其他因素自动调节照明水平的系统。
• 高效暖通空调系统： VRF系统、地源热泵和其他先进的暖通空调技术。

可再生能源技术

• 太阳能光伏 (PV) 板： 将阳光转化为电能的面板。
• 太阳能集热器： 捕捉太阳能用于加热水或空气的集热器。
• 风力涡轮机： 将风能转化为电能的涡轮机。
• 地源热泵： 利用地球恒定温度来为建筑物供暖和制冷的泵。

建筑管理技术

• 楼宇自动化系统 (BAS)： 控制和监控楼宇系统（如暖通空调、照明和安防）的系统。
• 能源管理系统 (EMS)： 跟踪和分析能耗数据以发现改进机会的系统。
• 智能电表： 提供实时能耗数据的电表。

零排放建筑的全球倡议与标准

一些全球性的倡议和标准正在推动零排放建筑和碳中和建造的普及。这些倡议为建筑业主和开发商实现其可持续发展目标提供了指导、框架和认证计划。

能源与环境设计先锋 (LEED)

LEED是由美国绿色建筑委员会 (USGBC) 开发的全球公认的绿色建筑评级体系。LEED为设计、建造、运营和维护高性能绿色建筑提供了一个框架。LEED涵盖了广泛的可持续性问题，包括能源效率、节水、材料选择和室内环境质量。

建筑研究院环境评估方法 (BREEAM)

BREEAM是另一个领先的绿色建筑评级体系，由英国建筑研究院 (BRE) 开发。BREEAM评估建筑在能源、水、材料、废物和污染等一系列类别中的环境性能。

净零能耗建筑认证 (NZEBC)

NZEBC是由国际未来生活研究院 (ILFI) 开发的一项认证计划，旨在表彰那些年度能源产量与消耗量相等的建筑。NZEBC特别关注能源性能，并鼓励使用现场可再生能源发电。

世界绿色建筑委员会 (WorldGBC)

世界GBC是一个由各地绿色建筑委员会组成的全球网络，致力于在全球推广可持续建筑实践。世界GBC提供资源、宣传和教育，以支持向零排放建筑和碳中和建造的过渡。

《巴黎协定》与国家建筑规范

《巴黎协定》是一项关于气候变化的全球协议，呼吁所有部门（包括建筑环境）大幅减少温室气体排放。许多国家正在将其国家建筑规范中纳入更严格的能效标准，以帮助实现这些目标。例如，欧盟的《建筑能效指令》(EPBD) 对欧洲的新建和现有建筑的能效提出了要求。

挑战与机遇

尽管向零排放建筑和碳中和建造的转型带来了巨大的机遇，但也面临着一些挑战。

挑战

• 更高的前期成本： 实施能效措施和整合可再生能源技术可能会增加前期的建造成本。
• 缺乏意识和专业知识： 许多建筑业主、开发商和承包商缺乏设计和建造零排放建筑所需的知识和专业技能。
• 监管障碍： 过时的建筑规范和区划法规可能会阻碍可持续建筑实践的采纳。
• 数据可得性： 获取可靠的建筑材料隐含碳数据可能受到限制。
• 供应链限制： 在某些地区，低碳建筑材料和可再生能源技术的供应可能有限。

机遇

• 降低运营成本： 由于能耗降低，零排放建筑通常具有显著降低的运营成本。
• 增加物业价值： 绿色建筑通常能获得更高的租金和售价。
• 改善居住者健康和生产力： 零排放建筑通常拥有更好的室内空气质量和照明，这可以改善居住者的健康和生产力。
• 创造就业机会： 向可持续建筑实践的转型可以在可再生能源、能效和绿色建筑领域创造新的就业机会。
• 减缓气候变化： 零排放建筑在减少温室气体排放和减缓气候变化方面发挥着至关重要的作用。

案例研究：世界各地的零排放建筑

世界各地有许多成功的零排放建筑案例，展示了这种方法的可行性和益处。

The Edge（荷兰阿姆斯特丹）

The Edge是阿姆斯特丹的一座办公楼，被设计为世界上最可持续的建筑之一。该建筑融合了一系列节能技术，包括太阳能电池板、地热能和智能照明系统。它还使用雨水收集系统并拥有绿色屋顶。The Edge已获得BREEAM-NL杰出评级。

布利特中心（美国西雅图）

布利特中心是西雅图的一座六层办公楼，旨在实现净零能耗和净零用水。该建筑通过太阳能电池板产生其所需的全部电力，并收集雨水以满足其所有用水需求。它还拥有一个堆肥厕所系统，并使用无毒建筑材料。布利特中心被国际未来生活研究院认证为“生命建筑”。

Pixel大楼（澳大利亚墨尔本）

Pixel大楼是墨尔本的一座办公楼，旨在实现碳中和与水中和。该建筑通过太阳能电池板和风力涡轮机产生其所需的全部电力，并收集雨水以满足其所有用水需求。它还拥有一个绿色屋顶，并使用回收建筑材料。Pixel大楼已获得澳大利亚最高评级——绿星6星评级。

卡塔尔国家博物馆（卡塔尔多哈）

虽然严格来说不是一座净零能耗建筑，但卡塔尔国家博物馆展示了适合严酷沙漠气候的创新可持续设计策略。其连锁圆盘状结构利用了被动式设计原则，如遮阳和自然通风，以最大限度地减少能源消耗。该设计巧妙地融合了当地材料和节水景观，以减少其在该地区的环境影响。

零排放建筑的未来

建筑环境的未来在于广泛采用零排放建筑和碳中和建造。随着技术进步、成本降低和法规日益严格，零排放建筑将变得越来越普遍。以下是塑造零排放建筑未来的一些关键趋势：

• 增加人工智能 (AI) 的使用： 人工智能可用于优化建筑性能、预测能源消耗和自动化建筑运营。
• 更大程度地整合可再生能源存储： 电池和蓄热等储能技术将在帮助零排放建筑匹配能源供需方面发挥关键作用。
• 开发新型低碳材料： 研发工作正专注于创造新的低碳建筑材料，如生物基材料和负碳混凝土。
• 采纳循环经济原则： 循环经济原则，如为拆卸而设计和材料再利用，对于减少浪费和最小化隐含碳将变得越来越重要。
• 关注建筑韧性： 零排放建筑将被设计成更能抵抗气候变化影响，如极端天气事件和海平面上升。

结论

向零排放建筑和碳中和建造的转型对于减缓气候变化和创造一个可持续的未来至关重要。通过优先考虑能源效率、整合可再生能源、减少隐含碳和优化建筑运营，我们可以将建筑环境从问题的根源转变为解决方案的源泉。虽然挑战依然存在，但机遇是巨大的。拥抱创新、合作和对可持续性的承诺，将为未来铺平道路，使建筑不仅对环境负责，而且为全人类创造一个更健康、更繁荣的世界。

采取行动： 开始研究当地的激励措施、绿色建筑认证和可持续施工实践。与有设计和建造零排放建筑经验的建筑师、工程师和承包商合作。倡导支持向可持续建筑环境过渡的政策。