陈劲晖
华建集团华东建筑设计研究院有限公司
机电工程设计研究院
副总工程师
陈 刚
华建集团华东建筑设计研究院有限公司
暖通副总工程师
机电工程设计研究院
院长
在国家提出“碳达峰、碳中和”促进经济社会发展全面绿色转型目标光伏系统如何优化建筑的能源消耗的大背景下，思考机电设计在建筑节能减碳进程当中光伏系统如何优化建筑的能源消耗的角色，探讨机电设计如何将低碳思维融入到机电设计的全过程中。
背景
2020年9月22日，中国在第七十五届联合国大会上宣布，力争 2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取 2060年前实现碳中和目标。“双碳”政策背景下，绿色低碳循环经济发展模式成为必然选择。中国建筑节能协会能耗专委会发布的《中国建筑能耗研究报告（2021）》显示，2019年全国建筑全过程碳排放总量为22.33亿tce，占全国碳排放的比重达到50.6%。建筑领域的低碳转型是我国实现“双碳”目标的关键一环。践行绿色建筑理念，实现建筑行业绿色化、低碳化已成为行业共识。
建筑行业双碳路径
建筑全过程碳排放包括建筑运行、建筑施工及建材生产运输三大阶段的碳排放。其中建筑运行碳排放占建筑全过程碳排放的50%左右，被称为建筑直接碳排放。其余为建筑隐形碳排放。按照目前国家碳排放的统计分类，建筑隐形碳排放将归类于工业和交通版块。因此本文重点关注建筑运行碳排放。建筑运行碳排放（BCE）是建筑运行过程中各类能源消耗量与该类能源碳排放因子的乘积（如下图所示）。
因此为光伏系统如何优化建筑的能源消耗了控制建筑碳排放总量，需要做到以下几点光伏系统如何优化建筑的能源消耗：
1）控制建设规模光伏系统如何优化建筑的能源消耗；
2）提高建筑节能水平，即降低单位面积耗能指标；
3）控制能源结构，降低碳排放因子或采用碳排放因子低的能源；
4）提升建筑的产能水平，发展建筑可再生能源利用。
由此可见建筑业实现双碳的关键路径，在于实施建筑能耗总量和强度的“双控”，当建筑节能水平即建筑单位面积耗能指标达到一定极限以后，依赖于建筑可再生能源利用、电网清洁化及碳汇、碳捕集技术等达到全面碳中和。
低碳思维下的机电设计
截至目前，多家研究机构对于建筑用能增长趋势和用能水平进行了预测，结果虽各不相同，但均认为建筑领域能耗仍将快速增长。建筑行业的双碳目标任重道远，建筑设计行业在这场持久战中将承担着关键且不可推卸的责任。
机电系统作为建筑人工环境的塑造者，是建筑用能的载体，承担着几乎所有的建筑用能。因此在双碳背景下，建筑的机电设计显得尤为重要。时代要求我们摆脱传统的机电设计模式，采用低碳思维融入到全过程机电设计中。从负荷源头开始，应用系统化思维和全过程设计模式，将机电设计与建筑设计及运维融合，并制定长期的机电节能减碳路径。双碳时代背景下，机电设计或有以下思维转变：
01
从配负荷到定负荷
提高建筑节能水平是实现建筑业碳中和的基础，建筑越节能，消耗的能量越少，建筑才能越低碳。提高建筑节能水平应当从两方面入手。首先提高建筑的被动节能水平，从源头控制建筑对于能源的消耗。其次为机电系统的主动增效。而传统机电设计仅仅围绕在机电系统的增效优化，很少向建筑侧延伸。
负荷计算对于暖通设计人员是一项基本及基础的工作内容。长期以来暖通设计人员从建筑获得建筑布局及建筑围护结构参数，设置到空调负荷计算软件，如华电源等，得到空调负荷，从而确定空调冷热源的容量配置。然而在“双碳”背景下，我们建筑的节能水平要继续提高，从50%节能标准提升至75%节能标准，甚至达到超低能耗标准，今后还将推行建筑能耗定额标准。
机电设计师完全可以或者说需要从建筑的能耗指标去倒推出建筑负荷指标，从而对于建筑的被动设计和外围护结构设计提出要求。也就是说机电设计人员可以参与到建筑的被动设计，应用数值化模拟分析手段，提出建筑的自然通风、采光、遮阳及保温要求（例如我们在南京某商业万象天地项目，对中庭玻璃的要求；另商业出入口旋转门代替平推门，以及提高门的气密性后，在夏热冬冷或以北地区可以大大减少冬季热负荷。这点我们在众多项目中已经得到实践，机电工程师不再仅是从事单纯的机电设计，而是可以应用对于建筑能耗及建筑负荷组成的深刻了解，参与到部分的建筑前期方案设计中星空体育下载。
02
冷热源电气化
在建筑节能水平已然提高的前提下，建筑使用的能源的碳排放因子高低，就决定了建筑碳排放的高低。下表显示了目前天然气与电力的碳排放因子对比：
* 上海电力碳排放因子 0.42kg/kWh , 平均供电标准标煤0.307 kg/kwh
可见电力是比天然气等化石能源更清洁，更低碳的能源。而且随着电网的清洁化改造，电力的碳排放因子将逐年递减，甚至有可能完全为零。因此建筑用能的全面电气化就显得十分重要。住建部《“十四五”建筑节能和绿色建筑发展规划》提出：“到2025年全国城乡建筑电气化率达到55%以上”的目标，也证明了建筑用能电气化的重要性。
这就对于机电设计中冷热源的选择产生了重大的方向性变革。制冷机+燃气锅炉的配置长期占据了机电冷热源设计的C位。然而在“双碳”背景下，锅炉由于燃料碳排放因子的问题，可能将逐渐被热泵所代替。
通过对于燃气锅炉和风冷热泵单位热量碳排放量的分析比较，我们得出当风冷热泵的COP为当地电力碳排放因子的4.7倍以上，则风冷热泵的碳排放就将低于燃气锅炉。以上海为例，电力排放因子为0.42tCO2/MWh，风冷热泵平均COP值在1.97以上时，热源采用风冷热泵比燃气热水锅炉减碳。目前市面的风冷热泵产品的性能均可满足该要求。
另外我们还针对夏热冬冷地区锅炉与风冷热泵经济型进行过比较，比较发现在夏热冬冷地区风冷热泵的运行较于燃气锅炉系统经济性更佳。因此风冷热泵替代燃气锅炉是低碳又经济的方式。
然而由于热泵制热的水温及稳定性较燃气锅炉仍有差距，因此对于一些对热水稳定性要求高，或者气候较为寒冷的区域，全面采用热泵替代存在一定困难。因此可以采用热泵与锅炉联合运行的方式，相信随着热泵技术的改进，可以逐步提高热泵的供热比例。
03
从措施控制转化为碳指标控制
双碳背景下，节能不再是模糊的节能率比较，建筑的碳排放总量和强度将成为设计最终的考量指标，清晰明了且容易横向纵向比较。以往机电设计中或者绿色节能标准中往往是以措施、技术控制为主。然而技术和措施的堆砌并不能产生“1+1>2”的效果，有时反而是“1+1<2”。
今后设计中我们应当应用碳排放计算软件，分析各个节能措施对于碳指标的影响，包括单项影响及综合影响。从而帮助项目做出最优的节碳技术组合。
近年来兴起的高效机房就是这样一个系统性思维和方法的高度体现，是集冷源、水系统等各个系统的节能措施为一身，并以最终的机房效率及制冷系统效率为评价标准。设计上给予设计师很大的空间，不管黑猫、白猫，抓住老鼠就是好猫。
04
光储直柔设计
据预测中国需要在2060年实现碳中和，其风光电的缺口为70亿KW，按照每平米100W的发电量估算，需要1亿亩土地。而目前建筑屋面被认为是安装光伏发电最好的资源。
因此今后太阳能光伏一体化应用水平将成为建筑节能领域，特别是以零能耗建筑为代表的高性能建筑的关键问题。之前光伏系统基本是依靠厂家进行深化设计，而现在需要将建筑与光伏进行集成设计，这对于各设计院都是，所涉及的方面和专业都很多。
另外光电受到气象参数的影响，具有较强的不确定性，需要采用措施增强电网稳定性、减少波动。因此就增加可再生能源利用而言，除了单纯增加可再生能源利用外，还包括发展储能类技术以提升建筑负载柔度。
机电专业专业作为最了解光伏系统及建筑用电的专业，在今后的建筑光伏一体化应用应发挥出因有的作用。因此需要机电从业者积累更多光伏产品发电量及效率的设计依据，更加了解直流供电和分布式蓄电技术，并在建筑设计中进行应用，助力国家的能源结构转型。
05
注重计量监测平台的搭建
建筑设计到建筑运维存在于建筑施工等众多环节。因此一个好的低碳设计并不必然产生一个低碳建筑。建筑运行调适是保证建筑能够按照设计和用户要求，实现安全、高效运行和控制的有效手段。
在美国绿色建筑LEED标准中就非常强调和重视建筑的调试工作。在LEED加强调试中强调要基于监测来评估能源系统的性能。虽然调试工作本身未必是设计人员进行，但是保证调试正确性的监测要求包括监测仪表及点位等，需要在设计人员在设计阶段做好设计或者预留。监测表具的位置应该满足监测要求，管路设计需要留出适当的位置安装监测表具，从而确保调试工作的顺利开展，为实现建筑的低碳运行保驾护航。
因此机电设计人员的知识触角应延伸至建筑调试及运行阶段，将后端的需求反馈至前端的设计中，避免设计与运维的脱节。
展望
国家的双碳目标为机电设计行业带来机遇和挑战，机电从业者应该怀揣理想，掌握过硬的技能，应用低碳思维进行机电全过程设计，助力建筑行业实行双碳目标。
中国建筑学会高层建筑人居环境学术委员会
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