低碳建築
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低碳建築(low-carbon building)
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什麼是低碳建築[1]
低碳建築是指在建築材料與設備製造、施工建造和建築物使用的整個生命周期內，減少化石能源的使用，提高能效，降低二氧化碳的排放量。
低碳建築內涵[2]
低碳建築研究應首先確定內涵，內涵確定將為低碳建築最終發展及策略制定奠定基礎。
從建築全生命周期內的微觀角度物質流過程來看，低碳建築包括下列三個方面的物質活動：在建築全生命周期過程的進口環節，要用太陽能、風能、生物能等可再生能源替代化石能源等高碳性的能源；在建築使用過程中，要大幅度提高化石能源的利用效率，加強建築節能；在全生命周期的出口環節，要通過植樹等綠化面積的增加，吸收建築活動所排放的二氧化碳，即所謂碳匯(圖1)。
低碳建築模型[2]
×(1+K) 低碳建築模型註：此處K指的是可再生能源利用年增長率。
低碳建築的實現技術[3]
在實現低碳建築的過程中，房屋利用了各項技術。
1)低輻射玻璃：通過使用低輻射玻璃，可以極大降低因輻射造成的室內熱能向外傳遞，從而減少電力消耗，實現減排目標。
2)中水處理系統：將生活污水作為水源，經處理後可用到廁所沖洗、園林灌溉、道路保潔等方面，從而實現節水減排的目標。
3)外牆外保溫與外牆內保溫系統：將導熱系統較低的絕熱材料與建築物牆體固定為一體，增加牆體的平均熱阻值，實現保溫效果。
4)太陽能：通過鋪設太陽能電池板有效吸收太陽能，代替電能及其他能源的消耗。
5)戶室新風系統：能夠提升室內空氣品質的換氣裝置，能夠有效調節控制的濕度和溫度，並過濾空氣和殺死病菌，戶室新風系統能夠節約通風方面的能量消耗，同時能夠有效地防止室溫的降低，降低維持溫度所消耗的能量。
6)雨水再迴圈系統：通過將自然或人工收集的雨水進行儲存，經過過濾處理後，進行地下水補供和園區灌溉，降低水資源消耗。
這些單一的技術都能夠為低碳建築提供幫助，但只有將它們連接在一起，和其他感測器、監控設備、通信設備共同形成物聯網系統才能更好的發揮作用。例如在物聯網系統的指導下，新風系統和太陽能設備協同工作，依據溫度感測器獲取的溫度信息，能夠有效保持室內溫度、控制氧氣和二氧化碳的濃度比例，讓人們始終生活在舒適的環境中有不致於浪費過多的能源。
低碳經濟與低碳建築興起的意義[4]
①2003年，英國政府發表能源白皮書《我們能源的未來：創建低碳經濟》，在世界上首次提出“低碳經濟”。從那時起“低碳世界”、“低碳技術”、“低碳建築”、“低碳生活方式”等一系列新概念應運而生。
②低碳經濟是以低能耗、低排放、低污染為基礎的經濟模式，是人類繼工業文明之後的又一次重大進步。低碳經濟的實質，是提高能源利用效率和創建清潔能源結構，是一種正在興起的經濟形態和發展模式。它包括低碳產業、低碳技術、低碳城市、低碳建築、低碳生活等一系列新內容。它通過大幅度提高能源利用效率，大規模使用可再生能源，大範圍研發溫室氣體減排技術，建設低碳社會，維護生態平衡。發展低碳經濟是一場涉及生產模式、生活方式、價值觀念、國家權益和人類命運的全球性革命，又是全球經濟高碳能源轉向低碳能源的一個必然選擇。
③低碳經濟的突出任務是減少二氧化碳的排放，降低經濟發展對生態系統中碳環境的影響，保持地球的生態平衡。它涉及技術開發、生產建設、社會生活等各個方面，涉及許多產業部門，尤其是電力、建築、交通、冶金、化工、石化、汽車等許多行業。低碳經濟對各行各業的技術開發、生產建設提出了許多新概念、新方法、新要求。按照生態、環保及經濟建設的要求，建築技術將低碳理念引入設計和建造，合理規劃城市功能區佈局，在建築物的建設中，推廣利用太陽能、風能、地熱能，儘可能利用自然通風采光，選用節能型取暖和製冷系統；選用保溫材料，倡導適宜裝飾，杜絕裝修中的浪費；在家庭推廣使用節能燈和節能電器，在不影響生活質量的同時．有效降低日常生活中的碳排放量。我國一些地方特別是有些城市發展低碳經濟的熱情很高，出台了相關的指導意見，規範低碳經濟的內涵、模式、發展方向和評價體系等。所有這些措施，在落實節能減排的實踐中，加深了對低碳、減碳意義的理解。
④建築行業是耗能的大戶，據統計資料反映，我國每建成1m2的房屋，將釋放0．8t碳。同時，在建造、使用中，建築採暖、空調、通風、照明等方面的能源需求，使碳的排放量有增無減。因此，儘快地建設低碳節約型住宅，實現節能技術創新，建立建築低碳排放體系，註重建設過程中的每一個環節，以有效控制和降低建築的碳排放，並形成可迴圈持續發展的模式，最終，使建築物有效的節能減排，並達到相應的標準，是我國建築產業走上健康發展的必由之路。
低碳建築對智能化的需求[4]
1)低碳建築設備的配置及其與智能化的關係
低碳建築要滿足減少二氧化碳排放的要求，首要的任務是落實“節能”。低碳建築節能架構及其與智能化的關係示意，如圖2所示。
(1)結構節能
結構節能廣泛採用熱緩衝層技術、自然採光通風技術、能量活性建築系統、混凝土樓板輻射儲熱蓄冷系統、圍護結構的保溫隔熱系統、光電幕牆與光電屋頂一體化技術等，通過智能化系統的調控和優化，分別達到保溫、隔熱、供電的節能效果。
(2)開源節能 開源節能儘量減少常規能源的供應，加強可再生能源的開發利用。如採用太陽能、風能、地熱能、潮汐能、生物質能等可再生能源發電、供電，通過智能化系統的調控和優化，達到蓄能、變換、穩壓、穩頻、聯網、時控等要求。
(3)用電節能
用電節能，是通過對用電負載的合理調控，達到增效、降耗的要求，以節省能源。用電節能首先要改善供電質量，減少諧波成分，調整功率因數；對照明系統，採用感應器、可調照度裝置，優化啟閉；動力系統，合理啟動、最優化啟停；電梯系統，採用群控技術合理調控；空調系統，採用熱泵技術，其中包括太陽能熱泵、地熱源熱泵、水環熱泵等，把低位能提升為高位能，採用變風量(VAV)系統，以提高能量效率。用電節能通常採用智能化技術，設置樓宇設備監控系統來加以調控。
2)低碳建築中智能化主要系統
低碳建築技術仍屬於一種正在發展中的新技術，我國北京奧運、上海世博建設，就融入了低碳理念。低碳建築已躋身於現代建築行列，它的智能化水平除擁有現代建築的諸多系統外，還包含有為低碳能源服務的系統、提高節能增效功能的系統、節約資源(如節約水資源)的智能化系統等。
(1)低碳型自然能利用的智能化監控系統
低碳型自然能，其中包括太陽能、風能、地熱能等可再生能源，是低碳建築的重要任務。低碳型自然能由於它是低密度、間歇性、隨機性的能源，在開發利用中，要解決很多技術問題。利用智能化系統控制儲能、並網是解決這些問題的重要途徑。低碳能源智能化監控系統具有以下特點：
①系統功能
A．數據監測功能。檢測系統中各個單元的狀態和參數，為判斷、保護提供依據，需要檢測的物理量有輸入電壓、電流，輸出電壓、電流，獨立型系統的蓄電池參數，並網系統的逆變器參數等。
B．並網或儲能管理功能。監控並網系統的工作狀況及各項參數，對獨立系統要對蓄電池充電方式進行監控、對放電過程進行管理。
C．設備保護功能。防止逆變器故障而出現的過壓、過流現象，對儲能設備的過充電和過放電現象進行監控，防止備用發電機空載等。
D．故障診斷功能。超值報警、故障報警，故障類型判別顯示等。
E．運行狀態顯示功能。顯示系統運行狀態的信息。
②系統類型
A．PLC邏輯控制型；
B．單片機控制型；
C．電腦網路控制型。
③系統結構
某商貿大廈由多個分體建築組成，在屋頂採用鋼結構建設了1．295MWp光伏系統，在8個區域安裝7000塊光伏組件，每個區域的組件經直流匯電箱接入一臺SCl50逆變器，8個光伏發電控制室裝有電源和網路介面，各光伏支路和逆變器數據通過乙太網送到監控中心(監控室)。其數據採集和通信系統，如圖3所示。
A．由安裝在集中型逆變器面板上的LCD液晶顯示器，可監控其運行參數、故障代碼和有關信息。
B．通過監控電腦，可監控各子系統運行數據，並對8個子系統的運行數據進行採集和存儲。
C．可將光伏並網發電的運行數據，通過互聯網遠程傳輸，實行更大範圍的統一管理。
④工程效能
低碳型自然能的減排效能是普遍的。利用太陽能發電，每發一萬度(1度=1kW·h)電，就可代替4t標準煤，這樣就避免了4t標準煤的二氧化碳、二氧化硫和煙塵的排放。以1．295MWp光伏系統為例，該系統壽命期25年內，年均發電量152萬kW·h，壽命期內累計發電量30800萬kW·h，相當於代替123200t標準煤，可減排38532t二氧化碳、356t二氧化硫、180t粉塵、3600t灰渣。
該項目建設的智能化監控系統，採用分片、分組的數據採集方案，對於保證系統安全、便於日後使用維修都是適宜的。由於系統規模較大，太陽能電池板較多，分組採集便於發現問題。如片區故障、個別組件損壞或受到異物、灰塵、鳥糞覆蓋等。因此，智能化監控系統除保證系統正常運行外，還能通過監控檢驗運行效率，如果供電效率下降，要認真分析原因，定期對太陽能電池板進行檢查，除塵保潔。
(2)能源管理智能化系統
節能減排要貫徹“開源節流”的原則，低碳建築常建設樓宇能源管理系統BEMS，以降低建築運行過程中的能耗。對於一座現代化的大廈，據調查統計由於管理不善，有35％～50％的能源浪費。有時對契約用電控制不好，造成額外的超值付費，有的單位競達電費賬單的25％。樓宇能源管理系統能夠提供合理的用電方案，減少大廈的能源浪費。
①系統建設目的
A．對設備能耗情況進行監視，提高整體管理水平；
B．找出低效率運行的設備；
C．找出能耗異常的情況和問題；
D．降低峰值用電水平。
②系統功能
A．給出能耗報告。能源管理分組統計分析，對各組的能耗值提供逐時、逐日、逐月、逐年報告，幫助用戶掌握自己的能耗情況，找出能耗異常的問題。
B．提供能耗排名。在不同時間範圍內，對組內的能耗值進行排序，幫助找出能耗最高和最低的設備單位。
C．給出能耗比較。在不同時間範圍內，對各組的能耗值進行比較。
D．提供日平均報告。每15分鐘給出平均能耗需求的報告，幫助用戶瞭解自己的能耗模式，找出超出預期的峰值需求。
E．給出偏差分析。任何一天不同時段能耗值與管理設定值的偏差，指出能耗的不良傾向。
F．提供最大值／最小值分析。以分析各系統和設備能耗與時間的相關關係。
G．給出一次能源折算。將能耗值折算成熱量(MJ)、標準煤、原油、原煤等一次能源消耗量和相對的二氧化碳釋放量。
H．提供成本報告。根據能源表的數據和費率結構，計算各組逐日、逐月、逐年能耗費用報告，以瞭解能源使用成本。
I．給出成本排名。在不同時間範圍內，對各組的成本值進行排序，找出能源消費最低和最高的設備單位。
J．提供統計報表。讓用戶對能耗情況一目瞭然，並能幫助用戶合理分配能源使用結構。
③系統結構
能耗監測與管理系統由各計量裝置、數據採集器、管理系統(Web伺服器)組成，系統採用三層分散式結構，如圖4所示。
各種計量裝置用來度量各種分類分項能耗，包括電錶、水錶、燃氣表、熱(冷)量表等。計量裝置具有數據遠傳功能，通過現場匯流排與數據採集器連接，可以採用多種通信協議(如MODBUS等)將數據輸出。Web通路的監控節點是能耗監測與管理系統的數據採集器。管理系統設在WebAccess的工作節點，數據採集器通過乙太網將數據傳至管理系統的資料庫中，用戶即可通過監控中心瀏覽組態能耗數據。管理系統設有通信介面還可將數據傳輸給上位機。
根據用戶需求建立實時能耗數據採集、能耗數據統計分析、能源使用計劃控制、能源析標等功能系統，並配以必備的軟體。根據能源使用的實際需求，保證合理節約用電；分析能源使用中的漏洞和異常現象，給出改進方案；對能耗總量折算標準熱耗量，明確節能功效；同時。確保用電需量，不超過契約容量。
④節能功效
近年來，能源管理智能化系統，在辦公建築、商業建築、城市公共建築等方面的應用，都取得了明顯的效果。如某辦公建築共13層，總建築面積8625m2，空調建築面積7300m2，利用BEMS統計：某年度的照明系統能耗占19％，空調系統能耗占55％，辦公及其他設備為26％。空調系統中冷熱水機組能耗所占的比例最大，達到54％，末端設備為25％，水輸送系統(冷卻水泵、冷凍水泵)的能耗比例也相當大，達18％，冷卻塔能耗為3％。根據這一情況，採取的節能措施是：照明更換節能燈，加強人走燈關的管理。對於耗能主體空調系統，分析認為：主機配備容量過大，無需全開，只需開1台主機，配1台冷凍水泵，1台冷卻水泵就能滿足需求；空調水系統運行中存在大流量、小溫差的問題，應增大送回水溫差，減小水流量，同時採用變流量技術；夏季、冬季溫度設定不合適，增加了能耗，需加以調整。通過以上整改，年節能43％。
3)節約水資源的智能化系統
自然界的水，是一切生命和人類發展所不可缺少的重要資源。經濟建設、社會發展、人民生活，一刻也離不開水。目前，我國城鄉用水緊張已是一個普遍性的問題，因此，節約用水也是低碳建築面臨的迫切需要解決的問題。根據迴圈經濟的理論，走污水資源化的道路，是緩解水資源緊張的有效方法。我國建設部大力推廣中水回用，是節水節能的有效措施。在中水回用系統中，智能化系統發揮了越來越重要的作用。圖5給出了中水智能化監控系統DDC控制結構。
(1)系統簡介
所謂“中水”是指其水質介於上水(給水)和下水(排水)之間的雜用水，常用於沖廁洗車噴灑補水消防綠化等方面。有效地解決了城鄉自來水緊缺的問題。中水水源來自於大廈小區的雜排水和雨水，用於各種需要的非飲用水。因此，它是節約用水的有效途徑。
中水處理，通常要經過過濾、處理、消毒、存儲等幾個工藝流程，這些流程一般都是在電腦智能化系統監控下進行的。
(2)系統結構
在圖5給出的是某智能大廈的中水處理監控系統中，中水水源是沐浴洗滌排水，處理後的中水用於清潔、綠化等。中水處理的方法有生物處理、物化處理、反滲透的膜處理等多種方法，本案例採用生物處理法，設有生物轉盤池。智能化系統通過DDC控制水泵、液位開關。接收水位信號，實行超位報警等。
監控內容如下：
A．中水水源引入水的過濾(含格柵堵塞報警)；
B．調節池的監控(含潛水輸送泵的控制、高低水位測量和超位報警)；
C．生物轉盤池的控制(含清洗泵的控制、高低水位測量和超位報警)；
D．過濾輸送池的控制(含高低水位測量和超位報警)；
E．過濾輸送泵的控制；
F．氧化消毒池的監控(含高低水位測量和超位報警)；
G．沙濾器的監控(含壓差報警)；
H．反衝洗泵的控制；
I．儲水池的監控(含高低水位測量和超位報警)等。
(3)節能節水的熱水系統
大廈小區熱水供應的智能化系統，應用也十分廣泛。它能在設有回水系統的情況下，監控冷水頭的迴流，減少水資源的浪費；合理控制水溫，減少能源耗費；對集熱器、加熱器、熱交換器等設備，進行智能化控制，以達到高效、節能的目的。
低碳建築樓字智能化的發展[4]
我國低碳經濟和低碳建築在北京奧運、上海世博的推動下，獲得了很大的發展，“綠色奧運”、“低碳世博”在國際上受到普遍贊譽。其主要特點在於“水用再生的，光是天然的，風取自然風，電和熱是從低碳自然能中開發出來的”。通過低碳設計、低碳用能、低碳營造、低碳監控、低碳運營、低碳排放，營造一個節能減排的氛圍，突出一種綠色環保的理念。低碳減排不是一個點的問題，而是全程實現，智能化技術同樣也包含其中。
低碳建築中智能化需求的發展，對整個樓宇智能化技術提出了許多新要求、新思維，為智能化研究與開發註入了新的活力，它不再局限於常規空調的調控和機電設備的管理，也不局限於辦公家居信息傳輸與處理，而是在此基礎上使智能調控的內涵和外延得到更加充實和發展，提升了智能調控保護地球的大目標。低碳建築中智能化的目的，在滿足舒適高效安全的前提下，要落實低碳減排；服務於節能、節水、節約資源；功效不是抽象的，而是要用具體數據顯示的；運行要自動化、智能化，實行無人值守；特點在於親和自然，關註環保。近年來，在低碳經濟的推動下，低碳建築智能化體系不斷完善，技術開發不斷進步，平臺的層次和水平不斷提高，不少集成公司致力於具有低碳特色的IBMS、EBMS等系統的開發，把可再生能源發電智能化、常規用能節約化、溫濕環境調控自然化與物聯網技術融為一體，推出低碳建築智能化系統的解決方案，這些嘗試雖然是初步的，然而它代表了一種新生事物的發展方向，可以預料低碳建築智能化系統必將迎來燦爛的未來。
哥本哈根會議結束以後，社會各界關於低碳的探討空前熱烈。目前，我國碳排放的主要來源包括三類，分別是工業、建築和交通，其中每年來自建築的碳排放量約占我國碳排放總量的20%。目前，我國降低建築碳排放的主要途徑仍是提高傳統能源的利用效率，低碳住宅的建設尚處起步階段。因此，如何開發可再生的新能源替代傳統能源以及進一步增強現有能源的利用率將是我國城市住宅未來發展的重要趨勢，同時大規模開展標準及低碳技術的住宅產業化也將大大降低建築成本和能源消耗，進一步提升城市的生活品質與生態環境。
低碳是城市的發展方向，是一次世界性的技術創新，也是我國實現可持續發展的優勢路徑。以萬科為代表的房地產企業已經開始行動，將建設低碳住宅為己任，為每一位居住者提供一個綠色、低碳、生態的城市空間。
