低碳建筑
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低碳建筑(low-carbon building)
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什么是低碳建筑[1]
低碳建筑是指在建筑材料与设备制造、施工建造和建筑物使用的整个生命周期内，减少化石能源的使用，提高能效，降低二氧化碳的排放量。
低碳建筑内涵[2]
低碳建筑研究应首先确定内涵，内涵确定将为低碳建筑最终发展及策略制定奠定基础。
从建筑全生命周期内的微观角度物质流过程来看，低碳建筑包括下列三个方面的物质活动：在建筑全生命周期过程的进口环节，要用太阳能、风能、生物能等可再生能源替代化石能源等高碳性的能源；在建筑使用过程中，要大幅度提高化石能源的利用效率，加强建筑节能；在全生命周期的出口环节，要通过植树等绿化面积的增加，吸收建筑活动所排放的二氧化碳，即所谓碳汇(图1)。
低碳建筑模型[2]
×(1+K) 低碳建筑模型注：此处K指的是可再生能源利用年增长率。
低碳建筑的实现技术[3]
在实现低碳建筑的过程中，房屋利用了各项技术。
1)低辐射玻璃：通过使用低辐射玻璃，可以极大降低因辐射造成的室内热能向外传递，从而减少电力消耗，实现减排目标。
2)中水处理系统：将生活污水作为水源，经处理后可用到厕所冲洗、园林灌溉、道路保洁等方面，从而实现节水减排的目标。
3)外墙外保温与外墙内保温系统：将导热系统较低的绝热材料与建筑物墙体固定为一体，增加墙体的平均热阻值，实现保温效果。
4)太阳能：通过铺设太阳能电池板有效吸收太阳能，代替电能及其他能源的消耗。
5)户室新风系统：能够提升室内空气品质的换气装置，能够有效调节控制的湿度和温度，并过滤空气和杀死病菌，户室新风系统能够节约通风方面的能量消耗，同时能够有效地防止室温的降低，降低维持温度所消耗的能量。
6)雨水再循环系统：通过将自然或人工收集的雨水进行储存，经过过滤处理后，进行地下水补供和园区灌溉，降低水资源消耗。
这些单一的技术都能够为低碳建筑提供帮助，但只有将它们连接在一起，和其他传感器、监控设备、通信设备共同形成物联网系统才能更好的发挥作用。例如在物联网系统的指导下，新风系统和太阳能设备协同工作，依据温度传感器获取的温度信息，能够有效保持室内温度、控制氧气和二氧化碳的浓度比例，让人们始终生活在舒适的环境中有不致于浪费过多的能源。
低碳经济与低碳建筑兴起的意义[4]
①2003年，英国政府发表能源白皮书《我们能源的未来：创建低碳经济》，在世界上首次提出“低碳经济”。从那时起“低碳世界”、“低碳技术”、“低碳建筑”、“低碳生活方式”等一系列新概念应运而生。
②低碳经济是以低能耗、低排放、低污染为基础的经济模式，是人类继工业文明之后的又一次重大进步。低碳经济的实质，是提高能源利用效率和创建清洁能源结构，是一种正在兴起的经济形态和发展模式。它包括低碳产业、低碳技术、低碳城市、低碳建筑、低碳生活等一系列新内容。它通过大幅度提高能源利用效率，大规模使用可再生能源，大范围研发温室气体减排技术，建设低碳社会，维护生态平衡。发展低碳经济是一场涉及生产模式、生活方式、价值观念、国家权益和人类命运的全球性革命，又是全球经济高碳能源转向低碳能源的一个必然选择。
③低碳经济的突出任务是减少二氧化碳的排放，降低经济发展对生态系统中碳环境的影响，保持地球的生态平衡。它涉及技术开发、生产建设、社会生活等各个方面，涉及许多产业部门，尤其是电力、建筑、交通、冶金、化工、石化、汽车等许多行业。低碳经济对各行各业的技术开发、生产建设提出了许多新概念、新方法、新要求。按照生态、环保及经济建设的要求，建筑技术将低碳理念引入设计和建造，合理规划城市功能区布局，在建筑物的建设中，推广利用太阳能、风能、地热能，尽可能利用自然通风采光，选用节能型取暖和制冷系统；选用保温材料，倡导适宜装饰，杜绝装修中的浪费；在家庭推广使用节能灯和节能电器，在不影响生活质量的同时．有效降低日常生活中的碳排放量。我国一些地方特别是有些城市发展低碳经济的热情很高，出台了相关的指导意见，规范低碳经济的内涵、模式、发展方向和评价体系等。所有这些措施，在落实节能减排的实践中，加深了对低碳、减碳意义的理解。
④建筑行业是耗能的大户，据统计资料反映，我国每建成1m2的房屋，将释放0．8t碳。同时，在建造、使用中，建筑采暖、空调、通风、照明等方面的能源需求，使碳的排放量有增无减。因此，尽快地建设低碳节约型住宅，实现节能技术创新，建立建筑低碳排放体系，注重建设过程中的每一个环节，以有效控制和降低建筑的碳排放，并形成可循环持续发展的模式，最终，使建筑物有效的节能减排，并达到相应的标准，是我国建筑产业走上健康发展的必由之路。
低碳建筑对智能化的需求[4]
1)低碳建筑设备的配置及其与智能化的关系
低碳建筑要满足减少二氧化碳排放的要求，首要的任务是落实“节能”。低碳建筑节能架构及其与智能化的关系示意，如图2所示。
(1)结构节能
结构节能广泛采用热缓冲层技术、自然采光通风技术、能量活性建筑系统、混凝土楼板辐射储热蓄冷系统、围护结构的保温隔热系统、光电幕墙与光电屋顶一体化技术等，通过智能化系统的调控和优化，分别达到保温、隔热、供电的节能效果。
(2)开源节能 开源节能尽量减少常规能源的供应，加强可再生能源的开发利用。如采用太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等可再生能源发电、供电，通过智能化系统的调控和优化，达到蓄能、变换、稳压、稳频、联网、时控等要求。
(3)用电节能
用电节能，是通过对用电负载的合理调控，达到增效、降耗的要求，以节省能源。用电节能首先要改善供电质量，减少谐波成分，调整功率因数；对照明系统，采用感应器、可调照度装置，优化启闭；动力系统，合理启动、最优化启停；电梯系统，采用群控技术合理调控；空调系统，采用热泵技术，其中包括太阳能热泵、地热源热泵、水环热泵等，把低位能提升为高位能，采用变风量(VAV)系统，以提高能量效率。用电节能通常采用智能化技术，设置楼宇设备监控系统来加以调控。
2)低碳建筑中智能化主要系统
低碳建筑技术仍属于一种正在发展中的新技术，我国北京奥运、上海世博建设，就融入了低碳理念。低碳建筑已跻身于现代建筑行列，它的智能化水平除拥有现代建筑的诸多系统外，还包含有为低碳能源服务的系统、提高节能增效功能的系统、节约资源(如节约水资源)的智能化系统等。
(1)低碳型自然能利用的智能化监控系统
低碳型自然能，其中包括太阳能、风能、地热能等可再生能源，是低碳建筑的重要任务。低碳型自然能由于它是低密度、间歇性、随机性的能源，在开发利用中，要解决很多技术问题。利用智能化系统控制储能、并网是解决这些问题的重要途径。低碳能源智能化监控系统具有以下特点：
①系统功能
A．数据监测功能。检测系统中各个单元的状态和参数，为判断、保护提供依据，需要检测的物理量有输入电压、电流，输出电压、电流，独立型系统的蓄电池参数，并网系统的逆变器参数等。
B．并网或储能管理功能。监控并网系统的工作状况及各项参数，对独立系统要对蓄电池充电方式进行监控、对放电过程进行管理。
C．设备保护功能。防止逆变器故障而出现的过压、过流现象，对储能设备的过充电和过放电现象进行监控，防止备用发电机空载等。
D．故障诊断功能。超值报警、故障报警，故障类型判别显示等。
E．运行状态显示功能。显示系统运行状态的信息。
②系统类型
A．PLC逻辑控制型；
B．单片机控制型；
C．计算机网络控制型。
③系统结构
某商贸大厦由多个分体建筑组成，在屋顶采用钢结构建设了1．295MWp光伏系统，在8个区域安装7000块光伏组件，每个区域的组件经直流汇电箱接入一台SCl50逆变器，8个光伏发电控制室装有电源和网络接口，各光伏支路和逆变器数据通过以太网送到监控中心(监控室)。其数据采集和通信系统，如图3所示。
A．由安装在集中型逆变器面板上的LCD液晶显示器，可监控其运行参数、故障代码和有关信息。
B．通过监控计算机，可监控各子系统运行数据，并对8个子系统的运行数据进行采集和存储。
C．可将光伏并网发电的运行数据，通过互联网远程传输，实行更大范围的统一管理。
④工程效能
低碳型自然能的减排效能是普遍的。利用太阳能发电，每发一万度(1度=1kW·h)电，就可代替4t标准煤，这样就避免了4t标准煤的二氧化碳、二氧化硫和烟尘的排放。以1．295MWp光伏系统为例，该系统寿命期25年内，年均发电量152万kW·h，寿命期内累计发电量30800万kW·h，相当于代替123200t标准煤，可减排38532t二氧化碳、356t二氧化硫、180t粉尘、3600t灰渣。
该项目建设的智能化监控系统，采用分片、分组的数据采集方案，对于保证系统安全、便于日后使用维修都是适宜的。由于系统规模较大，太阳能电池板较多，分组采集便于发现问题。如片区故障、个别组件损坏或受到异物、灰尘、鸟粪覆盖等。因此，智能化监控系统除保证系统正常运行外，还能通过监控检验运行效率，如果供电效率下降，要认真分析原因，定期对太阳能电池板进行检查，除尘保洁。
(2)能源管理智能化系统
节能减排要贯彻“开源节流”的原则，低碳建筑常建设楼宇能源管理系统BEMS，以降低建筑运行过程中的能耗。对于一座现代化的大厦，据调查统计由于管理不善，有35％～50％的能源浪费。有时对契约用电控制不好，造成额外的超值付费，有的单位竞达电费账单的25％。楼宇能源管理系统能够提供合理的用电方案，减少大厦的能源浪费。
①系统建设目的
A．对设备能耗情况进行监视，提高整体管理水平；
B．找出低效率运行的设备；
C．找出能耗异常的情况和问题；
D．降低峰值用电水平。
②系统功能
A．给出能耗报告。能源管理分组统计分析，对各组的能耗值提供逐时、逐日、逐月、逐年报告，帮助用户掌握自己的能耗情况，找出能耗异常的问题。
B．提供能耗排名。在不同时间范围内，对组内的能耗值进行排序，帮助找出能耗最高和最低的设备单位。
C．给出能耗比较。在不同时间范围内，对各组的能耗值进行比较。
D．提供日平均报告。每15分钟给出平均能耗需求的报告，帮助用户了解自己的能耗模式，找出超出预期的峰值需求。
E．给出偏差分析。任何一天不同时段能耗值与管理设定值的偏差，指出能耗的不良倾向。
F．提供最大值／最小值分析。以分析各系统和设备能耗与时间的相关关系。
G．给出一次能源折算。将能耗值折算成热量(MJ)、标准煤、原油、原煤等一次能源消耗量和相对的二氧化碳释放量。
H．提供成本报告。根据能源表的数据和费率结构，计算各组逐日、逐月、逐年能耗费用报告，以了解能源使用成本。
I．给出成本排名。在不同时间范围内，对各组的成本值进行排序，找出能源消费最低和最高的设备单位。
J．提供统计报表。让用户对能耗情况一目了然，并能帮助用户合理分配能源使用结构。
③系统结构
能耗监测与管理系统由各计量装置、数据采集器、管理系统(Web服务器)组成，系统采用三层分布式结构，如图4所示。
各种计量装置用来度量各种分类分项能耗，包括电表、水表、燃气表、热(冷)量表等。计量装置具有数据远传功能，通过现场总线与数据采集器连接，可以采用多种通信协议(如MODBUS等)将数据输出。Web通路的监控节点是能耗监测与管理系统的数据采集器。管理系统设在WebAccess的工作节点，数据采集器通过以太网将数据传至管理系统的数据库中，用户即可通过监控中心浏览组态能耗数据。管理系统设有通信接口还可将数据传输给上位机。
根据用户需求建立实时能耗数据采集、能耗数据统计分析、能源使用计划控制、能源析标等功能系统，并配以必备的软件。根据能源使用的实际需求，保证合理节约用电；分析能源使用中的漏洞和异常现象，给出改进方案；对能耗总量折算标准热耗量，明确节能功效；同时。确保用电需量，不超过契约容量。
④节能功效
近年来，能源管理智能化系统，在办公建筑、商业建筑、城市公共建筑等方面的应用，都取得了明显的效果。如某办公建筑共13层，总建筑面积8625m2，空调建筑面积7300m2，利用BEMS统计：某年度的照明系统能耗占19％，空调系统能耗占55％，办公及其他设备为26％。空调系统中冷热水机组能耗所占的比例最大，达到54％，末端设备为25％，水输送系统(冷却水泵、冷冻水泵)的能耗比例也相当大，达18％，冷却塔能耗为3％。根据这一情况，采取的节能措施是：照明更换节能灯，加强人走灯关的管理。对于耗能主体空调系统，分析认为：主机配备容量过大，无需全开，只需开1台主机，配1台冷冻水泵，1台冷却水泵就能满足需求；空调水系统运行中存在大流量、小温差的问题，应增大送回水温差，减小水流量，同时采用变流量技术；夏季、冬季温度设定不合适，增加了能耗，需加以调整。通过以上整改，年节能43％。
3)节约水资源的智能化系统
自然界的水，是一切生命和人类发展所不可缺少的重要资源。经济建设、社会发展、人民生活，一刻也离不开水。目前，我国城乡用水紧张已是一个普遍性的问题，因此，节约用水也是低碳建筑面临的迫切需要解决的问题。根据循环经济的理论，走污水资源化的道路，是缓解水资源紧张的有效方法。我国建设部大力推广中水回用，是节水节能的有效措施。在中水回用系统中，智能化系统发挥了越来越重要的作用。图5给出了中水智能化监控系统DDC控制结构。
(1)系统简介
所谓“中水”是指其水质介于上水(给水)和下水(排水)之间的杂用水，常用于冲厕洗车喷洒补水消防绿化等方面。有效地解决了城乡自来水紧缺的问题。中水水源来自于大厦小区的杂排水和雨水，用于各种需要的非饮用水。因此，它是节约用水的有效途径。
中水处理，通常要经过过滤、处理、消毒、存储等几个工艺流程，这些流程一般都是在计算机智能化系统监控下进行的。
(2)系统结构
在图5给出的是某智能大厦的中水处理监控系统中，中水水源是沐浴洗涤排水，处理后的中水用于清洁、绿化等。中水处理的方法有生物处理、物化处理、反渗透的膜处理等多种方法，本案例采用生物处理法，设有生物转盘池。智能化系统通过DDC控制水泵、液位开关。接收水位信号，实行超位报警等。
监控内容如下：
A．中水水源引入水的过滤(含格栅堵塞报警)；
B．调节池的监控(含潜水输送泵的控制、高低水位测量和超位报警)；
C．生物转盘池的控制(含清洗泵的控制、高低水位测量和超位报警)；
D．过滤输送池的控制(含高低水位测量和超位报警)；
E．过滤输送泵的控制；
F．氧化消毒池的监控(含高低水位测量和超位报警)；
G．沙滤器的监控(含压差报警)；
H．反冲洗泵的控制；
I．储水池的监控(含高低水位测量和超位报警)等。
(3)节能节水的热水系统
大厦小区热水供应的智能化系统，应用也十分广泛。它能在设有回水系统的情况下，监控冷水头的回流，减少水资源的浪费；合理控制水温，减少能源耗费；对集热器、加热器、热交换器等设备，进行智能化控制，以达到高效、节能的目的。
低碳建筑楼字智能化的发展[4]
我国低碳经济和低碳建筑在北京奥运、上海世博的推动下，获得了很大的发展，“绿色奥运”、“低碳世博”在国际上受到普遍赞誉。其主要特点在于“水用再生的，光是天然的，风取自然风，电和热是从低碳自然能中开发出来的”。通过低碳设计、低碳用能、低碳营造、低碳监控、低碳运营、低碳排放，营造一个节能减排的氛围，突出一种绿色环保的理念。低碳减排不是一个点的问题，而是全程实现，智能化技术同样也包含其中。
低碳建筑中智能化需求的发展，对整个楼宇智能化技术提出了许多新要求、新思维，为智能化研究与开发注入了新的活力，它不再局限于常规空调的调控和机电设备的管理，也不局限于办公家居信息传输与处理，而是在此基础上使智能调控的内涵和外延得到更加充实和发展，提升了智能调控保护地球的大目标。低碳建筑中智能化的目的，在满足舒适高效安全的前提下，要落实低碳减排；服务于节能、节水、节约资源；功效不是抽象的，而是要用具体数据显示的；运行要自动化、智能化，实行无人值守；特点在于亲和自然，关注环保。近年来，在低碳经济的推动下，低碳建筑智能化体系不断完善，技术开发不断进步，平台的层次和水平不断提高，不少集成公司致力于具有低碳特色的IBMS、EBMS等系统的开发，把可再生能源发电智能化、常规用能节约化、温湿环境调控自然化与物联网技术融为一体，推出低碳建筑智能化系统的解决方案，这些尝试虽然是初步的，然而它代表了一种新生事物的发展方向，可以预料低碳建筑智能化系统必将迎来灿烂的未来。
哥本哈根会议结束以后，社会各界关于低碳的探讨空前热烈。目前，我国碳排放的主要来源包括三类，分别是工业、建筑和交通，其中每年来自建筑的碳排放量约占我国碳排放总量的20%。目前，我国降低建筑碳排放的主要途径仍是提高传统能源的利用效率，低碳住宅的建设尚处起步阶段。因此，如何开发可再生的新能源替代传统能源以及进一步增强现有能源的利用率将是我国城市住宅未来发展的重要趋势，同时大规模开展标准及低碳技术的住宅产业化也将大大降低建筑成本和能源消耗，进一步提升城市的生活品质与生态环境。
低碳是城市的发展方向，是一次世界性的技术创新，也是我国实现可持续发展的优势路径。以万科为代表的房地产企业已经开始行动，将建设低碳住宅为己任，为每一位居住者提供一个绿色、低碳、生态的城市空间。
