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| 双角度
建筑环境和与变化的环境
7 低碳建筑和零碳建筑
大多数人的词汇，设计意味着单板。 是室内装饰。 它是窗帘或沙发的织物。 但对我来说，没有什么比设计更重要了。 设计是人类创造的基本灵魂，最终在产品或服务的连续外层表达自己。
——史蒂夫·乔布斯
如第六章所示，实现低碳或零碳建筑的第一步是设计和运营低或零能源建筑。 本章将讨论如何定义零，然后研究接近零的可能技术解决方案。 这些技术解决方案中有很多，而且没有一项技术或技术举措能够保证零建筑。 相反，对于每一座建筑，都需要许多单独和互补的解决方案，每一种解决方案都有助于减少总体能源使用或碳排放。
7.1什么是零碳建筑？
7.1.1边界绘制在哪里？
首先，我们需要定义零能量和零碳实际上意味着什么。 答案取决于你试图实现它们的边界。
在微尺度上，想象一下，你坐在你的办公桌前，你试图实现零能量的边界延伸到你的办公室或隔间墙壁，从天花板延伸到地板。 能源被灯、计算机和监视器使用，也许还有加热、冷却和通风系统。 在短时间内，你可以通过安装一辆固定的自行车和足够硬的踏板来为所有这些系统产生能量，从而实现零能量转移。 当然，一旦你饿了，你就需要离开办公室的边界，找点吃的。 你从午休时间回来会给系统带来能量的净流入。
在相反的极端，一个边界可以在世界各地绘制。 通过太阳的辐射和向大气的辐射，有连续的能量流进出地球。
这些流动相互平衡，使地球保持热平衡，并允许我们说，跨越边界有零净能量。 当然，正如第1部分所指出的，这种简单的观点忽略了大气二氧化碳(CO2)的变化)。 浓度，这改变了地球大气的热特性，目前正在导致非常轻微的能量流入地球。
这意味着，建筑物的零能量目标不是地球热平衡的正确目标。 一个更有用的目标是“导致全球变暖的温室气体零排放”，通常简称为“零碳。 考虑到碳而不是能量会改变微观尺度的例子：你午餐的代谢燃烧会导致你排放二氧化碳，所以这个临时的零能量场景不是零碳场景。
为本章的目的，我们将绘制建筑物周边的边界，并只考虑与现场燃烧的燃料和现场使用的电力有关的能源和排放。 第8章描述了在社区一级划定边界时的能源和排放问题。
随着边界在建筑周长处绘制，很难找到一个可以被认为是零能量的建筑。 几乎所有的建筑都在白天接受阳光，并在一夜之间重新使用能量作为热量。在任何给定的时间，能量都将跨越建筑边界。 然而，没有服务的建筑，如谷仓，可以被认为是零净能量，因为总吸收的能量和总辐射量是相同的时间。 这类建筑也可以被认为是其运营的零碳。
7.1.2零碳，碳中性，或净零
实现零碳建筑的另一种方法是允许建筑使用能源，但提供来自不排放CO的光伏或风力涡轮机的能源，可再生技术是昂贵的，因此零碳设计的第一步侧重于减少对它们的需求。
即使在对可再生能源的需求减少之后，可再生能源收集装置的规模往往比它所服务的建筑大得多。在最需要的时候，太阳能和风能也并不总是容易获得。在真正的零碳方法中，非常
大型可再生能源系统将在无法获得可再生能源时安装储能装置。另一种方法是使建筑物同时具有电网连接和可再生能源系统。必要时从电网中提取能量，当可再生能源系统产生比需要的更多的电力时，无碳电力就会回到电网中。如果出口到电网的能源等于从电网进口的能源，这种安排可以被描述为零净能源，如果出口到电网的电力允许在发电站燃烧更少的化石燃料，从而避免一些碳排放，它也可以被描述为零净碳或碳中性。. 衡量这种交换的时间通常为一年。
强调零能与零碳的另一个区别是很重要的。要做到这一点，我们将使用场地和能源的概念：如果燃料作为天然气或柴油直接输送到建筑物，那么穿过建筑物边界的能源和能源量，或场地能源，大约是相同的。 相反，当电能被输送到建筑物时，只有一小部分的能源被输送到现场：通常，化石燃料发电站只将大约40%的能源转化为电力。 这意味着传递给建筑物的电能和燃料不能直接加在一起计算碳排放。 为了解决这一问题，不同的能源使用类型有不同的碳排放因子，这些碳排放因子描述了每单位场地能量的碳排放量-典型值为0.53公斤CO2/KWH(1.17磅CO2/KWH)，用于英国电力混合和0.185公斤CO2/KWH(0.41磅CO2/KWH。 碳排放与能源的关系比场地能源的关系更为密切。
当我们从建筑规模转向区域规模时，运输能源及其相关的碳排放以及与废物管理和供水等其他服务相关的能源和碳也需要考虑。 这些问题见第8章。
本章只考虑运行中的能源使用和相关的碳排放，尽管大量的能源用于制造、交付和安装用于建筑的材料。 所使用的能源和相关的碳排放被称为体现能源和体现碳。 这些概念在第2章中作了介绍，并在第8章中作了进一步的参考。
7.1.3碳归零
为了展示如何设计一个零能源项目，考虑大型混合使用建筑在休斯顿，得克萨斯州。 气候提供了一个供暖、通风和空调(HVAC)的挑战：休斯顿以其炎热的夏季、高湿度水平和较小的昼夜温度变化而闻名。 这些因素都使设计一座没有化石燃料的建筑变得困难。 这座建筑也很大，而且场地很紧，这两个因素都使其难以获得足够的可再生能源或依赖地面来源技术。
这座建筑是混合使用的，有六个停车层、八个办公层和二十个住宅层。 使用一个混合使用的示例可以让我们查看建筑物内的互补荷载剖面-在现实世界中，可能需要将多个建筑物匹配在一起才能找到互补的荷载剖面。 跨越多个建筑物的工作需要合作和正式的能源协议。 第8章讨论了这些多重建设问题
基础建筑符合规范，符合美国能源标准ASHRAE90.12004和通风标准ASHRAE62。 这些标准代表了最大玻璃允许量和最低设备效率方面的国际良好做法。 对ASHRAE90.1的修正继续收紧要求，但能源削减的原则和技术是相同的。
本章的其余部分按照第六章中概述的能量方法提供了详细信息（见图6.1）
7.2减少负载
我们的例子建筑与许多当代建筑相似：虽然减少建筑物热负荷的第一步是考虑其形状和方向，但可让的程序和财务回报不可避免地比能源使用或对视图的渴望更强烈地驱动建筑物的形式。 在美国，这通常导致具有中央循环芯的大地板，就像我们的例子一样，而在欧洲的大部分地区，从立面到工作空间的最大距离有法律限制，这使得较小的地板和偏移芯更常见。自然通风的使用在欧洲也被更广泛地接受为住宅和商业建筑。 降低峰值负荷具有改善系统控制和减少已安装的暖通空调系统尺寸的重要非能量效益。
7.2.1信封
建筑围护结构以四种重要的方式影响建筑负荷和能源使用：热量和凉爽通过它；太阳辐射通过窗户；空气将通过所有接头泄漏；窗户附近有日光。 使用日光几乎总是提供能源效益，但太阳辐射、传导和泄漏可能是一种奖励，也可能是一个问题，这取决于一年的时间和建筑物内的发热活动。 图7.3显示了这些传热如何影响能源使用。
在炎热的日子里，太阳辐射是减少负荷的最重要挑战。 它每小时变化，在不同的时间在不同的门面峰值，可以高达50%的总峰值冷却负荷在周边地区。 信封峰值负荷减少将减少年度能源使用，但峰值负荷减少50%可能只导致3%或4%的年度能源使用减少。
传导传热是峰值负荷的一个较小的组成部分，但对能量的使用是很重要的，因为它发生在内部温度与外部温度不同的时候-几乎每年的每一个小时。 加热和冷却负荷都可以通过限制玻璃的数量和尽可能绝缘的不透明部分的立面。ASHRAE90.1和英国建筑法规规定40%的玻璃是符合规范的建筑的最大有效玻璃。
空气泄漏或渗透也会影响能源的使用，因为任何来自外部的空气都必须加热或冷却，并可能加湿或除湿，以适应内部温度和湿度。 这种情况几乎每年都发生，最好的反应是设计一个可以适当密封的立面，并确保它是正确建造的。 在大型空调建筑中，渗透通常通过对建筑施加轻微的压力来控制。 在住宅建筑中，渗透占能源使用的很大一部分。 当建筑物非常密闭时，必须注意放置绝缘，以避免凝结，通风率必须足够高，以避免霉菌。
7.7.2.2内部负荷
考虑到我们的例子，建立的第一步是确定主要的年度能源使用。 这有助于确定节能措施的优先事项。 如图7.5所示，商业楼层的能源使用强度是迄今为止最大的，最高的能源使用是“其他”，其中包括电灯和电脑。 住宅空间比办公空间有更高的供暖负荷，因为设备和照明比办公空间少；冷却和供暖的比例也更大，因为更大比例的地板在建筑物周边。 住宅能耗较低的原因是，办公场所的占用率和电力使用比家庭要密集得多，而且假定住宅空间在白天没有占用。 车库没有加热或冷却，因此具有较低的能量使用强度-所使用的能量用于照明和通风。
如图7.6所示，前三种能源用途是照明、杂项设备和冷却。由于建筑物有一个深的地板，大部分的冷却能量用于处理内部负荷和对居住者的新鲜空气要求。 加热能量很低-就像德州的预期一样。
照明和杂项设备是冷却负荷的两个组成部分；另外两个是信封，上面讨论过，还有人。 人员负荷按办公室人数固定，不能更改。 由于计算机和灯光造成的负载可以通过两种方式减少：关闭那些不使用的负载，并减少提供所需计算功率或光级所需的功率。 负荷减少直接减少能源使用。
照明可以手动关闭，这需要乘员培训，或通过占用传感器和日光控制，这可以电子实现。
日光对能源使用的影响在有深地板的建筑物中很小，就像这个例子，而在这个例子的住宅空间中的影响很小，因为占用的时间主要是在夜间。 在较窄的平面图中会有更大的效果。 日光仍然应该最大化，因为有证据表明良好的照明可以提高生产力。
当最佳使用时，占用传感器是减少照明能量使用的最佳方法之一。 设计考虑包括灯打开的时间长度以及传感器的灵敏度和位置。 美国最近的能源代码要求自动照明控制，以确保当空间不使用时，灯不会被留下。
照明是如此重要的能源用户，因此已经出台了减少能源使用的具体政策：在美国，办公室的允许照明功率密度从每平方英尺1.5瓦降低到1999年至2010年每平方英尺1.1瓦。 2009年，澳大利亚禁止进口白炽灯，因为白炽灯使用大量的能量来生产大量的光。 照明功率密度降低可以通过两种主要方式实现：更节能的灯具和对照明水平的不同期望。
20世纪90年代和2000年代的典型办公设计为空间内任何地方的办公桌提供了500lux/50英尺宽的统一照明水平。 照明功率密度可以通过在整个办公室提供较低的照明水平来降低，其中许多任务只是定向和循环。 然后，可以通过任务照明来补充这些内容，特别是在诸如阅读等详细任务发生的情况下。 使光源更接近任务，也提高了个人调整的效率和能力。 这一变化既反映了对能源使用的日益关注，也反映了工作方法的变化，特别是从纸面工作到计算机工作的变化。
计算机和其他办公设备可能很难自动控制，因为它们往往需要时间来启动，而且很难说它们是否在使用。 尽管如此，能源之星的办公设备标准通常包括自动待机的要求。 因此，减少所需功率是减少计算机和办公设备使用以及将设备集中到数据中心的主要战略。
办公室租赁代理商已开始接受较低的计算机和办公室设备能力，这反映了最近计算能力的下降。1990年代中期，ASHRAE建议的设计计算机负载设定为每平方英尺1瓦，但最近的研究表明，每平方英尺0.25瓦的较低计算机负载对大多数办公空间是足够的。（4）导致建议减少的因素包括更有效的计算机、显示器和打印机；更多地使用膝上型计算机；以及更广泛地采用能源之星标准。 通过使用瘦客户机和更多地使用私有和公共云，有进一步减少负载的潜力，这两种云都集中了计算能力。 虽然一些能源的使用只是从办公室转移到数据中心，但处理小面积的高负荷而不是大面积的低负荷往往更节能。
首先检查内部和包络负载是很重要的，因为它们创建了构建系统的需求，然后加载这些系统。 如果内部和包络载荷可以减少，那么建筑系统就可以减少工作，以保持舒适的内部条件。
7.2.3改变设计条件
降低峰值冷却和加热负荷的最后一种主要方法是改变设计条件。 大多数建筑物的设计是为了保持72Fplusmn;2°F(22°Cplusmn;1°C)的条件)。 考虑到合适的服装，从事轻办公室工作的人可以在68°F(20°C)和78F(26°C)之间舒适)。
显然，如果一个空间在冬季只加热到68°F(20°C)，那么传导和渗透热损失将小于如果空间被加热到72F(22°C)。 同样，如果一个空间在夏季冷却到只有78°F(26°C)，那么渗透、传导和除湿负荷将小于如果空间冷却到72F(20°C)。
系统是为最坏的情况而设计的，因此，每当天气不那么极端时，就有可能达到接近72°F(20°C)的条件)。 由于最常见的维修要求是一种热/冷投诉，居住者和设施管理人员需要大量的承诺和纪律，才能通过改变加热和冷却设定点温度来实现节能，但潜在的节约可能高达年度能源账单的15%。
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