導語(yǔ)
2020年9月，中國在聯(lián)合國大會(huì )上向世界宣布了2030年前實(shí)現碳達峰，2060年前實(shí)現碳中和的目標。2021年，伴隨著(zhù)各行業(yè)的高度關(guān)注和快速布局，“碳中和”已成為當之無(wú)愧的年度熱詞。根據2020年中國建筑能耗研究報告數據，我國建筑全生命周期能耗總量為21.47億tce，占全國能源消費總量的比重為46.5%。建筑全生命周期碳排放總量為49.3億噸，占全國能源碳排放的比重為51.2%。因此，實(shí)現凈零排放或零碳建筑對我國實(shí)現碳中有著(zhù)決定性的作用。
為了實(shí)現建筑的碳中和，就必須從建筑全生命周期的各個(gè)階段出發(fā)提高性能。其中能耗仿真軟件作為建筑設計、運行和全生命周期分析的重要工具，在零碳建筑的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了巨大作用。
Meta-Design 元設計
尋找零碳建筑設計階段的“最優(yōu)解”
傳統的設計方式是建筑設計師確定方案，結構和水暖電專(zhuān)業(yè)工程師分階段進(jìn)入設計過(guò)程。這種設計模式的優(yōu)點(diǎn)是各專(zhuān)業(yè)分工明確，缺點(diǎn)是導致了各專(zhuān)業(yè)的信息孤島，而且后期變更設計方案成本極高。零排放建筑對傳統設計模式最大的挑戰是需要整合建筑造型布局，被動(dòng)式與主動(dòng)式節能方案，以整體最優(yōu)的視角降低建筑負荷，提高系統設備能效。因此誕生了一種全新的設計模式，即建筑性能驅動(dòng)設計（Performance Modeling Design）。
Meta(元)作為前綴通?？梢岳斫鉃榻忉尷碚摰睦碚?，在建筑設計領(lǐng)域可以被認為是評價(jià)設計的設計，從而形成最終的優(yōu)化方案。性能驅動(dòng)設計通過(guò)預測建筑能效、自然采光、眩光控制、室內舒適度、通風(fēng)效果、經(jīng)濟性分析等相關(guān)因素篩選設計方案，經(jīng)過(guò)大量多次的迭代找到最優(yōu)解。這種集成式的設計方法（integrated design）通常在項目初期階段介入，通過(guò)快速的分析確定設計方向。利用建筑能耗仿真計算，為方案提供數據反饋，形成設計、分析、改進(jìn)、設計的有效閉環(huán)；為建筑師和工程師的決策提供了理論依據。能耗仿真作為一個(gè)承上啟下的平臺，有效地拉通了建筑、水暖電各專(zhuān)業(yè)，保證了信息的有效流動(dòng)性。因而克服了傳統設計模式的缺陷，大幅提高了零碳建筑的設計水平和效率。
過(guò)往傳統的概念設計階段耗時(shí)很長(cháng)，設計師需要制作不同的物理模型進(jìn)行驗證。對每一種方案，設計師需要考慮很多不同因素的影響，例如容積率、功能分區、人流活動(dòng)、立面墻體設計等。任何一個(gè)因素的改變都會(huì )造成牽一發(fā)而動(dòng)全身的影響。假設建筑的層高發(fā)生變化，就會(huì )導致容積率的改變，建筑使用方式、全年能耗也會(huì )隨之變化?，F在通過(guò)能耗仿真手段，設計師可以對比海量的方案，找到最理想的建筑造型。
零碳建筑與傳統建筑的最大區別在于需要大幅降低建筑的制冷制熱負荷。根據德國國際被動(dòng)房協(xié)會(huì )（PHI）規范要求，被動(dòng)房的全年負荷應當小于或等于10 W/m2。降低建筑負荷的主要手段是被動(dòng)式設計，例如通過(guò)采取大量的自然光照明或遮陽(yáng)系統來(lái)降低負荷。通過(guò)仿真計算，設計師可以得到每種不同造型情況下室內自然采光照明的數據以及用戶(hù)舒適度。使用自然光照明不僅可以讓用戶(hù)有更好的感受，拉近與周邊自然環(huán)境的距離；更重要的是減小對人造光源的依賴(lài)從而降低制冷的負荷需求。
能耗仿真驅動(dòng)的系統設計與選型
當建筑概念方案基本確定下來(lái)之后，暖通空調系統的選擇和設計成為了零碳建筑成功與否的關(guān)鍵一步。過(guò)往的設計方式大部分依賴(lài)之前的項目經(jīng)驗，根據項目所在地的氣候情況、建筑類(lèi)型選擇通用可靠的系統。大型項目中，不同功能區域的使用方式差異巨大。工程師還需考慮不同系統間的相互作用。通過(guò)大系統、小系統的搭配組合，采取熱回收等一系列手段進(jìn)一步提高系統的整體能效。
零碳建筑的設計需要精細準確，面對不同的建筑功能和氣候情況則需要個(gè)性化的方案。傳統的暖通設計方式顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)足用戶(hù)對高性能、快速反應方案迭代的要求。但基于數據驅動(dòng)的能耗仿真設計提供了很好的解決辦法。通過(guò)對用戶(hù)行為的分析、系統特性的總結、運行階段的智能設定等，工程師可以確定潛在合適的系統組合來(lái)匹配建筑特性和系統性能。例如在項目中，工程師可以量化對比空氣源多聯(lián)機系統與地源熱泵系統、帶熱回收的多聯(lián)機系統在年運行能耗、費用、舒適性上的差異，從而找到最優(yōu)的系統方案和設定參數。
決定系統運行效果的另一個(gè)重要因素是設備的選型。大部分設備選型是粗略地估計極端情況下設備滿(mǎn)足制冷制熱負荷所需要的能力。這種方式簡(jiǎn)單好用，但在對系統性能要求苛刻的零碳建筑中則會(huì )造成能耗的浪費。過(guò)于保守的系統選型會(huì )導致全年絕大部分情況下，系統處于低部分負荷率和低效率運行的工況。系統可能會(huì )出現頻繁的起停，某些情況下甚至造成系統故障完全停機。增加了系統運行的風(fēng)險和不確定性，導致了運行維護成本增加等問(wèn)題。
建筑能耗仿真則可以很好的規避剛剛所說(shuō)的問(wèn)題。通過(guò)負荷計算可以提前得到每個(gè)房間的最大制冷制熱負荷。工程師根據結果準確的選擇最合理的機器能力。同時(shí)這些數據將幫助工程師對不同的空間進(jìn)行系統劃分。例如三管制熱回收多聯(lián)機系統，理想情況下將同時(shí)出現冷熱負荷的房間放置于同一個(gè)系統內，并且做到負荷均勻從而進(jìn)一步提高系統能效。
可再生能源利用的分析
如果我們把建筑室內電氣設備、空調等系統的能耗作為零碳建筑的能源需求側，那供給側就是可再生能源的生產(chǎn)。常用的可再生能源主要包括太陽(yáng)能和風(fēng)能。風(fēng)能因為對場(chǎng)地和穩定的風(fēng)量要求相對較高，限制了運用范圍。太陽(yáng)能則因為方便使用的特點(diǎn)得到了廣泛的應用。
太陽(yáng)能板通常被布置在屋頂。通過(guò)建筑能耗仿真工具的使用，工程師可以?xún)?yōu)化屋頂的形狀來(lái)最大化放置太陽(yáng)能板的面積。通過(guò)日照計算得到全年可再生能源的生產(chǎn)量。這樣既保證了滿(mǎn)足建筑碳中和的目標，又不會(huì )過(guò)多布置太陽(yáng)能板造成場(chǎng)地和成本的浪費。
建筑能耗仿真將設計師和工程師從大量繁瑣的計算中解放出來(lái)，讓他們專(zhuān)注于設計方案的創(chuàng )新和優(yōu)化。通過(guò)仿真計算，將零碳建筑各方面的性能提高到極致，挖掘每一份節能潛力。未來(lái)的零碳建筑設計通過(guò)能耗仿真賦能，把設計方法、方案和性能串聯(lián)起來(lái)；為零碳建筑的發(fā)展提供一個(gè)整體聯(lián)通能力。打通專(zhuān)業(yè)的壁壘，實(shí)現信息的及時(shí)傳遞和共享，促進(jìn)零碳建筑設計的精細化。未來(lái)，我們將會(huì )看到能耗仿真被更為廣泛地運用到建筑設計、系統方案選擇和設備選型中。
將復雜留給美的，讓客戶(hù)更簡(jiǎn)單
在建筑全生命周期各階段，從方案設計到運行維護，通過(guò)美的樓宇科技先行研究的專(zhuān)家團隊和先進(jìn)技術(shù)，持續優(yōu)化系統方案來(lái)大幅提高建筑的性能。在運行階段，我們依托于美的樓宇科技在本行業(yè)多年的知識積累和耕耘，利用智慧運維進(jìn)一步釋放零碳建筑的節能潛力。通過(guò)先進(jìn)的系統控制方法、節能算法、儲能裝置使節能貫穿始終，最終實(shí)現系統級碳中和。
我們相信只有專(zhuān)業(yè)才能卓越，美的樓宇科技的專(zhuān)家們擁有BEMP、LEED AP、PHI等國際專(zhuān)業(yè)證書(shū)，具有豐富的零碳建筑設計認證的相關(guān)項目經(jīng)驗。我們致力于用智慧賦能建筑，為城市創(chuàng )造更多可持續的價(jià)值。美的樓宇科技將持續完善零碳建筑的整體解決方案，與各行業(yè)伙伴共同助力碳中和的實(shí)現！
