導語
2020年9月，中國在聯(lián)合國大會上向世界宣布了2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和的目標。2021年，伴隨著各行業(yè)的高度關注和快速布局，“碳中和”已成為當之無愧的年度熱詞。根據(jù)2020年中國建筑能耗研究報告數(shù)據(jù)，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，實現(xiàn)凈零排放或零碳建筑對我國實現(xiàn)碳中有著決定性的作用。
為了實現(xiàn)建筑的碳中和，就必須從建筑全生命周期的各個階段出發(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(tǒng)的設計方式是建筑設計師確定方案，結構和水暖電專業(yè)工程師分階段進入設計過程。這種設計模式的優(yōu)點是各專業(yè)分工明確，缺點是導致了各專業(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(tǒng)設計模式最大的挑戰(zhàn)是需要整合建筑造型布局，被動式與主動式節(jié)能方案，以整體最優(yōu)的視角降低建筑負荷，提高系統(tǒng)設備能效。因此誕生了一種全新的設計模式，即建筑性能驅(qū)動設計（Performance Modeling Design）。
Meta(元)作為前綴通?？梢岳斫鉃榻忉尷碚摰睦碚摚诮ㄖO計領域可以被認為是評價設計的設計，從而形成最終的優(yōu)化方案。性能驅(qū)動設計通過預測建筑能效、自然采光、眩光控制、室內(nèi)舒適度、通風效果、經(jīng)濟性分析等相關因素篩選設計方案，經(jīng)過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(shù)據(jù)反饋，形成設計、分析、改進、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(jù)。能耗仿真作為一個承上啟下的平臺，有效地拉通了建筑、水暖電各專業(yè)，保證了信息的有效流動性。因而克服了傳統(tǒng)設計模式的缺陷，大幅提高了零碳建筑的設計水平和效率。
過往傳統(tǒng)的概念設計階段耗時很長，設計師需要制作不同的物理模型進行驗證。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(qū)、人流活動、立面墻體設計等。任何一個因素的改變都會造成牽一發(fā)而動全身的影響。假設建筑的層高發(fā)生變化，就會導致容積率的改變，建筑使用方式、全年能耗也會隨之變化。現(xiàn)在通過能耗仿真手段，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(tǒng)建筑的最大區(qū)別在于需要大幅降低建筑的制冷制熱負荷。根據(jù)德國國際被動房協(xié)會（PHI）規(guī)范要求，被動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式設計，例如通過采取大量的自然光照明或遮陽系統(tǒng)來降低負荷。通過仿真計算，設計師可以得到每種不同造型情況下室內(nèi)自然采光照明的數(shù)據(jù)以及用戶舒適度。使用自然光照明不僅可以讓用戶有更好的感受，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從而降低制冷的負荷需求。
能耗仿真驅(qū)動的系統(tǒng)設計與選型
當建筑概念方案基本確定下來之后，暖通空調(diào)系統(tǒng)的選擇和設計成為了零碳建筑成功與否的關鍵一步。過往的設計方式大部分依賴之前的項目經(jīng)驗，根據(jù)項目所在地的氣候情況、建筑類型選擇通用可靠的系統(tǒng)。大型項目中，不同功能區(qū)域的使用方式差異巨大。工程師還需考慮不同系統(tǒng)間的相互作用。通過大系統(tǒng)、小系統(tǒng)的搭配組合，采取熱回收等一系列手段進一步提高系統(tǒng)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性化的方案。傳統(tǒng)的暖通設計方式顯然已經(jīng)不能滿足用戶對高性能、快速反應方案迭代的要求。但基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的能耗仿真設計提供了很好的解決辦法。通過對用戶行為的分析、系統(tǒng)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(tǒng)組合來匹配建筑特性和系統(tǒng)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(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)、帶熱回收的多聯(lián)機系統(tǒng)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(tǒng)方案和設定參數(shù)。
決定系統(tǒng)運行效果的另一個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足制冷制熱負荷所需要的能力。這種方式簡單好用，但在對系統(tǒng)性能要求苛刻的零碳建筑中則會造成能耗的浪費。過于保守的系統(tǒng)選型會導致全年絕大部分情況下，系統(tǒng)處于低部分負荷率和低效率運行的工況。系統(tǒng)可能會出現(xiàn)頻繁的起停，某些情況下甚至造成系統(tǒng)故障完全停機。增加了系統(tǒng)運行的風險和不確定性，導致了運行維護成本增加等問題。
建筑能耗仿真則可以很好的規(guī)避剛剛所說的問題。通過負荷計算可以提前得到每個房間的最大制冷制熱負荷。工程師根據(jù)結果準確的選擇最合理的機器能力。同時這些數(shù)據(jù)將幫助工程師對不同的空間進行系統(tǒng)劃分。例如三管制熱回收多聯(lián)機系統(tǒng)，理想情況下將同時出現(xiàn)冷熱負荷的房間放置于同一個系統(tǒng)內(nèi)，并且做到負荷均勻從而進一步提高系統(tǒng)能效。
可再生能源利用的分析
如果我們把建筑室內(nèi)電氣設備、空調(diào)等系統(tǒng)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能和風能。風能因為對場地和穩(wěn)定的風量要求相對較高，限制了運用范圍。太陽能則因為方便使用的特點得到了廣泛的應用。
太陽能板通常被布置在屋頂。通過建筑能耗仿真工具的使用，工程師可以優(yōu)化屋頂?shù)男螤顏碜畲蠡胖锰柲馨宓拿娣e。通過日照計算得到全年可再生能源的生產(chǎn)量。這樣既保證了滿足建筑碳中和的目標，又不會過多布置太陽能板造成場地和成本的浪費。
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，讓他們專注于設計方案的創(chuàng)新和優(yōu)化。通過仿真計算，將零碳建筑各方面的性能提高到極致，挖掘每一份節(jié)能潛力。未來的零碳建筑設計通過能耗仿真賦能，把設計方法、方案和性能串聯(lián)起來；為零碳建筑的發(fā)展提供一個整體聯(lián)通能力。打通專業(yè)的壁壘，實現(xiàn)信息的及時傳遞和共享，促進零碳建筑設計的精細化。未來，我們將會看到能耗仿真被更為廣泛地運用到建筑設計、系統(tǒng)方案選擇和設備選型中。
將復雜留給美的，讓客戶更簡單
在建筑全生命周期各階段，從方案設計到運行維護，通過美的樓宇科技先行研究的專家團隊和先進技術，持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)方案來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，利用智慧運維進一步釋放零碳建筑的節(jié)能潛力。通過先進的系統(tǒng)控制方法、節(jié)能算法、儲能裝置使節(jié)能貫穿始終，最終實現(xiàn)系統(tǒng)級碳中和。
我們相信只有專業(yè)才能卓越，美的樓宇科技的專家們擁有BEMP、LEED AP、PHI等國際專業(yè)證書，具有豐富的零碳建筑設計認證的相關項目經(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(xù)的價值。美的樓宇科技將持續(xù)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現(xiàn)！
