导语

2020年9月，中国在联合国大会上向世界宣布了2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和的目标。2021年，伴随着各行业的高度关注和快速布局，“碳中和”已成为当之无愧的年度热词。根据2020年中国建筑能耗研究报告数据，我国建筑全生命周期能耗总量为21.47亿tce，占全国能源消费总量的比重为46.5%。建筑全生命周期碳排放总量为49.3亿吨，占全国能源碳排放的比重为51.2%。因此，实现净零排放或零碳建筑对我国实现碳中有着决定性的作用。

为了实现建筑的碳中和，就必须从建筑全生命周期的各个阶段出发提高性能。其中能耗仿真软件作为建筑设计、运行和全生命周期分析的重要工具，在零碳建筑的发展过程中发挥了巨大作用。

Meta-Design 元设计

寻找零碳建筑设计阶段的“最优解”

传统的设计方式是建筑设计师确定方案，结构和水暖电专业工程师分阶段进入设计过程。这种设计模式的优点是各专业分工明确，缺点是导致了各专业的信息孤岛，而且后期变更设计方案成本极高。零排放建筑对传统设计模式最大的挑战是需要整合建筑造型布局，被动式与主动式节能方案，以整体最优的视角降低建筑负荷，提高系统设备能效。因此诞生了一种全新的设计模式，即建筑性能驱动设计（Performance Modeling Design）。

Meta(元)作为前缀通常可以理解为解释理论的理论，在建筑设计领域可以被认为是评价设计的设计，从而形成最终的优化方案。性能驱动设计通过预测建筑能效、自然采光、眩光控制、室内舒适度、通风效果、经济性分析等相关因素筛选设计方案，经过大量多次的迭代找到最优解。这种集成式的设计方法（integrated design）通常在项目初期阶段介入，通过快速的分析确定设计方向。利用建筑能耗仿真计算，为方案提供数据反馈，形成设计、分析、改进、设计的有效闭环；为建筑师和工程师的决策提供了理论依据。能耗仿真作为一个承上启下的平台，有效地拉通了建筑、水暖电各专业，保证了信息的有效流动性。因而克服了传统设计模式的缺陷，大幅提高了零碳建筑的设计水平和效率。

过往传统的概念设计阶段耗时很长，设计师需要制作不同的物理模型进行验证。对每一种方案，设计师需要考虑很多不同因素的影响，例如容积率、功能分区、人流活动、立面墙体设计等。任何一个因素的改变都会造成牵一发而动全身的影响。假设建筑的层高发生变化，就会导致容积率的改变，建筑使用方式、全年能耗也会随之变化。现在通过能耗仿真手段，设计师可以对比海量的方案，找到最理想的建筑造型。

零碳建筑与传统建筑的最大区别在于需要大幅降低建筑的制冷制热负荷。根据德国国际被动房协会（PHI）规范要求，被动房的全年负荷应当小于或等于10 W/m2。降低建筑负荷的主要手段是被动式设计，例如通过采取大量的自然光照明或遮阳系统来降低负荷。通过仿真计算，设计师可以得到每种不同造型情况下室内自然采光照明的数据以及用户舒适度。使用自然光照明不仅可以让用户有更好的感受，拉近与周边自然环境的距离；更重要的是减小对人造光源的依赖从而降低制冷的负荷需求。

能耗仿真驱动的系统设计与选型

当建筑概念方案基本确定下来之后，暖通空调系统的选择和设计成为了零碳建筑成功与否的关键一步。过往的设计方式大部分依赖之前的项目经验，根据项目所在地的气候情况、建筑类型选择通用可靠的系统。大型项目中，不同功能区域的使用方式差异巨大。工程师还需考虑不同系统间的相互作用。通过大系统、小系统的搭配组合，采取热回收等一系列手段进一步提高系统的整体能效。

零碳建筑的设计需要精细准确，面对不同的建筑功能和气候情况则需要个性化的方案。传统的暖通设计方式显然已经不能满足用户对高性能、快速反应方案迭代的要求。但基于数据驱动的能耗仿真设计提供了很好的解决办法。通过对用户行为的分析、系统特性的总结、运行阶段的智能设定等，工程师可以确定潜在合适的系统组合来匹配建筑特性和系统性能。例如在项目中，工程师可以量化对比空气源多联机系统与地源热泵系统、带热回收的多联机系统在年运行能耗、费用、舒适性上的差异，从而找到最优的系统方案和设定参数。

决定系统运行效果的另一个重要因素是设备的选型。大部分设备选型是粗略地估计极端情况下设备满足制冷制热负荷所需要的能力。这种方式简单好用，但在对系统性能要求苛刻的零碳建筑中则会造成能耗的浪费。过于保守的系统选型会导致全年绝大部分情况下，系统处于低部分负荷率和低效率运行的工况。系统可能会出现频繁的起停，某些情况下甚至造成系统故障完全停机。增加了系统运行的风险和不确定性，导致了运行维护成本增加等问题。

建筑能耗仿真则可以很好的规避刚刚所说的问题。通过负荷计算可以提前得到每个房间的最大制冷制热负荷。工程师根据结果准确的选择最合理的机器能力。同时这些数据将帮助工程师对不同的空间进行系统划分。例如三管制热回收多联机系统，理想情况下将同时出现冷热负荷的房间放置于同一个系统内，并且做到负荷均匀从而进一步提高系统能效。

可再生能源利用的分析

如果我们把建筑室内电气设备、空调等系统的能耗作为零碳建筑的能源需求侧，那供给侧就是可再生能源的生产。常用的可再生能源主要包括太阳能和风能。风能因为对场地和稳定的风量要求相对较高，限制了运用范围。太阳能则因为方便使用的特点得到了广泛的应用。

太阳能板通常被布置在屋顶。通过建筑能耗仿真工具的使用，工程师可以优化屋顶的形状来最大化放置太阳能板的面积。通过日照计算得到全年可再生能源的生产量。这样既保证了满足建筑碳中和的目标，又不会过多布置太阳能板造成场地和成本的浪费。

建筑能耗仿真将设计师和工程师从大量繁琐的计算中解放出来，让他们专注于设计方案的创新和优化。通过仿真计算，将零碳建筑各方面的性能提高到极致，挖掘每一份节能潜力。未来的零碳建筑设计通过能耗仿真赋能，把设计方法、方案和性能串联起来；为零碳建筑的发展提供一个整体联通能力。打通专业的壁垒，实现信息的及时传递和共享，促进零碳建筑设计的精细化。未来，我们将会看到能耗仿真被更为广泛地运用到建筑设计、系统方案选择和设备选型中。

将复杂留给美的，让客户更简单

在建筑全生命周期各阶段，从方案设计到运行维护，通过美的楼宇科技先行研究的专家团队和先进技术，持续优化系统方案来大幅提高建筑的性能。在运行阶段，我们依托于美的楼宇科技在本行业多年的知识积累和耕耘，利用智慧运维进一步释放零碳建筑的节能潜力。通过先进的系统控制方法、节能算法、储能装置使节能贯穿始终，最终实现系统级碳中和。

我们相信只有专业才能卓越，美的楼宇科技的专家们拥有BEMP、LEED AP、PHI等国际专业证书，具有丰富的零碳建筑设计认证的相关项目经验。我们致力于用智慧赋能建筑，为城市创造更多可持续的价值。美的楼宇科技将持续完善零碳建筑的整体解决方案，与各行业伙伴共同助力碳中和的实现！