引言与19世纪末期相比，21世纪初期全球平均地表温度上升0.87 ℃[1]。截至2020年，全球平均地表温差升至1.2 ℃。若不改变高碳排放以及高能耗的生产生活模式，将导致全球气温继续上升，突破1.5 ℃的温差限值对全球的影响和破坏不可估量。我国一直致力于人类命运共同体的构建以及推动人类社会可持续健康发展，对全球变暖问题给予充分重视。据我国建筑节能协会《中国建筑能耗研究报告(2020)》[2]显示，2018年全国建筑全过程能耗总量为21.47亿吨标准煤，占全国能源消费总量的46.5%。建筑业碳排放量占据较大份额，实现建筑业的降碳是专家学者均在思索的问题，零碳建筑的概念应运而生。但是国内目前对零碳建筑概念认识不够清晰，相关认定规则不够健全，技术的应用不够成熟，采用对比法剖析零碳建筑的概念，探究认定规则需要改进的方面，从运营碳、隐含碳和控制技术角度分析零碳建筑应用的关键技术。1零碳建筑的内涵与比较1.1零碳建筑的内涵英国在2003年提出低碳经济概念，逐渐被其他国家采纳。建筑业在摸索低碳绿色的建造方式，如被动式建筑、绿色建筑等。为了达成“双碳”目标，进一步发展零碳建筑。零碳建筑不会取代被动式建筑、绿色建筑，三者皆为了保护环境被提出，但侧重点不同。绿色低碳迈向零碳的路径[3]如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.018.F001图1绿色低碳迈向零碳的路径零碳建筑在西方被称为净零碳建筑（Net Zero Carbon Buildings，ZCB）[4]。“零”代表建筑不产生任何碳排放，“净零”表示建筑可以产生一定量的碳排放，随后通过技术手段抵消这部分碳排放。国内零碳建筑的定义[5]是碳排放量为零的建筑物，可以使用太阳能或风能而独立于电网运行，要求在不消耗化石能源的同时由物理边界内的可再生能源作为整栋建筑的能量供给来源。在现阶段的技术手段下，实现大面积建筑严格符合以上定义较为困难，仅可能在几栋建筑、社区或小镇范围内实现，并且需要庞大充足的可再生能源量、相匹配的储能装置以及高效的智能微网系统。借鉴零能耗建筑的4种分类，可以将其分为狭义上的零碳以及广义上的零碳。狭义上的零碳建筑需要严格按照定义，独立于电网运行，且所有消耗的能源由现场提供；广义上可以并入电网，但需保证所购入的电力无碳化。零碳建筑的特征可以归纳为以下4点：（1）建筑全面电气化；（2）建筑围护结构的极高设计标准以及被动式技术的应用；（3）可再生能源的高效利用；（4）建筑全生命周期的零碳化[6]。第一点是实现零碳建筑的前提，通过全面电气化以避免对化石能源的直接使用，既能够减少直接碳排放，还能够保证电力成为建筑唯一的能源供给来源，为绿电助力零碳建筑的实现进行铺垫。第二点、第三点从节流和开源角度表述实现零碳建筑的主要方向，在降耗提效的同时将可再生能源与建筑本体结合。第四点是实现零碳建筑的目的，全生命周期产生的碳排放主要分为运营碳和隐含碳。过往国内将更多的精力放在减少运营碳方面，随着运营碳占比逐渐降低，隐含碳的问题被暴露，目前降低隐含碳是实现零碳建筑的关键。隐含碳包含建材、建造、运输等诸多方面，降低隐含碳需要相关部门和行业的诸多努力。现阶段，必须同时研究降低运营碳和隐含碳的技术，在建筑的各个阶段进行精细控制，才有可能达成全生命周期零碳化。1.2零碳建筑与被动式建筑、绿色建筑的比较被动式建筑又称为被动房，根据能耗指标可将其划分为超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑[7]。通过对建筑本体和围护结构的节能设计以及对室内环境参数和设备参数的精细限定与控制，达到建筑运行超低能耗、近零能耗乃至零能耗的要求。被动房主要应用被动式技术，通过技术手段锁住室内的环境温度，防止能量流失；而零碳建筑是被动式技术与主动式技术相结合的模式。零碳建筑更符合我国国情，但在建筑性能指标方面，被动房为零碳建筑提供了数据支撑。绿色建筑概念在1992年的联合国环境与发展会议上被正式提出，随后被引入我国。我国对绿色建筑的理解在“四节一环保[8]”的基础上更加强调“健康、适用、高效、和谐、高质量、人文”，同时关注建筑的绿色性能。零碳建筑的部分特征也存在于绿色建筑，绿色建筑是零碳建筑的重要载体[9]。零碳建筑与被动式建筑、绿色建筑对比如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.018.T001表1零碳建筑与被动式建筑、绿色建筑对比指标类型零碳建筑被动式建筑绿色建筑建筑节能率节能率须满足零能耗要求，同时尽可能少使用化石能源。（1）超低能耗（较现行标准再降低50%以上）；（2）近零能耗（较现行标准再降低60%~75%以上）；（3）零能耗（可再生能源量≥建筑全年用能量）。一星级项目平均节能率为54.7%；二星级项目平均节能率为57.4%；三星级项目平均节能率为61.8%。建筑碳排放量需要在建筑运营阶段监测及控制不需要监测不需要监测建筑气密性高气密性高气密性未规定材料使用绿色低碳建材未规定应用高性能、低材（能）耗、可再生循环利用的建筑材料可再生能源利用必须具备必须具备必须具备固体废弃物处理垃圾资源化未规定按照“分类分拣”袋装化进行归集处理，逐步采用垃圾生化处理技术。建筑周边微生态营造绿色碳化生态微循环未规定与自然环境共同构成和谐的有机环境建筑运营管理零碳化运营，碳排放管控低碳化运营低能耗运营，降低用能成本。2零碳建筑的认定标准与对比目前，我国在建筑碳排放核算、近零能耗建筑设计与评价、绿色建筑设计与评价等方面已有相关标准和规范。同时，在“双碳”背景下，部分地区实施了与零碳建筑相关的规范，但并未介绍如何对零碳建筑进行认定。我国零碳建筑的认定标准还未发布，现已发布的只有由天津市环境科学学会编制的《零碳建筑认定和评价指南》（T/CASE 00—2021）（简称“指南”），遵循此指南进行分析。2.1确定认定的对象和边界指南以单栋建筑作为评价的主体，边界严格按照规划用地图纸划定。控制指标以物理边界内在规划、设计、运行阶段采取的技术措施为准。碳排放量计算边界以物理边界内使用的电力、热力、天然气和可再生能源为准。零碳建筑认定和评价在建筑运行阶段进行[10]。生命周期分析法未被应用在指南中，指南使用《中国建筑能耗研究报告2020》[2]提出的碳排放模型，建筑全生命周期碳排放模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.018.F002图2建筑全生命周期碳排放模型建材的生产加工、房屋建造、建筑拆除、运输等阶段造成的碳排放并未被纳入指南的碳排放核算中，主要因为建造过程中大型机械和建材碳足迹不够明晰以及建材碳排放因子研究不够成熟导致的。如果将上述部分纳入计算，会使碳排放量的计算造成很大的误差，使零碳建筑的认定结果不够有说服力。2.2零碳建筑控制指标室内环境参数和能源效率指标是指南指标审查的两大核心。其中能效指标对住宅类和公共类建筑具有更细致的要求。各控制指标的数值与范围主要参考《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）和《近零能耗建筑测评标准》（T/CABEE 003—2019），印证了被动式建筑的发展为零碳建筑提供数据支撑。认定过程中，会对参评的建筑各项控制指标予以验证，判断是否符合规定的标准。零碳建筑控制指标如下：室内环境参数：冬季和夏季室内温度、相对湿度、室内新风量、噪声级、空气品质（PM2.5、二氧化碳浓度）。居住建筑：供暖年耗热量、供冷年耗热量、建筑气密性。公共建筑和非住宅类居住建筑：建筑本体节能率、供冷年耗热量、建筑气密性。2.3碳排放核算碳排放核算是认定流程中的重要一环，采用排放因子法，计算范围是建筑物运行阶段产生的碳排放量，其中暖通空调占比较大，生活热水、照明等占比较小。排放因子法(Emission-Factor Approach)是较为权威的估算方法，计算公式为：E=A×EF×(1-ER/100) (1)式中：E——温室气体排放量（如CO2、CH4等），t；A——活动水平（单个排放源与碳排放直接相关的具体使用和投入数量），以热值表示，TJ；EF——排放因子（单位某排放源使用量所释放的温室气体数量），tCO2/TJ；ER——消减率，%。规范中列举了部分用于计算的碳排放因子数值，能源类较为详尽，建材类有待进一步补充。其中，由于电力构成不同，世界各国乃至国内各大电网的碳排放因子均有明显差异，计算时应正确选用，保证结果的真实性。建筑运行阶段总碳排放量C为：C=∑iE购入电,i+E购入热,i+E购入冷,i+E购入气,i-∑iE绿电,i (2)式中：E购入电,i——购入市政电力产生的温室气体排放量；E购入热,i——购入市政热量产生的温室气体排放量；E购入冷,i——购入冷量产生的温室气体排放量；E购入气,i——购入燃气产生的温室气体排放量；E绿电,i——建筑红线内可再生能源发电温室气体减排量。公式对比运行阶段的能源消耗导致的碳排量和由可再生能源生产绿电带来的减碳量，与相同体量的节能建筑横向对比能够在一定程度上反映建筑的用能节能情况，可以作为建筑改进方向的依据。2.4与加拿大ZCB-design v2对比将《零碳建筑认定和评价指南》（T/CASE 00—2021）与加拿大ZCB-design v2（以下简称ZCB v2）中的关键点进行对比，认定标准对比如表2所示。对比结果为我国零碳建筑标准的编制提供参考。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.018.T002表2认定标准对比项目零碳建筑认定和评价指南Canada ZCB-design v2认定边界单栋建筑依据LEED建筑设计与施工（BD+C）的边界认证周期建筑运营阶段建筑全生命周期（60年）控制指标参考标准《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）、《近零能耗建筑测评标准》（T/CABEE 003—2019）美国LEED标准评价对象未具体规定所有类型建筑（根据LEED有不同标准）核算方法碳排放因子法碳排放因子法碳平衡计算项（正值）购入电、购入热、购入冷、购入气前期碳、隐含碳、后期碳、直接与间接碳排放碳平衡计算项（负值）出口绿电出口绿电、碳汇单位二氧化碳总量/kgCO2二氧化碳当量/kgCO2e制冷剂影响不考虑考虑方法结果认定满足所有标准即可评分法在认定对象方面，指南仅划分为两类：居住建筑和公共建筑；ZCB v2根据LEED标准对建筑有更细致的划分，不同的类型设定不同的标准。在认证周期方面，指南仅能评估建筑运营阶段；ZCB v2从全生命周期角度出发，考虑前期碳、隐含碳、后期碳，对碳足迹的追踪提出了较高的要求。从单位角度分析，采用二氧化碳当量表示将由制冷剂生产应用以及其泄漏产生碳排放纳入计算，范围更为全面。在结果认定方面，控制指标和C值符合要求即可通过指南的认定；ZCB v2采用的评分法通过分值使指标细化，可以根据分值的总和判断该建筑是否通过认定以及通过后建筑所属星级，ZCB v2非常重视碳汇对于碳排放的抵消效果。未来应完善认定标准，使其更加系统化、全面化，使指标更加严格、精细。3零碳建筑应用的技术零碳建筑应用技术如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.018.F003图3零碳建筑应用技术（1）运营碳可以分为直接碳排放和间接碳排放。使用天然气炊事、制备生活热水和应用传统锅炉等采暖是造成直接碳排放的主要因素。为了减少建筑的直接碳排放，需要实现建筑全面电气化，舍弃化石燃料的使用。2019年我国建筑运营用电间接碳排放量约为11亿t，城镇集中供热导致的CO2排放量约4.5亿t[11]，间接碳排放也是造成建筑高碳排放的原因。因此，大力发展可再生能源，因地制宜使用光电、风电、生物质电、核电等绿电来代替传统火电，达成电力的零碳化生产，同时应用建筑本体和设备的节能技术、储能技术等，实现建筑的低能耗运营，才能根本上减少建筑的间接碳排放。（2）隐含碳包含的门类十分广泛，文中介绍的固碳技术更偏向建材领域。（3）控制技术在零碳建筑中的应用，将使全面电气化建筑与各种设备结合得更加紧密，效率大大提高。3.1减少间接碳的技术提高设备效率的主要手段是采用热泵代替传统的蒸汽锅炉、燃气炉等。热泵应用逆卡诺循环原理将热能从低位热源提取到高层次热源，该项技术日趋成熟，应用场所越来越广泛，根据提取热量来源的不同可以分成许多种类。与传统锅炉相比，热泵制热性能系数(COP)更高，可以显著降低对能源的消耗，对实现零碳建筑具有重要意义。热泵技术目前也存在一些弊端。空气源热泵在严寒地区冬季存在结霜问题，水源热泵的使用可能会对水源造成污染，地源热泵初投资较高，长期使用会导致土壤热失衡。为了解决上述问题，提出双源耦合热泵概念，通过两种热泵协同工作的方法，使整套系统更高效、更合理。现行组合形式较多，但必须通过模拟软件手段，因地制宜地寻找合理的组合形式，确定设备容量，分析最节能的控制策略，最终进行实践。其次，空调系统作为建筑内最复杂、能耗最高的部分，合理对系统进行调适，优化控制策略，才能够提高节能率。邓杰文[12-15]等通过大量的研究和实践，总结了一套行之有效的策略及调适方法。但该办法非常依赖调适人员的水平及经验，给调适的全面开展增添了难度。被动式技术主要体现在建筑围护结构性能提升方面，不同地区应根据当地气候环境的特点设定不同的标准。《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）中对各气候区各项参数具有明确的规定。在可再生能源方面，目前应用比较广泛的是太阳能、风能、水能、生物质能，这些能源均能成为零碳电力的来源。改变我国电力的生产结构，以可再生能源产生的绿电作为我国主要的电力来源，不仅可以使电力部门零碳化，还有助于建筑零碳化的进程。核电也属于绿电，核电产生的同时伴随着大量热量释放，热量由于输送耗能大和储存困难并未得到有效利用，全部排入海洋之中，如果能将其合理利用，作为北方城镇冬季供暖的热源，能够减少大部分由于供暖所造成的碳排放。光伏发电是产生光电的主要方式，在建筑上多有应用，经过多年的发展，这项技术已经十分成熟，根据是否接入电网和发电规模可以进一步细分。目前，国内光电的装机容量超过2亿kW，以分布式光伏发电形式为主，其多位于建筑屋顶以及零星空地上。为了增加光伏面积，光伏建筑一体化(BIPV)的概念已经在许多国家实施。BIPV系统将建筑物与光伏系统或光伏模块相结合，节省占地面积的同时还可以降低成本。风力发电与生物质发电在建筑中也常有使用，但多数集中在农村地区，主要因为风力发电需要较大的空间以及生物质发电所需的燃料如农作物秸秆和人畜粪便等多集中于农村地区，现阶段在城镇中大量应用还有很多困难。由于日照和风力季节性的改变，太阳能、风能发电具有波动性较高、可调节性差的缺点。储能技术在建筑中的应用，可以在一定程度上起到调峰、补谷、抚平新能源系统波动、解决可再生能源发电带来的问题的作用。江亿[16]提出光储直柔的新理念，通过结合建筑与周边的停车场和电动车，构成容量巨大的分布式虚拟储能系统，实现一天内可再生电力与用电侧需求间的匹配，是未来储能技术重要的发展方向。3.2固碳技术固碳技术在建材领域可以主要分为绿色建材的应用以及碳捕捉利用与封存技术(CCUS)。绿色建材主要指由木材、竹材作为工业建材的替代品。该项技术对减少隐含碳具有很大的帮助，但也存在很多问题：（1）木材、竹材等材料在抗火耐腐蚀方面存在很大隐患，且在力学性能方面无法满足高层建筑的设计要求。（2）大量应用绿色建材的同时必须保证大范围植树造林，且植物成材的时间较长，长此以往会导致森林面积锐减，破坏有生碳汇的正常进行。（3）绿色建材须保证就地取材的原则，大量、大范围的材料运输造成的碳排放会抵消大部分应用绿色建材带来的减碳量。因此，绿色建材更适合在农村地区小规模低楼层建筑上应用。CCUS技术是建材生产领域的必然选择，也是从源头减少隐含碳的最佳方式。将捕集的碳封存在水泥等建材中，封存时效可以达到几十年甚至永久，使用该方法储存的碳总量比材料生产、运输、建造阶段的碳的总和还多，导致建筑前期碳在碳平衡计算中为负值，助力实现全生命周期的零碳化。但现阶段CCUS技术还不够成熟，前期碳捕集的效率较低，成本比将碳封存在地壳中更高，导致CCUS技术的大面积应用还存在一些困难。3.3能源智能微网建成单栋的零碳建筑仅能起到示范作用，无法满足未来的“双碳”要求。将单栋的零碳建筑连接起来，形成零碳社区，再将零碳社区结合起来，形成零碳城市，才是最终的目标。在这种目标下，智能微网系统将发挥重要的作用。智能微网系统[17]结合大数据、云平台、5G等信息化手段，实现对楼宇、社区内能源供给侧、需求侧和可再生能源储存侧的精细化控制，以覆盖整个城市。4结语零碳建筑是促成碳中和的重要因素。对零碳建筑的概念进行剖析，并与被动式建筑、绿色建筑进行对比，寻找其中内在的联系；对国内零碳建筑认定规则进行介绍，并与加拿大ZCB-design v2进行对比；对零碳建筑主要应用的技术进行分析，使对其的认识更加直观。技术的发展需要时间，但现阶段有一些关键问题亟待解决：如何解决隐含碳的碳足迹追踪和碳排放计算边界问题，实现对建筑以全生命周期角度进行零碳认定；如何将零碳理念根植在心中，实现零碳化生活；如何系统地对国内既有建筑进行零碳化改造以及成体系地发展零碳建筑。