1. 引言

能源是社會發展的基礎，是建立可持續發展社會的保障。當前我國嚴峻的能源形勢與城市建筑能耗的快速增長密切相關。近年來，中國新增建筑面積約占全球建筑面積年增長量的三分之一，建筑能耗總量呈逐年上升趨勢。2023年，中國建筑業碳排放量約為23億噸，約占中國碳排放總量的18.25%。該行業仍然是中國碳排放的重要貢獻者，反映了中國對建筑材料和建筑活動的高能源需求。

隨著中國提出“力爭 2030 年前達到碳峰值、爭取 2060 年前實現碳中和”的“雙碳”目標，建筑領域面臨著能源與環境的雙重壓力，迫切需要轉變現有的建筑能源供給方式，推動城市和建筑低碳技術的系統升級，實現建筑能源的綠色化、低碳化。

為推動中國“碳達峰，碳中和”工作，中國政府發布的一系列政策文件，要求加快推動建筑用能電氣化和低碳化，支持利用太陽能、地熱能等建設可再生能源建筑供能系統，在具備條件的地區推進供熱計量改革和供熱設施智能化建設，鼓勵建設綠色用能產業園區和企業，發展工業綠色微電網，支持在自有場所開發利用清潔低碳能源。

本研究旨在通過開發多系統集成的智能解決方案，結合材料科學、建筑學、暖通空調和計算機科學來實現零碳建筑。研究重點整合了多功能圍護結構、PEDF 技術和區域能源站等技術。這種綜合方法被應用于三亞市崖州灣的一個零碳建筑項目，精確的碳排放計算驗證了其有效性。結果表明，該解決方案將支持建筑的零碳運營，這與研究的核心目標一致。

2. 發展概況

零碳建筑的起源可追溯到20世紀70年代的能源危機時期。當時，能源價格飆升和供應不穩定性促使人們開始關注建筑的能效問題。這一時期的零碳建筑主要以美國的被動式太陽能住宅和歐洲的低能耗建筑為主。主要集中在通過優化設計和施工技術來降低能耗和碳排放。例如，Kang Y等提出了一種基于數據驅動的綜合PSO-SVM-NSGA-III方法，該方法有助于優化被動設計參數以實現零碳建筑。Ansah M K 等提出了一種考慮成本效益的低碳建筑參數化設計優化方法，并探討了混雜因素對實現低碳設計的影響。在此階段，設計優化主要涉及被動式設計策略，包括建筑的朝向、自然通風和日光利用等，以最大程度減少對供暖、制冷和人工照明的需求。

隨著可再生能源技術的進步，太陽能和風能等逐漸被整合到建筑系統中，推動了零碳目標的實現。例如，光伏發電系統的廣泛應用不僅為建筑提供了清潔能源，還降低了對傳統化石燃料的依賴。此外，風能和地熱能等其他可再生能源技術也逐漸被應用于建筑中，以進一步減少碳排放。Deymi-Dashtebayaz M等從能源、運動、經濟和環境方法建立了一個創新的多代太陽能-風能系統的動態模型，該模型被集成到俄羅斯圣彼得堡的一座近零能耗建筑中，目的是覆蓋該建筑每小時的制冷、供暖和電力負荷。

進入二十一世紀，零碳建筑的標準和認證體系如LEED（Leadership in Energy and Environmental Design）和BREEAM（Building Research Establishment Environmental Assessment Method）顯著提升了行業規范和實踐水平。這些認證體系通過制定嚴格的評估標準，鼓勵建筑項目在設計、施工和運營階段采用可持續發展的最佳實踐方法。此外，政府的激勵政策和法規也在全球范圍內促進了零碳建筑的發展。許多國家和地區通過稅收優惠、財政補貼和技術支持等措施，鼓勵開發商和建筑業主采用零碳建筑技術。例如，中國的綠色建筑行動計劃和歐盟的《氣候與能源框架》都為零碳建筑的發展提供了強有力的政策支持。近年來，伴隨著人工智能、數字孿生等技術的進步，通過智能建筑管理系統完成對建筑能源的實時監控和優化，將顯著提升建筑的運行能效，實現建筑的節能減碳，進一步推動零碳建筑的普及和可持續性發展。Haidar N等建立了一種新的依賴于消費者的能源管理系統，以降低智能建筑的成本和碳影響。Yu L等總結了深度學習算法在智能建筑能源管理中的應用，并指出了未來建筑能源管理領域可能的研究方向。

PEDF 系統是一種融合多種技術的能源解決方案，旨在實現能源高效利用和減少碳排放。PEDF 系統在建筑領域得到了廣泛的發展和應用，特別是在零碳建筑中。Kong Y、Zhao Z 和 Zhang Z 等以雄安新區的一座公共建筑為例，設計了 PEDF 系統，以實現建筑的節能減碳。Mao T 和Xu J介紹了 PEDF 建筑光伏系統的重要評價指標，并以一個真實項目為例，介紹了 PEDF 建筑光伏系統的選型、配置、模型構建、系統仿真等整個設計過程。

綜合能源站通過整合多種能源資源，可提高能源效率、減少碳排放，為零碳建筑提供強有力的能源支持。它們是實現建筑碳中和的關鍵技術之一 。Dou Z等人從規劃、設計和運營等多個角度概述了綜合能源站技術。Xu X等提出了一種基于三步規劃方法的綜合能源規劃方案，目標是實現近零碳排放示范區。

從上述討論來看，實現零碳建筑需要多種方法，包括建筑材料的選擇和能源供應解決方案的設計。這是一個復雜的系統工程。如何開發出普遍適用且可推廣的零碳建筑多系統集成解決方案，成為目前制約零碳建筑大規模建設和推廣的主要問題之一。

3. 零碳建筑的多系統集成功能架構

基于以上分析，研究團隊進行了大量的研究工作。重點討論了零碳建筑定量機理研究中的關鍵問題和對策，以及零碳建筑中能源利用、節約和生產的理論框架。通過這些研究，本文提出了零碳建筑的多系統集成功能架構，如圖 1 所示。

圖 1.零碳建筑的多系統集成功能架構。

為實現建筑物運行期間碳排放接近于零的目標，可以通過多功能圍護結構系統，PEDF系統，區域能源站系統共同實現。

其中，多功能圍護結構系統采用碳礦化水泥基圍護材料、相變儲能墻、輻射冷卻材料、多功能光伏發電材料等技術實現碳礦化水泥基外殼材料可以提高能源效率和耐用性，同時通過利用礦化和回收成分來減少建筑物的碳足跡。相變儲能墻采用相變材料 （PCM） 來儲存和釋放熱量，穩定室內溫度并減少加熱和冷卻的能源使用。輻射冷卻材料通過以紅外輻射的形式發射熱量來被動冷卻建筑物，從而減少對空調的需求。多功能光伏發電材料利用太陽光發電，同時提供隔熱或遮陽功能，支持能源效率的提升和可再生能源發電。

PEDF 系統包含光伏發電技術、儲能技術、直流電技術、柔性交互技術。PEDF 系統的組件直接相互作用，以優化建筑物的能源效率。光伏 （PV） 板發電，可立即使用或由儲能系統儲存以備后用。直流電 （DC） 技術通過避免 AC/DC 轉換來最大限度地減少能量損失，從而提高能量流的整體效率。靈活性組件動態調整能源消耗和生產，響應供需波動，從而確保穩定高效的能源管理，這對于實現建筑的零碳運營至關重要。

能源站系統集成了多種可再生和高效的能源技術，它通常包括水源熱泵、地源熱泵或空氣源熱泵，用于傳遞熱能以進行對建筑物的加熱和冷卻。熱交換系統優化了不同能源之間的能量傳輸，而多能互補系統則確保了各種能源的平衡供應。此外，熱存儲技術可以將剩余能源儲存起來以備后用，從而提高整體效率，并確保零碳建筑運營中持續、可靠的能源供應。

本研究根據能源生產、節能和能源利用對零碳建筑的各種功能系統進行了分類。所有系統均具有節能功能。

4. 零碳建筑的關鍵技術

4.1. 多功能圍護結構

零碳建筑MES是指將多種材料融為一體，實現節能、環保、提高居住舒適度的建筑圍護結構。本研究將碳礦化水泥基圍護材料、相變儲能墻體、輻射冷卻材料和多功能光伏發電材料四項技術整合到零碳建筑的圍護結構中，體現了建筑設計的整體方法。每項技術都具有多種功能，以互補的方式為能源效率、熱舒適度和碳減排做出貢獻。本研究還設計了零碳建筑的屋頂結構和墻體結構，如圖 2 所示。

圖 2.零碳建筑的屋頂結構和墻體結構。

圖 2 說明了零碳建筑屋頂和墻壁結構的設計和組成。建筑圍護結構中采用的關鍵材料包括碳礦化水泥基材料。這些材料在生產過程中吸收二氧化碳，從而減少建筑的碳足跡。它還強調了相變儲能墻的使用，通過吸收和釋放熱量來調節室內溫度，從而減少能源需求。應用于屋頂和墻壁的輻射冷卻材料通過發射熱輻射來促進被動冷卻，從而最大限度地減少對主動冷卻系統的需求。此外，多功能光伏發電材料嵌入到結構中，以產生可再生能源，同時提供絕緣和遮陽。這些材料共同創造了一個高效的圍護系統，提高了建筑的能源性能，并有助于零碳運營。

(1)碳礦化水泥基外殼材料

碳礦化膠凝材料是一種先進的建筑材料，在生產過程中將二氧化碳 （CO?） 融入其結構中。這是通過一種稱為碳化的化學過程實現的，其中 CO? 與水泥中的鈣化合物反應，形成穩定的碳酸鈣。該工藝不僅可以封存二氧化碳，減少材料的碳足跡，還可以提高材料的機械性能，例如強度和耐用性。

這些材料用于建造建筑物的結構構件，例如墻壁、地板和屋頂。通過將碳礦化水泥基材料整合到圍護系統中，該建筑可以顯著減少其隱含碳。通過降低與建筑相關的碳排放，這有助于實現零碳建筑的總體目標。

(2)相變儲能墻體

相變材料（PCM）是在改變其物理狀態時（例如，從固體變為液體，反之亦然）吸收或釋放大量潛熱的物質。相變儲能墻采用 PCM 來調節室內溫度。當溫度升高時，相變材料通過熔化吸收多余的熱量。當溫度下降時，相變材料通過凝固釋放儲存的熱量。這種熱能儲存能力有助于維持穩定的室內環境并減少對加熱和冷卻的需求。

相變儲能墻體被集成到建筑物的圍護結構中，既起到隔熱作用，又起到熱緩沖的作用。通過吸收和釋放熱量，這些墻壁有助于調節室內溫度，減少供暖和制冷的能耗，并提高整體能源效率。這有助于零碳建筑的能源性能的提升，確保舒適度，同時最大限度地減少能源使用。

(3)輻射冷卻材料

輻射冷卻材料旨在通過將熱量從建筑物表面輻射到天空來被動冷卻建筑物，尤其是在夜間。這些材料在紅外光譜中具有高發射率，使其能夠有效地發射熱輻射。它們還可以具有選擇性反射特性，反射大部分太陽輻射，同時允許建筑物通過輻射熱損失進行冷卻。

這些材料可以應用于屋頂和外墻，在減少建筑物的冷卻負荷方面起著至關重要的作用。通過將輻射冷卻材料納入圍護結構系統，建筑物可以更有效地散發多余的熱量，降低室內溫度，而無需主動冷卻系統。這種被動冷卻策略對于降低能耗和實現建筑零碳至關重要。

(4)多功能光伏發電材料

多功能光伏（PV）材料是將傳統的PV技術與隔熱、遮陽和美感增強等附加功能相結合的產物。這些材料通常集成到外墻、屋頂和窗戶等建筑元素中（建筑光伏一體化或BIPV）。它們利用陽光發電，同時服務于其他建筑功能。

在零碳建筑中，這些材料是建筑能源系統的關鍵組成部分。通過將光伏材料整合到建筑物的圍護結構中，該結構可以直接產生可再生能源，減少對外部能源的依賴，并為實現凈零能耗目標做出貢獻。此外，它們的多功能性意味著它們提供了額外的好處，如絕緣和遮陽，以進一步提高建筑的能源效率。

4.2. 光伏、儲能、直流電電、柔性交互 （PEDF） 系統

通過采用 PEDF 系統，零碳建筑可以實現高能效、提高可靠性并顯著減少碳足跡。其中，光伏技術提供了一種可持續和可再生的電力來源。儲能技術可確保在需要時提供這種可再生能源，從而克服了太陽能的間歇性。直流電技術通過最大限度地減少轉換損耗來提高能源系統的效率。Flexibility 技術可實現智能、自適應的能源管理，從而優化能源供需之間的平衡。這些技術共同創建一個能源生態系統，以支持可持續發展目標，減少對不可再生能源的依賴，并為建筑環境中的彈性、低碳未來鋪平道路。這四種技術之間的關系如圖 3 所示。

圖 3.PEDF 技術的相互關系。

圖 3 概述了 PEDF 系統的四項核心技術之間的相互作用：光伏 （PV） 技術、儲能、直流電 （DC） 系統和靈活性。光伏技術從陽光中發電，太陽能可以立即使用或通過儲能系統儲存。直流電技術通過減少與 AC/DC 轉換相關的損耗來優化系統的能源效率。靈活性是指系統根據需求變化調整能源生產和消耗的能力，從而優化整體能源使用。這些技術協同工作，以最大限度地利用可再生能源并確保零碳建筑的高效能源管理。

(1)光伏 （PV） 技術

光伏技術涉及使用具有光伏效應的半導體材料將太陽光轉化為電能。太陽能電池板由多個太陽能電池組成，可捕獲太陽能并將其轉化為直流電 （DC） 電。這項技術是利用太陽能可再生能源的核心。

在零碳建筑中，光伏技術對于現場可再生能源發電至關重要。通過在屋頂和外墻安裝太陽能電池板，或將它們集成到建筑材料中（建筑一體化光伏或 BIPV），建筑物可以通過清潔、可持續的來源產生很大一部分能源需求。這減少了對化石燃料的依賴，降低了碳排放，并支持實現凈零能耗的目標。

(2)儲能技術

儲能技術涉及捕獲一次產生的能量以供以后使用。最常見的形式是電池存儲，它以化學形式存儲電力并根據需要釋放。其他形式包括熱能存儲，用于加熱或冷卻。以及機械儲存，例如抽水蓄能、壓縮空氣等。

儲能系統對于平衡零碳建筑的供需至關重要。它們能夠在生產高峰期（例如，晴天）存儲光伏系統產生的多余能量，并在太陽能發電量低或沒有太陽能發電的時期（例如，夜間或陰天）提供電力。這確保了穩定可靠的能源供應，增強了能源安全，并優化了可再生能源的使用，從而減少了對電網電力的需求和相關的碳排放。

(3)直流電（DC）技術

在零碳建筑中，采用直流電技術可以提高能源效率。通過創建直流電微電網或使用直流電配電系統，建筑物可以直接連接光伏系統和電池存儲系統，而無需在交流和直流電之間進行多次轉換，這通常會導致能量損失。這種簡化的方法提高了整體系統效率，減少了能源浪費，并支持可再生能源的整合，從而為零碳目標做出了貢獻。

(4)柔性交互技術

柔性交互技術包括一系列系統和策略，旨在根據不斷變化的環境條件調整能源生產、消耗和儲存。這包括需求響應（根據電網信號調整能源使用）、靈活負載（可以改變運行時間的設備或系統）以及根據電網需求主動管理能源使用的電網交互式高效建筑。

柔性交互技術是優化零碳建筑能源管理的關鍵。通過動態調整能源使用模式、集成實時數據以及與電網交互，建筑物可以提高能源效率、減少峰值需求并更好地利用可再生能源。例如，在太陽能發電量高的時期，靈活的建筑可能會增加電池充電或預冷空間等任務的能耗，同時在電網需求高峰時段減少使用量。這種智能的能源管理有助于最大限度地利用可再生能源，穩定電網，并進一步減少碳排放。

4.3. 綜合能源站技術

綜合能源站技術是實現零碳建筑的重要技術之一。它通過利用可再生熱能（如水/地/空氣源熱泵和熱交換技術）提供高效的加熱和冷卻。為了確保平衡、有彈性和高效的能源供應，綜合能源站可以集成各種可再生能源、存儲解決方案和轉換技術。通過集成能源站技術，零碳建筑可以實現高能效、可靠性和可持續性。這種全面的方法減少了對化石燃料的依賴，降低了碳排放，并支持能源安全和環境管理的更廣泛目標。以儲能型地源熱泵能源站為例，系統工藝原理如圖 4 所示。

圖 4.儲能地源熱泵能源站的系統工藝原理。

圖 4 顯示了使用地源熱泵和儲能的能源站的運行過程。該系統在地面和建筑物之間傳遞熱量，利用可再生的地熱能提供供暖和制冷。此外，熱交換技術通過回收建筑物內的熱能來提高能源效率。多能源互補技術的集成允許各種能源的組合使用，確保一致的能源供應。該能源站在可再生能源發電量高的時期儲存多余的能源，并在低發電量時期利用它，從而提高整體系統的彈性并減少碳排放。

(1)水/地/空氣源熱泵

熱泵是使用制冷循環將熱量從一個位置傳遞到另一個位置的設備。它們效率很高，因為它們可以移動熱量而不是直接產生熱量。根據熱源的差異，熱泵可分為以下幾類：

?水源熱泵：從水源（如湖泊、河流或地下水）中提取熱量。

?地源熱泵（地熱）：從地面提取熱量，通常通過充滿傳熱流體的埋地管道。

?空氣源熱泵：從外部空氣中提取熱量。

熱泵因其高效率和利用可再生能源的能力而對零碳建筑至關重要。通過利用水、地面或空氣作為熱源，這些系統可以顯著減少對化石燃料進行加熱和冷卻的依賴。這降低了碳排放量，提高了建筑的能源效率，有助于實現零碳狀態的總體目標。

(2)熱交換技術

熱交換技術涉及在兩種或多種流體之間傳遞熱量而不混合它們。常見的換熱器類型包括：

?板式換熱器：使用金屬板在兩種流體之間傳遞熱量。

?管殼式換熱器：由一系列管子組成，一組包含要加熱或冷卻的流體，另一組包含加熱或冷卻流體。

?熱回收通風機 （HRV） 和能量回收通風機 （ERV）：在通風系統中的進出氣流之間傳遞熱量（有時是水分）。

熱交換技術通過回收和余熱再利用來提高零碳建筑的能源效率。例如，HRV 和 ERV 可以從廢氣中捕獲熱量，并使用它來預熱進入的新鮮空氣，從而減少對額外加熱的需求。高效的熱交換系統最大限度地減少了能源浪費并優化了可用熱能的使用，從而降低了整體能耗和碳排放。

(3)多能互補技術

多能源互補技術涉及多種能源的集成和優化，以滿足建筑物或地區的能源需求。通過結合多種能源和存儲解決方案，建筑物可以最大限度地利用可再生能源，最大限度地減少對化石燃料的依賴，并增強能源安全。不同能源形式的互補使用可實現靈活高效的能源管理，這對于保持低碳排放和實現零碳目標至關重要。

(4)儲熱轉化技術

儲熱轉換技術是將低品位能源轉化為高品位能源的重要方法，在能源站中得到廣泛應用。這對于零碳建筑至關重要，因為它們能夠有效利用間歇性可再生能源。通過在可再生能源發電量高時儲存多余的熱能，在發電量低時利用熱能。這一技術確保了一致和可靠的能源供應，減少了對基于化石燃料的備用系統的需求，降低了碳排放，并增強了建筑物的能源獨立性和彈性。

5. 綜合碳排放計算方法

結合前文的引言，本研究提出了一套全面的碳排放計算方法，包括能源消耗計算、可再生能源發電計算、能源儲存和利用效率計算、碳排放計算以及碳抵消和凈排放。在這種方法中，每個公式都建立在前一個公式的基礎上，提供了一種循序漸進的方法來計算建筑物的能源消耗、可再生能源貢獻、存儲效率和凈碳排放量。它為共同實現和評估零碳建筑運營提供了一個全面的工具。

(1)能耗計算

(2)可再生能源發電計算

公式（2）表示建筑物產生的可再生能源，包括光伏（太陽能）能源和來自風能、生物質能或地熱能的能源。代表光伏產生的能量，以及代表其他可再生能源技術產生的能量。該公式評估建筑物產生的可再生能源量，主要通過光伏系統以及其他可再生能源，如風能、生物質能或地熱能。它在決定可再生能源發電可以抵消多少建筑物的能源消耗方面發揮著關鍵作用。

(3)儲能與利用效率

考慮到存儲效率，公式（3）決定了儲存以備后用的有效能量。代表儲能系統的效率，以及代表光伏系統的能量立即使用而不被儲存。該公式評估了儲能系統的效率，這些系統捕獲了多余的可再生能源以備后用，它還考慮了光伏系統，確保能源得到有效利用，而不會造成不必要的浪費。

(4)碳排放計算

公式（4）通過考慮來自非可再生能源的能源消耗和可再生能源抵消的能源來計算碳排放總量。表示來自天然氣或煤炭等非可再生能源的能源。表示每種非可再生能源每單位能源的碳排放量。表示可再生能源的碳排放抵消量。表示可再生能源的排放因子，該因子通常為零，因為太陽能和風能等可再生能源不會產生直接碳排放。此公式通過考慮來自非可再生能源的能源消耗，并減去可再生能源的碳抵消量來計算碳排放總量。它考慮了不同能源的排放率，同時認識到太陽能和風能等可再生能源不會產生直接碳排放。

6. 案例研究

6.1. 案例介紹

海南省太陽能資源豐富，年平均日照時數高，是開發零碳建筑的理想場所。該省出臺了幾項關鍵政策舉措，以促進這一發展，包括與中國碳中和目標相一致的“零碳島”倡議。該倡議旨在減少能源需求，提高能源效率，并擴大可再生能源的使用。

本研究中的項目案例位于中國海南省三亞市的崖州灣地區，是政府資助的采用新技術的計劃的一部分。該項目包括兩種類型的公共便利設施：濱海城市驛站和城市街區驛站。前者用磚混結構混凝土建造，而后者則采用預制鋼結構建造。兩種類型的建筑都是單層的，占地面積約為250至300平方米。由于項目所在地的自然資源有限，且受項目預算限制，該項目僅通過在屋頂使用光伏技術來實現建筑物的綠色節能。

為了確保穩定的電力供應并節省獨立的存儲成本，屋頂光伏系統直接連接到公共電網。同時，項目采用家用鋰離子電池儲能方式，滿足夜間6小時以上的用電需求。該項目如圖 5 所示。

圖 5.零碳建筑項目俯視圖。（a） 城市街區驛站。（b） 濱海城市驛站。

6.2. 碳排放計算

(1)裝機容量

濱海城市驛站屋頂安裝光伏的合適面積為192平方米，而城市街區驛站的合適面積為 100平方米。該項目采用尺寸為1200×1600毫米的鋼化夾層功率玻璃（每片240 W），成分為3.2 CdTe（碲化鎘）+ 0.5 POE（聚烯烴彈性體）+ 3.2 TP（鋼化玻璃）來完成屋頂光伏發電系統。濱海城市驛站共安裝了 100 個屋頂，城市街區驛站共安裝了52個屋頂，共計152個屋頂，裝機容量約為 36.48 kWp。

此外，該項目采用高壓液冷電池預制艙進行儲能，以滿足建筑物夜間的用電需求。根據設計規范，每日儲存的電力通常是每天發電量的兩倍。因此，該項目的最大存儲容量為 80 kWp。儲能系統的參數如表 1 所示。

表 1.儲能系統參數摘要。

(2)發電量的計算

該項目使用 Meteonorm 氣象數據確定海南省三亞市的年平均太陽總輻射量為6142.55 MJ/平方米，年平均日照高峰時段為1706.4小時。圖6顯示了太陽相對于朝向真北（方位角 0°）的傾斜平面在天空中的路徑。縱軸表示太陽在地平線上方的高度，而橫軸表示其方位角或指南針方向。黃色區域表示太陽全天的軌跡，特定的時間標簽標記了太陽在不同時間的位置。紅線表示太陽在平面前方可見的時間，而藍線表示太陽低于地平線平面的時間。

圖 6.太陽路徑相對于特定位置的地平線。

使用 PVSYST 7.2 光伏仿真軟件模擬了屋頂光伏系統在25年內的年發電量及其衰減。PVSYST 7.2是一款廣泛使用的 PV 仿真軟件，專為太陽能系統的分析、設計和優化而設計。它允許用戶對各種類型的太陽能光伏系統進行建模和仿真，包括并網、獨立和混合系統。

表 2 顯示了濱海城市驛站的屋頂發電量。第一年，該系統發電量為30,500 kWh，每年以 0.4% 的速度逐漸下降，直到第 25 年發電量下降到 27,700 kWh。25 年累計總發電量為 727,558 kWh，整體衰減率為 14.60%。

表 2.濱海城市驛站屋頂發電。

同樣，表 3 顯示了城市街區驛站的屋頂發電量。第一年，該系統發電量為 15,900 kWh，每年以 0.4% 的速度逐漸下降，直到第 25 年發電量下降到 14,400 kWh。25 年累計總發電量為 379,064 kWh，整體衰減率為 14.60%。

表 3.城市街區驛站屋頂發電。

從表 1 和表 2 中的數據可以預測，該零碳建筑項目在其 25 年生命周期內的累計發電量約為 1,106,622 度電，平均年發電量約為 44,265 度電。由于本項目驛站的主要功能是為城市居民提供公共廁所和商店等便捷服務，因此用電量非常低。據估計，每個驛站的年平均用電量約為 100 kWh/平方米。屋頂光伏系統的發電可以滿足驛站的電力需求。

(3)碳和其他污染物排放計算

根據《2020中國電力行業年度發展報告》顯示，全國6000 kW及以上火電廠的用煤標準為0.328 kg/kWh、二氧化碳排放量為0.997 kg/kWh、二氧化硫排放量為0.03 kg/kWh、氮氧化物排放量為0.015 kg/kWh、煙霧排放量為0.272 kg/kWh。該項目每年可減少 44.1322 噸二氧化碳排放。在 25 年的生命周期內，總共可減少 1103.3051 噸二氧化碳排放。計算結果如表 4 所示。

表 4.碳和其他污染物排放計算。

6.3. 研究結果

7. 研究意義

7.1. 理論意義

本研究介紹了多功能圍護系統、PEDF 系統和區域能源站系統的集成，為零碳建筑領域提供了創新的理論框架，并解決了現有研究中孤立研究這些系統的空白。該方法通過多系統的協同互動，系統地探索了實現建筑零碳排放的潛力，從而推進了零碳建筑施工方法的理論發展。

7.2. 實際意義

本研究提出的多系統集成方法不僅有效實現了建筑零碳排放，有助于實現碳中和目標。該方法具有可復制性和可擴展性，已在海南省三亞市崖州灣零碳驛站項目中成功應用，并為其他地區的類似項目提供了寶貴的經驗。這種方法平衡了顯著的環境效益和經濟可行性，為未來智慧城市的發展和可持續建筑技術的廣泛采用提供了實踐指導。

8. 結論

本研究提出了一種全面的多系統集成方法，結合了多功能圍護系統、PEDF 系統和區域能源站系統，以應對實現零碳建筑的挑戰。這個創新的系統框架彌合了這些技術通常被孤立研究的差距，并為可持續建筑提供了可擴展的解決方案。該方法在三亞崖州灣的零碳驛站項目中成功實施，并證明了該方法的實際可行性。計算顯示，利用該方法設計的零碳建筑運營階段碳排放減少了  CO₂約44.13 噸/年，25年總計減少 CO₂排放約1103.31噸，這主要歸功于建筑的屋頂光伏系統。