第一次工业革命造就了密集的城市核心区，拔地而起的工厂；第二次工业革命催生了城郊大片房地产业及工业区的繁荣；第三次工业革命将会把每一栋楼房转变成住房和微型发电厂。杰里米·里夫金在《第三次工业革命》一书中为我们描绘了一个宏伟的蓝图：数以亿计的人们将在自己家里、办公室里、工厂里生产出自己的绿色能源，并在“能源互联网”上与大家分享……
我们知道，各类建筑是消耗能源的大户，欧美发达国家建筑用能占社会总能耗的40%以上，我国建筑能耗占社会总能耗27.6%。而北京、上海等大城市，每年夏季建筑空调用电占全社会用电负荷40～50%。那么，能否如《第三次工业革命》书中所述，把建筑由能耗大户变成生产能源的工厂呢？最近建成的上海交通大学绿色能源楼（实验室）进行了大胆地试验和尝试。
1.中意绿色能源楼（实验楼）能源技术
中意绿色能源楼外景
绿色能源楼由意大利环境、国土与海洋部资助，是一座以“绿色能源”结合建筑应用为特色的绿色低碳建筑。中意绿色能源实验室依托于该建筑，于2012年5月同时建成。实验室的主要目标：研究高效、环保且具有可持续发展特点的新一代建筑用能模式和新型建筑能源系统与设备，实现建筑用能环节的低碳排放，同时构筑国际化的绿色可持续能源技术的研究平台。实验室建有太阳能空调（吸附、吸收和除湿空调）、热泵系统（地源热泵、水源热泵、空气源热泵、以及以二氧化碳自然工质为冷媒的热泵能源中心）、冷热电联产、高效集热器、光热幕墙、生物质能发电、风光互补、智能电网、楼宇能源管理系统技术以及零能耗住宅、智能家居等实验条件，并获得了绿色建筑LEED金牌认证，被业界认为是目前国际上功能最全、技术最全面的绿色建筑能源系统研究平台。利用上述技术，建筑本身也能变成能源工厂，最大程度满足建筑的电力、冷、热需求。
2.绿色能源楼的电力
电力是现代生活的基础。绿色能源楼的电力供应主要依靠与建筑结合的可再生能源电力解决。包括屋顶光伏发电系统、建筑周边场地风力发电机以及基于生物质气的冷热电联产系统等。光伏电力、风力发电以及联产系统发出的电力通过一套控制系统实现电力的储存和分配，最大特点是能够有效克服太阳能光伏、风力发电等波动性大的不足，实现在10%～100%大范围负荷变化情况下的高效能量转换。典型天气条件下，这些绿色电力能够满足大楼的基本用电负荷，大楼用电较少的情况下，还能将电力输出到校园局域电网，供其他用户使用。
3.绿色能源楼的空调与供热
我们知道，传统的住宅能耗中空调、采暖和热水占了65%～80%，利用可再生能源来解决这些需求，或者提高空调、供热设备的效率是未来建筑能源技术的必由之路。
建筑结合太阳能供热与制冷：太阳能是各类建筑最方便、最直接应用的可再生能源，其特点是分布广泛，使用清洁，但也存在能量密度不高，受昼夜、季节和天气变化等影响存在不连续性和波动性等不足。但通过高效太阳能转化利用和能量蓄存调节技术，可以有效将太阳能转化为可供建筑利用的冷量和热量。绿色能源楼中采用了四种太阳能集热器，充分把太阳能转变为热能，用于冬季采暖、夏季空调、四季生活热水等。
充分利用环境自然能源的高效热泵技术：通过热泵技术，可有效将存在于环境空气、土壤和江河湖泊等冷量和热量用于建筑环境采暖和空调，是提高建筑能效的重要途径，也是建筑绿色能源技术的关键内容。绿色能源楼整合了各种先进热泵技术，包括：（1）土壤源热泵，可充分利用土壤的热容调节作用，实现冷量和热量的季节性蓄存和利用，提高采暖和空调的舒适性，改善能源利用效率；（2）河水源热泵则能够利用地表河水的热容，提高空调和采暖系统的能效；（3）空气源热泵如我们目前广泛使用的各种空调装置一样，能够将环境空气中的热量和冷量通过热泵搬送到建筑环境内部实现空调和采暖；（4）太阳能辅助CO2热泵，它采用CO2作为工质，能够在冬季低温环境下保持较高的制热效率，同时能够充分利用太阳能辅助供热和制冷，从而大幅提高能效。
绿色能源楼系统的组成部分，起到风光互补作用的风电小屋
4.废弃物能源化处理
绿色能源楼还突出了废弃物能源化处理的概念。一般情况下，各类建筑或者建筑社区会产生大量的固体垃圾。传统处理方法是集中储运后填埋或焚烧。绿色能源建筑则采用了分布式废弃物能源化处理的方法，通过就地化处理，极大减少了废弃物的交通运输和集中处理费用。这种分布式处理技术，有效把废弃物转变为生物质能源，再通过上述的冷热电联产技术，最终把废弃物变成了可为建筑利用的电力、冷量和热量。
5.零能耗建筑
要把未来的建筑变为能源工厂，第一步要实现的是建筑的“零能耗”，即指建筑使用过程消耗的能源与建筑自身生产的能源能够基本平衡。如果生产的能量超过了建筑自身消耗的能量，则能够实现能源输出，即“产能建筑”。中意绿色能源楼的一套示范公寓按照“零能耗”原则进行了建设。其特点是：（1）围护结构尽可能做到与气候特征和供热空调特点相符合；（2）建筑构造方面尽可能利用被动太阳能建筑的思想，实现自然采光，被动采暖和强化通风；（3）屋顶安装太阳能集热器，向阳的建筑里面安装太阳能光热幕墙，提供全年生活热水，夏季空调和冬季采暖；（4）屋顶光伏并网电力系统；（5）节能灯具和高效热泵；（6）与太阳能供热空调适应的小温差换热末端；（7）全热回收和太阳能新风除湿。我们的实践表明，上述技术的适当组合，完全可以实现零能耗建筑。特别是，随着建筑能效标准的提高和可再生能源建筑结合应用技术的经济性和成熟度提高，零能耗甚至是产能建筑距离我们的生活越来越近。
6.智能能源网
随着可再生能源技术、建筑节能技术的快速发展，以及信息技术与能源技术的高度融合，基于建筑的智能能源网会应运而生。智能能源网主要以建筑的冷、热、电需求为目标，通过构建多源化的冷源、热源和电源，利用信息技术和控制技术实现绿色能源生产和需求之间的平衡，以保证能源转化利用环节的高效。中意绿色能源楼通过建筑分区，模拟和实现了智能能源网冷、热、电生产、输配、和使用环节的优化匹配，实现了光伏、风力、冷热电联产与热泵、太阳能供热与空调系统的调节优化，为智能能源网的实施起到了很好的示范作用。
本文作者代彦军来自上海交通大学 教育部太阳能发电与制冷工程研究中心