土耳其杜库斯埃勒大学（Dokuz Eylül University）Ayça Tokuç团队成果Photobioreactor facade panels: enhancing comfort, reducing energy use, and capturing carbon in temperate continental climates（光生物反应器建筑面板：增加舒适性，减少能源需求并在温带大陆性气候下实现碳捕捉）于Systems Microbiology and Biomanufacturing（SMAB）期刊发表。
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研究意义
在当前全球气候变化与能源消耗增加的背景下，减少碳排放是重要的环境举措。建筑物贡献了大约37%的全球碳排放量，促进了对于新型碳捕捉技术的需求。这其中，利用微藻光合作用促进碳捕捉是一种有希望的解决方案。本研究中，作者探究了将光生物反应器（PBR）整合到建筑物外立面的3种方案对室内温度、视觉舒适性、能源产生、二氧化碳截留的系统效应，并与商业化幕墙进行了对比。PBR外立面为提高建筑的能源性能和减少二氧化碳排放提供了一种可行的策略，同时又不影响居住者的舒适度。
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研究背景
建筑物是碳排放和全球能源消耗的主要贡献者，为节能减排，在建筑领域推广可再生能源是一种有希望的途径。微藻是一类多样的光合微生物，能够通过光合作用捕捉二氧化碳并将其转变为生物质，因此在改善温室气体排放中具有重要价值。作为清洁能源的生产者，近年来已被应用至建筑物和街区建设中。在建筑物中，微藻被应用于改善室内空气质量，减少能源消耗以及碳中和建筑的实践。研究显示，将微藻整合至建筑外立面或室内系统能够帮助调节温度并提升建筑隔热效果，甚至能够生成可再生能源。
本研究的假设是：在建筑物上应用PBR外立面系统能够成为改善建筑物能源表现和减少不利环境影响的有效策略。研究关注了以往文献中缺乏的有关建筑的舒适度条件和能源消耗的情况，以及光合作用能力对环境和经济效益的影响。通过将建筑物详情、室内控制温度、当地气候以及微藻培养的产量和透光率参数输入建模软件，作者模拟出3种PBR外立面和双层玻璃的不同组合方案所产生的效果；并以此为依据，期望模拟最优化的PBR外立面方案（图1）。
图1 实验过程总体示意
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科学发现
3种PBR外立面方案分别为完全采用PBR外立面的方案1；采用大片PBR外立面与双层玻璃搭配的方案2；采用小片PBR外立面和双层玻璃搭配的方案3（图2）。方案1达到了对日光的有效利用，但牺牲了温度舒适性，并且消耗了大量能源用于维持室内温度。方案2能够在藻细胞含量较低的情况下达到良好的性能。在PBR外立面中，随着藻类的生长，透光率会降低，这会导致用于照明的能源消耗增加，但与方案1相比，方案2仍然显著降低了能源消耗。然而，方案2无法达到90%以上的温度舒适性。方案3具有3种方案中最佳的效果，实现更低的能源消耗和达标的温度舒适性。
图2 3种PBR外立面方案示意
以上3种结果在初始状态下都具有优秀的日光利用效率，但为了满足人们对于温度舒适的要求并减少能源消耗，对藻类含量、窗户占比的优化是必不可少的；这是因为，一旦温度舒适性不达标，额外的能源消耗会大幅增加，反而降低能源利用效率。
为提高温度舒适性，作者尝试通过在建模过程中优化藻细胞含量和外立面窗户占比等因素来模拟产生更佳的参数搭配。如前所述，日光利用效率较高并不一定能同时满足温度舒适性和能源消耗的要求。在该模拟结果中，通过参数优化，方案1和方案2均对寒冷条件下的不舒适有一定的改善，而方案3略微增加了高温下的不舒适时间，但大幅减少了寒冷下的不舒适时间，下降幅度最高达到47%（图3）。而在改善能源消耗方面，与基准案例相比，优化后的方案冷却能耗改善了53%-58%；供暖能耗改善了47%-76%（图4）。
图3不同LBR外立面优化方案对室内不舒适时间的影响
图4 不同LBR外立面优化方案对能源消耗的影响
碳捕获方面，较高的藻密度和PBR体积导致固定的二氧化碳量增加。因此，方案1中实现了最高的二氧化碳固定量，捕获高达760公斤的二氧化碳（表1）。然而，在与双层玻璃搭配的方案2和方案3中，较低的藻密度和体积限制了这些解决方案中的二氧化碳固定量。在针对碳获取的目标时，方案1的优化结果每年固定平均760公斤的二氧化碳，为建筑使用者创造舒适的环境，并有助于减少建筑物对环境的负面影响。
表1 不同LBR外立面优化方案的碳捕获能力
作者对PBR外立面的初始投资花费和回报也进行了评估：使用PBR外立面的初始投资花费会高于使用传统幕墙；其中，方案3的初始花销最低，达到174.96 USD/m2，而方案1的回报周期最短，约为16年（表2）。
表2 不同LBR外立面优化方案的初始花费和回报周期
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总结展望
LBR外立面为提高建筑的能源性能和减少二氧化碳排放提供了一种可行的策略，同时又不影响居住者的舒适度。此外，研究结果为设计师、研究人员、投资者和利益相关者提供了有价值的见解，并为该系统在建筑行业的商业化提供了一个可行的投资回收期。
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作者介绍
Ayça Tokuç，女，博士，土耳其Dokuz Eylül University教授，主要从事基于微生物培养的建筑物节能研究。
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引用方式｜Yaman, Y., Tokuç, A., Deniz, İ. et al. Photobioreactor facade panels: enhancing comfort, reducing energy use, and capturing carbon in temperate continental climates. Syst Microbiol and Biomanuf (2024).
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期刊名片
Systems Microbiology and Biomanufacturing(系统微生物学与生物制造，简称SMAB，ISSN：2662-7655) 是由江南大学主办，Springer Nature出版集团出版的英文期刊。期刊SMAB致力于为工业微生物与生物制造过程领域的新发现、新方法和新技术提供报道的平台，由江南大学徐岩教授担任本刊主编，江南大学刘龙教授担任本刊执行主编，编委分布于全球近20个国家，更多内容详见期刊主页。
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