2022年01月13日

迈向建筑未来 — 低碳新建筑技术应用

首刊于《FuturArc》2021 年第四季第 75 期

 

碳中和背景下建筑设计新要求

在城市和经济快速发展的背景下,能源和环境矛盾日益突出,建筑能耗总量和能耗强度上行压力不断加大。国际上应对气候变化《巴黎协定》代表了全球绿色低碳转型的大方向,是保护地球家园需要采取的最低限度行动,全球政治和经济活动都受到巨大影响。在 “碳中和” 目标下,中国承诺二氧化碳排放于 2030 年前达到峰值,争取 2060 年前实现碳中和, “碳” 已是全球各国环保新姿态!基于产业、建筑、交通等三大减排领域中,建筑业所占碳排放比例未来达到 51.3% 左右(注:《中国建筑能耗研究报告》,中国建筑节能协会能耗统计委员会,2020)。因此,建筑的设计、运营、管理、使用将直接影响城市碳中和的成效,强化建筑设计手法的节能、减排及碳汇能力,成为面对气候变化和 “碳中和” 达标的优选策略之一。

在此背景下,LWK + PARTNERS 认为零能耗建筑是达到 “2030 年碳达峰、2060 年碳中和” 承诺目标的重要建筑手段和未来市场趋势,被动优先、主动优化、可再生能源最大化、建筑使用后评估以人为本是实现迈向零能耗建筑的的重要四大技术路径。其目标在于保证健康建筑室内环境、功能和效率,提炼碳中和低能耗的建筑设计语言,酝酿碳中和新建筑类型,提高能源利用效率和智能化交互,推动被动式设计和可再生能源建筑应用,引导建筑不断提升节能水平。

本文分享 LWK + PARTNERS 设计研究组领军人物设计研究总监刘少瑜教授的观点,以一个中国项目为案例,探讨实践零能耗建筑设计的各种面向。

中国广东碳中和建筑设计项目的低碳元素

低碳新建筑技术应用

以中国广东碳中和建筑设计项目为例,建筑群主要由五大建筑物组成,邻近交通基建,占地面积为 80,000 平方米 , 建筑密度上限为 48,000 平方米。在前期设计阶段,基于已有的建筑方案优缺点比较后,就已经介入低碳建筑技术设计手法。LWK + PARTNERS 与业主共同应对“碳中和”,担当绿色整合的角色,优化传统建筑设计方法,应用革新设计框架,在项目场地、建筑围护结构、屋面等提炼低影响开发、低能耗的“被动优先和可再生能源最大化”的整合设计。具体的低碳技术应用如下所述。

中国广东碳中和建筑设计项目通过调节太阳辐射的接收量,提升能源效益和室内舒适性。

建筑围护结构分析策略

该碳中和建筑设计项目在中国建筑热工设计分区中属于 “夏热冬暖 B 区” ,强调自然通风,隔热和遮阳设计。根据《绿色工厂评价通则》及《绿色建筑评价标准》,建议工厂建筑从材料、结构、采光照明等方面进行节材、节能、节水、节地、无害化和可再生能源利用,且满足 “5.1.7 屋顶和外墙隔热性能应满足现行国家标准《民用建筑热工设计规范》 GB 50176 的要求” 。 因此在建筑立面低能耗设计方面,LWK + PARTNERS 提出围护结构隔热性能总体建议之余,即节能设计需考虑西外墙的隔热性能,采用导热系数更小的隔热材料,考虑采用浅色饰面或隔热涂料等等,也同时采用五大策略进行建筑围护结构节能设计。其中包括:

策略一:调校建筑立面的角度以迎接更多太阳辐射。

策略二:采用凹凸建筑立面,减少热量的传播。

策略三:利用通风外墙提高能源利用率。

策略四:智能材料降低建筑能源利用,提高能源管理。

策略五:被动式设计辅助节能。

以策略二为例,碳中和建筑设计项目的建筑立面以一定角度的倾斜和凹凸减少热量的传播,可以提高能源效率、减少二氧化碳的排放量;例如在当地夏至日,综合考虑建筑立面的散热、排烟等需求,立面横向的设置在夏至日建筑西立面的角度建议遮挡到下午 5 点,基于当地当日太阳高度角度是 28° 27′,故建议此立面横向角度为 28° 27′。又如策略三,通风外墙通过支撑结构形成内外双层幕墙,产生烟囱效应激活对流空气循环,改善建筑的隔声隔热性能,从而提高能源利用率。

建筑形体作为被动式设计:这个 LWK + PARTNERS 的办公楼设计竞赛方案将自然光和风流引入中庭空间,创造微气候,并将共享设施和公共空间集中布置在中庭,办公空间则分布在大楼的外圈。

雨棚遮阳设计策略

由此可见,气候适应性设计作为被动式设计的主要手段,需要提升至更高水平去降低建筑的供暖空调能量需求,也同时让建筑师等有关设计人员可在设计前期占有一定主导性。基于气候分析的总结,最合适的被动式设计策略分别为提供遮阳、室内热量增益、自然通风冷却和除湿及有效优化空调效能。此等策略能有效提高能源效率及室内环境的舒适性。在遮阳方面,以下以雨棚遮阳设计为例进行分析详述。

本项目的雨棚遮阳设计是在建筑日照倒影分析的基础上,综合考虑雨棚所在区域所对应的建筑立面,进行两种类别的区域划分。雨棚区域一对应建筑立面为实体墙面,其主要遮阳策略是春、夏、秋季遮挡更多阳光,尽量避免建筑立面收到阳光照射,减少建筑立面热冷负荷变化。区域二是雨棚对应区域为出入口、玻璃幕墙的,考虑到入口人流聚会活动外,冬天阳光能尽量多照射到建筑室内深处,有助采光及暖人节能,其主要遮阳策略则是冬季接收更多阳光。雨棚格栅遮阳角度的计算以区域一为例,是根据雨棚高度、长度,及建筑南立面高度,估算太阳高度角要大于 13° 时,雨棚发挥遮阳效果。再根据当地经纬度,从项目春夏秋季日照分析可知,在中午至下午 5 点左右期间,雨棚铝格栅能提供遮阳效果。同时又根据当地雨棚的不计算容积率方法,雨棚透空率需大于 80%;铝格栅的倾斜角度估算必须小于 11.5°,因此如果雨棚要提高遮阳效果,铝格栅应以尽量大的倾斜角度呈现,即得出雨棚格栅遮阳角度为 11.5°。

LWK + PARTNERS 致力在住宅项目中布置高度通风的敞开式聚会空间,例如中国广州南天名苑二期

此外,LWK + PARTNERS 也建议雨棚上方再添加为双层雨棚,一方面可为屋顶遮阳,同时还可使积聚於雨棚一层、二层及屋面之间的热气逸出,有助于降低建筑空间的冷负荷需求。双层屋顶结合空气腔进行分隔,夹层可增加灯光的建筑照明效果。在透空率一致的情况下,也可扩大外墙遮阳范围,创造遮阳的户外生活空间。

水设计与绿化系统低影响开发

在气候方面,碳中和建筑设计项目属亚热带季风性湿润气候区,雨量充足。为减少水资源消耗间接增加碳排放。本项目收集各种雨水来源,包括建筑屋面雨水、道路广场雨水和绿地雨水。初期弃流后水质较好,收集后经简单处理可回用于杂用水。经估算,仅回用雨水就可以 100% 供应本项目杂用水,区域用水量主要为办公楼用水、工业厂房用水、区域内绿化浇灌用水、道路浇洒用水。

地下空间设计应尽量扩大采光及引进自然风,减低空调需求。图为中国珠海天恒 ‧ 湾景景观设计。

另外基于项目现有建筑方案与绿化概念,综合考虑项目所在地的当地相关低影响开放指标要求,以“蓝绿设计”的原则,同时增加碳汇,采用水资源再生利用、海绵城市、人工湿地景观、节水措施等理念,提出绿化系统低影响开发方面的低碳生态设计策略建议。总体建议在场地南侧绿化系统实施低影响开发(LID),策略一是考虑到项目基地径流雨水量较大,存在溢流,可用于营造雨水湿地景观,利用物理、水生植物及微生物等作用滞留雨水;以雨水湿地为主要自然水体景观,生态减排,打造人工湿地广场。策略二是以自然池底、静水水体为主,驳岸分层次搭配植被,组合利用透水铺装、雨水花园等技术措施,通过打造人工湿地,对雨水进行渗透、储存、调节、净化,模拟自然,阶梯布置低影响开发设施半人工半自然构筑,满足多功能需求。

LWK + PARTNERS 在一个办公楼设计竞赛方案中,加入层层可穿透空间,拓出明亮开阔的中庭空间,抬头是丰富的绿化景观和体验式场所。

太阳能光伏系统

可再生能源最大化是通过使用可再生能源系统对建筑能源消耗进行平衡和替代。 LWK + PARTNERS 充分挖掘碳中和建筑设计项目中的建筑物本体表皮、周边区域的可再生能源应用潜力,对能耗进行平衡和替代。同样基于气候分析和日照倒影分析,另外运用光伏模拟软件进行屋顶太阳辐射分析、光伏板最佳倾角分析和光伏板距分析,得出光伏板的最佳年发电量,从而预估建筑的电力消耗减少量,再利用电力排放因数计算使用光伏后本项目的二氧化碳减排量。

电力排放因数资料来源于中国国家发展和改革委员会应对气候变化司於 2013 年 10 月 11 日在中国气候变化资讯网发布的《2010 年中国区域及省级电网平均二氧化碳排放因数》中广东电网平均二氧化碳排放因数。再参照 “广东省企业(单位)二氧化碳排放资讯报告指南(2020 年修订)” ,电力排放因数的预设值为 6.379 吨二氧化碳 / 万千瓦时。因此,在使用光伏发电系统的情况下,通过光伏发电系统的发电量和电力排放因数相乘来算出碳减少量。本项目采用光伏发电预估可以每年减少约 89.3 吨的二氧化碳排放量,并在整个生命周期内,以 15 年计算,将减少 1339.6 吨二氧化碳排放量。

合适的遮阳设计有助缔造开扬舒适的社交体验。图为一个办公楼设计竞赛方案。

小结与展望

综合而言,建筑在迈向更优节能减排的方向上,基本技术路径是一致的。中国已在 2019 年颁布《近零能耗建筑技术标准》国家标准。碳中和建筑设计项目的上述设计策略主要体现在被动优先和可再生能源最大化的整合。不止于此,LWK + PARTNERS 为三大技术路径做出提升和补充,提出闭环的第四大技术路径:以使用者导向的建筑人因设计理念,结合人因与建筑设计,整合管理与使用,进一步优化建筑和空间设计,以达到减排最终目的。LWK + PARTNERS 将贯彻项目的设计、运营、管理、使用等全生命周期的重要意义,对该项目进行数字化的以人为本使用后评估追踪。LWK + PARTNERS 确信建筑使用后评估与建筑碳排放控制、用户使用感受和建筑建造运营成本密切相关,对实现建筑精准瞄准 “减碳” 和 “零碳” 的成效至关重要。

可见,通过被动设计手段优化建筑外形和空间设计、提升能源系统、利用可再生能源系统与建筑设计施工一体化、针对使用者行为的人因设计等方面,低碳新建筑技术的应用对节能减排具备重大意义。因此,建筑师及工程师等有关设计人员是可以在 “碳峰值 + 碳中和” 行动中通过各种有关技术和建筑设计起到带动作用的,以此展现建筑行业等城市建设行业在应对气候变化挑战的重要担当!