建筑碳中和設計的關鍵要素及其策略研究

來源：建筑設計 瀏覽：- 發(fā)布日期：2024-09-25 08:53:35

一、衡量建筑碳排放表現(xiàn)的3個關鍵要素

要達成建筑碳中和的目標，首先要明確其碳排放來源，對其表現(xiàn)進行評價，然后才能制定相對應的策略進行改進。

1、建筑的運行能耗

該要素記錄的是建筑在建成后的使用階段所產(chǎn)生的能源消耗和碳排放量?，F(xiàn)代建筑主要以電力消耗為主，而目前以火力發(fā)電為主的發(fā)電方式，會產(chǎn)生大量的碳排放。針對第一個要素，建筑可以通過主動以及被動的節(jié)能技術(shù)，來減少對外部電力能源的使用。同時增加可再生能源的使用，如太陽能，以及水電、風電等，以達到運營階段近乎零碳排放的目標。

2、盡量全面地記錄建筑全生命周期的碳排放量

即從時間維度上來看，建筑從“生”到“死”所產(chǎn)生的碳排放量，相當于給每棟建筑制定了一個碳排放的病歷卡。建筑全生命周期具體是指從材料的生產(chǎn)、建筑場地的施工、建筑的使用運營，到最終的拆除及材料的回收利用四個階段。每個階段都會產(chǎn)生相應的碳排放以及留下不同的碳足跡。相對于僅僅關注建筑運行階段的碳排放量，第二要素的衡量范圍更加全面廣泛，同時要求也更高。為了實現(xiàn)全生命周期零碳排放的目標，需要從業(yè)者在建筑每個階段都盡可能地減少碳排放，如使用環(huán)保的建材、采取更加高效的施工方式以縮短施工時間，增加可回收建筑材料的比例。同時在不同階段中采取相對應的負碳行為進行平衡。

3、涵蓋了建筑全產(chǎn)業(yè)鏈的從業(yè)者，包括各個企業(yè)和組織在生產(chǎn)和經(jīng)營過程中產(chǎn)生的碳排放

建筑碳中和不僅僅需要考慮單個建筑的碳排放量，而是要從街區(qū)、社區(qū)乃至城市的范圍內(nèi)進行跨行業(yè)的綜合考量；動態(tài)平衡建筑群之間，不同行業(yè)之間的碳排放，以達到城市整體碳排放量減少的目的。

3個要素衡量的范圍由小到大，由單一的維度到復合的維度，從業(yè)者需要根據(jù)具體場景建筑碳排放的表現(xiàn)進行測度。同時不同的要素需要采用相對應的碳排放計算方法并考慮計算邊界。對于零碳建筑而言，更多涉及的是建筑運營時的直接排放和間接排放，主要包括工業(yè)、電力、建筑和交通四個行業(yè)。而對于建筑全生命周期中的碳排放計算，則涉及更多的相關行業(yè)，且受到其他行業(yè)碳中和進程的影響，計算邊界需要根據(jù)不同的行業(yè)進行動態(tài)的界定調(diào)整。

二、不同要素對應的建筑設計策略

設計作為建筑項目的發(fā)起環(huán)節(jié)，需要在初期就把建筑碳中和的3個關鍵要素考慮進去。建筑師應當肩負起更大的責任，著力研發(fā)更高效的構(gòu)造方式，將光伏技術(shù)應用到建筑構(gòu)件的各個組成部分之中，以增加清潔能源的使用場景。從源頭改變建筑原材料的構(gòu)成，增加低碳排放建材的使用，以達到降低整個建筑業(yè)碳排放量的目標。同時借助BIM（建筑信息模型）對建筑生命周期內(nèi)各階段的信息進行深度的把控，優(yōu)化建筑全生命周期的碳中和表現(xiàn)。

1、光伏建筑一體化

為了降低建筑在能耗方面的碳排放，清潔能源的使用必不可少。太陽能作為一個顯而易見的清潔能源，人類一直在嘗試將其進行收集和利用。一直以來，由于存在光電產(chǎn)品與建筑結(jié)合程度不高、光電并網(wǎng)不易、市場認可度低等問題，太陽能光伏板一直沒能夠在城市大面積的鋪開使用。但通過國家?guī)资陮夥a(chǎn)業(yè)持續(xù)不斷的大力扶持，以及近幾年光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)突破，整個光伏行業(yè)終于迎來了大爆發(fā)。光伏技術(shù)的成本大幅下降，終于讓其有了在建筑業(yè)乃至更多行業(yè)使用的機會。

除了光伏屋頂之外，很多公司也在嘗試將太陽能技術(shù)集成到外墻、窗戶、陽臺欄桿等其他建筑元素中。這些產(chǎn)品正在證明集成光伏系統(tǒng)的快速、低成本和可持續(xù)制造，在經(jīng)濟上是可行的。光伏系統(tǒng)與建筑構(gòu)件的結(jié)合還衍生出一種創(chuàng)新的商業(yè)模式，開發(fā)商可以大規(guī)模采購集成了光伏系統(tǒng)的建筑構(gòu)件，通過與住戶進行協(xié)商，分享后續(xù)建筑立面和屋頂產(chǎn)生的能源收入，以此來降低前期的建造費用。

對于建筑，找到效率與美觀之間的平衡一直是一個永無止境的過程。人們需放棄一些先入為主的觀念，就像太陽能光伏板并不是永遠只是一成不變的藍色或黑色矩形板。在零碳建筑的開發(fā)中，將低碳綠色能源的生產(chǎn)技術(shù)與建筑的建造進行結(jié)合，將美學、成本和效率進行綜合的考慮，將是未來建筑設計所需要面臨的挑戰(zhàn)。

2、木構(gòu)建筑的回歸

2020年，我國碳排放量最大的行業(yè)分別是火力發(fā)電、鋼鐵和水泥業(yè)。其中鋼鐵和水泥，分別占到18%和14%。作為建筑業(yè)最基礎的兩大原材料，鋼鐵產(chǎn)業(yè)有64.7%的產(chǎn)量最終用在了建筑業(yè)，而水泥則幾乎全部在建筑業(yè)上使用，所以在建筑原材料上進行創(chuàng)新與突破，可以有效地減少建筑碳排放。我國目前主要的應對之策，是對鋼鐵和混凝土的生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，減少其在生產(chǎn)過程中的碳排放；同時優(yōu)化建筑的結(jié)構(gòu)計算，減少原材料的使用量；同時大力發(fā)展創(chuàng)新材料，如高性能混凝土，其具有耐久性強、強度高且二氧化碳排放少等特性。

但僅僅是在鋼鐵和混凝土領域進行優(yōu)化研發(fā)是不夠的，我們需要找到更多的低碳建材進行替代。樹木作為最好的碳收集器，隨著樹木的成長能夠固化空氣中的二氧化碳同時釋放氧氣，一直都是公認的環(huán)保材料。近些年國內(nèi)外一個大的發(fā)展趨勢就是木構(gòu)建筑回歸，在建筑設計中大量使用木材來替代碳密集型的建材如磚石，水泥和鋼材等。

3、利用BIM技術(shù)對建筑的全生命周期進行把控

建筑碳中和的要素中，必不可少的一個就是掌握建筑從誕生到消亡，全生命周期的數(shù)據(jù)情況。為了實現(xiàn)這一目標，則必須引進BIM技術(shù)。BIM技術(shù)，是一種廣泛應用于設計、施工、項目管理領域的數(shù)據(jù)化工具，通過對建筑數(shù)據(jù)化模式的集成，在項目規(guī)劃、執(zhí)行與維護的過程中，實現(xiàn)資源共享與傳播，讓建筑技術(shù)人員對施工中各個階段的信息都有了直觀的掌握，并據(jù)此做出高效的應對。

BIM技術(shù)通過給建筑構(gòu)建三維模型，相當于給建筑在出生之前建立了一個身份檔案，可以很好記錄建筑從規(guī)劃設計、施工到運營維護、到拆除回收四個階段的信息數(shù)據(jù)。BIM技術(shù)在國外已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，基本實現(xiàn)了在70%-80%的項目上使用BIM。在這方面，我國大概落后國際領先水平15年左右的時間，在2013年國家把綠色建筑納入國家戰(zhàn)略的高度之后，BIM技術(shù)的應用在國內(nèi)開始爆發(fā)式的增長。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，以及國家對碳中和的日益重視，BIM在建筑全生命周期的各個環(huán)節(jié)中發(fā)揮了越來越大的作用。

在前期規(guī)劃階段，通過BIM與GIS軟件的相互配合，對項目的場地關系、業(yè)主需求、城市規(guī)劃等方面進行綜合的量化分析，以此來確立最優(yōu)的場地布局，以及預估項目的資金回籠情況等。在方案設計階段，建筑師可以借助BIM進行聲光熱等多維度的數(shù)據(jù)模擬，根據(jù)造型進行實時的演算。通過對不同數(shù)據(jù)的比對，最終得到高效的被動式低碳建筑。各專業(yè)的設計師也能夠通過云端的數(shù)據(jù)共享，實時分享彼此的設計成果，減少大量決策時間。

在施工階段，各單位通過將不同專業(yè)的信息以三維數(shù)據(jù)的形式整合在一個模型之中，校驗不同模型之間是否有碰撞和沖突，并以此為依據(jù)進行調(diào)整，避免各專業(yè)間因為數(shù)據(jù)的不同步，導致在最終的施工過程中發(fā)生錯誤。這樣可以節(jié)約大量施工時間，并且有效地減少原材料的浪費。BIM數(shù)據(jù)模型還能夠快速地統(tǒng)計項目中各材料的工程量，同時根據(jù)施工順序，合理安排材料的運輸和在施工場地的堆放位置，減少施工過程中的能源浪費。

在運營維護階段，BIM可以與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，利用云計算將傳感器和終端的控制器相互連接，建立一個對建筑的能耗和健康情況進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)。將建筑各個部分的能耗計算與對應的能源管理系統(tǒng)進行匹配，動態(tài)平衡建筑的各個指標，最終達到節(jié)能減碳的目的。

在最終的拆除回收階段，由于從設計、施工到運營階段都有詳盡的數(shù)據(jù)留存，施工方通過三維模型可以快速定位需要回收的材料所處的位置及數(shù)量，精準高效地進行材料回收，減少浪費和不必要的拆除損耗。

4、跨行業(yè)協(xié)同設計

零碳建筑對于建筑業(yè)的碳中和非常重要，但是建筑業(yè)的減碳路徑并不是簡單地等同于全面的零碳建筑。單純一味地追逐每棟建筑的零碳，成本較高且無法形成社會各行業(yè)間的規(guī)?；б?，行業(yè)間的靈活協(xié)調(diào)才是在能源使用上最高效的。比如建筑與周邊的道路交通系統(tǒng)之間，可以將建筑與電動車充電樁的街區(qū)級虛擬電網(wǎng)進行連接，白天電網(wǎng)通過充電樁為電動車進行充放電，而到了晚上，用電需求降低時，轉(zhuǎn)而為街區(qū)內(nèi)的建筑進行供電。而在建筑耗能較少的春秋季，借助建筑屋面光伏板收集的多余太陽能通過電網(wǎng)給充電樁的儲能電池進行充電。建筑耗能與新能源車的用電之間根據(jù)實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測進行動態(tài)的平衡，可以達到更高的使用效率。除了上述的例子，其他行業(yè)也能夠通過多維度的能源互通來達到節(jié)能減排的效果。例如利用垃圾焚燒產(chǎn)生的熱能為城市居民提供熱水等。

在碳中和領域，城市是實現(xiàn)多行業(yè)高效能源使用上最好的空間載體。在碳達峰碳中和的大背景下，政府可依托新城發(fā)展與城市更新的契機，建立切實有效的減排系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)中心鏈接各個能源體系，實時檢測各個端口的能源使用情況，打造智慧城市，最終實現(xiàn)區(qū)域節(jié)能減排的目標。