建筑碳中和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素及其策略研究

來(lái)源：建筑設(shè)計(jì) 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(gè)關(guān)鍵要素

要達(dá)成建筑碳中和的目標(biāo)，首先要明確其碳排放來(lái)源，對(duì)其表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后才能制定相對(duì)應(yīng)的策略進(jìn)行改進(jìn)。

1、建筑的運(yùn)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(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。針對(duì)第一個(gè)要素，建筑可以通過(guò)主動(dòng)以及被動(dòng)的節(jié)能技術(shù)，來(lái)減少對(duì)外部電力能源的使用。同時(shí)增加可再生能源的使用，如太陽(yáng)能，以及水電、風(fēng)電等，以達(dá)到運(yùn)營(yíng)階段近乎零碳排放的目標(biāo)。

2、盡量全面地記錄建筑全生命周期的碳排放量

即從時(shí)間維度上來(lái)看，建筑從“生”到“死”所產(chǎn)生的碳排放量，相當(dāng)于給每棟建筑制定了一個(gè)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(chǎng)地的施工、建筑的使用運(yùn)營(yíng)，到最終的拆除及材料的回收利用四個(gè)階段。每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的碳排放以及留下不同的碳足跡。相對(duì)于僅僅關(guān)注建筑運(yùn)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(shí)要求也更高。為了實(shí)現(xiàn)全生命周期零碳排放的目標(biāo)，需要從業(yè)者在建筑每個(gè)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(shí)間，增加可回收建筑材料的比例。同時(shí)在不同階段中采取相對(duì)應(yīng)的負(fù)碳行為進(jìn)行平衡。

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

建筑碳中和不僅僅需要考慮單個(gè)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(jìn)行跨行業(yè)的綜合考量；動(dòng)態(tài)平衡建筑群之間，不同行業(yè)之間的碳排放，以達(dá)到城市整體碳排放量減少的目的。

3個(gè)要素衡量的范圍由小到大，由單一的維度到復(fù)合的維度，從業(yè)者需要根據(jù)具體場(chǎng)景建筑碳排放的表現(xiàn)進(jìn)行測(cè)度。同時(shí)不同的要素需要采用相對(duì)應(yīng)的碳排放計(jì)算方法并考慮計(jì)算邊界。對(duì)于零碳建筑而言，更多涉及的是建筑運(yùn)營(yíng)時(shí)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(gè)行業(yè)。而對(duì)于建筑全生命周期中的碳排放計(jì)算，則涉及更多的相關(guān)行業(yè)，且受到其他行業(yè)碳中和進(jìn)程的影響，計(jì)算邊界需要根據(jù)不同的行業(yè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的界定調(diào)整。

二、不同要素對(duì)應(yīng)的建筑設(shè)計(jì)策略

設(shè)計(jì)作為建筑項(xiàng)目的發(fā)起環(huán)節(jié)，需要在初期就把建筑碳中和的3個(gè)關(guān)鍵要素考慮進(jìn)去。建筑師應(yīng)當(dāng)肩負(fù)起更大的責(zé)任，著力研發(fā)更高效的構(gòu)造方式，將光伏技術(shù)應(yīng)用到建筑構(gòu)件的各個(gè)組成部分之中，以增加清潔能源的使用場(chǎng)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(dá)到降低整個(gè)建筑業(yè)碳排放量的目標(biāo)。同時(shí)借助BIM（建筑信息模型）對(duì)建筑生命周期內(nèi)各階段的信息進(jìn)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(yáng)能作為一個(gè)顯而易見(jiàn)的清潔能源，人類一直在嘗試將其進(jìn)行收集和利用。一直以來(lái)，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(chǎng)認(rèn)可度低等問(wèn)題，太陽(yáng)能光伏板一直沒(méi)能夠在城市大面積的鋪開(kāi)使用。但通過(guò)國(guó)家?guī)资陮?duì)光伏產(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(gè)光伏行業(yè)終于迎來(lái)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(jī)會(huì)。

除了光伏屋頂之外，很多公司也在嘗試將太陽(yáng)能技術(shù)集成到外墻、窗戶、陽(yáng)臺(tái)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(jì)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(kāi)發(fā)商可以大規(guī)模采購(gòu)集成了光伏系統(tǒng)的建筑構(gòu)件，通過(guò)與住戶進(jìn)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(lái)降低前期的建造費(fèi)用。

對(duì)于建筑，找到效率與美觀之間的平衡一直是一個(gè)永無(wú)止境的過(guò)程。人們需放棄一些先入為主的觀念，就像太陽(yáng)能光伏板并不是永遠(yuǎn)只是一成不變的藍(lán)色或黑色矩形板。在零碳建筑的開(kāi)發(fā)中，將低碳綠色能源的生產(chǎn)技術(shù)與建筑的建造進(jìn)行結(jié)合，將美學(xué)、成本和效率進(jìn)行綜合的考慮，將是未來(lái)建筑設(shè)計(jì)所需要面臨的挑戰(zhàn)。

2、木構(gòu)建筑的回歸

2020年，我國(guó)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(chǔ)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(jìn)行創(chuàng)新與突破，可以有效地減少建筑碳排放。我國(guó)目前主要的應(yīng)對(duì)之策，是對(duì)鋼鐵和混凝土的生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，減少其在生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放；同時(shí)優(yōu)化建筑的結(jié)構(gòu)計(jì)算，減少原材料的使用量；同時(shí)大力發(fā)展創(chuàng)新材料，如高性能混凝土，其具有耐久性強(qiáng)、強(qiáng)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(lǐng)域進(jìn)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(jìn)行替代。樹(shù)木作為最好的碳收集器，隨著樹(shù)木的成長(zhǎng)能夠固化空氣中的二氧化碳同時(shí)釋放氧氣，一直都是公認(rèn)的環(huán)保材料。近些年國(guó)內(nèi)外一個(gè)大的發(fā)展趨勢(shì)就是木構(gòu)建筑回歸，在建筑設(shè)計(jì)中大量使用木材來(lái)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(duì)建筑的全生命周期進(jìn)行把控

建筑碳中和的要素中，必不可少的一個(gè)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，則必須引進(jìn)BIM技術(shù)。BIM技術(shù)，是一種廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)、施工、項(xiàng)目管理領(lǐng)域的數(shù)據(jù)化工具，通過(guò)對(duì)建筑數(shù)據(jù)化模式的集成，在項(xiàng)目規(guī)劃、執(zhí)行與維護(hù)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)資源共享與傳播，讓建筑技術(shù)人員對(duì)施工中各個(gè)階段的信息都有了直觀的掌握，并據(jù)此做出高效的應(yīng)對(duì)。

BIM技術(shù)通過(guò)給建筑構(gòu)建三維模型，相當(dāng)于給建筑在出生之前建立了一個(gè)身份檔案，可以很好記錄建筑從規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)維護(hù)、到拆除回收四個(gè)階段的信息數(shù)據(jù)。BIM技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，基本實(shí)現(xiàn)了在70%-80%的項(xiàng)目上使用BIM。在這方面，我國(guó)大概落后國(guó)際領(lǐng)先水平15年左右的時(shí)間，在2013年國(guó)家把綠色建筑納入國(guó)家戰(zhàn)略的高度之后，BIM技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)開(kāi)始爆發(fā)式的增長(zhǎng)。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的發(fā)展，以及國(guó)家對(duì)碳中和的日益重視，BIM在建筑全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。

在前期規(guī)劃階段，通過(guò)BIM與GIS軟件的相互配合，對(duì)項(xiàng)目的場(chǎng)地關(guān)系、業(yè)主需求、城市規(guī)劃等方面進(jìn)行綜合的量化分析，以此來(lái)確立最優(yōu)的場(chǎng)地布局，以及預(yù)估項(xiàng)目的資金回籠情況等。在方案設(shè)計(jì)階段，建筑師可以借助BIM進(jìn)行聲光熱等多維度的數(shù)據(jù)模擬，根據(jù)造型進(jìn)行實(shí)時(shí)的演算。通過(guò)對(duì)不同數(shù)據(jù)的比對(duì)，最終得到高效的被動(dòng)式低碳建筑。各專業(yè)的設(shè)計(jì)師也能夠通過(guò)云端的數(shù)據(jù)共享，實(shí)時(shí)分享彼此的設(shè)計(jì)成果，減少大量決策時(shí)間。

在施工階段，各單位通過(guò)將不同專業(yè)的信息以三維數(shù)據(jù)的形式整合在一個(gè)模型之中，校驗(yàn)不同模型之間是否有碰撞和沖突，并以此為依據(jù)進(jìn)行調(diào)整，避免各專業(yè)間因?yàn)閿?shù)據(jù)的不同步，導(dǎo)致在最終的施工過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤。這樣可以節(jié)約大量施工時(shí)間，并且有效地減少原材料的浪費(fèi)。BIM數(shù)據(jù)模型還能夠快速地統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目中各材料的工程量，同時(shí)根據(jù)施工順序，合理安排材料的運(yùn)輸和在施工場(chǎng)地的堆放位置，減少施工過(guò)程中的能源浪費(fèi)。

在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，BIM可以與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，利用云計(jì)算將傳感器和終端的控制器相互連接，建立一個(gè)對(duì)建筑的能耗和健康情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。將建筑各個(gè)部分的能耗計(jì)算與對(duì)應(yīng)的能源管理系統(tǒng)進(jìn)行匹配，動(dòng)態(tài)平衡建筑的各個(gè)指標(biāo)，最終達(dá)到節(jié)能減碳的目的。

在最終的拆除回收階段，由于從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)階段都有詳盡的數(shù)據(jù)留存，施工方通過(guò)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(zhǔn)高效地進(jìn)行材料回收，減少浪費(fèi)和不必要的拆除損耗。

4、跨行業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

零碳建筑對(duì)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(jiǎn)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(wú)法形成社會(huì)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(dòng)車充電樁的街區(qū)級(jí)虛擬電網(wǎng)進(jìn)行連接，白天電網(wǎng)通過(guò)充電樁為電動(dòng)車進(jìn)行充放電，而到了晚上，用電需求降低時(shí)，轉(zhuǎn)而為街區(qū)內(nèi)的建筑進(jìn)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(yáng)能通過(guò)電網(wǎng)給充電樁的儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電。建筑耗能與新能源車的用電之間根據(jù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的平衡，可以達(dá)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(guò)多維度的能源互通來(lái)達(dá)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(lǐng)域，城市是實(shí)現(xiàn)多行業(yè)高效能源使用上最好的空間載體。在碳達(dá)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(jī)，建立切實(shí)有效的減排系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)中心鏈接各個(gè)能源體系，實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)端口的能源使用情況，打造智慧城市，最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域節(jié)能減排的目標(biāo)。