辦公建筑的零碳趨勢(shì)及策略研究

李 梁

氣候變暖政府專家委員會(huì)(IPCC)指出,全球平均溫度持續(xù)升高,氣候變遷跡象日趨顯著,若無法遏止,將嚴(yán)重影響人類生存環(huán)境。據(jù)美國(guó)USGBC組織報(bào)道,建筑領(lǐng)域所導(dǎo)致的溫室氣體排放量占全球排放總量的1/2左右。如何在建筑領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)“零碳”化,對(duì)于緩解氣候變化與改善生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。

“零碳”建筑的涵義:按照全壽命周期理論,可將零碳建筑定義為:在材料與構(gòu)件生產(chǎn)、規(guī)劃與設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)輸、運(yùn)行與維護(hù)直到拆除與處理的全循環(huán)過程中,建筑向外界環(huán)境排放的二氧化碳量?jī)糁禐榱恪＿@里之所以強(qiáng)調(diào)凈值,是因?yàn)榻^對(duì)的“零碳”排放是不現(xiàn)實(shí)的,我們可以通過建筑自身利用清潔能源并將多余的能量輸入電網(wǎng),或者通過“碳稅”“碳中和”等措施來補(bǔ)償壽命周期內(nèi)的排放,從而在全社會(huì)層面實(shí)現(xiàn)零碳。

1 辦公建筑的碳足跡與能耗分析

1)碳足跡。碳足跡一詞來源于英語單詞“Carbon Footprint”。維斯百科關(guān)于這個(gè)詞的解釋是:A carbon footprint is the total amount of CO2and other greenhouse gases emitted over the full life cycle of aproduct or service。本文將碳足跡定義為:一項(xiàng)活動(dòng)或產(chǎn)品在整個(gè)生命周期過程中所直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳的排放量。相對(duì)于溫室氣體排放量,碳足跡的不同之處在于它是從消費(fèi)者出發(fā),破除所謂“有煙囪才有污染”的概念。

2)辦公建筑的能耗分析。研究零碳辦公建筑,首先需要了解辦公建筑的能耗構(gòu)成情況,才能制定出有針對(duì)性的策略。在現(xiàn)代辦公建筑當(dāng)中,人工照明耗能最大,可以占到30%。在某些項(xiàng)目中甚至可能高達(dá)50%。由于對(duì)自然光的高度需求,辦公建筑窗戶面積往往比住宅、商場(chǎng)、賓館類建筑大,因此建筑的采暖與制冷能耗分別達(dá)到25%和9%。

2 “零碳”辦公設(shè)計(jì)策略

辦公建筑的“零碳”化可以分為兩個(gè)階段:第一階段為建筑的有效設(shè)計(jì),體現(xiàn)為自然采光、自然通風(fēng)等被動(dòng)式技術(shù)的應(yīng)用、建筑的朝向選址、功能布局、體型系數(shù)等多方面的設(shè)計(jì),提高能源的利用效率,并減少人工設(shè)備所消耗的能源。第二階段則指在建筑中利用太陽能、風(fēng)能、生物能等清潔能源,取代傳統(tǒng)化石能源,以達(dá)到二氧化碳的零排放。本文著重討論自然光、通風(fēng)及清潔能源在辦公建筑的利用。

1)自然光的利用。在傳統(tǒng)辦公建筑中,自然光一般通過窗戶進(jìn)入室內(nèi),自然光的利用與建筑的平面形狀和進(jìn)深具有直接的關(guān)系。比如在一個(gè)長(zhǎng)寬均為30 m的建筑平面中,距離外側(cè)墻面5 m以內(nèi)區(qū)域具備充足的自然光線,而進(jìn)深5 m～10 m內(nèi)為局部采光區(qū),進(jìn)深大于10 m的則為無采光區(qū)域。在大體量建筑中利用自然光,可結(jié)合平面布置中庭或天井,或?qū)ζ矫嫘螤钸M(jìn)行變異以減小建筑進(jìn)深(見圖1)。

現(xiàn)代化的集中型辦公建筑,一般進(jìn)深較大,傳統(tǒng)的采光手段已無法滿足要求。為了解決這個(gè)問題,可以通過空中花園、中庭采光、光反射系統(tǒng)、導(dǎo)光管等先進(jìn)采光系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)建筑中自然光線的利用。中庭由于具有玻璃幕墻或玻璃頂棚,可以有效地利用自然光。良好的自然采光通過窗戶和中庭進(jìn)入室內(nèi)的各個(gè)角落,人工照明只是在必要的情況下才采用。空中花園為高層辦公建筑提供活動(dòng)場(chǎng)所的同時(shí),也可為辦公場(chǎng)所提供自然光線,解決大進(jìn)深空間的采光問題。

2)自然通風(fēng)。除非高溫高濕氣候條件下要求中央空調(diào),一般辦公建筑都具有自然通風(fēng)的潛力。采用自然通風(fēng)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):a.提供新鮮、清潔的自然空氣,有利于人體的生理和心理健康;b.室外空氣的引入可以為建筑降溫,實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式制冷,在不消耗不可再生能源的情況下,改善室內(nèi)熱環(huán)境。

自然通風(fēng)在實(shí)現(xiàn)原理上有利用風(fēng)壓、利用熱壓、風(fēng)壓與熱壓相結(jié)合等幾種形式。通常情況下,建筑的自然通風(fēng)并非風(fēng)壓或熱壓的單一模式,而是兩者互為補(bǔ)充,密不可分。在建筑構(gòu)造上,可通過中庭、雙層幕墻、風(fēng)塔、門窗、屋頂?shù)葮?gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì),來實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)效果。

我們這里介紹一下雙層幕墻的通風(fēng)技術(shù)。這種技術(shù)利用了兩層表皮中的空氣間層進(jìn)行通風(fēng),解決了高層辦公難以自由開窗的困窘,因此被稱為“會(huì)呼吸的皮膚”。在冬季,通過關(guān)閉底部的通道,在雙層幕墻間形成陽光溫室,從而長(zhǎng)時(shí)間保持室內(nèi)溫度的平衡。在夏季,通過打開底部的通道,利用煙囪效應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)。由下而上的氣流帶走了雙層玻璃幕墻之間大量輻射熱的同時(shí),也引入了新鮮的室外空氣。這種系統(tǒng)在建筑中的運(yùn)用越來越廣泛,如RWE總部外側(cè)為單片玻璃幕墻,而內(nèi)側(cè)采用了雙層中空玻璃幕墻。兩者之間為50 cm寬的空腔,在腔內(nèi)安裝了能自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的百葉遮陽裝置(見圖2)。由于外層的玻璃阻擋了高空強(qiáng)大的風(fēng)力,內(nèi)層窗戶可以開啟,從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的自然通風(fēng)。

3)太陽能利用。通過太陽能光熱及技術(shù)轉(zhuǎn)化手段,可以把太陽能和建筑的能源供給進(jìn)行有效結(jié)合。太陽能在建筑中的應(yīng)用包括兩個(gè)方面:被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式通過建筑的朝向、環(huán)境布置、內(nèi)部空間及外部形體處理,來選擇、集取、儲(chǔ)存太陽能。主動(dòng)式通過集熱器、風(fēng)機(jī)等裝置來主動(dòng)利用太陽能。主動(dòng)式可以更有效的利用太陽能并把其轉(zhuǎn)化為其他能源如電能等。技術(shù)主要包括:太陽能光電系統(tǒng)、太陽能墻加熱系統(tǒng)等。

a.太陽能光電系統(tǒng)(PV)。太陽能光電系統(tǒng)(PV)是將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)。光電系統(tǒng)(PV)其系統(tǒng)性能可靠,整體系統(tǒng)的可輸配性、可集成性好;而且壽命長(zhǎng)、設(shè)備簡(jiǎn)單、不污染環(huán)境,是一種理想的可再生能源技術(shù)。b.太陽能墻加熱系統(tǒng)。太陽能墻加熱系統(tǒng)是太陽能空氣加熱系統(tǒng)的總稱,包括特朗伯墻、TAP墻、太陽能墻、太陽能水墻等等。特朗伯墻主要是通過建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性進(jìn)行采暖的方式,其工作原理是將集熱墻向陽的一面涂以深色的選擇性涂層,使該墻體成為集熱和儲(chǔ)熱器,在夜間又成為放熱體。在離集熱墻外表面10 cm左右設(shè)置玻璃蓋板,玻璃蓋板與集熱墻之間形成空氣通道。夏季時(shí)通過煙囪效應(yīng)強(qiáng)化自然通風(fēng),達(dá)到降溫的目的。冬季時(shí),利用溫室效應(yīng)加熱空氣,并通過對(duì)流循環(huán)用以室內(nèi)采暖,如圖3所示。

4)風(fēng)能利用。風(fēng)能在建筑中的利用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能,利用葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能來運(yùn)轉(zhuǎn)辦公空間的制冷與供暖設(shè)備。

辦公項(xiàng)目大部分建于城市中,由于城市的風(fēng)力環(huán)境復(fù)雜性,風(fēng)能的利用不僅要考慮建筑的高度及進(jìn)深,更重要的是對(duì)場(chǎng)地周圍風(fēng)環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)向的整體考量。小型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是一種比較適合辦公建筑的利用形式。

另外,微型風(fēng)機(jī)的研究利用已進(jìn)入建筑師的視野當(dāng)中。國(guó)外年輕的建筑師Agustin Otegu認(rèn)為,在“Nano-vent Skin”概念方案中,設(shè)計(jì)了一套具備生物自我修復(fù)功能的微型渦輪發(fā)電機(jī)組,機(jī)組呈網(wǎng)格化布置并與建筑外表皮形成整體化設(shè)計(jì)。NVS系統(tǒng)由一系列的微型渦輪組成,渦輪尺寸為25 mm×10.8 mm,通過風(fēng)能與太陽光線的利用產(chǎn)生能源。如同人類通過皮膚感受涼風(fēng)一樣,當(dāng)微風(fēng)從表皮掠過時(shí),微型渦輪機(jī)組開始旋轉(zhuǎn)發(fā)電,所產(chǎn)生的能量經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入建筑的用電系統(tǒng)。

3 結(jié)語

目前辦公建筑總體能耗較大,相應(yīng)的技術(shù)手段不夠成熟完善,無法完全依靠建筑本體自身來實(shí)現(xiàn)零碳排放。歐洲多個(gè)國(guó)家已通過制定稅收等財(cái)政金融政策發(fā)展“零碳經(jīng)濟(jì)”。比如可以通過購(gòu)買碳稅的手段,或者以投入資金的方式在異地栽植樹木來抵消建筑所排放的二氧化碳,抵消建筑的碳足跡,實(shí)現(xiàn)全球總體上的零碳平衡。作為一種趨勢(shì)研究,“零碳”辦公對(duì)未來辦公建筑的發(fā)展方向與相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略具有積極的、現(xiàn)實(shí)的意義。

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[7] http://www.carbonfootprint.com.