上海地區低碳建筑適用性技術集成研究與示范

何書申

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引言

20世紀以來全球氣候變暖的問題越來越嚴重，溫室效應正不斷威脅著地球的生態環境。日益增加的CO2排放量不僅使全球氣溫上升（連鎖反應疊加可能會在50年內上升4℃）、氣候極度動蕩，還會對陸地和海洋的分布狀況產生復雜而嚴重的影響。基于這一背景提出的“低碳”正是為了減少CO2排放、降低溫室效應、緩解全球氣候變暖和改善城市的生存環境。據美國綠色建筑委員會（USGBC）的測算，建筑領域所導致的溫室氣體排放量占全球總排放量的50%左右，CO2排放量占全球總排放量的60%左右，因此，研究低碳建筑對于城市低碳發展具有非常重要的意義[1]。

我國低碳建筑的建設和發展更是任重道遠，目前對低碳建筑技術的推廣應用，在技術上的可行性與經濟性缺乏相應研究；由于中國幅員遼闊，不同氣候區低碳建筑建設過程中遇到的問題和挑戰不同，而目前還沒有針對上海地區氣候特點的低碳建筑適用性技術集成的研究。本文針對以上問題，開展上海地區低碳建筑的適用性技術集成研究及示范應用，以促進夏熱冬冷地區低碳技術的合理應用，解決上海地區低碳建筑從建造到運營期間的節能減排問題[2]。

1 國內外低碳建筑技術應用現狀研究

1.1 國外低碳建筑技術應用現狀研究

在歐洲，大約有1/2左右的生態和環境破壞是由建筑和工程造成。近30年來，歐洲發達國家致力于發展低碳與建筑節能，成果顯著。目前，歐洲每年的能源消耗有20%被浪費，這一數字將在2030年增加到70%。為實踐建筑業可持續發展，歐洲國家對現代建筑的基本理念是實現“低能耗、高舒適度”的完美結合，最大限度地利用自然能源，盡量減少能源與資源浪費，并致力推廣和實踐低碳、綠色的可持續發展建筑[3]。

1）德國夏無酷暑，冬無嚴寒。盡管如此，德國將近1/3的基礎能源產品要被住宅供暖消耗。為尋求既節能又有利于環保的新的建筑技術方案，他們將一幢有70年歷史的老建筑經過現代化低碳技術改造成了德國第一幢“3L房”。目前，“3L房”成為全球既有建筑節能改造的典范。“3L房”因其改造后m2/a消耗的采暖耗油量不超出3L（相當于當量煤約4.5kg）而得名。在改造過程中采用了4大低碳節能技術措施：加強圍護結構的保溫性能；使用具有內墻“空調系統”作用的相變儲能隔熱砂漿技術；設置可回收熱量的通風系統和燃料電池組作為小型動力站。經過現代化改造，“3L房”采暖耗油量從20L降到了3L，CO2排放量減少了80%。

2）西班牙位于歐洲南部，屬于地中海氣候，該地區氣候的特點是冬天溫暖，夏天炎熱，通風和空調設備是主要的能源消耗點。其Atika住宅的建造采用了預制的模數化結構體系。這種模數化的預制體系可節省約1/3建造時間，同時保證在數次拆裝后仍可保證更為精確的建筑結構體系。并在設計中采用其他的低碳節能技術措施，如通過外墻的厚度與密度形成保溫與隔熱；白色的石灰板作為對日照最好的反射材料；利用上部懸挑的建筑構建或窗上的百葉形成陰影；狹窄的街道和陽臺確保陰影面和空氣流通；并利用流動的水以達到降溫的效果。該住宅運用斜屋頂技術、低能耗策略、全方位的太陽能系統、樓宇智能化管理體系以及模數化等低碳建筑技術建造的一座歐洲最新的節能型住宅，是歐洲未來住宅的樣本。

3）英國為高緯度地區島國，氣候潮濕溫和，夏季氣溫適中，但冬季漫長寒冷，采暖期約有半年時間。2002年，英國貝丁頓社區將廢物、陽光、空氣和水充分利用，通過各種低碳技術措施減少建筑熱損失及充分利用太陽熱能，建成英國最著名的零碳排放社區。采用的技術中除太陽能利用、屋頂綠化、生物能轉化外，社區能源樹、薄膜電池等先進理念、技術和設備設施也極具借鑒意義。其先進的可持續發展設計理念及環保低碳技術的綜合利用，使該社區成為英國目前最先進的零碳住宅小區[4]。

4）荷蘭、丹麥也較早開展建筑節能研究和技術的應用。自建筑規劃設計開始，采取周密、有效的低碳建筑技術降低建筑能耗，從而實現節能減排的目標。如丹麥的太陽風社區，在建筑設計過程引入可持續建筑的概念，提出被動的建筑設計，通過系統的優化設計，采用隔熱建筑材料、斜屋頂技術，充分考慮通風、朝向、窗戶更換、外墻保溫、適度使用主動式太陽能體系等技術，大大降低了供暖空調能耗及碳排放。

1.2 國內低碳建筑技術應用現狀研究

我國在低碳建筑技術應用與發展方面已取得顯著的進步，很多低碳建筑技術很早被應用到公共建筑、商業建筑和民用住宅建筑。較典型的有：清華大學節能示范樓，其采用自然通風、采光設計、外墻保溫技術、可再生能源利用等低碳建筑技術；上海朗潤園集成雨水收集利用、透水路面、中水回用、住宅工廠化、綜合外墻保溫、屋頂綠化、自平衡式通風系統、太陽能集中供熱系統等低碳建筑技術；北京國奧村項目采用再生水熱泵冷熱源系統、集中式太陽能生活熱水系統、景觀花房生物污水處理系統、外圍護結構保溫系統、LED建筑發光系統等低碳建筑技術；當代MOMA項目采用多項先進的建筑技術和工藝，應用高效綠色能源系統、地源熱泵空調系統，考慮節能設計、采光、通風、隔聲、機電、空調、能源系統等多方面要求。上海世博會生動地宣傳了低碳、環保的生態新理念，為低碳建筑的設計開發提供了有益的參考。園區內誕生了200多棟時尚綠色建筑，集中展示了各國的屋頂、墻體和立體綠化的新技術，展示了新能源應用、節能減排的低碳生態新理念，成為一個精美絕倫的低碳建筑和環境保護的博覽會[5]。

總之，目前國內外均將低碳建筑作為研究和發展重點，但是，低碳建筑的發展還存在很大的障礙。雖然低碳建筑長遠看更經濟且節約能源，但其大規模實施推廣取決于多項元素，包括社會觀念、科研水平、技術集成等，其中低碳建筑技術的發展是關鍵。

2 上海地區低碳建筑適用性技術研究

上海地區低碳建筑適用性技術的集成可分為5個方面的技術體系，如圖1所示：

圖1 低碳建筑技術體系框架

本文將著重從屋頂綠化技術、地源熱泵技術、建筑墻體節能技術及兼具墻體節能和太陽能利用功能的特倫布墻技術等3個方面進行上海地區適用性進行分析。

2.1 綠化系統低碳技術

《上海市屋頂綠化技術規范（試行）》（滬綠[2008]25號）中將屋頂綠化定義為：以建筑物、構筑物頂部為載體，以植物為主體進行配置，不與自然土壤接壤的綠化方式，是多種屋頂種植方式的總稱。屋頂綠化除擁有環境綠化功能外，還具備保護屋頂、建筑節能、自由種植的功能[6]。

屋頂綠化的基本類型分花園式屋頂綠化、組合式屋頂綠化和草坪式屋頂綠化。不同類型的屋頂綠化應有不同功能定位，屋頂綠化既體現生態效益，又體現景觀效應，應有相應的面積指標要求。屋頂綠化建設指標如表1所示。

表1 屋頂綠化建設指標參考

常規屋頂的做法包括結構層、保溫隔熱層以及防水層。對于屋頂綠化而言，其構造層自建筑屋頂向上依次為：耐根穿刺防水層、排（蓄）水層、隔離過濾層、基質層、種植層。耐根穿刺防水層是為了防止植物的根部由于向地性而突破防水層，從而破壞屋頂的保溫隔熱效果。排（蓄）水層直接影響屋頂植物生長的好壞。隔離過濾層置于排水層之上、基質層之下，其作用是防止基質層顆?；蚱渌镔|調入排水層，使排水管道產生堵塞等問題?；|層為植物提供賴以生存的條件。植被層做法很多，可根據使用者對于屋頂綠化的需求選擇。在選擇屋頂綠化的物種時，應注意以下幾個方面的問題：①盡量選擇耐旱抗凍的植物；②選擇易于移植、成活率高的植物；③選擇無須過多養護的植物；④植物應以常綠為主。

2.2 建筑能源供給低碳技術

在上海地區公共建筑中應用地源熱泵均存在冷熱平衡問題，因此在應用地源熱泵時，必須結合建筑負荷特性，針對地源冷熱不平衡問題進行設計、分析和運行管理。辦公建筑相對冷熱不平衡率較小，可采用夏季調峰措施解決長期運行地源平衡問題；賓館的冷熱平衡問題較辦公建筑較大，但由于賓館存在全年熱水負荷需求，因此相當于是對空調負荷不平衡的天然調節，可根據具體計算達到平衡，最適合采用地源熱泵系統；商業建筑由于用能特點，冷熱不平衡率最大，不宜單純采用土壤源熱泵作為冷熱源，適宜采用地表水源作為夏季主要冷源，冬季輔助調峰措施[7]。

2.3 建筑墻體節能技術適用性研究

在上海建筑節能發展過程中，對建筑圍護結構尤其是墻體部分實施保溫隔熱是一項重要的技術措施。墻體節能技術為上海地區建筑節能推進做出了應有貢獻。目前上海地區建筑墻體主要技術有外墻保溫系統、外墻內保溫系統、外墻自保溫系統以及外墻復合保溫系統。

針對上海地區低碳建筑墻體節能技術的適用性總結如下：上海地區建筑墻體節能技術的發展重點應適合本地區氣候和建筑特點。在功能要求方面，此類技術和產品既要有良好的保溫性能，又要具備有效的隔熱性能，同時還兼有防潮、防霉等功能。在材料性能要求方面，應具有耐久性好（與建筑同壽命）、防火性優（A級不燃型）、輕質高強、不易變形收縮等性能。此外還應考慮原材料資源豐富、施工方便、價格適中、便于維修保養等因素。從目前上海地區現有的墻體節能技術分析，墻體自保溫系統、裝配式復合墻板系統（PC板）以及內外墻組合保溫系統將是未來發展的重點。

2.4 特倫布墻在住宅建筑中適用性研究

特倫布墻是以法國的菲利克斯特倫布博士的名字而命名，其最外層是一層透明玻璃，既能保存熱量又不會阻擋陽光的射入。玻璃內采用了蓄熱性能較好的墻體，上端和下端均有透氣孔以交換室內外空氣。墻體與玻璃間有一段空間，可讓空氣形成環流[8]。

上海地區特倫布墻技術在應用時需考慮2方面問題：（1）住宅戶型的適應性。特倫布墻的設置一般情況下是利用南向墻面豐富的太陽資源設置,為此，在平面設計中宜將全部居室朝南,以充分接受太陽能,其他輔助房間可置于其他朝向。同時要考慮，在裝有特倫布墻的進深方向越小越有利于這種被動式太陽能技術的發揮。（2）特倫布墻位置的適應性。合理的平面設計可讓特倫布墻充分服務到建筑的各個角落，同時，特倫布墻的位置的選擇將很大程度影響特倫布墻的工作效率。部件之間的遮擋是影響特倫布墻工作的一大因素，例如，雨棚、陽臺之類的突出部件都有可能在陽光最強烈的黃金時段對蓄熱體形成了遮擋，從而影響對熱輻射的蓄積。所以當雨棚和陽臺等部件無法避免時，在對特倫布墻的設置上，應當避免與上述部件的垂直布置。

3 上海地區低碳建筑適用性技術試點研究

本文以上海市某零碳館為試點，對低碳適用性進行了探索。零碳館為四層辦公建筑，建筑面積為2 800m2。零碳館通過低碳技術的集成與示范應用，實現該建筑從規劃設計、建設施工、使用維護到材料回收全生命周期的零碳排放。

3.1 技術體系

零碳館的節能減排技術體系包括能源供給低碳技術、維護結構低碳技術、建筑設備低碳技術和建筑辦公系統低碳技術。能源供給低碳技術采用太陽能光伏發電技術。零碳館頂部為太陽能旋轉采集器，根據太陽輻射方位角跟蹤采集太陽能，使太陽能利用效率最大化。上海地區屬于北亞熱帶南部季風氣候，溫和濕潤，四季分明、光照充足。維護結構低碳技術采用了墻體保溫隔熱技術、門窗節能技術（Low-E中空玻璃門窗、窗戶內遮陽）和生態屋頂等低碳節能技術。建筑設備低碳技術采用管道保溫隔熱技術、自然通風技術、自然采光、變頻空調技術、節能光源燈具應用技術以及節能控制技術等。空調變頻技術采用全變頻壓縮系統技術，以IPLV6.0實現能源效率最大化，容量變化精確，實現室內精準控溫。零碳館節能光源采用了LED節能燈具。

3.2 資源回收

零碳館采用了較多的資源回收技術，包括雨水收集處理與回收利用技術及垃圾源頭分類技術。上海地區的表層基本為黏土，土壤耐壓能力差，滲透系數小（接近零），地下水位不高，部分地區的水位小于1m。上海屬亞熱帶海洋性季風氣候，全年雨水充足，但全年降雨并不均勻，尤其是每年汛期6～9月的降雨量約占全年降雨量的55%以上。雨水在收集、滯留過程中，通過蒸騰、下滲等作用，可以改善小氣候條件，減少城市中熱島效應，從而在局部創造良好的生態環境。根據《上海市城市生活垃圾分類設施設備配置導則（試行）》規定，辦公場所日常生活垃圾按照可回收物、有害垃圾、其他垃圾（干垃圾）等分成3類。按規定配置生活垃圾容器間或小型壓縮式收集站。垃圾容器間或小型壓縮式收集站應配置可回收物、有害垃圾和其他垃圾收集容器，并可配置可回收物壓縮打包設備。

3.3 智能低碳

零碳館利用室內環境數據監測與管理、建筑能耗數據監測與管理、建筑碳排放數據管理等數據監測與數據分析，實現零碳館的智慧低碳運維。室內環境的監測與管理主要包括室內空氣質量、室內熱舒適、室內聲環境和室內光環境等方面。針對零碳館室內環境運營管理要求，選擇CO2這個主要反映人員活動產生污染的指標作為監測空氣質量的傳感器指標，在熱舒適指標中，溫度和相對濕度是最主要的參數，它們直接影響人體的熱感覺。零碳館能耗數據采集的類型主要有設備實時功率、累計用電量、燃氣量、水量等。按照照明插座用電、空調用電、動力用電和特殊用電4個分項對零碳館的能耗數據進行監測。在基于能耗分項計量數據的技術上，通過上海地區的碳排放計算模型對該建筑碳排放數據進行監測與管理。

4 小結

通過對德國、西班牙、英國地區的零碳建筑使用技術研究，了解目前國內外低碳建筑的發展現狀及國內外所使用的建筑低碳節能技術現狀。通過對上海地區低碳建筑適用性技術及集成體系研究，明確目前上海地區使用的建筑低碳節能技術。通過以上海市某零碳館使用能源供給低碳技術、維護結構低碳技術、建筑設備低碳技術和建筑辦公系統低碳技術，實現該建筑從規劃設計、建設施工、使用維護到材料回收全生命周期的零碳排放，為建設低碳建筑提供了借鑒。