建筑圍護系統的低碳節能發展方向

孟 迪 劉海江 李浩然

當前的建筑圍護系統正處在一個重大的變革時期，不再是滿足基礎性能的保障，更多被賦予了高節能、舒適性等諸多屬性。在“雙碳”的戰略背景下，建筑圍護系統如何實現低碳節能應用，能否實現綠色發展，對整個國家的可持續發展有重要意義。這意味著要實現“雙碳”目標，低碳節能技術在建筑維護系統上的深度應用將成為新的發展方向。

1 “雙碳”背景

2020 年9 月，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上的講話中提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。”

我國碳排放與發達國家相比存在達峰晚、總量大的問題，建立綠色低碳循環發展的經濟體系，確保實現“雙碳”目標是勢在必行的。我國是世界上最大的發展中國家，也是世界上最大的建造商，有義務也有能力做好“雙碳”工作，這是中國作為負責任的大國對世界的承諾與擔當[1]。

2 碳排放現狀

21 世紀以來，全球碳排放量增長迅速，2000 ～2019 年，全球二氧化碳排放量增加了40%。2019 年，全球碳排放量達343.6 億噸，創歷史新高。

2020 年，受新冠疫情影響，世界各地區碳排放量普遍減少。從碳排放地區及國家分布來看，2020 年亞太地區二氧化碳排放量最大，占比52.38 %，其次為北美地區和歐洲地區，分別為16.59 %和11.23 %。從國家分布情況來看，2020年中國二氧化碳排放量為98.94 億噸，全球排名第一；美國二氧化碳排放量為44.32 億噸，全球排名第二；印度二氧化碳排放量為22.98 億噸，全球排名第三。

3 建筑行業碳排放現狀

根據中國建筑節能協會公布的數據，建筑全過程碳排放總量占總排放量1/2 以上，其中建筑材料占比28.3 %；運行階段占比21.9 %，施工階段占比1%。

從我國目前的城市化進程來看，城鎮化率已經突破60 %，預計2035 年城鎮化率將達到75 %左右。根據經驗來看，城鎮化和經濟水平的不斷提升，將推動著建筑行業的運行碳排放比重也將不斷增長。可見碳中和背景下，我國建筑行業的減碳之路任重道遠[2]。

4 政策導向

作為一項重要的戰略決策，我國提出的碳達峰、碳中和目標，不僅是技術問題，也不僅是單一的能源、氣候環境問題，而是一個影響廣泛和深遠的社會問題，勢必對各行業發展產生重大影響。

在推動以化石能源為主的能源結構轉型的基礎上，工業、建筑、交通等能源消費端需要做出更大貢獻。實現碳中和目標，需要消費端的技術突破，工業、建筑、交通等傳統高碳排行業是額外減排的重點，應通過低碳技術脫碳實現凈零碳排放。工信部提出綠色制造，加快推進新能源高質量發展，引導光伏企業加強技術創新、提質降本。住建部提出要不斷提高新建綠色建筑的比例，并對綠色建筑標識的申報和審查程序、標識管理等做了相應規定。

5 建筑圍護系統的節能發展趨勢

建筑維護系統節能發展趨勢主要包括綠色建材應用、減少建設材料用量、提高系統標準化程度、提升建筑裝配化程度、高性能的遮陽隔熱保溫系統、充分利用清潔能源等。

面對雙碳目標，機遇與挑戰并存。嚴控新建項目的能耗、物耗及碳排放，加快節能降碳先進工藝技術和設備應用；在產品結構上，全力開發綠色低碳環保型產品，加快提升高端幕墻產品供給水平，并形成規模化應用。

針對上述目標，可從如下方面進行幕墻系統的減碳、固碳研究工作。

5.1 提升產品性能，減少能源損失

建筑維護產品的高性能主要體現在系統的高密封性和高保溫性。建筑熱量的消耗主要通過幕墻結構的傳熱和空氣滲透產生熱能損失。建筑的傳熱是以輻射、對流、導熱三種方式同時進行。節能設計重點是合理控制熱通道的手段，以減少熱損失，達到節能目的[3]。下面幾個方面可供設計參考。

5.1.1 面材性能的提升

作為幕墻面材，玻璃的熱損失占建筑能耗的50%以上。玻璃內表面的傳熱以輻射為主，占58%，采用Low-E 鍍膜工藝改變玻璃性能減少熱能損失的方法是最為有效的。此外，在Low-E 鍍膜工藝基礎上的多層中空玻璃結構也進一步提升了面材的熱工性能，試驗證明中空層最佳的厚度為12 ～16 mm，即達到阻隔傳導作用又避免產生對流。

5.1.2 框材性能的提升及新型保溫材料的應用

對于框支式幕墻，金屬框架是影響系統整體熱工性能的薄弱環節。隔熱鋁型材是提高熱工性能的主要手段,其技術措施主要有幾種：調整隔熱條尺寸及形狀；在隔熱條形成的空腔內填充發泡材料，減少熱輻射；應用鋁合金-聚氨酯復合型材，提升密封性，減小熱傳遞；采用膠條、尼龍條等對框料內部空腔進行分割，減少輻射傳熱。

在幕墻系統內部構造上可通過增加熱工性能好的保溫材料提高系統整體隔熱性能，如巖棉、聚苯乙烯泡沫塑料板或氣凝膠墊等。

5.1.3 構造設計的節能保障措施

遮陽系統是現代建筑中不可或缺的部分，完整的遮陽系統完美而和諧地統一了建筑的采光與遮陽節能。建筑遮陽分為構造遮陽和材料遮陽兩大類，構造遮陽主要通過結構造型裝飾翼、遮陽百葉等途徑實現內外遮陽效果。材料遮陽主要通過面材的材料特性實現其遮陽功能，如調光玻璃、溫變玻璃、織物面材等，既達到建筑整體美觀效果，又實現了隔阻室外大部分陽光熱量進入室內[4]。

雙層呼吸式幕墻與傳統的單層幕墻相比，最大特點是在內外兩層幕墻之間形成一個通風換氣層。通風換氣層形成自下而上的空氣循環，使內側幕墻玻璃溫度達到或接近室內溫度，形成優越的溫度條件，達到節能效果，同時對隔音，光污染等帶來顯著改善。也可通過系統構造設計實現空氣質量的微氣候控制調節，實現多種循環形式的通風，改變微氣候。

5.2 清潔能源與建筑的結合

隨著石化能源的日益枯竭和人類生存環境的日益惡化，清潔能源的開發利用成為發展的主流。將光伏發電、風力發電技術與幕墻系統完美結合，實現建筑維護系統的低碳減排。

5.2.1 BIPV 光伏建筑一體化技術應用

隨著光伏組件種類的日益繁多，進一步滿足了建筑師對透光性、顏色、質感等方面的設計要求，也推動了光伏建筑一體化產業的發展。隨著光伏產業規模不斷擴大，我國常規光伏已步入平價，為BIPV 大規模推廣提供了重要的基礎條件。在“十四五”期間通過解除光伏成本和協同兩大限制因素后，光伏裝機容量可能達到30 ～50 GW，對應市場規模在1 500 ～2 500 億元。

利用光伏發電技術與幕墻系統相結合，在建筑的屋面、層間、立面及采光頂等部位設置發電單元。不同的建筑位置適用不同特性的光伏組件，其分類包括：晶體硅電池（包括單晶硅、多晶硅和帶狀硅等）、非晶硅電池、薄膜光伏電池（包括銅銦鎵硒、碲化鎘等）、鈣鈦礦電池等。其中晶硅類組件是目前發展最成熟并應用最廣泛的光伏組件，適用于光伏屋頂、光伏采光頂及立面層間位置。相比晶硅組件，碲化鎘薄膜組件具有弱光效應好、透光率高等特點，更適用于幕墻立面，可最大限度利用建筑的表面增加有效發電面積，滿足多角度建筑發電需求。

光伏系統安裝之后，用戶最關心的是發電量，因為它直接關系到用戶的投資回報。影響發電量的因素很多，如天氣、溫度、組件轉換效率、逆變效率、電纜的線損、組件安裝朝向方位角、傾斜角度、灰塵、陰影遮擋、組件和逆變器容配比系統方案、線路設計、施工、電網電壓等諸多因素。

一般光伏組件的理論轉換效率可達到15 %至25 %左右,逆變效率基本上可以達到97 %左右，電纜線損一般在2 %左右。光伏組件的安裝角度包含兩個角度：即傾角和方位角。傾角（高度角），即光伏組件與水平地面之間的夾角；方位角，即光伏組件的朝向與正南方向的夾角。無論是傾角，還是方位角，對于具體項目而言都是受限于建筑本身的結構特性的。光伏組件在組串時，為使系統獲得最大效率，應重點考慮接至同一臺逆變器的光伏組件的規格類型、串聯數量及安裝角度應保持一致。同時，逆變器電壓越接近額定工作電壓，效率越高，發電量收益越好，則串聯數量最佳。

針對光伏幕墻系統經濟及社會效益，以薄膜太陽能組件作為發電單元為例，規格面積1.6 m×1.2 m=1.92 m2為市場常規薄膜組件發電功率為250 W，光電轉換率為13 %，每平米組件發電功率約為130 W。按三類地區太陽能輻射量測算（我國按日照時長共分為五類地區），年光照時長約為2 600 小時，組件應用于建筑采光頂位置，每平米光伏組件年發電量為130×2 600=338 kW·h=338 度電，以一座1 000 m2的采光頂建筑面積為例，考慮采光頂坡度傾角、方位角及衰減損耗等因素，按80%效率考慮（如立面等位置考慮傾角問題會有更大折減），年發電總量為338×0.8×1 000=270 400 度電。按商業用電電費（0.73 元/度）計算，年產生收益270 400×0.73=19.74 萬元。

按目前市場幕墻用光伏系統建設成本7 元/瓦計算，總成本約91 萬，其成本回收期約為91÷19.74=4.6 年。綜合考慮太陽能電池組件光電轉換率逐年衰減及過程養護成本等因素，成本回收期估計在5 至7 年左右。

按組件一般壽命的25 年測算，總發電收益約為493.5 萬元，節約一次性能源約2 366 噸標準煤，可減排二氧化碳6 739 噸，二氧化硫58.4 噸，煙塵41.2噸，煤渣1 066 噸。

光伏與建筑結合的優點可以從三個方面來看，分別是：建筑、經濟和技術。從建筑上看，可以最大限度的利用空間面積，無需額外占用土地資源；從經濟上看，可以就近發電、用電，節約電站建設和電力輸送成本；從技術上看，光伏組件吸收太陽能轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內空調冷負荷，在利用清潔能源發電的同時，對建筑起到節能減排效果。

5.2.2 風能的利用

風能作為重要的可再生能源，在建筑中主要有兩種利用形式，一種是被動式利用，如自然通風和排氣，降低對機械能源的消耗；另一種是主動式利用，其中最常見的就是風力發電。將風力發電技術與建筑相結合，讓建筑作為風力強化和收集的載體。風力發電較太陽能而言，它的成本優勢明顯，如何使得風力發電和建筑進行一體化設計、在建筑周圍設置小型風力發電機而又不影響人的生活質量，現已成為建筑行業能源研究的焦點。

目前已經有案例開始利用風力發電裝置為建筑供能。如滬上“第一高樓”上海中心大廈，就在其塔冠上裝配著270臺垂直軸渦輪發電機，可每年為大廈提供119 萬度綠色電力，供屋頂和觀光層中的設備使用。

5.3 與建筑融合的綠植幕墻系統應用

依托垂直綠化技術的綠植幕墻，可以改善建筑微氣候環境，實現固碳功能。綠植幕墻是將綠植沿建筑幕墻外立面攀附固定形成的垂直綠化系統，可以為城市增加有效的綠化面積，有效擴大城市的綠化范圍，提升綠化覆蓋率，在空間的維度上實現建筑的吸碳運行，從而實現真正意義的碳中和[5]。

5.3.1 綠植幕墻系統構成

綠植幕墻系統主要包括：定植結構、支撐框架、自動微滴灌系統、補光系統及各類相關附件等。其外延配套還可以與雨水收集系統、光伏發電系統相結合。

5.3.2 綠植幕墻的意義

生態效益：改善空氣質量，吸收碳排放；調節溫度和濕度；控制噪音。社會效益：拓展綠化空間、城市多樣化需要；減少光污染；保護建筑物。經濟效益：綠植幕墻自身的使用價值；裝飾綠化后的景觀效益；景觀功能所產生的吸引人們購買欲望的潛在價值等。

5.3.3 綠植幕墻的節能效果。

據測定，應用綠植覆蓋的建筑墻面溫度通常可降低2 ～7 ℃，空氣相對濕度可以提高10 ～20 %，室溫降低3 ～5℃。一座面積約5 000 m2的綠植幕墻，年節能量約為7.2 萬度，減少二氧化碳排放66.32 噸。

6 結語

建筑圍護系統的低碳節能發展是一項全方位的綜合性系統工程，涉及到系統構造技術、遮陽技術、材料技術、能源技術、仿生技術等，也涉及設計、生產、施工、管理、政策法規等諸多部門。

為達到有效的建筑圍護系統低碳節能，只靠建筑設計師是遠遠不夠的，還需要相關行業、企業協同配合開發出高效節能產品，如高熱工性能的面材、框材，高轉化效率的光伏組件，更加高效節能的生產加工工藝等，使建筑圍護系統在全生命周期范圍內實現真正意義的低碳節能。