建筑節(jié)能降碳技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

姚俊華

廣東舍衛(wèi)工程技術(shù)咨詢有限公司 廣東 廣州 510335

在綠色可持續(xù)發(fā)展理念成為各行業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)思想后，以節(jié)能降耗為目標(biāo)，建筑領(lǐng)域開展了卓有成效的探索，涌現(xiàn)出一批可被復(fù)制的綠色建筑[1]。建筑行業(yè)作為能源消耗大戶，大力推行建筑節(jié)能降碳技術(shù)，能夠提高建筑設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，助力我國由建筑大國向建筑強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。

1 建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用節(jié)能降碳技術(shù)的必要性及實(shí)施現(xiàn)狀

從全球碳排放來源占比看，建筑領(lǐng)域能耗占比約為35%，參照西方發(fā)達(dá)國家模型，建筑碳排放呈現(xiàn)逐年攀升趨勢(shì)，我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，與此同時(shí)建筑規(guī)模日益擴(kuò)大，由此帶來的建筑高能耗及高碳排放問題也不容忽視。從我國建筑全過程上看，各環(huán)節(jié)能耗較高，建筑碳排放總體占比已經(jīng)約為全國總量的50%。當(dāng)前，我國現(xiàn)有城鎮(zhèn)總建筑存量數(shù)據(jù)約為650億平方米，每年新增的建筑面積大約為20億平方米，碳排放壓力極大。根據(jù)2019年數(shù)據(jù)，當(dāng)年我國建筑碳排放總量達(dá)到50億噸，占據(jù)當(dāng)年我國總體碳排放的50.6%，而能耗總量達(dá)到22.33億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，能耗總量占比達(dá)46.5%。有鑒于此，中共中央、國務(wù)院于2021年10月印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見》中特別提及，建筑行業(yè)應(yīng)建設(shè)高品質(zhì)綠色建筑，推進(jìn)實(shí)施建筑行業(yè)碳達(dá)峰碳中和。隨著雙碳目標(biāo)的提出，建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用節(jié)能降碳技術(shù)已成大勢(shì)所趨。

建筑全過程都能夠產(chǎn)生碳排放，建材生產(chǎn)階段碳排放占比約為55%、建筑運(yùn)行階段碳排放占比約為43%、建筑施工階段碳排放占比約為2%[2]。在生產(chǎn)及運(yùn)行環(huán)節(jié)，建筑能耗占比分別達(dá)到50%，46%。由此可見，建筑全生命周期碳排放需要從設(shè)計(jì)之初即考慮建材生產(chǎn)、施工、內(nèi)部運(yùn)行等環(huán)節(jié)的能耗及碳排放。建筑節(jié)能是低碳市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)得以推動(dòng)的關(guān)鍵要素，建筑節(jié)能是指參照節(jié)能設(shè)計(jì)指標(biāo)開展建筑設(shè)計(jì)和建設(shè)，實(shí)現(xiàn)建筑實(shí)踐能耗降低的效果。從建筑節(jié)能技術(shù)上看，較為常見常用的是建筑外墻保溫技術(shù)，通過將導(dǎo)熱性能較好的原料添加到外墻體，使墻體保溫并阻熱，降低建筑空間空調(diào)等能源的消耗。在建筑技術(shù)取得較大突破后，依靠新科技加持，建筑節(jié)約低碳性能得到進(jìn)一步釋放。從實(shí)踐上看，在一些建筑中一方面致力采用節(jié)能降耗技術(shù)，另一方面節(jié)能技術(shù)并未大范圍利用。例如，在建筑門窗環(huán)節(jié)可節(jié)約的能耗量較為可觀，通過空玻璃、低輻射鍍膜玻璃及含金屬銀層智能玻璃等，能夠極大降低建筑用能，而在屋頂節(jié)約利用上，因前期建筑設(shè)計(jì)思路不清晰而導(dǎo)致的空間利用率低下等問題較為多見。再比如，鋼鐵及水泥等建材在建筑生產(chǎn)環(huán)節(jié)可產(chǎn)生大量碳排放，兩者碳排放數(shù)量都超出10億噸，而我國建筑行業(yè)內(nèi)建筑型式結(jié)構(gòu)多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，特別是水泥原料在生產(chǎn)時(shí)能夠同步產(chǎn)生大量碳排放，能耗也相對(duì)大。與之相對(duì)應(yīng)，裝配式建筑及木結(jié)構(gòu)建筑在整體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占比依然不高。

此外，建筑低碳在技術(shù)革新上也存在短板，通過建筑構(gòu)造的改變能夠大幅降低建筑整體損耗，低碳建筑材料憑借輕污染及輕消耗等優(yōu)勢(shì)，可用于綠色建筑材料實(shí)踐中[3]。借助節(jié)能建筑材料的創(chuàng)新，使用建筑新原料及相關(guān)附屬材料，能夠大幅提高建筑材料的環(huán)保性能，在這一環(huán)節(jié)，實(shí)際應(yīng)用的范圍及深度都有較大差距。

圖1 建筑各階段能耗排放

2 建筑節(jié)能降碳技術(shù)概述

綠色建筑節(jié)能性突出，居住體驗(yàn)舒適，之所以更加環(huán)保，主要在于綠色材料及節(jié)能降碳技術(shù)的應(yīng)用。從含義上看，建筑節(jié)能降碳技術(shù)主要是通過材料及工藝的結(jié)合使用，充分利用自然能源及可再生能源，以使建筑體能夠達(dá)到用料更節(jié)約，能耗更低的目標(biāo)。在建筑實(shí)踐中，常用的幾種節(jié)能降碳技術(shù)有：

第一，零能耗建筑設(shè)計(jì)技術(shù)。零能耗建筑在電能能源的依賴度上較低，建筑內(nèi)的電力系統(tǒng)、供暖及制冷系統(tǒng)運(yùn)行所需的能源量，盡量不采用外部能源形式，主要以結(jié)構(gòu)及場(chǎng)地作為能源量來源。零能耗建筑在設(shè)計(jì)時(shí)通過組件等，實(shí)現(xiàn)光及被動(dòng)加熱的最大化，在能源類型上尋求風(fēng)能及太陽能燈再生能源供應(yīng)。第二，冷屋頂技術(shù)。冷屋頂技術(shù)適用于氣候環(huán)境較為炎熱的區(qū)域，通過屋頂?shù)臎鏊O(shè)計(jì)達(dá)到房屋降溫效果。選用的屋頂材料可對(duì)太陽光線進(jìn)行反射，在陽光照射下能夠?qū)崃垦杆賯鲗?dǎo)散發(fā)。在屋頂?shù)倪x色上多以白色或者能夠良好反射太陽光線為主。第三，高效節(jié)能墻體技術(shù)。要提高建筑房屋能源效率，可通過采用節(jié)能墻體材料實(shí)現(xiàn)房屋隔熱，增加房屋建筑的節(jié)能性及舒適性。例如，隔熱混凝土砌塊墻在墻壁的絕緣性能較為突出，建造便捷性好，在節(jié)能及舒適度上良好。第四，智能變色玻璃設(shè)計(jì)。房屋建筑如處于氣候溫暖區(qū)域，在以上節(jié)能降碳技術(shù)應(yīng)用時(shí)，還可搭配使用智能變色玻璃設(shè)計(jì)技術(shù)，充分利用陽光能源，高效吸收太陽光及熱量。太陽能作為綠色能源，可將其作為節(jié)能降碳的重要方式，在建筑節(jié)能降碳設(shè)計(jì)方案中應(yīng)加大太陽能使用的比重，科學(xué)布置自然光源，燈光設(shè)置要合理，降低電力能源使用量，也可在建筑房屋內(nèi)安裝太陽能配套設(shè)施將太陽能轉(zhuǎn)化成電能。更為關(guān)鍵的是，在建筑節(jié)能降耗設(shè)計(jì)上，考慮到自然能源的運(yùn)用，應(yīng)首先做好采光建造專項(xiàng)設(shè)計(jì)[4]。

圖2 高效節(jié)能墻體示意

3 建筑節(jié)能降碳技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及相關(guān)要點(diǎn)

3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、建筑形式環(huán)節(jié)遵循節(jié)能低碳理念

建筑節(jié)能降碳技術(shù)在應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合建筑實(shí)際情況，對(duì)自然環(huán)境加以分析，然后在順應(yīng)自然的原則指導(dǎo)下開展建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐。如建筑所處區(qū)域存在環(huán)境惡劣復(fù)雜等情況，應(yīng)在堅(jiān)持綠色理念的基礎(chǔ)上，做好房屋建造環(huán)境的改善及優(yōu)化。例如，在房屋基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃上，應(yīng)設(shè)計(jì)符合綠色交通的方案，將汽車尾氣排放因素考慮在內(nèi)，設(shè)計(jì)公共交通干道，滿足綠色環(huán)保需求。在建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)摒棄華而不實(shí)的設(shè)計(jì)思路，如單純追求建筑的地標(biāo)性，而應(yīng)深入建筑建設(shè)區(qū)域，對(duì)地形因素進(jìn)行分析，然后本著降低物料及人力資源消耗的原則，在設(shè)計(jì)中預(yù)留出利用風(fēng)能及太陽能的空間。而在建筑材料的選擇及使用上，應(yīng)減少可能引發(fā)二氧化碳超標(biāo)排放的材料，如甲醛等。在建筑水泥建材的使用上，選擇新型的可降低二氧化碳碳排放量的高品質(zhì)水泥。在建筑空間的設(shè)計(jì)上，主要是通過對(duì)土地資源的合理利用及建筑物建造的有效減少實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。在建筑形式的確定上，不同的建筑形式可能帶來的能耗也有差異，通過建筑設(shè)計(jì)形式的精簡能夠有效減少能源消耗。例如，在窗戶的設(shè)計(jì)上，結(jié)合建筑區(qū)域氣候狀況，可優(yōu)先考慮使用大玻璃窗造型，但需考慮可能由此造成的光污染。為此，在確保建筑空間能夠正常采光的基礎(chǔ)上，不宜采用大塊玻璃幕墻，可將窗口進(jìn)行減小處理，降低光污染概率。在采光方式選擇上，應(yīng)考慮建筑空間功能設(shè)計(jì)這一因素，進(jìn)行必要的遮陽處理，改善建筑內(nèi)微氣候。在建筑墻體構(gòu)造形式設(shè)計(jì)上，圍繞墻體保溫性能進(jìn)行墻體材料的選取及建造工藝的選定。屋面節(jié)能設(shè)計(jì)可以配合綠化體系，如在屋面部位進(jìn)行綠植栽種或蓄水，實(shí)現(xiàn)保溫及隔熱功能，同時(shí)通過綠化體系，對(duì)建筑空間環(huán)境特別是室溫進(jìn)行改善。采用綠色植物可以很好利用其本身可以吸入二氧化碳，最后釋放氧氣的功能，大大降低溫室效應(yīng)，可以大大降低有害氣體甲醛等物質(zhì)含量。綠色植物在陽光非常強(qiáng)的狀況下有遮陽的功效，避免室內(nèi)溫度太高，增強(qiáng)屋內(nèi)空氣濕度，降低空調(diào)與冷卻設(shè)施的運(yùn)用，減少資源耗損，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保目標(biāo)[5]。另外，綠色植物的運(yùn)用還可增加社區(qū)綠化面積，可以改變部分氣候，及其空氣品質(zhì)等，開拓綠色空間，可以在將來有更好的提升空間。

3.2 大力推廣使用綜合利用可再生資源

第一，建筑節(jié)能系統(tǒng)的選擇。建筑所處區(qū)域不同，能源使用需求也不同，產(chǎn)生的建筑能耗也有差別。為此，進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到地域環(huán)境因素，然后確定能源利用的路徑。北方地區(qū)的建筑，因其多處于溫帶季風(fēng)氣候范圍內(nèi)，具有四季分明的特征，冬天時(shí)節(jié)需要考慮到房屋空間的保溫供暖，以往多采用消耗煤炭資源的方式實(shí)現(xiàn)供暖，煤炭消耗的過程伴隨著大量溫室氣體，如二氧化碳的排放，如此會(huì)加劇大氣污染，引發(fā)溫室效應(yīng)。為此，在設(shè)計(jì)建筑時(shí)，在考慮保暖性能的同時(shí)，可對(duì)煤炭能源進(jìn)行替換，如采用新材料，顆粒燃燒等，達(dá)到減碳目的。第二，可再生能源的綜合利用。在建造過程中應(yīng)該大量使用可再生資源盡可能減少化石燃料的運(yùn)用，可再生資源可以減少能源使用過程中的污染現(xiàn)象，目前太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能已經(jīng)在建筑過程中得到廣泛應(yīng)用。

3.3 建筑全生命周期綠色低碳設(shè)計(jì)

首先，在建材生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要考慮建材低碳化，首選新型低碳建材。建筑碳排放中，水泥占比極大，水泥的生產(chǎn)過程要實(shí)現(xiàn)減碳，一方面可依靠原料替代技術(shù)之外，另一方面要跟進(jìn)新型低碳水泥品種和應(yīng)用低碳膠凝性材料的開發(fā)。另外，也可選擇高性能混凝土材料，發(fā)揮其水泥使用量少、耐久性強(qiáng)、二氧化碳排放量低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。例如，漢麻混凝土可以用生物纖維等綠色環(huán)保材料替代石灰石原料，降低水泥熟料系數(shù)；高延性混凝土（HDC）與超高性能混凝土（UHPC）可以通過加入不同新型材料提高混凝土硬度，提高耐久度。其次，在建筑房屋形式上，可選擇具有減碳優(yōu)勢(shì)的裝配式建筑。不同于現(xiàn)場(chǎng)澆筑，裝配式建筑用料更省，工期更短，建造時(shí)產(chǎn)生廢棄物更少，是綠色建筑的代表。此外，可大力推廣鋼結(jié)構(gòu)，其本身屬延性材料，重量約為混凝土的50-60%，經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)突出，可拆卸循環(huán)利用。有條件的區(qū)域，可推進(jìn)光伏建筑一體化，提升建筑整體利用率。光伏建筑一體化在“雙碳”時(shí)代背景下，應(yīng)用前景及市場(chǎng)潛力巨大，可與建筑物同時(shí)設(shè)計(jì)、施工和安裝，形成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，既具有發(fā)電功能，又具有建筑構(gòu)件和建筑材料的功能。而通過應(yīng)用“光儲(chǔ)直柔”建筑新型供配電，可有效緩解“雙高”難題。對(duì)于供給端而言，運(yùn)用“光儲(chǔ)直柔”建筑新型供配電技術(shù)，提高建筑終端電氣化水平，幫助解決建筑領(lǐng)域資源消耗大、排放高的問題。第三，在建筑運(yùn)營管理上，實(shí)行用能全面電氣化，降低建筑運(yùn)行碳排放。主要通過革新節(jié)能技術(shù)和使用節(jié)能電器，在熱水、供暖、炊事等方面全面實(shí)行電力替代。另外，推行被動(dòng)式超低能耗建筑發(fā)展，通過優(yōu)化建筑整體布局、采用高性能外窗和墻體以及提升建筑的整體氣密性等性能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行能耗降低。

圖3 建筑全生命周期節(jié)能降碳流程

4 結(jié)語

在建筑減碳的背景下，應(yīng)加強(qiáng)建筑環(huán)保設(shè)計(jì)水平，針對(duì)建筑行業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的碳排放及高能耗問題，注重以碳中和為目標(biāo)，在建材升級(jí)、建造設(shè)計(jì)、施工實(shí)施、運(yùn)營管理等環(huán)節(jié)采用綠色環(huán)保技術(shù)手段，使建筑進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展循環(huán)。