雙碳背景下超高層建筑的綠色低碳設計

作者簡介：喬寧（1980-），女、漢族、籍貫：籍貫河南省新鄭市、碩士、講師，研究方向：建筑裝飾工程技術。

摘 要：隨著我國“碳達峰和碳中和”目標，即力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和目標的提出，發展綠色地毯建筑刻不容緩，超高層建筑作為高耗能建筑，需要在綠色低碳和經濟效益中找到平衡點。文章提出了超高層建筑的低碳設計理念，結合相關標準提出了超高層低碳技術框架和實施路徑，結合案例分析了技術路徑中低碳技術的適用性，最后以珠江城項目為例分析了低碳技術的具體應用情況。文章總結的技術路線和適應性技術可直接指導超高層建筑綠色低碳技術的選用，為超高層建筑朝著綠色低碳方向發展提供有益的借鑒。

關鍵詞：超高層建筑；標準分析；技術路徑；技術適應性

1 前言

2020年，中國向世界提出“力爭于2030年前碳達峰，努力爭取2060年前實現碳中和”?！吨袊ㄖ芎难芯繄蟾妫?021）》指出，2019年時我國建筑全過程碳排放占全國碳排放的50.6%。在建筑領域中，超高層建筑能耗高于一般大型公共建筑。研究表明，我國一般公共建筑能耗水平大約為20～60kWh/m2，而超高層辦公樓的能耗水平可高達約200kWh/m2，是一般公共建筑的3～10倍，因而研究超高層建筑的低碳設計策略對于實現雙碳目標具有重要意義。

2綠色建筑與低碳建筑指標對比

綠色建筑在我國發展已久，2006年我國就頒布了第一部綠色建筑評價標準。目前我國超高層建筑可采用的綠色建筑評價體系包括：《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2019和《綠色超高層建筑評價標準》T/CECS727-2020。后者相比于前者更加契合超高層建筑的特點。

當前我國低碳建筑評價體系還處于發展初期，目前國內已發布的碳排放相關標準主要有2部：《碳中和建筑評價導則》（第一版）和《建筑碳排放計算標準》GB/T51366-2019。國標《零碳建筑評價標準》正在編制中，預示著低碳建筑評價體系在近年還將得到進一步的政策重視和發展完善。

本文以已發布的《綠色超高層建筑評價標準》T/CECS727-2020[3]和《碳中和建筑評價導則》（第一版）為研究基準，嘗試對比同類指標，見表1。綠色建筑有明確的推薦技術措施以指導建筑的設計、施工和運營，并以相應技術措施的選用情況作為評判依據。而低碳建筑不強調某一具體技術的選用，而是以建筑全生命周期的碳排放量作為評判原則。

從表1中可以看出，《綠色超高層建筑評價標準》T/CECS727-2020除了未提出購買外部可再生能源、碳信用和綠證外，能夠基本涵蓋《碳中和建筑評價導則》（第一版）中對應的建筑性能要求，兩個標準具有明顯的相似度。但在具體的指標要求上，《碳中和建筑評價導則》（第一版）的部分條款要求更高，如綠色建材的應用比例比綠建最高指標還高出20%?！毒G色超高層建筑評價標準》T/CECS727-2020的內容設定更為詳細全面，還有較多與碳排放無關、但能提高規劃設計和健康安全的條款。

表1為本文的超高層建筑綠色低碳設計策略提供了基礎研究框架。低碳建筑以建筑全生命周期的碳排放量作為評判原則，在具體低碳技術定性選用上仍可繼續參考綠色建筑的成熟技術。但在定量計算碳排放量時需要依據《碳中和建筑評價導則》（第一版）和《建筑碳排放計算標準》GB/T51366-2019的公式。此外，本文聚焦低碳設計策略，購買外部可再生能源、碳信用與綠證來抵消碳排放量的措施不在本文探討范圍內。

3超高層低碳建筑技術路徑

超高層綜合體對于可持續性來說既有有利因素又有不利因素。有利因素包括節約用地，減少交通需求，可進行功能復合和設施共用，在提升城市形象、拉動社會經濟發展等方面發揮著重要的作用。不利因素包括形成“熱島效應”、光污染和高層風，需要大量的能耗來維持良好的室內空間環境和設備運行。

根據《碳中和建筑評價導則》（下文簡稱“碳中和導則”），建筑領域碳排放包括建材生產及運輸、建造及拆除、運行等建筑全生命期內各個階段的碳排放總量，其中運行階段碳排放在建筑全生命周期中占比最大，其次是建材生產及運輸階段的碳排放。結合表1總結的技術路徑，本文探討超高層建筑在建材生產運輸和運行兩個階段的低碳設計策略。

3.1建材生產運輸階段的低碳設計策略

建材生產運輸階段的碳排放包含建材原材料獲取和上游生產、原材料運輸至建材加工生產地及建材加工制造過程消耗能源所釋放的二氧化碳。“碳中和導則”提供了具體的碳排放量計算公式。

其中，CJC代表建材在生產階段的碳排放量，Cjc，i和Crm，j分別達標第i中建材的產品碳排放量和第j種原材料的產品碳排放量，Mjc，j代表第i種建材生產用第j種原材料的重量，Dj代表第i種建材生產用第j種原材料的平均運輸距離，Tj代表第i種建材生產用第j種原材料的平均運輸距離，Ejc，j代表第i種建材生產用第j種原材料的平均運輸距離，EFj代表第i種建材生產制造過程使用的第j種能源的碳排放因子。

結合公式（1）和（2），為了降低建材生產運輸階段的碳排放，超高層建筑應從“節材”和“本地化”兩方面實現低碳設計。參考綠色建筑設計措施，“節材”可包括：結構優化節材，材料循環利用，土建裝修一體化，大空間設計，采用高性能建材和具有EPD環境產品聲明的綠色建材等，最終目的是減少建材用量?！氨镜鼗敝竷炏炔捎帽镜鼗ú?，從而減少建材的運輸距離。

3.2.建筑運行階段的低碳設計策略

建筑運行階段碳排放計算范圍應為建設工程規劃許可證范圍內能源消耗產生的碳排放量和可再生能源及碳匯系統的減碳量，具體包括暖通空調、生活熱水、照明及電梯、可再生能源、建筑碳匯系統等。本文依據《建筑碳排放計算標準》GB/T51366-2019分析運行階段碳排放，包含可再生能源和碳匯系統的減碳量。建筑運行階段的碳排放計算公式為：

其中：CM代表建筑運行階段單位建筑面積碳排放量，Ei代表建筑第i類能源年消耗量，EFi代表第i類能源的碳排放因子，Ei，j代表j類系統的第i類能源消耗量，ERi，j代表j類系統消耗由可再生能源系統提供的第i類能源量，CP代表建筑綠地碳匯系統年減碳量，A代表建筑面積。

結合公式（3）和（4），為了降低運行階段碳排放，超高層建筑應從“減荷”、“提效”和“碳抵消”三方面實現低碳設計?！皽p荷”指的是被動式設計節能，包括微環境設計、建筑本體設計、圍護結構節能和熱橋氣密性處理，約可實現節能15%的目標?！疤嵝А敝傅氖遣捎酶咝阅軝C電設備、節能照明和電梯等措施，約可實現節能20%的目標。“碳抵消”指的是可再生能源和碳匯抵消，并通過能耗監測和運行管理系統實現節能15%～30%的目標。歐洲部分零能耗和零碳建筑就是靠被動式技術和可再生能源實現的。

4案例分析

珠江城大廈位于廣州珠江新城，由美國SOM設計。該項目用地面積約1.06萬m2，建筑面積約22萬m2，包括309.4m高71層的塔樓和3層裙樓。項目充分利用廣州地區氣候特點，以“零能耗”作為最高設計目標，在建成之初就被稱為“世界最節能環保的摩天大廈”。與第2節提出的低碳技術措施一致，珠江城大廈主要通過節材、圍護結構節能、設備提效和可再生能源利用實現低碳超高層建筑，與同等規模的其他建筑相比，珠江城大廈的總能耗可以減少58%。

4.1體型結構優化

項目進行了體型和結構優化。珠江城大廈體態呈流線型。大廈外立面在設備層24層與50層各設置一對貫穿南北的風洞，風洞的設計減緩了風力對建筑的橫向沖擊，從而降低了建筑對鋼材與混凝土的用量，相應的也減少了建材生產運輸階段的碳排放量。

4.2圍護結構節能技術

廣州地處夏熱冬暖地區，夏季炎熱，建筑遮陽技術是該地區節能技術的重要組成部分。為了起到降低運行階段碳排放的目的，珠江城項目南、北立面采用內呼吸雙層玻璃幕墻、中空Low-E玻璃、電動遮陽百葉等，提升圍護結構熱工性能。雙層玻璃幕墻同時也具有自然采光和自然通風效果好等特點，可根據氣候與天氣條件的變化統一智能控制空腔內遮陽百葉，將自然光引入辦公室。

4.3高效機電設備

珠江城項目使用了輻射制冷帶置換通風系統，充分應用了先進的革新技術，包括：冷卻盤管冷凝水回收、熱冷回收以及高效加熱和制冷機房等，可以在整體節能率上達到46%左右。冷輻射吊頂使用范圍為9～58層的標準層，面積共35，000m2。由于溫差不同，在空調的冷負計算上可以節省25%的能耗。冷輻射吊頂不僅節能，還可以節省材料，吊頂系統可以使層高降低，增加了室內空間的利用率。

4.4建筑光伏一體化

廣州地區在6至10月的太陽輻射充足，適合利用太陽能。珠江城大廈采用了建筑光伏遮陽一體化設計，見圖1。太陽能光伏發電系統設在珠江城東西兩個側面的31～70層所有遮陽百葉的上半部分以及屋頂玻璃位置。東西兩側系統采用“5mm超白鋼化玻璃+PVB膜+硅電池片+5mm普通鋼化玻璃”組成的光伏組件，用以取代位于建筑東西兩側水平機翼型遮陽板的上半部分。在采光頂位置采用光伏組件替代原有建筑材料，既能利用太陽能電池片達到遮陽效果，又不會對室內及室外產生眩光影響。這種立面做法適應廣州地區東西向時段太陽高度角較低的氣候特點，保證了視線通暢，遮擋了大量太陽輻射，確保電池板有充足的受光時間，從電池板面積與發電時間上保障了建筑整體的太陽能發電效率。在經濟效益方面，整個光伏系統總功率為24KWp，系統輸出電量為20164.4KWh/年。按照25年的使用期限可累計發電約50.41×104KWh，比傳統的發電模式節約電費50萬元。

4.5屋面風能一體化

珠江城項目在設備層24層與50層的風洞內安裝了4個垂直軸風渦輪發電機，見圖2。垂直軸風機可以適應廣州不同的季候風風向，其最低啟動發電機風力僅需2.7m/s，設備運行噪聲較小，對上下樓層影響低，維護方便。據測算，4臺風機每年可產電20多萬度，節約電費約17萬元，節能20%。

5結語

文章以《綠色超高層建筑評價標準》T/CECS727-2020、《碳中和建筑評價導則》（第一版）和《建筑碳排放計算標準》GB/T51366-2019為基準確定了研究基礎框架和低碳技術路線，通過案例調研總結分析了低碳技術的適應性，指出在具體低碳技術選用上仍可繼續參考綠色建筑的成熟技術，具體包括5大類21種技術措施，并對具體技術的選用提出了指導建議，最后通過具體案例分析了低碳技術的應用情況。這五大類技術中，節材、圍護結構節能、設備提效、可再生能源利用是超高層建筑主要采用的較為成熟的低碳技術措施。文章總結的技術路線和適應性技術可直接指導超高層建筑綠色低碳技術的選用，為超高層建筑朝著綠色低碳方向發展提供有益的借鑒。

參考文獻

[1]中國工程建設標準化協會.綠色超高層建筑評價標準T/CECS727-2020[EB/OL].http：//www.cecs.org.cn/xhbz/fbgg/1124.html，2023-04-20.

[2]中國城市科學研究會.碳中和建筑評價導則（第一版）[EB/OL].http：//www.chinasus.org/index.php？997，2023-04-20.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑碳排放計算標準GB/T51366-2019[S].北京：中國建筑工業出版社，2019.

[4]劉劍.基于案例分析的低碳建筑特征及其實施策略研究[J].建筑節能，2020，48（2）：39-42+57.

[5]韓繼紅，范宏武，方舟，孫樺.對中國超高層建筑實現綠色低碳發展的思考和實踐[J].建筑，2020（10）：17-19.