建筑節能降碳技術在建筑設計中的應用研究

姚俊華

廣東舍衛工程技術咨詢有限公司 廣東 廣州 510335

在綠色可持續發展理念成為各行業發展的指導思想后，以節能降耗為目標，建筑領域開展了卓有成效的探索，涌現出一批可被復制的綠色建筑[1]。建筑行業作為能源消耗大戶，大力推行建筑節能降碳技術，能夠提高建筑設計水準，助力我國由建筑大國向建筑強國轉變。

1 建筑設計中應用節能降碳技術的必要性及實施現狀

從全球碳排放來源占比看，建筑領域能耗占比約為35%，參照西方發達國家模型，建筑碳排放呈現逐年攀升趨勢，我國城鎮化進程不斷加快，與此同時建筑規模日益擴大，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，各環節能耗較高，建筑碳排放總體占比已經約為全國總量的50%。當前，我國現有城鎮總建筑存量數據約為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2019年數據，當年我國建筑碳排放總量達到50億噸，占據當年我國總體碳排放的50.6%，而能耗總量達到22.33億噸標準煤，能耗總量占比達46.5%。有鑒于此，中共中央、國務院于2021年10月印發《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》中特別提及，建筑行業應建設高品質綠色建筑，推進實施建筑行業碳達峰碳中和。隨著雙碳目標的提出，建筑設計中應用節能降碳技術已成大勢所趨。

建筑全過程都能夠產生碳排放，建材生產階段碳排放占比約為55%、建筑運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]。在生產及運行環節，建筑能耗占比分別達到50%，46%。由此可見，建筑全生命周期碳排放需要從設計之初即考慮建材生產、施工、內部運行等環節的能耗及碳排放。建筑節能是低碳市場經濟得以推動的關鍵要素，建筑節能是指參照節能設計指標開展建筑設計和建設，實現建筑實踐能耗降低的效果。從建筑節能技術上看，較為常見常用的是建筑外墻保溫技術，通過將導熱性能較好的原料添加到外墻體，使墻體保溫并阻熱，降低建筑空間空調等能源的消耗。在建筑技術取得較大突破后，依靠新科技加持，建筑節約低碳性能得到進一步釋放。從實踐上看，在一些建筑中一方面致力采用節能降耗技術，另一方面節能技術并未大范圍利用。例如，在建筑門窗環節可節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，而在屋頂節約利用上，因前期建筑設計思路不清晰而導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環節可產生大量碳排放，兩者碳排放數量都超出10億噸，而我國建筑行業內建筑型式結構多采用鋼筋混凝土結構，特別是水泥原料在生產時能夠同步產生大量碳排放，能耗也相對大。與之相對應，裝配式建筑及木結構建筑在整體建筑結構設計中占比依然不高。

此外，建筑低碳在技術革新上也存在短板，通過建筑構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勢，可用于綠色建筑材料實踐中[3]。借助節能建筑材料的創新，使用建筑新原料及相關附屬材料，能夠大幅提高建筑材料的環保性能，在這一環節，實際應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 建筑節能降碳技術概述

綠色建筑節能性突出，居住體驗舒適，之所以更加環保，主要在于綠色材料及節能降碳技術的應用。從含義上看，建筑節能降碳技術主要是通過材料及工藝的結合使用，充分利用自然能源及可再生能源，以使建筑體能夠達到用料更節約，能耗更低的目標。在建筑實踐中，常用的幾種節能降碳技術有：

第一，零能耗建筑設計技術。零能耗建筑在電能能源的依賴度上較低，建筑內的電力系統、供暖及制冷系統運行所需的能源量，盡量不采用外部能源形式，主要以結構及場地作為能源量來源。零能耗建筑在設計時通過組件等，實現光及被動加熱的最大化，在能源類型上尋求風能及太陽能燈再生能源供應。第二，冷屋頂技術。冷屋頂技術適用于氣候環境較為炎熱的區域，通過屋頂的涼爽設計達到房屋降溫效果。選用的屋頂材料可對太陽光線進行反射，在陽光照射下能夠將熱量迅速傳導散發。在屋頂的選色上多以白色或者能夠良好反射太陽光線為主。第三，高效節能墻體技術。要提高建筑房屋能源效率，可通過采用節能墻體材料實現房屋隔熱，增加房屋建筑的節能性及舒適性。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，在節能及舒適度上良好。第四，智能變色玻璃設計。房屋建筑如處于氣候溫暖區域，在以上節能降碳技術應用時，還可搭配使用智能變色玻璃設計技術，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，可將其作為節能降碳的重要方式，在建筑節能降碳設計方案中應加大太陽能使用的比重，科學布置自然光源，燈光設置要合理，降低電力能源使用量，也可在建筑房屋內安裝太陽能配套設施將太陽能轉化成電能。更為關鍵的是，在建筑節能降耗設計上，考慮到自然能源的運用，應首先做好采光建造專項設計[4]。

圖2 高效節能墻體示意

3 建筑節能降碳技術在建筑設計中的應用及相關要點

3.1 規劃設計、建筑設計、建筑形式環節遵循節能低碳理念

建筑節能降碳技術在應用時應結合建筑實際情況，對自然環境加以分析，然后在順應自然的原則指導下開展建筑設計實踐。如建筑所處區域存在環境惡劣復雜等情況，應在堅持綠色理念的基礎上，做好房屋建造環境的改善及優化。例如，在房屋基礎設施規劃上，應設計符合綠色交通的方案，將汽車尾氣排放因素考慮在內，設計公共交通干道，滿足綠色環保需求。在建筑設計環節，應摒棄華而不實的設計思路，如單純追求建筑的地標性，而應深入建筑建設區域，對地形因素進行分析，然后本著降低物料及人力資源消耗的原則，在設計中預留出利用風能及太陽能的空間。而在建筑材料的選擇及使用上，應減少可能引發二氧化碳超標排放的材料，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水泥。在建筑空間的設計上，主要是通過對土地資源的合理利用及建筑物建造的有效減少實現能源節約。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，通過建筑設計形式的精簡能夠有效減少能源消耗。例如，在窗戶的設計上，結合建筑區域氣候狀況，可優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上，不宜采用大塊玻璃幕墻，可將窗口進行減小處理，降低光污染概率。在采光方式選擇上，應考慮建筑空間功能設計這一因素，進行必要的遮陽處理，改善建筑內微氣候。在建筑墻體構造形式設計上，圍繞墻體保溫性能進行墻體材料的選取及建造工藝的選定。屋面節能設計可以配合綠化體系，如在屋面部位進行綠植栽種或蓄水，實現保溫及隔熱功能，同時通過綠化體系，對建筑空間環境特別是室溫進行改善。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，可以大大降低有害氣體甲醛等物質含量。綠色植物在陽光非常強的狀況下有遮陽的功效，避免室內溫度太高，增強屋內空氣濕度，降低空調與冷卻設施的運用，減少資源耗損，實現綠色環保目標[5]。另外，綠色植物的運用還可增加社區綠化面積，可以改變部分氣候，及其空氣品質等，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，建筑節能系統的選擇。建筑所處區域不同，能源使用需求也不同，產生的建筑能耗也有差別。為此，進行建筑設計時應考慮到地域環境因素，然后確定能源利用的路徑。北方地區的建筑，因其多處于溫帶季風氣候范圍內，具有四季分明的特征，冬天時節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現供暖，煤炭消耗的過程伴隨著大量溫室氣體，如二氧化碳的排放，如此會加劇大氣污染，引發溫室效應。為此，在設計建筑時，在考慮保暖性能的同時，可對煤炭能源進行替換，如采用新材料，顆粒燃燒等，達到減碳目的。第二，可再生能源的綜合利用。在建造過程中應該大量使用可再生資源盡可能減少化石燃料的運用，可再生資源可以減少能源使用過程中的污染現象，目前太陽能、風能、生物質能已經在建筑過程中得到廣泛應用。

3.3 建筑全生命周期綠色低碳設計

首先，在建材生產環節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，水泥的生產過程要實現減碳，一方面可依靠原料替代技術之外，另一方面要跟進新型低碳水泥品種和應用低碳膠凝性材料的開發。另外，也可選擇高性能混凝土材料，發揮其水泥使用量少、耐久性強、二氧化碳排放量低等技術優勢。例如，漢麻混凝土可以用生物纖維等綠色環保材料替代石灰石原料，降低水泥熟料系數；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，可選擇具有減碳優勢的裝配式建筑。不同于現場澆筑，裝配式建筑用料更省，工期更短，建造時產生廢棄物更少，是綠色建筑的代表。此外，可大力推廣鋼結構，其本身屬延性材料，重量約為混凝土的50-60%，經濟性表現突出，可拆卸循環利用。有條件的區域，可推進光伏建筑一體化，提升建筑整體利用率。光伏建筑一體化在“雙碳”時代背景下，應用前景及市場潛力巨大，可與建筑物同時設計、施工和安裝，形成太陽能光伏發電系統，既具有發電功能，又具有建筑構件和建筑材料的功能。而通過應用“光儲直柔”建筑新型供配電，可有效緩解“雙高”難題。對于供給端而言，運用“光儲直柔”建筑新型供配電技術，提高建筑終端電氣化水平，幫助解決建筑領域資源消耗大、排放高的問題。第三，在建筑運營管理上，實行用能全面電氣化，降低建筑運行碳排放。主要通過革新節能技術和使用節能電器，在熱水、供暖、炊事等方面全面實行電力替代。另外，推行被動式超低能耗建筑發展，通過優化建筑整體布局、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，實現運行能耗降低。

圖3 建筑全生命周期節能降碳流程

4 結語

在建筑減碳的背景下，應加強建筑環保設計水平，針對建筑行業各個環節可能出現的碳排放及高能耗問題，注重以碳中和為目標，在建材升級、建造設計、施工實施、運營管理等環節采用綠色環保技術手段，使建筑進入可持續發展循環。