碳中和理念下的建筑一體化設計研究

邵宏偉

中核第四研究設計工程有限公司 河北 石家莊 050021

建筑行業是我國碳排放的重要領域之一，根據權威部門的統計數據，每建成1棟建筑，就會向大氣層排放0.8t碳，為自然環境造成了嚴重的威脅。在碳中和的理念下，我國有關部門、企業在日常工作中應當積極履行兩山理論，用清潔能源取代污染較大的傳統能源，大力推動建筑一體化設計，捍衛我國生態環境，完成人與自然的和諧共存。

1 碳中和理論概述

碳中和理念（Carbon neutral）又被稱之為碳補償，是時下最為重要的環保理念之一。該理念指的是企業、個人、團隊在日常工作、生活的過程中，計算自己所排放的二氧化碳，按照得出的數據，委托專業的企業通過環保項目對排出的二氧化碳進行抵消。

在碳中和視域下，施工方在選擇建材、設計方案、進行施工、維護建筑的過程中始終秉持著低碳環保的理念，從根源上保證碳排放量的最小化，減少二氧化碳對于生態環境的影響。本文因為篇幅限制，本文以應用最為廣泛的光伏建筑一體化與風能建筑一體化作為切入點進行分析。

2 光伏建筑一體化

2.1 光伏建筑一體化的形式與特點

光伏地面系統自誕生伊始，主要服務于游牧家庭、偏遠山區和孤島居民等特定群體。但自從上個世紀80年代開始，該系統日益完善，世界公民環保理念逐漸增加。在這樣的歷史背景下，該系統獲得了廣泛的應用。并于1991年由德國的旭格公司首次提出了光伏發電與建筑集成推動了低碳建筑的繁榮與發展。就目前而言，光伏與建筑的結合主要有如下兩種策略。

2.1.1 光伏系統和建筑結合

工作人員將封裝完畢的光伏組件（如：曲面板或平板）在建筑處進行安裝，并將安裝好的光伏組件與控制器、蓄電池、逆變器等設備連接。在條件允許的前提下，光伏系統還可以和公共電網關聯。通過這種方式，可以減少煤炭資源的消耗，減少二氧化碳排放，維護生態環境的可持續發展。目前常見的結合方式如下文所述：

第一，BIPV屋頂。施工人員可以將BIPV組件安裝在屋頂上，從而形成光伏屋面。該屋面有下述優勢，（1）光伏屋面更容易接收太陽能資源。（2）屋頂安裝光伏方陣可以利用屋頂空閑空間，節省院子的空間。（3）光伏屋面靠近電力系統，能減少企業總體造價。

第二， BIPV幕墻。BIPV組件可以在建筑外墻上替代傳統幕墻，形成光伏幕墻、光伏窗間墻等。BIPV組件直接作為幕墻面板，與支撐結構共同構成光伏幕墻，適用于透光和不透光建筑幕墻。

2.1.2 光伏器件與建筑結合

就目前而言，將建筑材料和光伏器件集成化也是一種很常見的一體化建筑方式。具體地說，有關企業、個人可以將部分建材替換為先進的光伏器件，制造電量，滿足建筑物的日常使用。但值得重視的是，由于建筑行業的特性，故此，對于充當建材的光伏器件要求相對而言比較高。其應當滿足以下條件：堅固結實、隔熱保溫、防潮防水、剛度適當。如果該光伏器件作用于窗戶，那么該光伏器件必須具備一定的透光性，保證建筑內部的采光。

2.2 光伏建筑一體化的優點

根據筆者的實際工作經驗，光伏建筑一體化建筑具有如下優勢：第一，光伏設備占地面積相對小。隨著我國的快速發展，大城市虹吸效應較強，我國一二線城市土地價格相對較高。光伏陣列占地面積小，安裝在屋頂與墻面即可，可以有效提高土地的使用率；第二，光伏陣列可以原地發電，不需要具體的運輸環節，可以有效減少企業（住戶）的用電成本；第三，在我國絕大多數地區，夏季較為炎熱，風扇、空調等制冷設備運行率高，為國家電網帶來了沉重的運行負擔。而光伏陣列可以為電網供電，減少電網的供電壓力。

2.3 我國光伏建筑一體化發展

我國作為一個負責任的大國，為了推動低碳環保事業，近些年來由政府相關部門引導，積極發展太陽能光伏技術。在“九五期間”我國北京、上海兩地分別建設了17kWp、7kWp光伏發電屋頂，并且順利地完成了并網發電。以香港理工大學為代表的科研單位，將發展光伏建筑一體化技術視為科研重點，取得了顯著的成就。早在2018年時，中國漢能便在北京大會堂發布了漢瓦產品，推動了光伏發電的進程。根據權威部門預計，在未來的數年中，我國光伏產業將以每年20%的速度發展[1]。

2.4 光伏建筑一體化實例介紹

位于丹麥奧爾胡斯市的“生命之家”是光伏建筑一體化的典型代表。生命之家產生的能源不但能夠滿足一家人的實際需求，還有多余的電力反饋電網。在生命之家中，設計人員采用了兩種光伏發電技術：①太陽能集熱板。設計師在兩個屋頂窗間放置了六塊太陽能集熱板。該建筑65%的能源需求都由太陽能集熱板進行提供，按照丹麥有關部門的統計數據，這些集熱板在每一年中，可以產生兩千千瓦時的電量。②太陽能電池技術。在生命之家的屋頂窗上，安裝有由太陽能電池驅動的遮陽卷簾，其可以減少九成的太陽熱量，增加窗體的隔熱性[2]。

3 風能建筑一體化

3.1 風能建筑一體化的形式與特點

就目前而言，風能是世界范圍內應用最為廣泛的可再生資源之一，其具有分布廣泛、零污染的優勢，深受各國能源部門的青睞與喜愛。所謂的風能建筑一體化，指的是將風能組件安裝在建筑本體當中。在進行底層建筑建設的時候，施工人員可以將發電組件安裝在空曠的位置里面，這種安裝方式不但可以保證風能的利用，還可以行之有效地保持建筑的美觀性。由于發電裝機越高，風能資源越為豐富的基本特點。故此，有關企業在進行風能建筑一體化的過程中，往往青睞于將風能發電機放置在屋頂處。同時可以按照風場的實際分布形式，與風道的垂直方向設置高科技風電機組。故此，在進行一體化設計的時候，新能源利用理念應該貫徹在平面設計、剖面設計和建筑材料選擇當中[3]。

值得重視的是，風能一體化建筑雖然污染較低，但是這一發電方式在實際運行的過程中，也客觀存在一定的缺陷，主要有以下四點：（1）雖然我國風力資源非常豐富，但是，地區分布并不均勻，內蒙古與甘肅北部風力較為豐富，而江浙一代風力資源相對而言比較貧乏。故此，在企業（個人）利用風能的時候，往往需要建造大量的風力儲蓄設備，極大程度地提升了施工成本；（2）不穩定性。風能受季節影響較大，春秋冬風力資源豐富，夏季風力資源貧乏。故此，風能發電并不穩定，給大規模地運用造成了障礙；（3）缺乏經濟性。就目前而言，雖然風力發電技術應用相對廣泛，但是尚未發展成熟，效率地，投入高，很難滿足社會發展的實際需求。

故此，設計單位在采用風能建筑一體化的之前，應該對建筑周遭情況和使用者的情況進行周密地考察，根據結果選擇是否采用該方式。此外，為了保證建筑本身的視覺效果，部分建筑會用直線排列的風機取代傳統的矩形網狀排列的風機[4]。

3.2 風力建筑一體化結合方式

3.2.1 風機安裝在屋頂上

眾所周知，在現代城市當中往往有大量高層建筑物，因為建筑物的阻擋，建筑物上訪的會產生氣流分層的情況，形成劇烈的紊流，導致風速在短時間內加快。英國權威企業對建筑物周圍的風場展開了模擬分析，發現建筑物附近風速與沒有受到阻擋的氣流高兩成左右。故此，為了保證風力發電的效率與質量，將風機安裝在屋頂上，成為了目前較為常見的風力建筑一體化方式[5]。

由于風機在實際運行的時候，通常會產生噪音與振動。故此，為了減少噪音污染，常用于建筑風機尺寸通常較小。此類風機形式大致可以分為水平軸、垂直軸兩種。水平軸風機具有啟動速度慢、風向影響大的權限。故此，在實際運行時，必須風機垂直設置才能保證發電效率與質量。與此同時，如果小型風機能夠旋轉一定角度的時候，風機發電效率也會得到顯著的提高。而垂直軸風機在運行過程中，并不會被風向所限制，只要風流動，風機葉片就可以良好地轉動，啟動快，振動小，深受各建筑企業的青睞與喜愛。但垂直軸的缺陷也十分明顯，即：運行時離心力大。故此，采用垂直軸的風機半徑不能過大[6]。

3.2.2 風機安裝在兩座建筑之間

在風機企業放置于兩座建筑物間的時候，因為城市建筑群的影響，大部分城市中不具有固定的主導風向。故此，建筑物應當做如下設計 。第一，腎形斷面、飛鏢形斷面，并且，表面光滑的建筑物具有良好的斂風效果。第二，翼形建筑，或者在建筑物里面開洞，并且將風機放置于其中時，能夠減少氣流流失，提高發電效率。第三，在建筑形體設計合理的前提下，能夠將40°-50°范圍中的所有氣流，集中于風機上。值得重視的是，在建筑物中開洞，并且將風機設置在洞中的時候，那么，只有少數氣流能集中在風機上。

3.2.3 風能建筑一體化實例介紹

由土耳其著名設計師Hayri Atak設計迪拜旋轉大樓是風能建筑一體化的典型代表。該大廈的中心部門為柱狀，由特殊鋼構建而成，硬度低，韌性高，可以很好地斂聚流通的氣流。在大廈內部，單獨的片狀結構組成了每一樓板，每兩層的地板上，都設置了大量可以發電的風力渦輪機。在旋轉大樓運行的過程中，建筑物中的大量風力渦輪機不但可以讓大樓不斷旋轉，制造視覺奇觀，還可以制造大量的電力，不僅可以實現自我供電，并且還能給大樓的用戶和周圍的其他建筑物提供充足穩定的電量供應。

4 相變儲能一體化

4.1 相變儲能一體化的形式與特點

相變儲能材料是一種新興的被動節能建筑材料，由于其具有節能效果顯著、溫度控制恒定的特點，獲得我國建筑行業的廣泛關注。其作用原理為：在固液相變的過程中，控制材料的儲能量與相變溫度，從而將熱量儲藏在相變材料里面，如果需要釋放熱量，建筑的持有者可以通過控制材料溫度的方式，將相變材料轉換狀態，釋放其中的熱量。

相變儲能材料具有下述優勢：第一，在相變的過程中，通常是近似等溫，抑或是等溫的過程，溫度的變化會始終保持在比較小的范圍內，保證住戶體驗的舒適；第二，相變材料的相變潛熱較高，而是少量材料便可以存儲大量的熱量，和以磚石、混凝土代表的傳統儲熱材料相比，對建筑物結構要求不大，在進行一體化建設的時候，可以使用更為靈活的形式。

4.2 相變儲能一體化結合方式

4.2.1 相變Trombe墻體技術

相變Trombe墻由空氣通道建筑墻體、上下擋板、上下風口、玻璃蓋板以及相變材料等部分組成。在冬季時，太陽能輻射會通過墻體的玻璃蓋板抵達相變材料層，一些熱量會對通道內的空氣進行加熱，熱空氣不斷上升，此時，將上下風口、上下擋板關閉，這就會讓空氣在建筑內部產生熱循環。而殘留的熱量則會被相變材料所吸收，隨后通過輻射傳熱的方式，為住戶提供熱量。而在夏季時，住戶將上下擋板開啟，上下風口關閉，讓室外空氣與空氣通道間形成回路，通過這種方式，可以帶走熱量，達到降溫的效果。而在夜間，相變材料則會將儲存的熱量釋放，同時將集熱墻上下通風口，通風降溫，帶給住戶良好的居住體驗。

4.2.2 附加陽光間相變儲能技術

除了Trombe墻體技術以外，相變儲能附加陽光間也是一種常見的相變儲能一體化措施，該技術通常是由蓄熱層、上下風口、相變材料、陽光間等部分組成，通常會依附于建筑南面，在冬季里，住戶在白天開啟墻體上下風口，太陽輻射經由玻璃抵達陽光間，空氣被加熱后，不斷上升，從上風口步入室內，減少室內冷空氣。而在夏季，白天將陽光間開啟、墻體上下風口關閉，如果溫度已經提升到相變溫度的時候，此時，相變材料就會不斷吸收周圍熱量，從而減少室內溫度；夜晚，則將通風窗與上下風口開啟，保證空氣流通，從而達到降溫的目的。

4.2.3 相變儲能一體化實例介紹

重慶大學團隊在2021年參加中國國際太陽能十項全能競賽時的參賽作品“斜屋”便是相變儲能一體化的優秀案例。該建筑的造型為45°斜屋面造型，通過這一造型，能夠讓太陽能板能吸收最多太陽能，并且產生夾層空間。這一設計模式不但給予建筑的DIY的空間，同時，也能形成氣候緩沖區，最根本上避免外界環境對于室內的造成影響。在“斜屋”中，陽光間地面、墻體均為相變材料。在冬季工況下，白日將熱量吸收到相變材料中，而在夜晚釋放熱量，進而達成減低采暖能耗的目標，保證住戶的舒適體驗。而在夏季工況下，日間將玻璃門開啟，為建筑物通風，同時，利用室內遮陽的方式，減少陽光直射，從而避免過度的使用空調，造成大量能耗。而在夜間的時候，相變材料則再次凝固放熱，在這個時候，住戶將全部窗戶開啟，利用空氣流動的方式，將熱量帶走，從而達成降溫節能的目的。

5 結語

總而言之，在“碳中和”理念的引導下，利用新型清潔能源進行建筑一體化，勢必是未來城市建筑發展的大趨勢。在這樣的時代背景下，有關企業應該肩負起使命感與責任感，在日常運行的過程中，不斷研究進行建筑一體化的方式方法，使其在保障正常生產生活的同時，減少碳排放，進而完成保護自然生態環境的根本目的。