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(shù)。

摘 要：隨著我國“碳達峰和碳中和”目標，即力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和目標的提出，發(fā)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(jīng)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(jié)合相關(guān)標準提出了超高層低碳技術(shù)框架和實施路徑，結(jié)合案例分析了技術(shù)路徑中低碳技術(shù)的適用性，最后以珠江城項目為例分析了低碳技術(shù)的具體應用情況。文章總結(jié)的技術(shù)路線和適應性技術(shù)可直接指導超高層建筑綠色低碳技術(shù)的選用，為超高層建筑朝著綠色低碳方向發(fā)展提供有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；標準分析；技術(shù)路徑；技術(shù)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(xiàn)碳中和”。《中國建筑能耗研究報告（2021）》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(lǐng)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(xiàn)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(fā)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(fā)展初期，目前國內(nèi)已發(fā)布的碳排放相關(guān)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(fā)展完善。

本文以已發(fā)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(shù)措施以指導建筑的設計、施工和運營，并以相應技術(shù)措施的選用情況作為評判依據(jù)。而低碳建筑不強調(diào)某一具體技術(shù)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%。《綠色超高層建筑評價標準》T/CECS727-2020的內(nèi)容設定更為詳細全面，還有較多與碳排放無關(guān)、但能提高規(guī)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(shù)定性選用上仍可繼續(xù)參考綠色建筑的成熟技術(shù)。但在定量計算碳排放量時需要依據(jù)《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(nèi)。

3超高層低碳建筑技術(shù)路徑

超高層綜合體對于可持續(xù)性來說既有有利因素又有不利因素。有利因素包括節(jié)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(jīng)濟發(fā)展等方面發(fā)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(nèi)空間環(huán)境和設備運行。

根據(jù)《碳中和建筑評價導則》（下文簡稱“碳中和導則”），建筑領(lǐng)域碳排放包括建材生產(chǎn)及運輸、建造及拆除、運行等建筑全生命期內(nèi)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(chǎn)及運輸階段的碳排放。結(jié)合表1總結(jié)的技術(shù)路徑，本文探討超高層建筑在建材生產(chǎn)運輸和運行兩個階段的低碳設計策略。

3.1建材生產(chǎn)運輸階段的低碳設計策略

建材生產(chǎn)運輸階段的碳排放包含建材原材料獲取和上游生產(chǎn)、原材料運輸至建材加工生產(chǎn)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(chǎn)階段的碳排放量，Cjc，i和Crm，j分別達標第i中建材的產(chǎn)品碳排放量和第j種原材料的產(chǎn)品碳排放量，Mjc，j代表第i種建材生產(chǎn)用第j種原材料的重量，Dj代表第i種建材生產(chǎn)用第j種原材料的平均運輸距離，Tj代表第i種建材生產(chǎn)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(chǎn)用第j種原材料的平均運輸距離，EFj代表第i種建材生產(chǎn)制造過程使用的第j種能源的碳排放因子。

結(jié)合公式（1）和（2），為了降低建材生產(chǎn)運輸階段的碳排放，超高層建筑應從“節(jié)材”和“本地化”兩方面實現(xiàn)低碳設計。參考綠色建筑設計措施，“節(jié)材”可包括：結(jié)構(gòu)優(yōu)化節(jié)材，材料循環(huán)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(huán)境產(chǎn)品聲明的綠色建材等，最終目的是減少建材用量。“本地化”指優(yōu)先采用本地化建材，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(guī)劃許可證范圍內(nèi)能源消耗產(chǎn)生的碳排放量和可再生能源及碳匯系統(tǒng)的減碳量，具體包括暖通空調(diào)、生活熱水、照明及電梯、可再生能源、建筑碳匯系統(tǒng)等。本文依據(jù)《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(tǒng)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(tǒng)的第i類能源消耗量，ERi，j代表j類系統(tǒng)消耗由可再生能源系統(tǒng)提供的第i類能源量，CP代表建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量，A代表建筑面積。

結(jié)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(xiàn)低碳設計。“減荷”指的是被動式設計節(jié)能，包括微環(huán)境設計、建筑本體設計、圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能和熱橋氣密性處理，約可實現(xiàn)節(jié)能15%的目標。“提效”指的是采用高性能機電設備、節(jié)能照明和電梯等措施，約可實現(xiàn)節(jié)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(jiān)測和運行管理系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)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(shù)和可再生能源實現(xiàn)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(qū)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(jié)能環(huán)保的摩天大廈”。與第2節(jié)提出的低碳技術(shù)措施一致，珠江城大廈主要通過節(jié)材、圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能、設備提效和可再生能源利用實現(xiàn)低碳超高層建筑，與同等規(guī)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(jié)構(gòu)優(yōu)化

項目進行了體型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。珠江城大廈體態(tài)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(chǎn)運輸階段的碳排放量。

4.2圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)

廣州地處夏熱冬暖地區(qū)，夏季炎熱，建筑遮陽技術(shù)是該地區(qū)節(jié)能技術(shù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jù)氣候與天氣條件的變化統(tǒng)一智能控制空腔內(nèi)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(tǒng)，充分應用了先進的革新技術(shù)，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(jié)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(diào)的冷負計算上可以節(jié)省25%的能耗。冷輻射吊頂不僅節(jié)能，還可以節(jié)省材料，吊頂系統(tǒng)可以使層高降低，增加了室內(nèi)空間的利用率。

4.4建筑光伏一體化

廣州地區(qū)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(fā)電系統(tǒng)設在珠江城東西兩個側(cè)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(cè)系統(tǒng)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(cè)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(nèi)及室外產(chǎn)生眩光影響。這種立面做法適應廣州地區(qū)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(fā)電時間上保障了建筑整體的太陽能發(fā)電效率。在經(jīng)濟效益方面，整個光伏系統(tǒng)總功率為24KWp，系統(tǒng)輸出電量為20164.4KWh/年。按照25年的使用期限可累計發(fā)電約50.41×104KWh，比傳統(tǒng)的發(fā)電模式節(jié)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(nèi)安裝了4個垂直軸風渦輪發(fā)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(fā)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(jù)測算，4臺風機每年可產(chǎn)電20多萬度，節(jié)約電費約17萬元，節(jié)能20%。

5結(jié)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(shù)路線，通過案例調(diào)研總結(jié)分析了低碳技術(shù)的適應性，指出在具體低碳技術(shù)選用上仍可繼續(xù)參考綠色建筑的成熟技術(shù)，具體包括5大類21種技術(shù)措施，并對具體技術(shù)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(shù)的應用情況。這五大類技術(shù)中，節(jié)材、圍護結(jié)構(gòu)節(jié)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(shù)措施。文章總結(jié)的技術(shù)路線和適應性技術(shù)可直接指導超高層建筑綠色低碳技術(shù)的選用，為超高層建筑朝著綠色低碳方向發(fā)展提供有益的借鑒。

參考文獻

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