辦公建筑的零碳趨勢及策略研究

李 梁

氣候變暖政府專家委員會(IPCC)指出,全球平均溫度持續(xù)升高,氣候變遷跡象日趨顯著,若無法遏止,將嚴重影響人類生存環(huán)境。據(jù)美國USGBC組織報道,建筑領域所導致的溫室氣體排放量占全球排放總量的1/2左右。如何在建筑領域中實現(xiàn)“零碳”化,對于緩解氣候變化與改善生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。

“零碳”建筑的涵義:按照全壽命周期理論,可將零碳建筑定義為:在材料與構(gòu)件生產(chǎn)、規(guī)劃與設計、建造與運輸、運行與維護直到拆除與處理的全循環(huán)過程中,建筑向外界環(huán)境排放的二氧化碳量凈值為零。這里之所以強調(diào)凈值,是因為絕對的“零碳”排放是不現(xiàn)實的,我們可以通過建筑自身利用清潔能源并將多余的能量輸入電網(wǎng),或者通過“碳稅”“碳中和”等措施來補償壽命周期內(nèi)的排放,從而在全社會層面實現(xiàn)零碳。

1 辦公建筑的碳足跡與能耗分析

1)碳足跡。碳足跡一詞來源于英語單詞“Carbon Footprint”。維斯百科關于這個詞的解釋是:A carbon footprint is the total amount of CO2and other greenhouse gases emitted over the full life cycle of aproduct or service。本文將碳足跡定義為:一項活動或產(chǎn)品在整個生命周期過程中所直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳的排放量。相對于溫室氣體排放量,碳足跡的不同之處在于它是從消費者出發(fā),破除所謂“有煙囪才有污染”的概念。

2)辦公建筑的能耗分析。研究零碳辦公建筑,首先需要了解辦公建筑的能耗構(gòu)成情況,才能制定出有針對性的策略。在現(xiàn)代辦公建筑當中,人工照明耗能最大,可以占到30%。在某些項目中甚至可能高達50%。由于對自然光的高度需求,辦公建筑窗戶面積往往比住宅、商場、賓館類建筑大,因此建筑的采暖與制冷能耗分別達到25%和9%。

2 “零碳”辦公設計策略

辦公建筑的“零碳”化可以分為兩個階段:第一階段為建筑的有效設計,體現(xiàn)為自然采光、自然通風等被動式技術(shù)的應用、建筑的朝向選址、功能布局、體型系數(shù)等多方面的設計,提高能源的利用效率,并減少人工設備所消耗的能源。第二階段則指在建筑中利用太陽能、風能、生物能等清潔能源,取代傳統(tǒng)化石能源,以達到二氧化碳的零排放。本文著重討論自然光、通風及清潔能源在辦公建筑的利用。

1)自然光的利用。在傳統(tǒng)辦公建筑中,自然光一般通過窗戶進入室內(nèi),自然光的利用與建筑的平面形狀和進深具有直接的關系。比如在一個長寬均為30 m的建筑平面中,距離外側(cè)墻面5 m以內(nèi)區(qū)域具備充足的自然光線,而進深5 m～10 m內(nèi)為局部采光區(qū),進深大于10 m的則為無采光區(qū)域。在大體量建筑中利用自然光,可結(jié)合平面布置中庭或天井,或?qū)ζ矫嫘螤钸M行變異以減小建筑進深(見圖1)。

現(xiàn)代化的集中型辦公建筑,一般進深較大,傳統(tǒng)的采光手段已無法滿足要求。為了解決這個問題,可以通過空中花園、中庭采光、光反射系統(tǒng)、導光管等先進采光系統(tǒng)來實現(xiàn)建筑中自然光線的利用。中庭由于具有玻璃幕墻或玻璃頂棚,可以有效地利用自然光。良好的自然采光通過窗戶和中庭進入室內(nèi)的各個角落,人工照明只是在必要的情況下才采用?？罩谢▓@為高層辦公建筑提供活動場所的同時,也可為辦公場所提供自然光線,解決大進深空間的采光問題。

2)自然通風。除非高溫高濕氣候條件下要求中央空調(diào),一般辦公建筑都具有自然通風的潛力。采用自然通風具有以下幾點優(yōu)勢:a.提供新鮮、清潔的自然空氣,有利于人體的生理和心理健康;b.室外空氣的引入可以為建筑降溫,實現(xiàn)被動式制冷,在不消耗不可再生能源的情況下,改善室內(nèi)熱環(huán)境。

自然通風在實現(xiàn)原理上有利用風壓、利用熱壓、風壓與熱壓相結(jié)合等幾種形式。通常情況下,建筑的自然通風并非風壓或熱壓的單一模式,而是兩者互為補充,密不可分。在建筑構(gòu)造上,可通過中庭、雙層幕墻、風塔、門窗、屋頂?shù)葮?gòu)件的優(yōu)化設計,來實現(xiàn)良好的自然通風效果。

我們這里介紹一下雙層幕墻的通風技術(shù)。這種技術(shù)利用了兩層表皮中的空氣間層進行通風,解決了高層辦公難以自由開窗的困窘,因此被稱為“會呼吸的皮膚”。在冬季,通過關閉底部的通道,在雙層幕墻間形成陽光溫室,從而長時間保持室內(nèi)溫度的平衡。在夏季,通過打開底部的通道,利用煙囪效應進行通風。由下而上的氣流帶走了雙層玻璃幕墻之間大量輻射熱的同時,也引入了新鮮的室外空氣。這種系統(tǒng)在建筑中的運用越來越廣泛,如RWE總部外側(cè)為單片玻璃幕墻,而內(nèi)側(cè)采用了雙層中空玻璃幕墻。兩者之間為50 cm寬的空腔,在腔內(nèi)安裝了能自動調(diào)節(jié)控制的百葉遮陽裝置(見圖2)。由于外層的玻璃阻擋了高空強大的風力,內(nèi)層窗戶可以開啟,從而實現(xiàn)室內(nèi)的自然通風。

3)太陽能利用。通過太陽能光熱及技術(shù)轉(zhuǎn)化手段,可以把太陽能和建筑的能源供給進行有效結(jié)合。太陽能在建筑中的應用包括兩個方面:被動式和主動式兩種。被動式通過建筑的朝向、環(huán)境布置、內(nèi)部空間及外部形體處理,來選擇、集取、儲存太陽能。主動式通過集熱器、風機等裝置來主動利用太陽能。主動式可以更有效的利用太陽能并把其轉(zhuǎn)化為其他能源如電能等。技術(shù)主要包括:太陽能光電系統(tǒng)、太陽能墻加熱系統(tǒng)等。

a.太陽能光電系統(tǒng)(PV)。太陽能光電系統(tǒng)(PV)是將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)。光電系統(tǒng)(PV)其系統(tǒng)性能可靠,整體系統(tǒng)的可輸配性、可集成性好;而且壽命長、設備簡單、不污染環(huán)境,是一種理想的可再生能源技術(shù)。b.太陽能墻加熱系統(tǒng)。太陽能墻加熱系統(tǒng)是太陽能空氣加熱系統(tǒng)的總稱,包括特朗伯墻、TAP墻、太陽能墻、太陽能水墻等等。特朗伯墻主要是通過建筑外圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱性進行采暖的方式,其工作原理是將集熱墻向陽的一面涂以深色的選擇性涂層,使該墻體成為集熱和儲熱器,在夜間又成為放熱體。在離集熱墻外表面10 cm左右設置玻璃蓋板,玻璃蓋板與集熱墻之間形成空氣通道。夏季時通過煙囪效應強化自然通風,達到降溫的目的。冬季時,利用溫室效應加熱空氣,并通過對流循環(huán)用以室內(nèi)采暖,如圖3所示。

4)風能利用。風能在建筑中的利用是將風能轉(zhuǎn)化為電能,利用葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能來運轉(zhuǎn)辦公空間的制冷與供暖設備。

辦公項目大部分建于城市中,由于城市的風力環(huán)境復雜性,風能的利用不僅要考慮建筑的高度及進深,更重要的是對場地周圍風環(huán)境的風速、風向的整體考量。小型風力渦輪發(fā)電機是一種比較適合辦公建筑的利用形式。

另外,微型風機的研究利用已進入建筑師的視野當中。國外年輕的建筑師Agustin Otegu認為,在“Nano-vent Skin”概念方案中,設計了一套具備生物自我修復功能的微型渦輪發(fā)電機組,機組呈網(wǎng)格化布置并與建筑外表皮形成整體化設計。NVS系統(tǒng)由一系列的微型渦輪組成,渦輪尺寸為25 mm×10.8 mm,通過風能與太陽光線的利用產(chǎn)生能源。如同人類通過皮膚感受涼風一樣,當微風從表皮掠過時,微型渦輪機組開始旋轉(zhuǎn)發(fā)電,所產(chǎn)生的能量經(jīng)網(wǎng)絡輸入建筑的用電系統(tǒng)。

3 結(jié)語

目前辦公建筑總體能耗較大,相應的技術(shù)手段不夠成熟完善,無法完全依靠建筑本體自身來實現(xiàn)零碳排放。歐洲多個國家已通過制定稅收等財政金融政策發(fā)展“零碳經(jīng)濟”。比如可以通過購買碳稅的手段,或者以投入資金的方式在異地栽植樹木來抵消建筑所排放的二氧化碳,抵消建筑的碳足跡,實現(xiàn)全球總體上的零碳平衡。作為一種趨勢研究,“零碳”辦公對未來辦公建筑的發(fā)展方向與相應的設計策略具有積極的、現(xiàn)實的意義。

[1] 西安建筑科技大學綠色建筑研究中心.綠色建筑[M].北京:中國計劃出版社,1999:6.

[2] 李華東.高技術(shù)生態(tài)建筑[M].天津:天津大學出版社,2000.

[3] 李保峰.適應夏熱冬冷地區(qū)氣候的建筑表皮之可變化設計策略研究[D].北京:清華大學博士學位論文,2004.

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[7] http://www.carbonfootprint.com.