上海地區(qū)低碳建筑適用性技術(shù)集成研究與示范

何書申

上海浦公節(jié)能環(huán)保科技有限公司

引言

20世紀(jì)以來全球氣候變暖的問題越來越嚴(yán)重，溫室效應(yīng)正不斷威脅著地球的生態(tài)環(huán)境。日益增加的CO2排放量不僅使全球氣溫上升（連鎖反應(yīng)疊加可能會在50年內(nèi)上升4℃）、氣候極度動蕩，還會對陸地和海洋的分布狀況產(chǎn)生復(fù)雜而嚴(yán)重的影響?；谶@一背景提出的“低碳”正是為了減少CO2排放、降低溫室效應(yīng)、緩解全球氣候變暖和改善城市的生存環(huán)境。據(jù)美國綠色建筑委員會（USGBC）的測算，建筑領(lǐng)域所導(dǎo)致的溫室氣體排放量占全球總排放量的50%左右，CO2排放量占全球總排放量的60%左右，因此，研究低碳建筑對于城市低碳發(fā)展具有非常重要的意義[1]。

我國低碳建筑的建設(shè)和發(fā)展更是任重道遠(yuǎn)，目前對低碳建筑技術(shù)的推廣應(yīng)用，在技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟(jì)性缺乏相應(yīng)研究；由于中國幅員遼闊，不同氣候區(qū)低碳建筑建設(shè)過程中遇到的問題和挑戰(zhàn)不同，而目前還沒有針對上海地區(qū)氣候特點的低碳建筑適用性技術(shù)集成的研究。本文針對以上問題，開展上海地區(qū)低碳建筑的適用性技術(shù)集成研究及示范應(yīng)用，以促進(jìn)夏熱冬冷地區(qū)低碳技術(shù)的合理應(yīng)用，解決上海地區(qū)低碳建筑從建造到運營期間的節(jié)能減排問題[2]。

1 國內(nèi)外低碳建筑技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀研究

1.1 國外低碳建筑技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀研究

在歐洲，大約有1/2左右的生態(tài)和環(huán)境破壞是由建筑和工程造成。近30年來，歐洲發(fā)達(dá)國家致力于發(fā)展低碳與建筑節(jié)能，成果顯著。目前，歐洲每年的能源消耗有20%被浪費，這一數(shù)字將在2030年增加到70%。為實踐建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展，歐洲國家對現(xiàn)代建筑的基本理念是實現(xiàn)“低能耗、高舒適度”的完美結(jié)合，最大限度地利用自然能源，盡量減少能源與資源浪費，并致力推廣和實踐低碳、綠色的可持續(xù)發(fā)展建筑[3]。

1）德國夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒。盡管如此，德國將近1/3的基礎(chǔ)能源產(chǎn)品要被住宅供暖消耗。為尋求既節(jié)能又有利于環(huán)保的新的建筑技術(shù)方案，他們將一幢有70年歷史的老建筑經(jīng)過現(xiàn)代化低碳技術(shù)改造成了德國第一幢“3L房”。目前，“3L房”成為全球既有建筑節(jié)能改造的典范。“3L房”因其改造后m2/a消耗的采暖耗油量不超出3L（相當(dāng)于當(dāng)量煤約4.5kg）而得名。在改造過程中采用了4大低碳節(jié)能技術(shù)措施：加強圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能；使用具有內(nèi)墻“空調(diào)系統(tǒng)”作用的相變儲能隔熱砂漿技術(shù)；設(shè)置可回收熱量的通風(fēng)系統(tǒng)和燃料電池組作為小型動力站。經(jīng)過現(xiàn)代化改造，“3L房”采暖耗油量從20L降到了3L，CO2排放量減少了80%。

2）西班牙位于歐洲南部，屬于地中海氣候，該地區(qū)氣候的特點是冬天溫暖，夏天炎熱，通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備是主要的能源消耗點。其Atika住宅的建造采用了預(yù)制的模數(shù)化結(jié)構(gòu)體系。這種模數(shù)化的預(yù)制體系可節(jié)省約1/3建造時間，同時保證在數(shù)次拆裝后仍可保證更為精確的建筑結(jié)構(gòu)體系。并在設(shè)計中采用其他的低碳節(jié)能技術(shù)措施，如通過外墻的厚度與密度形成保溫與隔熱；白色的石灰板作為對日照最好的反射材料；利用上部懸挑的建筑構(gòu)建或窗上的百葉形成陰影；狹窄的街道和陽臺確保陰影面和空氣流通；并利用流動的水以達(dá)到降溫的效果。該住宅運用斜屋頂技術(shù)、低能耗策略、全方位的太陽能系統(tǒng)、樓宇智能化管理體系以及模數(shù)化等低碳建筑技術(shù)建造的一座歐洲最新的節(jié)能型住宅，是歐洲未來住宅的樣本。

3）英國為高緯度地區(qū)島國，氣候潮濕溫和，夏季氣溫適中，但冬季漫長寒冷，采暖期約有半年時間。2002年，英國貝丁頓社區(qū)將廢物、陽光、空氣和水充分利用，通過各種低碳技術(shù)措施減少建筑熱損失及充分利用太陽熱能，建成英國最著名的零碳排放社區(qū)。采用的技術(shù)中除太陽能利用、屋頂綠化、生物能轉(zhuǎn)化外，社區(qū)能源樹、薄膜電池等先進(jìn)理念、技術(shù)和設(shè)備設(shè)施也極具借鑒意義。其先進(jìn)的可持續(xù)發(fā)展設(shè)計理念及環(huán)保低碳技術(shù)的綜合利用，使該社區(qū)成為英國目前最先進(jìn)的零碳住宅小區(qū)[4]。

4）荷蘭、丹麥也較早開展建筑節(jié)能研究和技術(shù)的應(yīng)用。自建筑規(guī)劃設(shè)計開始，采取周密、有效的低碳建筑技術(shù)降低建筑能耗，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。如丹麥的太陽風(fēng)社區(qū)，在建筑設(shè)計過程引入可持續(xù)建筑的概念，提出被動的建筑設(shè)計，通過系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，采用隔熱建筑材料、斜屋頂技術(shù)，充分考慮通風(fēng)、朝向、窗戶更換、外墻保溫、適度使用主動式太陽能體系等技術(shù)，大大降低了供暖空調(diào)能耗及碳排放。

1.2 國內(nèi)低碳建筑技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀研究

我國在低碳建筑技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展方面已取得顯著的進(jìn)步，很多低碳建筑技術(shù)很早被應(yīng)用到公共建筑、商業(yè)建筑和民用住宅建筑。較典型的有：清華大學(xué)節(jié)能示范樓，其采用自然通風(fēng)、采光設(shè)計、外墻保溫技術(shù)、可再生能源利用等低碳建筑技術(shù)；上海朗潤園集成雨水收集利用、透水路面、中水回用、住宅工廠化、綜合外墻保溫、屋頂綠化、自平衡式通風(fēng)系統(tǒng)、太陽能集中供熱系統(tǒng)等低碳建筑技術(shù)；北京國奧村項目采用再生水熱泵冷熱源系統(tǒng)、集中式太陽能生活熱水系統(tǒng)、景觀花房生物污水處理系統(tǒng)、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)、LED建筑發(fā)光系統(tǒng)等低碳建筑技術(shù)；當(dāng)代MOMA項目采用多項先進(jìn)的建筑技術(shù)和工藝，應(yīng)用高效綠色能源系統(tǒng)、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，考慮節(jié)能設(shè)計、采光、通風(fēng)、隔聲、機電、空調(diào)、能源系統(tǒng)等多方面要求。上海世博會生動地宣傳了低碳、環(huán)保的生態(tài)新理念，為低碳建筑的設(shè)計開發(fā)提供了有益的參考。園區(qū)內(nèi)誕生了200多棟時尚綠色建筑，集中展示了各國的屋頂、墻體和立體綠化的新技術(shù)，展示了新能源應(yīng)用、節(jié)能減排的低碳生態(tài)新理念，成為一個精美絕倫的低碳建筑和環(huán)境保護(hù)的博覽會[5]。

總之，目前國內(nèi)外均將低碳建筑作為研究和發(fā)展重點，但是，低碳建筑的發(fā)展還存在很大的障礙。雖然低碳建筑長遠(yuǎn)看更經(jīng)濟(jì)且節(jié)約能源，但其大規(guī)模實施推廣取決于多項元素，包括社會觀念、科研水平、技術(shù)集成等，其中低碳建筑技術(shù)的發(fā)展是關(guān)鍵。

2 上海地區(qū)低碳建筑適用性技術(shù)研究

上海地區(qū)低碳建筑適用性技術(shù)的集成可分為5個方面的技術(shù)體系，如圖1所示：

圖1 低碳建筑技術(shù)體系框架

本文將著重從屋頂綠化技術(shù)、地源熱泵技術(shù)、建筑墻體節(jié)能技術(shù)及兼具墻體節(jié)能和太陽能利用功能的特倫布墻技術(shù)等3個方面進(jìn)行上海地區(qū)適用性進(jìn)行分析。

2.1 綠化系統(tǒng)低碳技術(shù)

《上海市屋頂綠化技術(shù)規(guī)范（試行）》（滬綠[2008]25號）中將屋頂綠化定義為：以建筑物、構(gòu)筑物頂部為載體，以植物為主體進(jìn)行配置，不與自然土壤接壤的綠化方式，是多種屋頂種植方式的總稱。屋頂綠化除擁有環(huán)境綠化功能外，還具備保護(hù)屋頂、建筑節(jié)能、自由種植的功能[6]。

屋頂綠化的基本類型分花園式屋頂綠化、組合式屋頂綠化和草坪式屋頂綠化。不同類型的屋頂綠化應(yīng)有不同功能定位，屋頂綠化既體現(xiàn)生態(tài)效益，又體現(xiàn)景觀效應(yīng)，應(yīng)有相應(yīng)的面積指標(biāo)要求。屋頂綠化建設(shè)指標(biāo)如表1所示。

表1 屋頂綠化建設(shè)指標(biāo)參考

常規(guī)屋頂?shù)淖龇òńY(jié)構(gòu)層、保溫隔熱層以及防水層。對于屋頂綠化而言，其構(gòu)造層自建筑屋頂向上依次為：耐根穿刺防水層、排（蓄）水層、隔離過濾層、基質(zhì)層、種植層。耐根穿刺防水層是為了防止植物的根部由于向地性而突破防水層，從而破壞屋頂?shù)谋馗魺嵝Ч?。排（蓄）水層直接影響屋頂植物生長的好壞。隔離過濾層置于排水層之上、基質(zhì)層之下，其作用是防止基質(zhì)層顆?；蚱渌镔|(zhì)調(diào)入排水層，使排水管道產(chǎn)生堵塞等問題?；|(zhì)層為植物提供賴以生存的條件。植被層做法很多，可根據(jù)使用者對于屋頂綠化的需求選擇。在選擇屋頂綠化的物種時，應(yīng)注意以下幾個方面的問題：①盡量選擇耐旱抗凍的植物；②選擇易于移植、成活率高的植物；③選擇無須過多養(yǎng)護(hù)的植物；④植物應(yīng)以常綠為主。

2.2 建筑能源供給低碳技術(shù)

在上海地區(qū)公共建筑中應(yīng)用地源熱泵均存在冷熱平衡問題，因此在應(yīng)用地源熱泵時，必須結(jié)合建筑負(fù)荷特性，針對地源冷熱不平衡問題進(jìn)行設(shè)計、分析和運行管理。辦公建筑相對冷熱不平衡率較小，可采用夏季調(diào)峰措施解決長期運行地源平衡問題；賓館的冷熱平衡問題較辦公建筑較大，但由于賓館存在全年熱水負(fù)荷需求，因此相當(dāng)于是對空調(diào)負(fù)荷不平衡的天然調(diào)節(jié)，可根據(jù)具體計算達(dá)到平衡，最適合采用地源熱泵系統(tǒng)；商業(yè)建筑由于用能特點，冷熱不平衡率最大，不宜單純采用土壤源熱泵作為冷熱源，適宜采用地表水源作為夏季主要冷源，冬季輔助調(diào)峰措施[7]。

2.3 建筑墻體節(jié)能技術(shù)適用性研究

在上海建筑節(jié)能發(fā)展過程中，對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)尤其是墻體部分實施保溫隔熱是一項重要的技術(shù)措施。墻體節(jié)能技術(shù)為上海地區(qū)建筑節(jié)能推進(jìn)做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。目前上海地區(qū)建筑墻體主要技術(shù)有外墻保溫系統(tǒng)、外墻內(nèi)保溫系統(tǒng)、外墻自保溫系統(tǒng)以及外墻復(fù)合保溫系統(tǒng)。

針對上海地區(qū)低碳建筑墻體節(jié)能技術(shù)的適用性總結(jié)如下：上海地區(qū)建筑墻體節(jié)能技術(shù)的發(fā)展重點應(yīng)適合本地區(qū)氣候和建筑特點。在功能要求方面，此類技術(shù)和產(chǎn)品既要有良好的保溫性能，又要具備有效的隔熱性能，同時還兼有防潮、防霉等功能。在材料性能要求方面，應(yīng)具有耐久性好（與建筑同壽命）、防火性優(yōu)（A級不燃型）、輕質(zhì)高強、不易變形收縮等性能。此外還應(yīng)考慮原材料資源豐富、施工方便、價格適中、便于維修保養(yǎng)等因素。從目前上海地區(qū)現(xiàn)有的墻體節(jié)能技術(shù)分析，墻體自保溫系統(tǒng)、裝配式復(fù)合墻板系統(tǒng)（PC板）以及內(nèi)外墻組合保溫系統(tǒng)將是未來發(fā)展的重點。

2.4 特倫布墻在住宅建筑中適用性研究

特倫布墻是以法國的菲利克斯特倫布博士的名字而命名，其最外層是一層透明玻璃，既能保存熱量又不會阻擋陽光的射入。玻璃內(nèi)采用了蓄熱性能較好的墻體，上端和下端均有透氣孔以交換室內(nèi)外空氣。墻體與玻璃間有一段空間，可讓空氣形成環(huán)流[8]。

上海地區(qū)特倫布墻技術(shù)在應(yīng)用時需考慮2方面問題：（1）住宅戶型的適應(yīng)性。特倫布墻的設(shè)置一般情況下是利用南向墻面豐富的太陽資源設(shè)置,為此，在平面設(shè)計中宜將全部居室朝南,以充分接受太陽能,其他輔助房間可置于其他朝向。同時要考慮，在裝有特倫布墻的進(jìn)深方向越小越有利于這種被動式太陽能技術(shù)的發(fā)揮。（2）特倫布墻位置的適應(yīng)性。合理的平面設(shè)計可讓特倫布墻充分服務(wù)到建筑的各個角落，同時，特倫布墻的位置的選擇將很大程度影響特倫布墻的工作效率。部件之間的遮擋是影響特倫布墻工作的一大因素，例如，雨棚、陽臺之類的突出部件都有可能在陽光最強烈的黃金時段對蓄熱體形成了遮擋，從而影響對熱輻射的蓄積。所以當(dāng)雨棚和陽臺等部件無法避免時，在對特倫布墻的設(shè)置上，應(yīng)當(dāng)避免與上述部件的垂直布置。

3 上海地區(qū)低碳建筑適用性技術(shù)試點研究

本文以上海市某零碳館為試點，對低碳適用性進(jìn)行了探索。零碳館為四層辦公建筑，建筑面積為2 800m2。零碳館通過低碳技術(shù)的集成與示范應(yīng)用，實現(xiàn)該建筑從規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、使用維護(hù)到材料回收全生命周期的零碳排放。

3.1 技術(shù)體系

零碳館的節(jié)能減排技術(shù)體系包括能源供給低碳技術(shù)、維護(hù)結(jié)構(gòu)低碳技術(shù)、建筑設(shè)備低碳技術(shù)和建筑辦公系統(tǒng)低碳技術(shù)。能源供給低碳技術(shù)采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。零碳館頂部為太陽能旋轉(zhuǎn)采集器，根據(jù)太陽輻射方位角跟蹤采集太陽能，使太陽能利用效率最大化。上海地區(qū)屬于北亞熱帶南部季風(fēng)氣候，溫和濕潤，四季分明、光照充足。維護(hù)結(jié)構(gòu)低碳技術(shù)采用了墻體保溫隔熱技術(shù)、門窗節(jié)能技術(shù)（Low-E中空玻璃門窗、窗戶內(nèi)遮陽）和生態(tài)屋頂?shù)鹊吞脊?jié)能技術(shù)。建筑設(shè)備低碳技術(shù)采用管道保溫隔熱技術(shù)、自然通風(fēng)技術(shù)、自然采光、變頻空調(diào)技術(shù)、節(jié)能光源燈具應(yīng)用技術(shù)以及節(jié)能控制技術(shù)等?？照{(diào)變頻技術(shù)采用全變頻壓縮系統(tǒng)技術(shù)，以IPLV6.0實現(xiàn)能源效率最大化，容量變化精確，實現(xiàn)室內(nèi)精準(zhǔn)控溫。零碳館節(jié)能光源采用了LED節(jié)能燈具。

3.2 資源回收

零碳館采用了較多的資源回收技術(shù)，包括雨水收集處理與回收利用技術(shù)及垃圾源頭分類技術(shù)。上海地區(qū)的表層基本為黏土，土壤耐壓能力差，滲透系數(shù)小（接近零），地下水位不高，部分地區(qū)的水位小于1m。上海屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年雨水充足，但全年降雨并不均勻，尤其是每年汛期6～9月的降雨量約占全年降雨量的55%以上。雨水在收集、滯留過程中，通過蒸騰、下滲等作用，可以改善小氣候條件，減少城市中熱島效應(yīng)，從而在局部創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境。根據(jù)《上海市城市生活垃圾分類設(shè)施設(shè)備配置導(dǎo)則（試行）》規(guī)定，辦公場所日常生活垃圾按照可回收物、有害垃圾、其他垃圾（干垃圾）等分成3類。按規(guī)定配置生活垃圾容器間或小型壓縮式收集站。垃圾容器間或小型壓縮式收集站應(yīng)配置可回收物、有害垃圾和其他垃圾收集容器，并可配置可回收物壓縮打包設(shè)備。

3.3 智能低碳

零碳館利用室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測與管理、建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測與管理、建筑碳排放數(shù)據(jù)管理等數(shù)據(jù)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)零碳館的智慧低碳運維。室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與管理主要包括室內(nèi)空氣質(zhì)量、室內(nèi)熱舒適、室內(nèi)聲環(huán)境和室內(nèi)光環(huán)境等方面。針對零碳館室內(nèi)環(huán)境運營管理要求，選擇CO2這個主要反映人員活動產(chǎn)生污染的指標(biāo)作為監(jiān)測空氣質(zhì)量的傳感器指標(biāo)，在熱舒適指標(biāo)中，溫度和相對濕度是最主要的參數(shù)，它們直接影響人體的熱感覺。零碳館能耗數(shù)據(jù)采集的類型主要有設(shè)備實時功率、累計用電量、燃?xì)饬?、水量等。按照照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊用電4個分項對零碳館的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。在基于能耗分項計量數(shù)據(jù)的技術(shù)上，通過上海地區(qū)的碳排放計算模型對該建筑碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測與管理。

4 小結(jié)

通過對德國、西班牙、英國地區(qū)的零碳建筑使用技術(shù)研究，了解目前國內(nèi)外低碳建筑的發(fā)展現(xiàn)狀及國內(nèi)外所使用的建筑低碳節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀。通過對上海地區(qū)低碳建筑適用性技術(shù)及集成體系研究，明確目前上海地區(qū)使用的建筑低碳節(jié)能技術(shù)。通過以上海市某零碳館使用能源供給低碳技術(shù)、維護(hù)結(jié)構(gòu)低碳技術(shù)、建筑設(shè)備低碳技術(shù)和建筑辦公系統(tǒng)低碳技術(shù)，實現(xiàn)該建筑從規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、使用維護(hù)到材料回收全生命周期的零碳排放，為建設(shè)低碳建筑提供了借鑒。