基于碳中和理念的西安幸福林帶城市更新技術(shù)*

王 瑾，郝雨霏，令狐延，范明月，，馬慧勇

(1.中建絲路建設投資有限公司，陜西 西安 710075； 2.中建西安幸福林帶建設投資有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

2020年9月22日，中國國家主席習近平在聯(lián)合國大會上表示：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和”。2020年12月，習近平總書記在中央經(jīng)濟工作會議中指出，做好碳達峰、碳中和工作，要加快調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源機構(gòu)，推動煤炭消費盡早達峰。2021年3月15日，習近平總書記在中央財經(jīng)委員會第九次會議上指出，實現(xiàn)碳達峰、碳中和是異常廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局。

建筑業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，但仍屬于資源密集型、消耗型行業(yè)。2018年全國建筑全過程CO2排放總量為49.3億t，占全國碳排放總量的51.3%[1]，其中建材生產(chǎn)階段碳排放比重為28.3%、建筑施工階段碳排放比重為1%、建筑運行階段碳排放比重為21.9%[1]。建筑業(yè)節(jié)能減排成果將對國家實現(xiàn)“碳中和”目標產(chǎn)生重要影響[2]，減少建筑業(yè)對生產(chǎn)資源高度依賴和巨大浪費，推動低碳建筑、綠色建造，推動生產(chǎn)方式從資源驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變，可以實現(xiàn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]，踐行新發(fā)展理念，助力實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標。

西安幸福林帶項目通過在設計、施工、運營三大重要碳排放環(huán)節(jié)集成應用綠色建造與智慧建造技術(shù)，有效減少項目碳排放總量，助力實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)“碳中和”(見圖1)。項目的成功實施為后續(xù)大體量城市更新項目綠色建造提供了借鑒經(jīng)驗。

圖1 幸福林帶項目效果

1 工程概況

幸福林帶項目最早于1953年由蘇聯(lián)專家提出，用于隔離軍工企業(yè)生產(chǎn)、生活區(qū)域，由于多種歷史原因一直未實施。2003年時任西安市委書記栗戰(zhàn)書提出“還林于民”，幸福林帶建設被重新提上日程。2012—2016年，經(jīng)過多輪討論深化，西安市政府通過了幸福林帶區(qū)域的總體規(guī)劃、控規(guī)及概念方案。2017年1月，中建集團與西安市政府簽署《幸福林帶項目PPP合同》，幸福林帶建設進入實施階段。

幸福林帶項目南北長約5.85km，東西寬約210m(見圖2)，總用地面積123萬m2(約合1 843畝)。項目建設內(nèi)容包括地鐵工程5.85km，綜合管廊12.3km，市政道路12.4km，地下空間70.66萬m2(其中商業(yè)及公建配套42.6萬m2，地下車位7 600個)[4]。

圖2 幸福林帶項目

幸福林帶地上景觀綠化面積75.6hm2(約合1 134畝)，綠化覆蓋率達到85%。林帶全段種植高大喬木約25 000棵，灌木約22 000株，地被約40萬m2，如圖3所示。

圖3 幸福林帶項目實景

項目于2017年6月開工，建設期4年，計劃于2021年7月投入運營，運營期為21年。

2 綠色設計技術(shù)應用

幸福林帶項目全段按照綠建二星標準設計，圖書館、文化館按照綠建三星標準設計，并配合采用一系列節(jié)能措施，降低能耗，減少碳排放。通過綠建設計方式集成應用，幸福林帶項目獲得了德國綠色建筑DGNB鉑金證書。

2.1 結(jié)合風向與地裂縫走向?qū)崿F(xiàn)自然通風

幸福林帶位于西安市城東區(qū)域，常年風向東北偏東，與林帶地裂縫走向基本一致。項目對建筑布局優(yōu)化設計，將地裂縫范圍規(guī)劃為下沉廣場，不僅從結(jié)構(gòu)安全上滿足設計需求，還可以借助室外風走向來加強自然通風，減少室內(nèi)活動區(qū)域的漩渦和無風區(qū)。

與此同時，通過與新風系統(tǒng)有機結(jié)合，在正常天氣條件下優(yōu)先自然通風，惡劣天氣條件下(如霧霾天氣)采用新風空調(diào)結(jié)合PM2.5凈化系統(tǒng)解決室內(nèi)通風問題。通過自然通風減少區(qū)域建筑能源消耗，從而減少碳排放。

2.2 下沉廣場、雨滴開口設計實現(xiàn)地下空間地上化

通常情況下地下空間需要通過空調(diào)、新風系統(tǒng)實現(xiàn)空氣流通，即便如此，潮濕、陰暗、空氣質(zhì)量不高等情況也時常發(fā)生。

幸福林帶項目通過敞開空間設計，實現(xiàn)地下空間地上化。項目全段設計23個下沉廣場，34個形如雨滴的“雨滴開口”(見圖4)，平均每100m左右有1個開放空間，通過下沉廣場和雨滴開口，將陽光、空氣、雨水引入地下，不僅提高了地下空間的空氣質(zhì)量，緩解了地下空間壓抑、逼仄的環(huán)境，解決了地下空間消防難題[5]，還有效降低了建筑能耗，降低了碳排放。

圖4 “雨滴開口”設計

2.3 通過屋頂綠化降低建筑能耗

幸福林帶項目全段采用屋頂綠化形式，在地下空間頂板上方預留不低于2m厚的覆土進行綠化種植，將建筑物變?yōu)榭缮L、可呼吸的生態(tài)建筑(見圖5)。利用土壤穩(wěn)定的抗溫度波動特性，有效隔絕外界環(huán)境氣候?qū)κ覂?nèi)空間的干擾，減少冬季和夏季室內(nèi)空調(diào)負荷，降低建筑能耗、節(jié)約能源資源。

圖5 電影院屋頂綠化

2.4 使用地源熱泵節(jié)約運營成本

地源熱泵是以地下土壤層為冷(熱)源對建筑物進行供暖、供熱水和空調(diào)供應的技術(shù)(見圖6)，全年運行情況穩(wěn)定，不需要其他輔助熱源及冷卻設備即可實現(xiàn)冬季供熱、夏季供冷，是一項高效節(jié)能型、環(huán)保型并可實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)。幸福林帶項目采用結(jié)合筏板的地源熱泵系統(tǒng)，既不會污染地下水，又不會影響地面沉降，有效減少了能源消耗，同時實現(xiàn)了安全環(huán)保。

圖6 地源熱泵原理

3 綠色施工技術(shù)應用

綠色施工技術(shù)可以有效降低建筑施工過程能耗，實現(xiàn)資源節(jié)約和取得較好的環(huán)境效益[6]。幸福林帶項目全面應用綠色施工技術(shù)，在節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材、節(jié)水等方面大量應用綠色施工技術(shù)，減少能耗、節(jié)約資源、保護環(huán)境。

3.1 節(jié)能技術(shù)

項目在施工現(xiàn)場大量使用太陽能照明電桿、風動發(fā)電照明、太陽能庭院燈。使用自然資源實現(xiàn)“一舉三得”，既減少了能源和電線的使用，也節(jié)約了布線的人力成本。

3.2 節(jié)地技術(shù)

項目部初期利用周邊已有建筑1 300m2作為項目辦公場所，在林帶地下空間建成后利用夾層空間辦公，既節(jié)省了土地空間的使用，也避免了搭建臨時辦公場所所需的建筑材料浪費。

3.3 節(jié)材技術(shù)

項目在節(jié)材方面一是使用了清水混凝土技術(shù)，林帶范圍內(nèi)70萬m2天花板與8 556根柱(約2萬m2)均采用了清水混凝土技術(shù)，省去了混凝土抹灰找平工序，節(jié)約了約20 000m3的建筑抹灰用水泥砂漿；二是在車庫地坪使用高延性混凝土，將10cm厚度減少至2cm。通過大量節(jié)省建筑材料，有效減少建材生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放。

3.4 節(jié)水技術(shù)

項目全部綠化區(qū)域采用中水澆灌，按照園林綠化每天2L/m2的用水量計算，1天可節(jié)約市政用水1 285t。除此之外，項目還采用了地下水收集利用技術(shù)、基坑廢棄泥漿現(xiàn)場分離凈化技術(shù)、雨水就地滲透技術(shù)、生態(tài)混凝土植被復原技術(shù)等。

3.5 裝配式機房技術(shù)

裝配式技術(shù)是建筑行業(yè)綠色化和低碳化的主要發(fā)展方向[7]。林帶項目在運用數(shù)字化機房施工技術(shù)的基礎上，為全面施行裝配式機電做好技術(shù)儲備，實現(xiàn)了機房的裝配式建造。項目共建設裝配式機房10個，建筑面積約4 000m2。實踐證明裝配式機房安裝技術(shù)在建設工期、質(zhì)量保證、成本控制和綠色施工等方面，比傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場焊接有較大的綜合優(yōu)勢，符合綠色環(huán)保的發(fā)展要求[8]。

3.6 其他綠色施工技術(shù)應用

項目還使用了其他綠建技術(shù)，包括早拆模板技術(shù)、高強鋼筋利用技術(shù)、施工道路永臨結(jié)合技術(shù)、建筑垃圾粉碎再利用技術(shù)等。其中，建筑垃圾粉碎再利用技術(shù)解決了巨量建筑垃圾處理成本高、利用率低等問題[9]。

項目還使用了相應環(huán)境保護技術(shù)實現(xiàn)綠色施工并節(jié)省人力資源。但由于環(huán)保技術(shù)與人力資源節(jié)省技術(shù)在一定程度上會增加能源的使用，提高碳排放，在本文中不做詳細敘述。

4 智慧工地技術(shù)應用

智慧工地技術(shù)集成應用可以通過信息化的手段提升管理效率，從而減少施工過程浪費，減少碳排放量，實現(xiàn)綠色施工。

4.1 CIM技術(shù)優(yōu)化管理

幸福林帶項目通過CIM(city information modeling)全生命周期應用，建立可視三維模型，實現(xiàn)林帶內(nèi)所有設備、資產(chǎn)等數(shù)據(jù)和信息從模型中即時調(diào)用。通過虛擬世界里的“幸福林帶”，實現(xiàn)項目高度一體化管理，提升管理效率。

4.2 信息技術(shù)提高工作效率

項目一是通過創(chuàng)新的網(wǎng)格化管理模式，采用四級管理架構(gòu)促進信息傳遞，實現(xiàn)林帶所有道路通車時間提前2個月；二是使用BDP項目管理平臺，實時監(jiān)測項目現(xiàn)場進展情況，優(yōu)化部門協(xié)作機制，日常獲取項目數(shù)據(jù)至少減少3道程序，在不增加管理成本的情況下提高工作效率。

4.3 其他智慧工地技術(shù)應用

幸福林帶項目智慧工地建設還采用了工地無線節(jié)能監(jiān)測、空氣監(jiān)測及立體降塵噴霧聯(lián)動、塔式起重機限位及防碰撞遠程控制等措施；建立了辦公區(qū)及生活區(qū)智能廣播、互聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控及手機APP智能觸控展示等智慧工地系統(tǒng)。

5 智慧運營技術(shù)應用

根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2020》，我國建筑運行階段碳排放總量2019年達到21.1億t，占總碳排放的21.9%，建筑能效的提升可減排其中3.3億t的CO2，智慧運營技術(shù)的應用可以有效提升建筑能效，從而實現(xiàn)節(jié)能減排。

5.1 智慧平臺提升管理效率

以建設智慧城市為目標，林帶智慧平臺具有“六大特性、四大功能”，分別為：全天候運維、泛在感知、異構(gòu)互聯(lián)、流式大數(shù)據(jù)管理、知識發(fā)現(xiàn)、系統(tǒng)安全六大特性，可實現(xiàn)多系統(tǒng)無縫打通、3D可視化操作、智能運維分析、智慧應用快速擴展四大功能。平臺共設計326個應用點，并預留政務、公安、消防、救護等系統(tǒng)接口，對接西安智慧城市大腦，為智慧城市全面建設奠定基礎。

5.2 智慧能源系統(tǒng)實現(xiàn)價值創(chuàng)造

能源管理平臺結(jié)合各區(qū)域游客數(shù)量及外界環(huán)境條件實時分析，可實現(xiàn)11個空調(diào)區(qū)段分區(qū)自動控溫，在保障游客舒適度的基礎上節(jié)省能源消耗。結(jié)合智能照明、樓宇管理等多系統(tǒng)集合，可實現(xiàn)林帶范圍內(nèi)每年每平方米節(jié)電43度，每年節(jié)約成本超1 000萬元，同時有效減少了碳排放。

5.3 智慧訪客系統(tǒng)保障幸福生活

林帶智慧運營平臺采集林帶系統(tǒng)中基礎設施及人、車、物、環(huán)境、建筑等各方面的全面感知網(wǎng)絡，提供林帶即時信息，方便市民游客到訪，如圖7所示?！靶腋Ｊ忻裼慰汀卑鍓K通過智慧導引、掃碼識物等9個子系統(tǒng)，方便區(qū)域居民25萬人、游客上千萬人，真正實現(xiàn)“以人為本”的幸福林帶。

圖7 幸福林帶智慧平臺

6 項目碳中和效果

6.1 地下空間減排效果

地下空間具有天然的低碳屬性，在建筑節(jié)能和能源利用方面具有地面空間無法比擬的優(yōu)勢，利用地下空間構(gòu)建低碳城市，關(guān)鍵在于城市市政、交通、公共空間等系統(tǒng)的地下化，綜合化。因此，城市開發(fā)地下空間水平越高，城市低碳化水平就越高[10]。

張蓓紅等[11]對上海市居住建筑和公共建筑的建筑能耗進行了數(shù)據(jù)采集與調(diào)查，經(jīng)過統(tǒng)計分析，得到上海市居住建筑和公共建筑的建筑能耗統(tǒng)計資料，商場的全年能耗為1.89GJ/m2，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國每度電的消耗大概產(chǎn)生0.997kgCO2/kWh。地下建筑不受風霜雨雪和太陽輻射直接影響，工程內(nèi)的溫度波動范圍小，冷熱負荷均比地面建筑少。地下工程采暖、空調(diào)的耗能量約為地面同類型工程的10%[12]，故減少的CO2量為總碳排放量的0.9倍。根據(jù)計算可知，幸福林帶商業(yè)部分因使用地下空間區(qū)域每年可減少CO2排放量10.81萬t。

6.2 地面綠帶減排效果

林帶范圍內(nèi)地面綠化為75.6hm2，綠化率為85%，綠化面積共964畝(1畝≈666.67m2)。西安喬木森林每公頃的年碳匯量約為6.98t，本項目綠地每年吸收CO2量為：75.6×6.98×0.85=448.53t。

6.3 智慧運營減排效果

實現(xiàn)林帶范圍內(nèi)每年每平方米節(jié)電43度，按每度電的消耗大概產(chǎn)生0.997kg CO2計算，CO2減排總量為：426 000×43×0.997/1 000=18 263.05t。

6.4 林帶主要措施減排效果

通過將商業(yè)空間置于地下、在地面種植喬木森林及智慧運營等節(jié)能措施，林帶范圍內(nèi)每年將減少CO2排放量為：108 127+448.53+18 263.05=126 838.58kg，即12.68萬t。

6.5 林帶預估總碳排放量

由于幸福林帶暫未投入使用，無法統(tǒng)計建筑物實際能源消耗量，對運營期CO2排放量可按用電量暫估。本項目計劃用電總?cè)萘?.8萬kVA，考慮0.8的功率因素和30%的備用容量，按平均8h使用時間計算，林帶實際年用電量為：1 438 976 000kWh，折合CO2排放量為：143 465.91t。

如果本項目不采取地下空間開發(fā)、智慧運營等措施，開發(fā)同等規(guī)模的地上商業(yè)綜合體總的碳排放量應該是以上實際排放量與減排量之和，即為：

143 465.91+108 127+18 263.05=

269 855.96kg，即26.99萬t。

地上植樹產(chǎn)生的碳排放也變相減少了本項目總碳排放量，因此，本項目采用碳中和理念及應用相關(guān)技術(shù)措施，實現(xiàn)的減排貢獻率為：12.68/26.99×100%=47%。即本項目各種技術(shù)措施的減排貢獻率為47%。

其中植樹對于減排目標的貢獻為：

448.53/(26.99×10 000)×100%=0.17%

所以植樹對于減排和碳中和的影響是很有限的，但因為植樹能帶來氧氣的增加和生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化，因此也是一種有益的減排和碳中和措施。

7 結(jié)語

西安幸福林帶項目通過綠色建造、智慧建造與智慧運營技術(shù)集成應用，實現(xiàn)了該項目運營期年減排近14萬t的目標，減排貢獻率約為47%，極大地助力了區(qū)域碳中和目標的實現(xiàn)。

1)在設計階段，充分利用綠色建筑理念和設計技術(shù)，最大程度降低建設項目在使用階段的能耗，從源頭上減少碳排放。

2)在施工階段，使用綠色施工和智慧工地技術(shù)，通過節(jié)材、節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地等措施直接或間接減少建設期能耗與碳排放量。

3)在運營階段，采用智慧運營技術(shù)優(yōu)化管理，方便用戶使用，提升管理效率，減少了人力、財力、物力的浪費，有效降低運營期能耗與碳排放。

4)地面植樹對于碳中和的貢獻不大。

通過對幸福林帶項目節(jié)能減排技術(shù)的經(jīng)驗推廣，建設項目可以從設計、施工、運營3個環(huán)節(jié)減少建筑能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排，助力我國碳中和目標的實現(xiàn)，對后續(xù)城市更新項目具有較大的借鑒意義。