建筑圍護(hù)系統(tǒng)的低碳節(jié)能發(fā)展方向

孟 迪 劉海江 李浩然

當(dāng)前的建筑圍護(hù)系統(tǒng)正處在一個(gè)重大的變革時(shí)期，不再是滿足基礎(chǔ)性能的保障，更多被賦予了高節(jié)能、舒適性等諸多屬性。在“雙碳”的戰(zhàn)略背景下，建筑圍護(hù)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能應(yīng)用，能否實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展，對(duì)整個(gè)國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。這意味著要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，低碳節(jié)能技術(shù)在建筑維護(hù)系統(tǒng)上的深度應(yīng)用將成為新的發(fā)展方向。

1 “雙碳”背景

2020 年9 月，習(xí)近平總書(shū)記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上的講話中提出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！?/p>

我國(guó)碳排放與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在達(dá)峰晚、總量大的問(wèn)題，建立綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系，確保實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)是勢(shì)在必行的。我國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，也是世界上最大的建造商，有義務(wù)也有能力做好“雙碳”工作，這是中國(guó)作為負(fù)責(zé)任的大國(guó)對(duì)世界的承諾與擔(dān)當(dāng)[1]。

2 碳排放現(xiàn)狀

21 世紀(jì)以來(lái)，全球碳排放量增長(zhǎng)迅速，2000 ～2019 年，全球二氧化碳排放量增加了40%。2019 年，全球碳排放量達(dá)343.6 億噸，創(chuàng)歷史新高。

2020 年，受新冠疫情影響，世界各地區(qū)碳排放量普遍減少。從碳排放地區(qū)及國(guó)家分布來(lái)看，2020 年亞太地區(qū)二氧化碳排放量最大，占比52.38 %，其次為北美地區(qū)和歐洲地區(qū)，分別為16.59 %和11.23 %。從國(guó)家分布情況來(lái)看，2020年中國(guó)二氧化碳排放量為98.94 億噸，全球排名第一；美國(guó)二氧化碳排放量為44.32 億噸，全球排名第二；印度二氧化碳排放量為22.98 億噸，全球排名第三。

3 建筑行業(yè)碳排放現(xiàn)狀

根據(jù)中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù)，建筑全過(guò)程碳排放總量占總排放量1/2 以上，其中建筑材料占比28.3 %；運(yùn)行階段占比21.9 %，施工階段占比1%。

從我國(guó)目前的城市化進(jìn)程來(lái)看，城鎮(zhèn)化率已經(jīng)突破60 %，預(yù)計(jì)2035 年城鎮(zhèn)化率將達(dá)到75 %左右。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，將推動(dòng)著建筑行業(yè)的運(yùn)行碳排放比重也將不斷增長(zhǎng)?？梢?jiàn)碳中和背景下，我國(guó)建筑行業(yè)的減碳之路任重道遠(yuǎn)[2]。

4 政策導(dǎo)向

作為一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略決策，我國(guó)提出的碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，不僅是技術(shù)問(wèn)題，也不僅是單一的能源、氣候環(huán)境問(wèn)題，而是一個(gè)影響廣泛和深遠(yuǎn)的社會(huì)問(wèn)題，勢(shì)必對(duì)各行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

在推動(dòng)以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)上，工業(yè)、建筑、交通等能源消費(fèi)端需要做出更大貢獻(xiàn)。實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，需要消費(fèi)端的技術(shù)突破，工業(yè)、建筑、交通等傳統(tǒng)高碳排行業(yè)是額外減排的重點(diǎn)，應(yīng)通過(guò)低碳技術(shù)脫碳實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。工信部提出綠色制造，加快推進(jìn)新能源高質(zhì)量發(fā)展，引導(dǎo)光伏企業(yè)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新、提質(zhì)降本。住建部提出要不斷提高新建綠色建筑的比例，并對(duì)綠色建筑標(biāo)識(shí)的申報(bào)和審查程序、標(biāo)識(shí)管理等做了相應(yīng)規(guī)定。

5 建筑圍護(hù)系統(tǒng)的節(jié)能發(fā)展趨勢(shì)

建筑維護(hù)系統(tǒng)節(jié)能發(fā)展趨勢(shì)主要包括綠色建材應(yīng)用、減少建設(shè)材料用量、提高系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化程度、提升建筑裝配化程度、高性能的遮陽(yáng)隔熱保溫系統(tǒng)、充分利用清潔能源等。

面對(duì)雙碳目標(biāo)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。嚴(yán)控新建項(xiàng)目的能耗、物耗及碳排放，加快節(jié)能降碳先進(jìn)工藝技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用；在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，全力開(kāi)發(fā)綠色低碳環(huán)保型產(chǎn)品，加快提升高端幕墻產(chǎn)品供給水平，并形成規(guī)?；瘧?yīng)用。

針對(duì)上述目標(biāo)，可從如下方面進(jìn)行幕墻系統(tǒng)的減碳、固碳研究工作。

5.1 提升產(chǎn)品性能，減少能源損失

建筑維護(hù)產(chǎn)品的高性能主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的高密封性和高保溫性。建筑熱量的消耗主要通過(guò)幕墻結(jié)構(gòu)的傳熱和空氣滲透產(chǎn)生熱能損失。建筑的傳熱是以輻射、對(duì)流、導(dǎo)熱三種方式同時(shí)進(jìn)行。節(jié)能設(shè)計(jì)重點(diǎn)是合理控制熱通道的手段，以減少熱損失，達(dá)到節(jié)能目的[3]。下面幾個(gè)方面可供設(shè)計(jì)參考。

5.1.1 面材性能的提升

作為幕墻面材，玻璃的熱損失占建筑能耗的50%以上。玻璃內(nèi)表面的傳熱以輻射為主，占58%，采用Low-E 鍍膜工藝改變玻璃性能減少熱能損失的方法是最為有效的。此外，在Low-E 鍍膜工藝基礎(chǔ)上的多層中空玻璃結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步提升了面材的熱工性能，試驗(yàn)證明中空層最佳的厚度為12 ～16 mm，即達(dá)到阻隔傳導(dǎo)作用又避免產(chǎn)生對(duì)流。

5.1.2 框材性能的提升及新型保溫材料的應(yīng)用

對(duì)于框支式幕墻，金屬框架是影響系統(tǒng)整體熱工性能的薄弱環(huán)節(jié)。隔熱鋁型材是提高熱工性能的主要手段,其技術(shù)措施主要有幾種：調(diào)整隔熱條尺寸及形狀；在隔熱條形成的空腔內(nèi)填充發(fā)泡材料，減少熱輻射；應(yīng)用鋁合金-聚氨酯復(fù)合型材，提升密封性，減小熱傳遞；采用膠條、尼龍條等對(duì)框料內(nèi)部空腔進(jìn)行分割，減少輻射傳熱。

在幕墻系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造上可通過(guò)增加熱工性能好的保溫材料提高系統(tǒng)整體隔熱性能，如巖棉、聚苯乙烯泡沫塑料板或氣凝膠墊等。

5.1.3 構(gòu)造設(shè)計(jì)的節(jié)能保障措施

遮陽(yáng)系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑中不可或缺的部分，完整的遮陽(yáng)系統(tǒng)完美而和諧地統(tǒng)一了建筑的采光與遮陽(yáng)節(jié)能。建筑遮陽(yáng)分為構(gòu)造遮陽(yáng)和材料遮陽(yáng)兩大類，構(gòu)造遮陽(yáng)主要通過(guò)結(jié)構(gòu)造型裝飾翼、遮陽(yáng)百葉等途徑實(shí)現(xiàn)內(nèi)外遮陽(yáng)效果。材料遮陽(yáng)主要通過(guò)面材的材料特性實(shí)現(xiàn)其遮陽(yáng)功能，如調(diào)光玻璃、溫變玻璃、織物面材等，既達(dá)到建筑整體美觀效果，又實(shí)現(xiàn)了隔阻室外大部分陽(yáng)光熱量進(jìn)入室內(nèi)[4]。

雙層呼吸式幕墻與傳統(tǒng)的單層幕墻相比，最大特點(diǎn)是在內(nèi)外兩層幕墻之間形成一個(gè)通風(fēng)換氣層。通風(fēng)換氣層形成自下而上的空氣循環(huán)，使內(nèi)側(cè)幕墻玻璃溫度達(dá)到或接近室內(nèi)溫度，形成優(yōu)越的溫度條件，達(dá)到節(jié)能效果，同時(shí)對(duì)隔音，光污染等帶來(lái)顯著改善。也可通過(guò)系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的微氣候控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多種循環(huán)形式的通風(fēng)，改變微氣候。

5.2 清潔能源與建筑的結(jié)合

隨著石化能源的日益枯竭和人類生存環(huán)境的日益惡化，清潔能源的開(kāi)發(fā)利用成為發(fā)展的主流。將光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與幕墻系統(tǒng)完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑維護(hù)系統(tǒng)的低碳減排。

5.2.1 BIPV 光伏建筑一體化技術(shù)應(yīng)用

隨著光伏組件種類的日益繁多，進(jìn)一步滿足了建筑師對(duì)透光性、顏色、質(zhì)感等方面的設(shè)計(jì)要求，也推動(dòng)了光伏建筑一體化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，我國(guó)常規(guī)光伏已步入平價(jià)，為BIPV 大規(guī)模推廣提供了重要的基礎(chǔ)條件。在“十四五”期間通過(guò)解除光伏成本和協(xié)同兩大限制因素后，光伏裝機(jī)容量可能達(dá)到30 ～50 GW，對(duì)應(yīng)市場(chǎng)規(guī)模在1 500 ～2 500 億元。

利用光伏發(fā)電技術(shù)與幕墻系統(tǒng)相結(jié)合，在建筑的屋面、層間、立面及采光頂?shù)炔课辉O(shè)置發(fā)電單元。不同的建筑位置適用不同特性的光伏組件，其分類包括：晶體硅電池（包括單晶硅、多晶硅和帶狀硅等）、非晶硅電池、薄膜光伏電池（包括銅銦鎵硒、碲化鎘等）、鈣鈦礦電池等。其中晶硅類組件是目前發(fā)展最成熟并應(yīng)用最廣泛的光伏組件，適用于光伏屋頂、光伏采光頂及立面層間位置。相比晶硅組件，碲化鎘薄膜組件具有弱光效應(yīng)好、透光率高等特點(diǎn)，更適用于幕墻立面，可最大限度利用建筑的表面增加有效發(fā)電面積，滿足多角度建筑發(fā)電需求。

光伏系統(tǒng)安裝之后，用戶最關(guān)心的是發(fā)電量，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到用戶的投資回報(bào)。影響發(fā)電量的因素很多，如天氣、溫度、組件轉(zhuǎn)換效率、逆變效率、電纜的線損、組件安裝朝向方位角、傾斜角度、灰塵、陰影遮擋、組件和逆變器容配比系統(tǒng)方案、線路設(shè)計(jì)、施工、電網(wǎng)電壓等諸多因素。

一般光伏組件的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到15 %至25 %左右,逆變效率基本上可以達(dá)到97 %左右，電纜線損一般在2 %左右。光伏組件的安裝角度包含兩個(gè)角度：即傾角和方位角。傾角（高度角），即光伏組件與水平地面之間的夾角；方位角，即光伏組件的朝向與正南方向的夾角。無(wú)論是傾角，還是方位角，對(duì)于具體項(xiàng)目而言都是受限于建筑本身的結(jié)構(gòu)特性的。光伏組件在組串時(shí)，為使系統(tǒng)獲得最大效率，應(yīng)重點(diǎn)考慮接至同一臺(tái)逆變器的光伏組件的規(guī)格類型、串聯(lián)數(shù)量及安裝角度應(yīng)保持一致。同時(shí)，逆變器電壓越接近額定工作電壓，效率越高，發(fā)電量收益越好，則串聯(lián)數(shù)量最佳。

針對(duì)光伏幕墻系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，以薄膜太陽(yáng)能組件作為發(fā)電單元為例，規(guī)格面積1.6 m×1.2 m=1.92 m2為市場(chǎng)常規(guī)薄膜組件發(fā)電功率為250 W，光電轉(zhuǎn)換率為13 %，每平米組件發(fā)電功率約為130 W。按三類地區(qū)太陽(yáng)能輻射量測(cè)算（我國(guó)按日照時(shí)長(zhǎng)共分為五類地區(qū)），年光照時(shí)長(zhǎng)約為2 600 小時(shí)，組件應(yīng)用于建筑采光頂位置，每平米光伏組件年發(fā)電量為130×2 600=338 kW·h=338 度電，以一座1 000 m2的采光頂建筑面積為例，考慮采光頂坡度傾角、方位角及衰減損耗等因素，按80%效率考慮（如立面等位置考慮傾角問(wèn)題會(huì)有更大折減），年發(fā)電總量為338×0.8×1 000=270 400 度電。按商業(yè)用電電費(fèi)（0.73 元/度）計(jì)算，年產(chǎn)生收益270 400×0.73=19.74 萬(wàn)元。

按目前市場(chǎng)幕墻用光伏系統(tǒng)建設(shè)成本7 元/瓦計(jì)算，總成本約91 萬(wàn)，其成本回收期約為91÷19.74=4.6 年。綜合考慮太陽(yáng)能電池組件光電轉(zhuǎn)換率逐年衰減及過(guò)程養(yǎng)護(hù)成本等因素，成本回收期估計(jì)在5 至7 年左右。

按組件一般壽命的25 年測(cè)算，總發(fā)電收益約為493.5 萬(wàn)元，節(jié)約一次性能源約2 366 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可減排二氧化碳6 739 噸，二氧化硫58.4 噸，煙塵41.2噸，煤渣1 066 噸。

光伏與建筑結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)可以從三個(gè)方面來(lái)看，分別是：建筑、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)。從建筑上看，可以最大限度的利用空間面積，無(wú)需額外占用土地資源；從經(jīng)濟(jì)上看，可以就近發(fā)電、用電，節(jié)約電站建設(shè)和電力輸送成本；從技術(shù)上看，光伏組件吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，在利用清潔能源發(fā)電的同時(shí)，對(duì)建筑起到節(jié)能減排效果。

5.2.2 風(fēng)能的利用

風(fēng)能作為重要的可再生能源，在建筑中主要有兩種利用形式，一種是被動(dòng)式利用，如自然通風(fēng)和排氣，降低對(duì)機(jī)械能源的消耗；另一種是主動(dòng)式利用，其中最常見(jiàn)的就是風(fēng)力發(fā)電。將風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與建筑相結(jié)合，讓建筑作為風(fēng)力強(qiáng)化和收集的載體。風(fēng)力發(fā)電較太陽(yáng)能而言，它的成本優(yōu)勢(shì)明顯，如何使得風(fēng)力發(fā)電和建筑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)、在建筑周圍設(shè)置小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)而又不影響人的生活質(zhì)量，現(xiàn)已成為建筑行業(yè)能源研究的焦點(diǎn)。

目前已經(jīng)有案例開(kāi)始利用風(fēng)力發(fā)電裝置為建筑供能。如滬上“第一高樓”上海中心大廈，就在其塔冠上裝配著270臺(tái)垂直軸渦輪發(fā)電機(jī)，可每年為大廈提供119 萬(wàn)度綠色電力，供屋頂和觀光層中的設(shè)備使用。

5.3 與建筑融合的綠植幕墻系統(tǒng)應(yīng)用

依托垂直綠化技術(shù)的綠植幕墻，可以改善建筑微氣候環(huán)境，實(shí)現(xiàn)固碳功能。綠植幕墻是將綠植沿建筑幕墻外立面攀附固定形成的垂直綠化系統(tǒng)，可以為城市增加有效的綠化面積，有效擴(kuò)大城市的綠化范圍，提升綠化覆蓋率，在空間的維度上實(shí)現(xiàn)建筑的吸碳運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)真正意義的碳中和[5]。

5.3.1 綠植幕墻系統(tǒng)構(gòu)成

綠植幕墻系統(tǒng)主要包括：定植結(jié)構(gòu)、支撐框架、自動(dòng)微滴灌系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)及各類相關(guān)附件等。其外延配套還可以與雨水收集系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合。

5.3.2 綠植幕墻的意義

生態(tài)效益：改善空氣質(zhì)量，吸收碳排放；調(diào)節(jié)溫度和濕度；控制噪音。社會(huì)效益：拓展綠化空間、城市多樣化需要；減少光污染；保護(hù)建筑物。經(jīng)濟(jì)效益：綠植幕墻自身的使用價(jià)值；裝飾綠化后的景觀效益；景觀功能所產(chǎn)生的吸引人們購(gòu)買欲望的潛在價(jià)值等。

5.3.3 綠植幕墻的節(jié)能效果。

據(jù)測(cè)定，應(yīng)用綠植覆蓋的建筑墻面溫度通?？山档? ～7 ℃，空氣相對(duì)濕度可以提高10 ～20 %，室溫降低3 ～5℃。一座面積約5 000 m2的綠植幕墻，年節(jié)能量約為7.2 萬(wàn)度，減少二氧化碳排放66.32 噸。

6 結(jié)語(yǔ)

建筑圍護(hù)系統(tǒng)的低碳節(jié)能發(fā)展是一項(xiàng)全方位的綜合性系統(tǒng)工程，涉及到系統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)、遮陽(yáng)技術(shù)、材料技術(shù)、能源技術(shù)、仿生技術(shù)等，也涉及設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、管理、政策法規(guī)等諸多部門(mén)。

為達(dá)到有效的建筑圍護(hù)系統(tǒng)低碳節(jié)能，只靠建筑設(shè)計(jì)師是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要相關(guān)行業(yè)、企業(yè)協(xié)同配合開(kāi)發(fā)出高效節(jié)能產(chǎn)品，如高熱工性能的面材、框材，高轉(zhuǎn)化效率的光伏組件，更加高效節(jié)能的生產(chǎn)加工工藝等，使建筑圍護(hù)系統(tǒng)在全生命周期范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)真正意義的低碳節(jié)能。