碳中和理念下的建筑一體化設(shè)計(jì)研究

邵宏偉

中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司 河北 石家莊 050021

建筑行業(yè)是我國(guó)碳排放的重要領(lǐng)域之一，根據(jù)權(quán)威部門(mén)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每建成1棟建筑，就會(huì)向大氣層排放0.8t碳，為自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅。在碳中和的理念下，我國(guó)有關(guān)部門(mén)、企業(yè)在日常工作中應(yīng)當(dāng)積極履行兩山理論，用清潔能源取代污染較大的傳統(tǒng)能源，大力推動(dòng)建筑一體化設(shè)計(jì)，捍衛(wèi)我國(guó)生態(tài)環(huán)境，完成人與自然的和諧共存。

1 碳中和理論概述

碳中和理念（Carbon neutral）又被稱之為碳補(bǔ)償，是時(shí)下最為重要的環(huán)保理念之一。該理念指的是企業(yè)、個(gè)人、團(tuán)隊(duì)在日常工作、生活的過(guò)程中，計(jì)算自己所排放的二氧化碳，按照得出的數(shù)據(jù)，委托專業(yè)的企業(yè)通過(guò)環(huán)保項(xiàng)目對(duì)排出的二氧化碳進(jìn)行抵消。

在碳中和視域下，施工方在選擇建材、設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行施工、維護(hù)建筑的過(guò)程中始終秉持著低碳環(huán)保的理念，從根源上保證碳排放量的最小化，減少二氧化碳對(duì)于生態(tài)環(huán)境的影響。本文因?yàn)槠拗?，本文以?yīng)用最為廣泛的光伏建筑一體化與風(fēng)能建筑一體化作為切入點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 光伏建筑一體化

2.1 光伏建筑一體化的形式與特點(diǎn)

光伏地面系統(tǒng)自誕生伊始，主要服務(wù)于游牧家庭、偏遠(yuǎn)山區(qū)和孤島居民等特定群體。但自從上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始，該系統(tǒng)日益完善，世界公民環(huán)保理念逐漸增加。在這樣的歷史背景下，該系統(tǒng)獲得了廣泛的應(yīng)用。并于1991年由德國(guó)的旭格公司首次提出了光伏發(fā)電與建筑集成推動(dòng)了低碳建筑的繁榮與發(fā)展。就目前而言，光伏與建筑的結(jié)合主要有如下兩種策略。

2.1.1 光伏系統(tǒng)和建筑結(jié)合

工作人員將封裝完畢的光伏組件（如：曲面板或平板）在建筑處進(jìn)行安裝，并將安裝好的光伏組件與控制器、蓄電池、逆變器等設(shè)備連接。在條件允許的前提下，光伏系統(tǒng)還可以和公共電網(wǎng)關(guān)聯(lián)。通過(guò)這種方式，可以減少煤炭資源的消耗，減少二氧化碳排放，維護(hù)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。目前常見(jiàn)的結(jié)合方式如下文所述：

第一，BIPV屋頂。施工人員可以將BIPV組件安裝在屋頂上，從而形成光伏屋面。該屋面有下述優(yōu)勢(shì)，（1）光伏屋面更容易接收太陽(yáng)能資源。（2）屋頂安裝光伏方陣可以利用屋頂空閑空間，節(jié)省院子的空間。（3）光伏屋面靠近電力系統(tǒng)，能減少企業(yè)總體造價(jià)。

第二， BIPV幕墻。BIPV組件可以在建筑外墻上替代傳統(tǒng)幕墻，形成光伏幕墻、光伏窗間墻等。BIPV組件直接作為幕墻面板，與支撐結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成光伏幕墻，適用于透光和不透光建筑幕墻。

2.1.2 光伏器件與建筑結(jié)合

就目前而言，將建筑材料和光伏器件集成化也是一種很常見(jiàn)的一體化建筑方式。具體地說(shuō)，有關(guān)企業(yè)、個(gè)人可以將部分建材替換為先進(jìn)的光伏器件，制造電量，滿足建筑物的日常使用。但值得重視的是，由于建筑行業(yè)的特性，故此，對(duì)于充當(dāng)建材的光伏器件要求相對(duì)而言比較高。其應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：堅(jiān)固結(jié)實(shí)、隔熱保溫、防潮防水、剛度適當(dāng)。如果該光伏器件作用于窗戶，那么該光伏器件必須具備一定的透光性，保證建筑內(nèi)部的采光。

2.2 光伏建筑一體化的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)筆者的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，光伏建筑一體化建筑具有如下優(yōu)勢(shì)：第一，光伏設(shè)備占地面積相對(duì)小。隨著我國(guó)的快速發(fā)展，大城市虹吸效應(yīng)較強(qiáng)，我國(guó)一二線城市土地價(jià)格相對(duì)較高。光伏陣列占地面積小，安裝在屋頂與墻面即可，可以有效提高土地的使用率；第二，光伏陣列可以原地發(fā)電，不需要具體的運(yùn)輸環(huán)節(jié)，可以有效減少企業(yè)（住戶）的用電成本；第三，在我國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)，夏季較為炎熱，風(fēng)扇、空調(diào)等制冷設(shè)備運(yùn)行率高，為國(guó)家電網(wǎng)帶來(lái)了沉重的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。而光伏陣列可以為電網(wǎng)供電，減少電網(wǎng)的供電壓力。

2.3 我國(guó)光伏建筑一體化發(fā)展

我國(guó)作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國(guó)，為了推動(dòng)低碳環(huán)保事業(yè)，近些年來(lái)由政府相關(guān)部門(mén)引導(dǎo)，積極發(fā)展太陽(yáng)能光伏技術(shù)。在“九五期間”我國(guó)北京、上海兩地分別建設(shè)了17kWp、7kWp光伏發(fā)電屋頂，并且順利地完成了并網(wǎng)發(fā)電。以香港理工大學(xué)為代表的科研單位，將發(fā)展光伏建筑一體化技術(shù)視為科研重點(diǎn)，取得了顯著的成就。早在2018年時(shí)，中國(guó)漢能便在北京大會(huì)堂發(fā)布了漢瓦產(chǎn)品，推動(dòng)了光伏發(fā)電的進(jìn)程。根據(jù)權(quán)威部門(mén)預(yù)計(jì)，在未來(lái)的數(shù)年中，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)將以每年20%的速度發(fā)展[1]。

2.4 光伏建筑一體化實(shí)例介紹

位于丹麥奧爾胡斯市的“生命之家”是光伏建筑一體化的典型代表。生命之家產(chǎn)生的能源不但能夠滿足一家人的實(shí)際需求，還有多余的電力反饋電網(wǎng)。在生命之家中，設(shè)計(jì)人員采用了兩種光伏發(fā)電技術(shù)：①太陽(yáng)能集熱板。設(shè)計(jì)師在兩個(gè)屋頂窗間放置了六塊太陽(yáng)能集熱板。該建筑65%的能源需求都由太陽(yáng)能集熱板進(jìn)行提供，按照丹麥有關(guān)部門(mén)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這些集熱板在每一年中，可以產(chǎn)生兩千千瓦時(shí)的電量。②太陽(yáng)能電池技術(shù)。在生命之家的屋頂窗上，安裝有由太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)的遮陽(yáng)卷簾，其可以減少九成的太陽(yáng)熱量，增加窗體的隔熱性[2]。

3 風(fēng)能建筑一體化

3.1 風(fēng)能建筑一體化的形式與特點(diǎn)

就目前而言，風(fēng)能是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的可再生資源之一，其具有分布廣泛、零污染的優(yōu)勢(shì)，深受各國(guó)能源部門(mén)的青睞與喜愛(ài)。所謂的風(fēng)能建筑一體化，指的是將風(fēng)能組件安裝在建筑本體當(dāng)中。在進(jìn)行底層建筑建設(shè)的時(shí)候，施工人員可以將發(fā)電組件安裝在空曠的位置里面，這種安裝方式不但可以保證風(fēng)能的利用，還可以行之有效地保持建筑的美觀性。由于發(fā)電裝機(jī)越高，風(fēng)能資源越為豐富的基本特點(diǎn)。故此，有關(guān)企業(yè)在進(jìn)行風(fēng)能建筑一體化的過(guò)程中，往往青睞于將風(fēng)能發(fā)電機(jī)放置在屋頂處。同時(shí)可以按照風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際分布形式，與風(fēng)道的垂直方向設(shè)置高科技風(fēng)電機(jī)組。故此，在進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的時(shí)候，新能源利用理念應(yīng)該貫徹在平面設(shè)計(jì)、剖面設(shè)計(jì)和建筑材料選擇當(dāng)中[3]。

值得重視的是，風(fēng)能一體化建筑雖然污染較低，但是這一發(fā)電方式在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，也客觀存在一定的缺陷，主要有以下四點(diǎn)：（1）雖然我國(guó)風(fēng)力資源非常豐富，但是，地區(qū)分布并不均勻，內(nèi)蒙古與甘肅北部風(fēng)力較為豐富，而江浙一代風(fēng)力資源相對(duì)而言比較貧乏。故此，在企業(yè)（個(gè)人）利用風(fēng)能的時(shí)候，往往需要建造大量的風(fēng)力儲(chǔ)蓄設(shè)備，極大程度地提升了施工成本；（2）不穩(wěn)定性。風(fēng)能受季節(jié)影響較大，春秋冬風(fēng)力資源豐富，夏季風(fēng)力資源貧乏。故此，風(fēng)能發(fā)電并不穩(wěn)定，給大規(guī)模地運(yùn)用造成了障礙；（3）缺乏經(jīng)濟(jì)性。就目前而言，雖然風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用相對(duì)廣泛，但是尚未發(fā)展成熟，效率地，投入高，很難滿足社會(huì)發(fā)展的實(shí)際需求。

故此，設(shè)計(jì)單位在采用風(fēng)能建筑一體化的之前，應(yīng)該對(duì)建筑周遭情況和使用者的情況進(jìn)行周密地考察，根據(jù)結(jié)果選擇是否采用該方式。此外，為了保證建筑本身的視覺(jué)效果，部分建筑會(huì)用直線排列的風(fēng)機(jī)取代傳統(tǒng)的矩形網(wǎng)狀排列的風(fēng)機(jī)[4]。

3.2 風(fēng)力建筑一體化結(jié)合方式

3.2.1 風(fēng)機(jī)安裝在屋頂上

眾所周知，在現(xiàn)代城市當(dāng)中往往有大量高層建筑物，因?yàn)榻ㄖ锏淖钃?，建筑物上訪的會(huì)產(chǎn)生氣流分層的情況，形成劇烈的紊流，導(dǎo)致風(fēng)速在短時(shí)間內(nèi)加快。英國(guó)權(quán)威企業(yè)對(duì)建筑物周圍的風(fēng)場(chǎng)展開(kāi)了模擬分析，發(fā)現(xiàn)建筑物附近風(fēng)速與沒(méi)有受到阻擋的氣流高兩成左右。故此，為了保證風(fēng)力發(fā)電的效率與質(zhì)量，將風(fēng)機(jī)安裝在屋頂上，成為了目前較為常見(jiàn)的風(fēng)力建筑一體化方式[5]。

由于風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的時(shí)候，通常會(huì)產(chǎn)生噪音與振動(dòng)。故此，為了減少噪音污染，常用于建筑風(fēng)機(jī)尺寸通常較小。此類風(fēng)機(jī)形式大致可以分為水平軸、垂直軸兩種。水平軸風(fēng)機(jī)具有啟動(dòng)速度慢、風(fēng)向影響大的權(quán)限。故此，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，必須風(fēng)機(jī)垂直設(shè)置才能保證發(fā)電效率與質(zhì)量。與此同時(shí)，如果小型風(fēng)機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)一定角度的時(shí)候，風(fēng)機(jī)發(fā)電效率也會(huì)得到顯著的提高。而垂直軸風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，并不會(huì)被風(fēng)向所限制，只要風(fēng)流動(dòng)，風(fēng)機(jī)葉片就可以良好地轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)快，振動(dòng)小，深受各建筑企業(yè)的青睞與喜愛(ài)。但垂直軸的缺陷也十分明顯，即：運(yùn)行時(shí)離心力大。故此，采用垂直軸的風(fēng)機(jī)半徑不能過(guò)大[6]。

3.2.2 風(fēng)機(jī)安裝在兩座建筑之間

在風(fēng)機(jī)企業(yè)放置于兩座建筑物間的時(shí)候，因?yàn)槌鞘薪ㄖ旱挠绊?，大部分城市中不具有固定的主?dǎo)風(fēng)向。故此，建筑物應(yīng)當(dāng)做如下設(shè)計(jì) 。第一，腎形斷面、飛鏢形斷面，并且，表面光滑的建筑物具有良好的斂風(fēng)效果。第二，翼形建筑，或者在建筑物里面開(kāi)洞，并且將風(fēng)機(jī)放置于其中時(shí)，能夠減少氣流流失，提高發(fā)電效率。第三，在建筑形體設(shè)計(jì)合理的前提下，能夠?qū)?0°-50°范圍中的所有氣流，集中于風(fēng)機(jī)上。值得重視的是，在建筑物中開(kāi)洞，并且將風(fēng)機(jī)設(shè)置在洞中的時(shí)候，那么，只有少數(shù)氣流能集中在風(fēng)機(jī)上。

3.2.3 風(fēng)能建筑一體化實(shí)例介紹

由土耳其著名設(shè)計(jì)師Hayri Atak設(shè)計(jì)迪拜旋轉(zhuǎn)大樓是風(fēng)能建筑一體化的典型代表。該大廈的中心部門(mén)為柱狀，由特殊鋼構(gòu)建而成，硬度低，韌性高，可以很好地?cái)烤哿魍ǖ臍饬鳌Ｔ诖髲B內(nèi)部，單獨(dú)的片狀結(jié)構(gòu)組成了每一樓板，每?jī)蓪拥牡匕迳希荚O(shè)置了大量可以發(fā)電的風(fēng)力渦輪機(jī)。在旋轉(zhuǎn)大樓運(yùn)行的過(guò)程中，建筑物中的大量風(fēng)力渦輪機(jī)不但可以讓大樓不斷旋轉(zhuǎn)，制造視覺(jué)奇觀，還可以制造大量的電力，不僅可以實(shí)現(xiàn)自我供電，并且還能給大樓的用戶和周圍的其他建筑物提供充足穩(wěn)定的電量供應(yīng)。

4 相變儲(chǔ)能一體化

4.1 相變儲(chǔ)能一體化的形式與特點(diǎn)

相變儲(chǔ)能材料是一種新興的被動(dòng)節(jié)能建筑材料，由于其具有節(jié)能效果顯著、溫度控制恒定的特點(diǎn)，獲得我國(guó)建筑行業(yè)的廣泛關(guān)注。其作用原理為：在固液相變的過(guò)程中，控制材料的儲(chǔ)能量與相變溫度，從而將熱量?jī)?chǔ)藏在相變材料里面，如果需要釋放熱量，建筑的持有者可以通過(guò)控制材料溫度的方式，將相變材料轉(zhuǎn)換狀態(tài)，釋放其中的熱量。

相變儲(chǔ)能材料具有下述優(yōu)勢(shì)：第一，在相變的過(guò)程中，通常是近似等溫，抑或是等溫的過(guò)程，溫度的變化會(huì)始終保持在比較小的范圍內(nèi)，保證住戶體驗(yàn)的舒適；第二，相變材料的相變潛熱較高，而是少量材料便可以存儲(chǔ)大量的熱量，和以磚石、混凝土代表的傳統(tǒng)儲(chǔ)熱材料相比，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)要求不大，在進(jìn)行一體化建設(shè)的時(shí)候，可以使用更為靈活的形式。

4.2 相變儲(chǔ)能一體化結(jié)合方式

4.2.1 相變Trombe墻體技術(shù)

相變Trombe墻由空氣通道建筑墻體、上下?lián)醢濉⑸舷嘛L(fēng)口、玻璃蓋板以及相變材料等部分組成。在冬季時(shí)，太陽(yáng)能輻射會(huì)通過(guò)墻體的玻璃蓋板抵達(dá)相變材料層，一些熱量會(huì)對(duì)通道內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱，熱空氣不斷上升，此時(shí)，將上下風(fēng)口、上下?lián)醢尻P(guān)閉，這就會(huì)讓空氣在建筑內(nèi)部產(chǎn)生熱循環(huán)。而殘留的熱量則會(huì)被相變材料所吸收，隨后通過(guò)輻射傳熱的方式，為住戶提供熱量。而在夏季時(shí)，住戶將上下?lián)醢彘_(kāi)啟，上下風(fēng)口關(guān)閉，讓室外空氣與空氣通道間形成回路，通過(guò)這種方式，可以帶走熱量，達(dá)到降溫的效果。而在夜間，相變材料則會(huì)將儲(chǔ)存的熱量釋放，同時(shí)將集熱墻上下通風(fēng)口，通風(fēng)降溫，帶給住戶良好的居住體驗(yàn)。

4.2.2 附加陽(yáng)光間相變儲(chǔ)能技術(shù)

除了Trombe墻體技術(shù)以外，相變儲(chǔ)能附加陽(yáng)光間也是一種常見(jiàn)的相變儲(chǔ)能一體化措施，該技術(shù)通常是由蓄熱層、上下風(fēng)口、相變材料、陽(yáng)光間等部分組成，通常會(huì)依附于建筑南面，在冬季里，住戶在白天開(kāi)啟墻體上下風(fēng)口，太陽(yáng)輻射經(jīng)由玻璃抵達(dá)陽(yáng)光間，空氣被加熱后，不斷上升，從上風(fēng)口步入室內(nèi)，減少室內(nèi)冷空氣。而在夏季，白天將陽(yáng)光間開(kāi)啟、墻體上下風(fēng)口關(guān)閉，如果溫度已經(jīng)提升到相變溫度的時(shí)候，此時(shí)，相變材料就會(huì)不斷吸收周圍熱量，從而減少室內(nèi)溫度；夜晚，則將通風(fēng)窗與上下風(fēng)口開(kāi)啟，保證空氣流通，從而達(dá)到降溫的目的。

4.2.3 相變儲(chǔ)能一體化實(shí)例介紹

重慶大學(xué)團(tuán)隊(duì)在2021年參加中國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽時(shí)的參賽作品“斜屋”便是相變儲(chǔ)能一體化的優(yōu)秀案例。該建筑的造型為45°斜屋面造型，通過(guò)這一造型，能夠讓太陽(yáng)能板能吸收最多太陽(yáng)能，并且產(chǎn)生夾層空間。這一設(shè)計(jì)模式不但給予建筑的DIY的空間，同時(shí)，也能形成氣候緩沖區(qū)，最根本上避免外界環(huán)境對(duì)于室內(nèi)的造成影響。在“斜屋”中，陽(yáng)光間地面、墻體均為相變材料。在冬季工況下，白日將熱量吸收到相變材料中，而在夜晚釋放熱量，進(jìn)而達(dá)成減低采暖能耗的目標(biāo)，保證住戶的舒適體驗(yàn)。而在夏季工況下，日間將玻璃門(mén)開(kāi)啟，為建筑物通風(fēng)，同時(shí)，利用室內(nèi)遮陽(yáng)的方式，減少陽(yáng)光直射，從而避免過(guò)度的使用空調(diào)，造成大量能耗。而在夜間的時(shí)候，相變材料則再次凝固放熱，在這個(gè)時(shí)候，住戶將全部窗戶開(kāi)啟，利用空氣流動(dòng)的方式，將熱量帶走，從而達(dá)成降溫節(jié)能的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在“碳中和”理念的引導(dǎo)下，利用新型清潔能源進(jìn)行建筑一體化，勢(shì)必是未來(lái)城市建筑發(fā)展的大趨勢(shì)。在這樣的時(shí)代背景下，有關(guān)企業(yè)應(yīng)該肩負(fù)起使命感與責(zé)任感，在日常運(yùn)行的過(guò)程中，不斷研究進(jìn)行建筑一體化的方式方法，使其在保障正常生產(chǎn)生活的同時(shí)，減少碳排放，進(jìn)而完成保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境的根本目的。