办公建筑的零碳趋势及策略研究

李 梁

气候变暖政府专家委员会(IPCC)指出,全球平均温度持续升高,气候变迁迹象日趋显著,若无法遏止,将严重影响人类生存环境。据美国USGBC组织报道,建筑领域所导致的温室气体排放量占全球排放总量的1/2左右。如何在建筑领域中实现“零碳”化,对于缓解气候变化与改善生态环境具有非常重要的意义。

“零碳”建筑的涵义:按照全寿命周期理论,可将零碳建筑定义为:在材料与构件生产、规划与设计、建造与运输、运行与维护直到拆除与处理的全循环过程中,建筑向外界环境排放的二氧化碳量净值为零。这里之所以强调净值,是因为绝对的“零碳”排放是不现实的,我们可以通过建筑自身利用清洁能源并将多余的能量输入电网,或者通过“碳税”“碳中和”等措施来补偿寿命周期内的排放,从而在全社会层面实现零碳。

1 办公建筑的碳足迹与能耗分析

1)碳足迹。碳足迹一词来源于英语单词“Carbon Footprint”。维斯百科关于这个词的解释是:A carbon footprint is the total amount of CO2and other greenhouse gases emitted over the full life cycle of aproduct or service。本文将碳足迹定义为:一项活动或产品在整个生命周期过程中所直接或间接产生的二氧化碳的排放量。相对于温室气体排放量,碳足迹的不同之处在于它是从消费者出发,破除所谓“有烟囱才有污染”的概念。

2)办公建筑的能耗分析。研究零碳办公建筑,首先需要了解办公建筑的能耗构成情况,才能制定出有针对性的策略。在现代办公建筑当中,人工照明耗能最大,可以占到30%。在某些项目中甚至可能高达50%。由于对自然光的高度需求,办公建筑窗户面积往往比住宅、商场、宾馆类建筑大,因此建筑的采暖与制冷能耗分别达到25%和9%。

2 “零碳”办公设计策略

办公建筑的“零碳”化可以分为两个阶段:第一阶段为建筑的有效设计,体现为自然采光、自然通风等被动式技术的应用、建筑的朝向选址、功能布局、体型系数等多方面的设计,提高能源的利用效率,并减少人工设备所消耗的能源。第二阶段则指在建筑中利用太阳能、风能、生物能等清洁能源,取代传统化石能源,以达到二氧化碳的零排放。本文着重讨论自然光、通风及清洁能源在办公建筑的利用。

1)自然光的利用。在传统办公建筑中,自然光一般通过窗户进入室内,自然光的利用与建筑的平面形状和进深具有直接的关系。比如在一个长宽均为30 m的建筑平面中,距离外侧墙面5 m以内区域具备充足的自然光线,而进深5 m～10 m内为局部采光区,进深大于10 m的则为无采光区域。在大体量建筑中利用自然光,可结合平面布置中庭或天井,或对平面形状进行变异以减小建筑进深(见图1)。

现代化的集中型办公建筑,一般进深较大,传统的采光手段已无法满足要求。为了解决这个问题,可以通过空中花园、中庭采光、光反射系统、导光管等先进采光系统来实现建筑中自然光线的利用。中庭由于具有玻璃幕墙或玻璃顶棚,可以有效地利用自然光。良好的自然采光通过窗户和中庭进入室内的各个角落,人工照明只是在必要的情况下才采用。空中花园为高层办公建筑提供活动场所的同时,也可为办公场所提供自然光线,解决大进深空间的采光问题。

2)自然通风。除非高温高湿气候条件下要求中央空调,一般办公建筑都具有自然通风的潜力。采用自然通风具有以下几点优势:a.提供新鲜、清洁的自然空气,有利于人体的生理和心理健康;b.室外空气的引入可以为建筑降温,实现被动式制冷,在不消耗不可再生能源的情况下,改善室内热环境。

自然通风在实现原理上有利用风压、利用热压、风压与热压相结合等几种形式。通常情况下,建筑的自然通风并非风压或热压的单一模式,而是两者互为补充,密不可分。在建筑构造上,可通过中庭、双层幕墙、风塔、门窗、屋顶等构件的优化设计,来实现良好的自然通风效果。

我们这里介绍一下双层幕墙的通风技术。这种技术利用了两层表皮中的空气间层进行通风,解决了高层办公难以自由开窗的困窘,因此被称为“会呼吸的皮肤”。在冬季,通过关闭底部的通道,在双层幕墙间形成阳光温室,从而长时间保持室内温度的平衡。在夏季,通过打开底部的通道,利用烟囱效应进行通风。由下而上的气流带走了双层玻璃幕墙之间大量辐射热的同时,也引入了新鲜的室外空气。这种系统在建筑中的运用越来越广泛,如RWE总部外侧为单片玻璃幕墙,而内侧采用了双层中空玻璃幕墙。两者之间为50 cm宽的空腔,在腔内安装了能自动调节控制的百叶遮阳装置(见图2)。由于外层的玻璃阻挡了高空强大的风力,内层窗户可以开启,从而实现室内的自然通风。

3)太阳能利用。通过太阳能光热及技术转化手段,可以把太阳能和建筑的能源供给进行有效结合。太阳能在建筑中的应用包括两个方面:被动式和主动式两种。被动式通过建筑的朝向、环境布置、内部空间及外部形体处理,来选择、集取、储存太阳能。主动式通过集热器、风机等装置来主动利用太阳能。主动式可以更有效的利用太阳能并把其转化为其他能源如电能等。技术主要包括:太阳能光电系统、太阳能墙加热系统等。

a.太阳能光电系统(PV)。太阳能光电系统(PV)是将太阳辐射直接转化为电能的一种技术。光电系统(PV)其系统性能可靠,整体系统的可输配性、可集成性好;而且寿命长、设备简单、不污染环境,是一种理想的可再生能源技术。b.太阳能墙加热系统。太阳能墙加热系统是太阳能空气加热系统的总称,包括特朗伯墙、TAP墙、太阳能墙、太阳能水墙等等。特朗伯墙主要是通过建筑外围护结构的蓄热性进行采暖的方式,其工作原理是将集热墙向阳的一面涂以深色的选择性涂层,使该墙体成为集热和储热器,在夜间又成为放热体。在离集热墙外表面10 cm左右设置玻璃盖板,玻璃盖板与集热墙之间形成空气通道。夏季时通过烟囱效应强化自然通风,达到降温的目的。冬季时,利用温室效应加热空气,并通过对流循环用以室内采暖,如图3所示。

4)风能利用。风能在建筑中的利用是将风能转化为电能,利用叶片旋转产生的电能来运转办公空间的制冷与供暖设备。

办公项目大部分建于城市中,由于城市的风力环境复杂性,风能的利用不仅要考虑建筑的高度及进深,更重要的是对场地周围风环境的风速、风向的整体考量。小型风力涡轮发电机是一种比较适合办公建筑的利用形式。

另外,微型风机的研究利用已进入建筑师的视野当中。国外年轻的建筑师Agustin Otegu认为,在“Nano-vent Skin”概念方案中,设计了一套具备生物自我修复功能的微型涡轮发电机组,机组呈网格化布置并与建筑外表皮形成整体化设计。NVS系统由一系列的微型涡轮组成,涡轮尺寸为25 mm×10.8 mm,通过风能与太阳光线的利用产生能源。如同人类通过皮肤感受凉风一样,当微风从表皮掠过时,微型涡轮机组开始旋转发电,所产生的能量经网络输入建筑的用电系统。

3 结语

目前办公建筑总体能耗较大,相应的技术手段不够成熟完善,无法完全依靠建筑本体自身来实现零碳排放。欧洲多个国家已通过制定税收等财政金融政策发展“零碳经济”。比如可以通过购买碳税的手段,或者以投入资金的方式在异地栽植树木来抵消建筑所排放的二氧化碳,抵消建筑的碳足迹,实现全球总体上的零碳平衡。作为一种趋势研究,“零碳”办公对未来办公建筑的发展方向与相应的设计策略具有积极的、现实的意义。

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