碳中和理念下的建筑一体化设计研究

2024-01-31邵宏伟

城市建设理论研究（电子版） 2023年35期

邵宏伟

中核第四研究设计工程有限公司河北石家庄 050021

建筑行业是我国碳排放的重要领域之一，根据权威部门的统计数据，每建成1栋建筑，就会向大气层排放0.8t碳，为自然环境造成了严重的威胁。在碳中和的理念下，我国有关部门、企业在日常工作中应当积极履行两山理论，用清洁能源取代污染较大的传统能源，大力推动建筑一体化设计，捍卫我国生态环境，完成人与自然的和谐共存。

1 碳中和理论概述

碳中和理念（Carbon neutral）又被称之为碳补偿，是时下最为重要的环保理念之一。该理念指的是企业、个人、团队在日常工作、生活的过程中，计算自己所排放的二氧化碳，按照得出的数据，委托专业的企业通过环保项目对排出的二氧化碳进行抵消。

在碳中和视域下，施工方在选择建材、设计方案、进行施工、维护建筑的过程中始终秉持着低碳环保的理念，从根源上保证碳排放量的最小化，减少二氧化碳对于生态环境的影响。本文因为篇幅限制，本文以应用最为广泛的光伏建筑一体化与风能建筑一体化作为切入点进行分析。

2 光伏建筑一体化

2.1 光伏建筑一体化的形式与特点

光伏地面系统自诞生伊始，主要服务于游牧家庭、偏远山区和孤岛居民等特定群体。但自从上个世纪80年代开始，该系统日益完善，世界公民环保理念逐渐增加。在这样的历史背景下，该系统获得了广泛的应用。并于1991年由德国的旭格公司首次提出了光伏发电与建筑集成推动了低碳建筑的繁荣与发展。就目前而言，光伏与建筑的结合主要有如下两种策略。

2.1.1 光伏系统和建筑结合

工作人员将封装完毕的光伏组件（如：曲面板或平板）在建筑处进行安装，并将安装好的光伏组件与控制器、蓄电池、逆变器等设备连接。在条件允许的前提下，光伏系统还可以和公共电网关联。通过这种方式，可以减少煤炭资源的消耗，减少二氧化碳排放，维护生态环境的可持续发展。目前常见的结合方式如下文所述：

第一，BIPV屋顶。施工人员可以将BIPV组件安装在屋顶上，从而形成光伏屋面。该屋面有下述优势，（1）光伏屋面更容易接收太阳能资源。（2）屋顶安装光伏方阵可以利用屋顶空闲空间，节省院子的空间。（3）光伏屋面靠近电力系统，能减少企业总体造价。

第二， BIPV幕墙。BIPV组件可以在建筑外墙上替代传统幕墙，形成光伏幕墙、光伏窗间墙等。BIPV组件直接作为幕墙面板，与支撑结构共同构成光伏幕墙，适用于透光和不透光建筑幕墙。

2.1.2 光伏器件与建筑结合

就目前而言，将建筑材料和光伏器件集成化也是一种很常见的一体化建筑方式。具体地说，有关企业、个人可以将部分建材替换为先进的光伏器件，制造电量，满足建筑物的日常使用。但值得重视的是，由于建筑行业的特性，故此，对于充当建材的光伏器件要求相对而言比较高。其应当满足以下条件：坚固结实、隔热保温、防潮防水、刚度适当。如果该光伏器件作用于窗户，那么该光伏器件必须具备一定的透光性，保证建筑内部的采光。

2.2 光伏建筑一体化的优点

根据笔者的实际工作经验，光伏建筑一体化建筑具有如下优势：第一，光伏设备占地面积相对小。随着我国的快速发展，大城市虹吸效应较强，我国一二线城市土地价格相对较高。光伏阵列占地面积小，安装在屋顶与墙面即可，可以有效提高土地的使用率；第二，光伏阵列可以原地发电，不需要具体的运输环节，可以有效减少企业（住户）的用电成本；第三，在我国绝大多数地区，夏季较为炎热，风扇、空调等制冷设备运行率高，为国家电网带来了沉重的运行负担。而光伏阵列可以为电网供电，减少电网的供电压力。

2.3 我国光伏建筑一体化发展

我国作为一个负责任的大国，为了推动低碳环保事业，近些年来由政府相关部门引导，积极发展太阳能光伏技术。在“九五期间”我国北京、上海两地分别建设了17kWp、7kWp光伏发电屋顶，并且顺利地完成了并网发电。以香港理工大学为代表的科研单位，将发展光伏建筑一体化技术视为科研重点，取得了显著的成就。早在2018年时，中国汉能便在北京大会堂发布了汉瓦产品，推动了光伏发电的进程。根据权威部门预计，在未来的数年中，我国光伏产业将以每年20%的速度发展[1]。

2.4 光伏建筑一体化实例介绍

位于丹麦奥尔胡斯市的“生命之家”是光伏建筑一体化的典型代表。生命之家产生的能源不但能够满足一家人的实际需求，还有多余的电力反馈电网。在生命之家中，设计人员采用了两种光伏发电技术：①太阳能集热板。设计师在两个屋顶窗间放置了六块太阳能集热板。该建筑65%的能源需求都由太阳能集热板进行提供，按照丹麦有关部门的统计数据，这些集热板在每一年中，可以产生两千千瓦时的电量。②太阳能电池技术。在生命之家的屋顶窗上，安装有由太阳能电池驱动的遮阳卷帘，其可以减少九成的太阳热量，增加窗体的隔热性[2]。

3 风能建筑一体化

3.1 风能建筑一体化的形式与特点

就目前而言，风能是世界范围内应用最为广泛的可再生资源之一，其具有分布广泛、零污染的优势，深受各国能源部门的青睐与喜爱。所谓的风能建筑一体化，指的是将风能组件安装在建筑本体当中。在进行底层建筑建设的时候，施工人员可以将发电组件安装在空旷的位置里面，这种安装方式不但可以保证风能的利用，还可以行之有效地保持建筑的美观性。由于发电装机越高，风能资源越为丰富的基本特点。故此，有关企业在进行风能建筑一体化的过程中，往往青睐于将风能发电机放置在屋顶处。同时可以按照风场的实际分布形式，与风道的垂直方向设置高科技风电机组。故此，在进行一体化设计的时候，新能源利用理念应该贯彻在平面设计、剖面设计和建筑材料选择当中[3]。

值得重视的是，风能一体化建筑虽然污染较低，但是这一发电方式在实际运行的过程中，也客观存在一定的缺陷，主要有以下四点：（1）虽然我国风力资源非常丰富，但是，地区分布并不均匀，内蒙古与甘肃北部风力较为丰富，而江浙一代风力资源相对而言比较贫乏。故此，在企业（个人）利用风能的时候，往往需要建造大量的风力储蓄设备，极大程度地提升了施工成本；（2）不稳定性。风能受季节影响较大，春秋冬风力资源丰富，夏季风力资源贫乏。故此，风能发电并不稳定，给大规模地运用造成了障碍；（3）缺乏经济性。就目前而言，虽然风力发电技术应用相对广泛，但是尚未发展成熟，效率地，投入高，很难满足社会发展的实际需求。

故此，设计单位在采用风能建筑一体化的之前，应该对建筑周遭情况和使用者的情况进行周密地考察，根据结果选择是否采用该方式。此外，为了保证建筑本身的视觉效果，部分建筑会用直线排列的风机取代传统的矩形网状排列的风机[4]。

3.2 风力建筑一体化结合方式

3.2.1 风机安装在屋顶上

众所周知，在现代城市当中往往有大量高层建筑物，因为建筑物的阻挡，建筑物上访的会产生气流分层的情况，形成剧烈的紊流，导致风速在短时间内加快。英国权威企业对建筑物周围的风场展开了模拟分析，发现建筑物附近风速与没有受到阻挡的气流高两成左右。故此，为了保证风力发电的效率与质量，将风机安装在屋顶上，成为了目前较为常见的风力建筑一体化方式[5]。

由于风机在实际运行的时候，通常会产生噪音与振动。故此，为了减少噪音污染，常用于建筑风机尺寸通常较小。此类风机形式大致可以分为水平轴、垂直轴两种。水平轴风机具有启动速度慢、风向影响大的权限。故此，在实际运行时，必须风机垂直设置才能保证发电效率与质量。与此同时，如果小型风机能够旋转一定角度的时候，风机发电效率也会得到显著的提高。而垂直轴风机在运行过程中，并不会被风向所限制，只要风流动，风机叶片就可以良好地转动，启动快，振动小，深受各建筑企业的青睐与喜爱。但垂直轴的缺陷也十分明显，即：运行时离心力大。故此，采用垂直轴的风机半径不能过大[6]。

3.2.2 风机安装在两座建筑之间

在风机企业放置于两座建筑物间的时候，因为城市建筑群的影响，大部分城市中不具有固定的主导风向。故此，建筑物应当做如下设计。第一，肾形断面、飞镖形断面，并且，表面光滑的建筑物具有良好的敛风效果。第二，翼形建筑，或者在建筑物里面开洞，并且将风机放置于其中时，能够减少气流流失，提高发电效率。第三，在建筑形体设计合理的前提下，能够将40°-50°范围中的所有气流，集中于风机上。值得重视的是，在建筑物中开洞，并且将风机设置在洞中的时候，那么，只有少数气流能集中在风机上。

3.2.3 风能建筑一体化实例介绍

由土耳其著名设计师Hayri Atak设计迪拜旋转大楼是风能建筑一体化的典型代表。该大厦的中心部门为柱状，由特殊钢构建而成，硬度低，韧性高，可以很好地敛聚流通的气流。在大厦内部，单独的片状结构组成了每一楼板，每两层的地板上，都设置了大量可以发电的风力涡轮机。在旋转大楼运行的过程中，建筑物中的大量风力涡轮机不但可以让大楼不断旋转，制造视觉奇观，还可以制造大量的电力，不仅可以实现自我供电，并且还能给大楼的用户和周围的其他建筑物提供充足稳定的电量供应。

4 相变储能一体化

4.1 相变储能一体化的形式与特点

相变储能材料是一种新兴的被动节能建筑材料，由于其具有节能效果显著、温度控制恒定的特点，获得我国建筑行业的广泛关注。其作用原理为：在固液相变的过程中，控制材料的储能量与相变温度，从而将热量储藏在相变材料里面，如果需要释放热量，建筑的持有者可以通过控制材料温度的方式，将相变材料转换状态，释放其中的热量。

相变储能材料具有下述优势：第一，在相变的过程中，通常是近似等温，抑或是等温的过程，温度的变化会始终保持在比较小的范围内，保证住户体验的舒适；第二，相变材料的相变潜热较高，而是少量材料便可以存储大量的热量，和以砖石、混凝土代表的传统储热材料相比，对建筑物结构要求不大，在进行一体化建设的时候，可以使用更为灵活的形式。

4.2 相变储能一体化结合方式

4.2.1 相变Trombe墙体技术

相变Trombe墙由空气通道建筑墙体、上下挡板、上下风口、玻璃盖板以及相变材料等部分组成。在冬季时，太阳能辐射会通过墙体的玻璃盖板抵达相变材料层，一些热量会对通道内的空气进行加热，热空气不断上升，此时，将上下风口、上下挡板关闭，这就会让空气在建筑内部产生热循环。而残留的热量则会被相变材料所吸收，随后通过辐射传热的方式，为住户提供热量。而在夏季时，住户将上下挡板开启，上下风口关闭，让室外空气与空气通道间形成回路，通过这种方式，可以带走热量，达到降温的效果。而在夜间，相变材料则会将储存的热量释放，同时将集热墙上下通风口，通风降温，带给住户良好的居住体验。

4.2.2 附加阳光间相变储能技术

除了Trombe墙体技术以外，相变储能附加阳光间也是一种常见的相变储能一体化措施，该技术通常是由蓄热层、上下风口、相变材料、阳光间等部分组成，通常会依附于建筑南面，在冬季里，住户在白天开启墙体上下风口，太阳辐射经由玻璃抵达阳光间，空气被加热后，不断上升，从上风口步入室内，减少室内冷空气。而在夏季，白天将阳光间开启、墙体上下风口关闭，如果温度已经提升到相变温度的时候，此时，相变材料就会不断吸收周围热量，从而减少室内温度；夜晚，则将通风窗与上下风口开启，保证空气流通，从而达到降温的目的。

4.2.3 相变储能一体化实例介绍

重庆大学团队在2021年参加中国国际太阳能十项全能竞赛时的参赛作品“斜屋”便是相变储能一体化的优秀案例。该建筑的造型为45°斜屋面造型，通过这一造型，能够让太阳能板能吸收最多太阳能，并且产生夹层空间。这一设计模式不但给予建筑的DIY的空间，同时，也能形成气候缓冲区，最根本上避免外界环境对于室内的造成影响。在“斜屋”中，阳光间地面、墙体均为相变材料。在冬季工况下，白日将热量吸收到相变材料中，而在夜晚释放热量，进而达成减低采暖能耗的目标，保证住户的舒适体验。而在夏季工况下，日间将玻璃门开启，为建筑物通风，同时，利用室内遮阳的方式，减少阳光直射，从而避免过度的使用空调，造成大量能耗。而在夜间的时候，相变材料则再次凝固放热，在这个时候，住户将全部窗户开启，利用空气流动的方式，将热量带走，从而达成降温节能的目的。