建筑碳中和設計的關鍵要素及其策略研究

來源：建筑設計 瀏覽：- 發布日期：2024-09-25 08:53:35

一、衡量建筑碳排放表現的3個關鍵要素

要達成建筑碳中和的目標，首先要明確其碳排放來源，對其表現進行評價，然后才能制定相對應的策略進行改進。

1、建筑的運行能耗

該要素記錄的是建筑在建成后的使用階段所產生的能源消耗和碳排放量。現代建筑主要以電力消耗為主，而目前以火力發電為主的發電方式，會產生大量的碳排放。針對第一個要素，建筑可以通過主動以及被動的節能技術，來減少對外部電力能源的使用。同時增加可再生能源的使用，如太陽能，以及水電、風電等，以達到運營階段近乎零碳排放的目標。

2、盡量全面地記錄建筑全生命周期的碳排放量

即從時間維度上來看，建筑從“生”到“死”所產生的碳排放量，相當于給每棟建筑制定了一個碳排放的病歷卡。建筑全生命周期具體是指從材料的生產、建筑場地的施工、建筑的使用運營，到最終的拆除及材料的回收利用四個階段。每個階段都會產生相應的碳排放以及留下不同的碳足跡。相對于僅僅關注建筑運行階段的碳排放量，第二要素的衡量范圍更加全面廣泛，同時要求也更高。為了實現全生命周期零碳排放的目標，需要從業者在建筑每個階段都盡可能地減少碳排放，如使用環保的建材、采取更加高效的施工方式以縮短施工時間，增加可回收建筑材料的比例。同時在不同階段中采取相對應的負碳行為進行平衡。

3、涵蓋了建筑全產業鏈的從業者，包括各個企業和組織在生產和經營過程中產生的碳排放

建筑碳中和不僅僅需要考慮單個建筑的碳排放量，而是要從街區、社區乃至城市的范圍內進行跨行業的綜合考量；動態平衡建筑群之間，不同行業之間的碳排放，以達到城市整體碳排放量減少的目的。

3個要素衡量的范圍由小到大，由單一的維度到復合的維度，從業者需要根據具體場景建筑碳排放的表現進行測度。同時不同的要素需要采用相對應的碳排放計算方法并考慮計算邊界。對于零碳建筑而言，更多涉及的是建筑運營時的直接排放和間接排放，主要包括工業、電力、建筑和交通四個行業。而對于建筑全生命周期中的碳排放計算，則涉及更多的相關行業，且受到其他行業碳中和進程的影響，計算邊界需要根據不同的行業進行動態的界定調整。

二、不同要素對應的建筑設計策略

設計作為建筑項目的發起環節，需要在初期就把建筑碳中和的3個關鍵要素考慮進去。建筑師應當肩負起更大的責任，著力研發更高效的構造方式，將光伏技術應用到建筑構件的各個組成部分之中，以增加清潔能源的使用場景。從源頭改變建筑原材料的構成，增加低碳排放建材的使用，以達到降低整個建筑業碳排放量的目標。同時借助BIM（建筑信息模型）對建筑生命周期內各階段的信息進行深度的把控，優化建筑全生命周期的碳中和表現。

1、光伏建筑一體化

為了降低建筑在能耗方面的碳排放，清潔能源的使用必不可少。太陽能作為一個顯而易見的清潔能源，人類一直在嘗試將其進行收集和利用。一直以來，由于存在光電產品與建筑結合程度不高、光電并網不易、市場認可度低等問題，太陽能光伏板一直沒能夠在城市大面積的鋪開使用。但通過國家幾十年對光伏產業持續不斷的大力扶持，以及近幾年光伏產業的技術突破，整個光伏行業終于迎來了大爆發。光伏技術的成本大幅下降，終于讓其有了在建筑業乃至更多行業使用的機會。

除了光伏屋頂之外，很多公司也在嘗試將太陽能技術集成到外墻、窗戶、陽臺欄桿等其他建筑元素中。這些產品正在證明集成光伏系統的快速、低成本和可持續制造，在經濟上是可行的。光伏系統與建筑構件的結合還衍生出一種創新的商業模式，開發商可以大規模采購集成了光伏系統的建筑構件，通過與住戶進行協商，分享后續建筑立面和屋頂產生的能源收入，以此來降低前期的建造費用。

對于建筑，找到效率與美觀之間的平衡一直是一個永無止境的過程。人們需放棄一些先入為主的觀念，就像太陽能光伏板并不是永遠只是一成不變的藍色或黑色矩形板。在零碳建筑的開發中，將低碳綠色能源的生產技術與建筑的建造進行結合，將美學、成本和效率進行綜合的考慮，將是未來建筑設計所需要面臨的挑戰。

2、木構建筑的回歸

2020年，我國碳排放量最大的行業分別是火力發電、鋼鐵和水泥業。其中鋼鐵和水泥，分別占到18%和14%。作為建筑業最基礎的兩大原材料，鋼鐵產業有64.7%的產量最終用在了建筑業，而水泥則幾乎全部在建筑業上使用，所以在建筑原材料上進行創新與突破，可以有效地減少建筑碳排放。我國目前主要的應對之策，是對鋼鐵和混凝土的生產工藝進行優化，減少其在生產過程中的碳排放；同時優化建筑的結構計算，減少原材料的使用量；同時大力發展創新材料，如高性能混凝土，其具有耐久性強、強度高且二氧化碳排放少等特性。

但僅僅是在鋼鐵和混凝土領域進行優化研發是不夠的，我們需要找到更多的低碳建材進行替代。樹木作為最好的碳收集器，隨著樹木的成長能夠固化空氣中的二氧化碳同時釋放氧氣，一直都是公認的環保材料。近些年國內外一個大的發展趨勢就是木構建筑回歸，在建筑設計中大量使用木材來替代碳密集型的建材如磚石，水泥和鋼材等。

3、利用BIM技術對建筑的全生命周期進行把控

建筑碳中和的要素中，必不可少的一個就是掌握建筑從誕生到消亡，全生命周期的數據情況。為了實現這一目標，則必須引進BIM技術。BIM技術，是一種廣泛應用于設計、施工、項目管理領域的數據化工具，通過對建筑數據化模式的集成，在項目規劃、執行與維護的過程中，實現資源共享與傳播，讓建筑技術人員對施工中各個階段的信息都有了直觀的掌握，并據此做出高效的應對。

BIM技術通過給建筑構建三維模型，相當于給建筑在出生之前建立了一個身份檔案，可以很好記錄建筑從規劃設計、施工到運營維護、到拆除回收四個階段的信息數據。BIM技術在國外已經發展得較為成熟，基本實現了在70%-80%的項目上使用BIM。在這方面，我國大概落后國際領先水平15年左右的時間，在2013年國家把綠色建筑納入國家戰略的高度之后，BIM技術的應用在國內開始爆發式的增長。隨著BIM技術的發展，以及國家對碳中和的日益重視，BIM在建筑全生命周期的各個環節中發揮了越來越大的作用。

在前期規劃階段，通過BIM與GIS軟件的相互配合，對項目的場地關系、業主需求、城市規劃等方面進行綜合的量化分析，以此來確立最優的場地布局，以及預估項目的資金回籠情況等。在方案設計階段，建筑師可以借助BIM進行聲光熱等多維度的數據模擬，根據造型進行實時的演算。通過對不同數據的比對，最終得到高效的被動式低碳建筑。各專業的設計師也能夠通過云端的數據共享，實時分享彼此的設計成果，減少大量決策時間。

在施工階段，各單位通過將不同專業的信息以三維數據的形式整合在一個模型之中，校驗不同模型之間是否有碰撞和沖突，并以此為依據進行調整，避免各專業間因為數據的不同步，導致在最終的施工過程中發生錯誤。這樣可以節約大量施工時間，并且有效地減少原材料的浪費。BIM數據模型還能夠快速地統計項目中各材料的工程量，同時根據施工順序，合理安排材料的運輸和在施工場地的堆放位置，減少施工過程中的能源浪費。

在運營維護階段，BIM可以與物聯網相結合，利用云計算將傳感器和終端的控制器相互連接，建立一個對建筑的能耗和健康情況進行實時監測的系統。將建筑各個部分的能耗計算與對應的能源管理系統進行匹配，動態平衡建筑的各個指標，最終達到節能減碳的目的。

在最終的拆除回收階段，由于從設計、施工到運營階段都有詳盡的數據留存，施工方通過三維模型可以快速定位需要回收的材料所處的位置及數量，精準高效地進行材料回收，減少浪費和不必要的拆除損耗。

4、跨行業協同設計

零碳建筑對于建筑業的碳中和非常重要，但是建筑業的減碳路徑并不是簡單地等同于全面的零碳建筑。單純一味地追逐每棟建筑的零碳，成本較高且無法形成社會各行業間的規模化效益，行業間的靈活協調才是在能源使用上最高效的。比如建筑與周邊的道路交通系統之間，可以將建筑與電動車充電樁的街區級虛擬電網進行連接，白天電網通過充電樁為電動車進行充放電，而到了晚上，用電需求降低時，轉而為街區內的建筑進行供電。而在建筑耗能較少的春秋季，借助建筑屋面光伏板收集的多余太陽能通過電網給充電樁的儲能電池進行充電。建筑耗能與新能源車的用電之間根據實時的數據監測進行動態的平衡，可以達到更高的使用效率。除了上述的例子，其他行業也能夠通過多維度的能源互通來達到節能減排的效果。例如利用垃圾焚燒產生的熱能為城市居民提供熱水等。

在碳中和領域，城市是實現多行業高效能源使用上最好的空間載體。在碳達峰碳中和的大背景下，政府可依托新城發展與城市更新的契機，建立切實有效的減排系統。通過數據中心鏈接各個能源體系，實時檢測各個端口的能源使用情況，打造智慧城市，最終實現區域節能減排的目標。