绿色建筑、被动式建筑迈向零碳建筑解析

绿色建筑、被动式建筑迈向零碳建筑解析
2022年05月18日 16:30 市场资讯
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  建筑碳排放量是指二氧化碳排放量,二氧化碳排放量具体是指二氧化碳当量(tCO₂e),是在辐射强度上与某种温室气体质量相当的二氧化碳的量。二氧化碳排放量包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫等温 室气体的排放量。为更好地应对气候变化,聚焦绿色低碳发展,控制全球二氧化 碳排放量是唯一选择。

  习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布:中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。2021年中央经济工作会议强调将“碳达峰、碳中和”作为本年度的八项重点任务之一。《中国建筑节能年度发展研究报告2020》指出我国建筑碳排放总量整体呈现出持续增长趋势,其中2019年建筑业狭义碳排放总量占我国建筑碳排放总量的21%,广义碳排放量占到40%以上。建筑业是我国“碳达峰、碳中和”的主战场。未来,建筑业如何实现“碳达峰、碳中和”,是摆在建筑从业者面前的重要课题。

  1 .技术关联性

  低碳化发展的概念已经逐渐深入各行各业,建筑业在节能减排的大环境下也开始逐渐探索新的绿色化建造方式。近十多年来,节能建筑、绿色建筑、装配式建筑、健康建筑、被动式建筑、百年建筑、低碳建筑、零碳建筑等新概念、新技术、新产品层出不穷、百花齐放,逐步扎根生长。围绕这些建筑理念,行业内建立了一系列相应的体系。 但是上述建筑概念所对应的技术策略和技术体系存在一定的重叠,从业人员难以有效分辨节能、绿色、低碳、零碳之间的逻辑关系,存在较多的困惑。

  绿色建筑、被动式建筑、零碳建筑作为建筑领域得到较大规模推广应用的建筑“贵族”,自诞 生以来,就是相辅相成、相互补充、相互促进的关系,也是不同发展阶段的产物(图 1)。

图1  从绿色低碳迈向零碳图1  从绿色低碳迈向零碳

  1.1绿色建筑

  绿色建筑的概念最早是由意大利建筑师鲍罗·索雷里于1969年提出的,随着节能生态技术的进步,并经过不断丰富和完善1992 年在“联合国环境与发展大会”上,第一次正式提出“绿色建筑”的概念,绿色建筑内涵得以不断丰富完善,逐步将环境、健康、人文等理念纳入绿色建筑技术体系。在此基础上,新型节能形式、新兴产品技术等“以人为本”的技术策略不断完善。

  绿色建筑的理念被引入我国后,国家及各省市地方层面相继颁布了若干纲要、导则和法规,推动绿色建筑的发展。经过20余年发展,我国绿色建筑已经从“浅绿”走向“深绿”。特别是 2019年,我国对绿色建筑进行全新阐释,在 “四 节 一 环保”基 础 上 强 调“健康、适用、高效、和谐、高质量、人文”,关注建筑本身的绿色性能和建筑运营的健康性能,强调人们的可感知性。绿色建筑在一定范围内体现了建筑的低碳化,如节能设计要求、绿色设计要求、健康设计理念等。

  1.2被动式建筑

  被动式建筑又称被动房,根据能耗指标可将其划分为超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑。作为舶来品,受我国国情、气候条件、技术标准体系等因素影响,被动式建筑逐步中国化。 截至2020年6月,我国共有10个省及自治区和17个城市共出台47项政策,给出了被动式建筑项目明确的发展目标或激励措施。

  从我国相关标准规范可知,被动式建筑是建筑节能高标准设计的实践,通过限定建筑围护系统和设备参数,对建筑本体和建筑设备进行限定式的节能设计,实现建筑使用过程的低碳化、零碳化,或者说建筑运营阶段的“低碳、零碳”。

  1.3零碳建筑

  2019年,我国建筑行业运行碳排放(含直接碳排放和间接碳排放)约为21亿吨二氧化碳,占全国总量的20%左右。从发达国家的建筑业碳排放量趋势看,我国建筑业碳排放量在一定时间内仍将保持较快增长,零碳建筑便是在此背景下提出的。

  零碳建筑又称净零碳建筑(ZeroCarbonBuildings,ZCB),由世界绿色建筑委员会提出。从定性上讲,零碳建筑是在建筑全寿命期内,通过减少碳排放和增加碳汇实现建筑的零碳排放。定量上看,零碳建筑是充分利用建筑本体节能措施和可再生能源资源,使可再生能源二氧化碳年减碳量大于等于建筑全年二氧化碳排放量的建筑,其建筑能耗达到现行国家标准《近零能耗建筑技术标准》(GB/T51350)有关规定的水准。

  零碳建筑的主要特征:一是强调建筑围护系统的节能指标,二是强调可再生能源的利用,三是建造和运营阶段的零碳化,四是建筑运营阶段碳排放量占建筑全寿命期碳排放总量的80%以上这其中既涵盖“物的行为”,又包括“人的行为”,既体现了绿色建筑的“绿色性能”,也体现了被动式建筑的“节能性能”。真正的可感知和获得感,是零碳建筑的核心。部分学者认为零碳建筑很难实现建筑全寿命期内的零碳排放,零碳排放控制主要集中于建筑运营阶段。笔者认为要实现建筑“双碳”目标,应从规划设计阶段植入零碳理念,并贯穿建筑全寿命期,做到规划统筹,因此仍需从全寿命期角度综合分析实现建筑零碳的途径。

  目前,我国零碳建筑相关国家标准正在编制中,其中重庆、北京、天津等地已发布实施或正在编制与零碳建筑相关的标准规范,如重庆市《低碳建筑评价标准》(DBJ50/T-139—2012)、北京市《低碳社区评价技术导则》(DB11/T1371—2016)、北京市《低碳小城镇评价技术导则》(DB11/T1426—2017)、天津市环境科学学会《零碳建筑认定和评价指南》(T/CASE00—2021)、国家发改委《低碳社区试点建设指南》等,为零碳建筑的发展提供了一定的数据基础和项目经验。

  2. 从绿色建筑到零碳建筑

  绿色建筑在一定程度上具备零碳建筑的特征,是零碳建筑的重要载体,同时,零碳建筑应该充分汲取绿色建筑中健康、环保、舒适等理念。我国绿色建筑指标准体系由安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居5类指标组成,可以分别对应于建筑中的资源系统、能源系统、交通系统和运维碳汇(图2)。

图2   绿色建筑指标与零碳建筑各系统对应关系图2   绿色建筑指标与零碳建筑各系统对应关系

  2.1资源系统之零碳化

  安全耐久主要为材料、部品部件的耐久性和耐用性,从建筑零碳角度分析,建筑材料的耐用性降低了建筑材料的全寿命期的总用量,从而在一定程度上降低了建筑的碳排放量。建筑材料生产和运输过程中的碳排放分别被划为工业部门和交通部门,单纯生产阶段碳排放量对建筑业而言并不是其核算边界,故只需关注建造阶段的碳排放量即可。

  健康舒适指标中有外围护系统产品(建筑砌块、砖、板材、保温材料)性能、装饰装修材料要求等。按照建筑物化阶段碳排放量计算方法可知,上述材料产品的使用,直接计入建筑碳排放量,同时产品类型决定了碳排放因子,并直接影响碳排放量大小。

  资源节约中“节能、节材、节水”与建筑碳排放直接相关,资源“利用量、利用率”大小,代表了建筑碳排放的大小,涉及建筑结构规则性、造型要素、建材运距、建材等级、绿色建材使用量、暖通设备能效指标、可再生能源利用比例等。

  2.2能源系统之零碳化

  绿色建筑中健康舒适指标包括声、光、热、空气品质以及围护系统热工性能,其中光环境、热湿环境、设施设备的节能性能均与建筑碳排放直接相关,如采用  LED  照明产品、供暖空调系统

  2.3交通系统之碳化

  叶祖达认为,绿色建筑内涵之一“生活便利”中的出行类指标属于交通板块碳排放范畴。 从绿色建筑到零碳建筑的指标要求,除了规定“距离、无障碍、服务功能、绿地”外,还需重点根据不同出行方式、比例、距离等进行碳排放量计算。

  2.4碳汇效应

  是在规定的建筑物项目范围内,绿化植被从空气中吸收并存储的二氧化碳量。 建筑项目周边微型生态系统是碳循环的重要一环,碳汇效应有助于建筑物全生命周期碳排放量的精准测量,也是最经济的可持续方法之一。

  绿色建筑中环境宜居指标主要体现建筑“以人为本”和“因地制宜”,其中场地生态修复、绿地率、低影响开发设施、项目场地风环境、屋顶绿化、立体绿化、复层绿化(图3)等在一定程度上具有碳汇效应,体现了零碳排放和自然碳汇的理念。

图3立体绿色碳汇图3立体绿色碳汇

  3.从被动式建筑到零碳建筑

  被动式建筑是实现建筑近零能耗目标的一种技术体系,依靠建筑本体的绿色节能构造设计,使建筑达到舒适的室内温度,满足冬暖夏凉的要求,无需再单独安装供暖设施。 被动式建筑和零碳建筑对比,见表1。

  表1  被动式建筑和零碳建筑对比

  3.1建筑节能的更高表现形式

  被动式建筑以建筑能耗值为导向进行性能化绿色低碳设计,其主要技术措施为保温隔热性能更高的围护结构、保温隔热性能和气密性能更高的外窗、无热桥的设计与施工。

  零碳建筑中的围护系统和设备能耗也应是控制性指标,除强调建筑低能耗外,还包括建造过程及运营全过程的零碳化,如气改电、拆建变改造等,因此笔者认为零碳建筑在节能减排上比被动式建筑更胜一筹,是更广义上的节能。

  3.2节流式减碳

  被动式建筑强调建筑能耗的节流,即通过被动式节能技术降低建筑使用阶段能耗,锁住建筑内在环境温度,减少能量的流失,从而减轻对气候的负担,这也是被动式建筑将建筑气密性作为控制性指标的原因之一。被动式建筑根据建筑用能与可再生能源产能(绿色电力)的差值,可以实现近零能耗、零能耗甚至提供产能房,这些均是从节流的角度去评判建筑的耗能量或者碳排放量,且没有过多地考虑建造环节对资源能源的消耗。

  3.3开源式减碳

  与被动式建筑相比,零碳建筑强调建筑能耗的开源。一是在 建筑建造阶段,虽然实现建筑全阶段零碳是比较困难的,但仍需考虑建材使用和建造过程的碳排放量,有侧重地选用绿色建材、低碳建材和低碳设备、工艺等;二是在建筑运行阶段,充分利用可再生能源技术调整建筑用能结构,降低传统电能消耗占比;三是对建筑使用寿命、建材耐久性、部品更换周期等提出要求;四是拆 除阶段实现低碳化、利废化、资源化、环保化。

  3.4人的舒适、物的减碳

  从被动式建筑迈向零碳建筑,除上述理念侧重点不同外,被动式建筑还特别注重人的舒适性,被动设计要全面提升室内环境 质量和人的健康素养。零碳建筑则特别注重建材物化阶段的碳排 放量、施工运输阶段的碳排放量,以及降低建筑使用阶段对电网电力负荷消耗占比,增加可再生能源等绿色电力负荷消耗占比,如全球二氧化碳排放量的35%以上来自建筑物在照明、  电力、供暖和制冷方面所消耗的能源。

  4 .零碳建筑技术策略

  4.1建筑本体技术

  (1)进行与本地区气候环境相适应的建筑设计,控制建筑体型系数,减小建筑外围护面积,采用建筑自遮阳、改善空间布局等方式,提高建筑运营用能效率。充分利用自然风,基于烟囱效应、室内外风压等实现室内外空气循环(图4)。

图4 自然通风图4 自然通风

  (2)提高建筑节能率。采用高保温性能的材料和门窗型材,降低建筑外墙、  屋面、门窗及结构热桥的传热系数,进行关键节点的节能设计。

  (3)各专业之间的协同设计。 各专业间集成设计,保障设备、管线与建筑本体之间合理接触,提高建筑空间气密性,提高资源能源的合理“搭配”。

  4.2建筑微生态技术

  通过屋面绿化、墙体绿化、景观复层绿化等措施,打造建筑微生态,提高建筑碳汇,降低建筑周边环境的热岛效应。 通过低影响开发设施,提高建筑微生态雨水涵养量和雨水回收量,提高建筑微生态“自然”水平。

  4.3设施设备技术

  采用高效节能设备,提高建筑用电效率。充分利用太阳能、地热源、江水源等可再生能源,形成微型电网,实现建筑能源需求的自给自足,降低煤、石油等传统化石燃料的消耗(图5)。

图5  建筑光伏一体化图5  建筑光伏一体化

  充分利用智慧化手段,打造建筑“管家”控制系统,合理调节建筑室内温度、湿度、亮度,进一步降低能耗、节约资源。

  5. 结语

  零碳建筑是建筑业实现“3060”目标的重要一环。我国零碳建筑正处于探索研究和快速发展阶段,顶层设计、标准体系、产业发展等正在加速形成。基于此行业背景,本文对绿色建筑、被动式建筑、零碳建筑进行对比,辨析三者之间的相关关系,以发现其中的逻辑;结合国内外零碳建筑案例,总结提炼了零碳建筑的技术策略,以便后续有的放矢地开展有关工作,为零碳建筑的推广应用和技术体系建立提供初步理论支撑和实践经验。

  零碳建筑在我国尚处于起步阶段,有关理论研究、案例、技术、产品等较为匮乏。零碳建筑的发展还需充分融合顶层设计、生态城区、低碳城市、碳核算、碳足迹、碳汇、碳金融、碳交易等,进一步厘清零碳建筑的计算边界、指标要求和体系化发展要求。

  来源:中煤科工重庆设计研究院(集团)有限公司 绿色建筑设计研究院

  作者:董恒瑞、刘军、秦砚瑶、吴思睿、罗干

  (环境生态网)

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责任编辑:吕家正

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