李 梁

氣候變暖政府專家委員會(huì)(IPCC)指出,全球平均溫度持續(xù)升高,氣候變遷跡象日趨顯著,若無(wú)法遏止,將嚴(yán)重影響人類生存環(huán)境。據(jù)美國(guó)USGBC組織報(bào)道,建筑領(lǐng)域所導(dǎo)致的溫室氣體排放量占全球排放總量的1/2左右。如何在建筑領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)“零碳”化,對(duì)于緩解氣候變化與改善生態(tài)環(huán)境具有非常重要的意義。

“零碳”建筑的涵義:按照全壽命周期理論,可將零碳建筑定義為:在材料與構(gòu)件生產(chǎn)、規(guī)劃與設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)輸、運(yùn)行與維護(hù)直到拆除與處理的全循環(huán)過(guò)程中,建筑向外界環(huán)境排放的二氧化碳量?jī)糁禐榱?。這里之所以強(qiáng)調(diào)凈值,是因?yàn)榻^對(duì)的“零碳”排放是不現(xiàn)實(shí)的,我們可以通過(guò)建筑自身利用清潔能源并將多余的能量輸入電網(wǎng),或者通過(guò)“碳稅”“碳中和”等措施來(lái)補(bǔ)償壽命周期內(nèi)的排放,從而在全社會(huì)層面實(shí)現(xiàn)零碳。

1 辦公建筑的碳足跡與能耗分析

1)碳足跡。碳足跡一詞來(lái)源于英語(yǔ)單詞“Carbon Footprint”。維斯百科關(guān)于這個(gè)詞的解釋是:A carbon footprint is the total amount of CO2and other greenhouse gases emitted over the full life cycle of aproduct or service。本文將碳足跡定義為:一項(xiàng)活動(dòng)或產(chǎn)品在整個(gè)生命周期過(guò)程中所直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳的排放量。相對(duì)于溫室氣體排放量,碳足跡的不同之處在于它是從消費(fèi)者出發(fā),破除所謂“有煙囪才有污染”的概念。

2)辦公建筑的能耗分析。研究零碳辦公建筑,首先需要了解辦公建筑的能耗構(gòu)成情況,才能制定出有針對(duì)性的策略。在現(xiàn)代辦公建筑當(dāng)中,人工照明耗能最大,可以占到30%。在某些項(xiàng)目中甚至可能高達(dá)50%。由于對(duì)自然光的高度需求,辦公建筑窗戶面積往往比住宅、商場(chǎng)、賓館類建筑大,因此建筑的采暖與制冷能耗分別達(dá)到25%和9%。

2 “零碳”辦公設(shè)計(jì)策略

辦公建筑的“零碳”化可以分為兩個(gè)階段:第一階段為建筑的有效設(shè)計(jì),體現(xiàn)為自然采光、自然通風(fēng)等被動(dòng)式技術(shù)的應(yīng)用、建筑的朝向選址、功能布局、體型系數(shù)等多方面的設(shè)計(jì),提高能源的利用效率,并減少人工設(shè)備所消耗的能源。第二階段則指在建筑中利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能等清潔能源,取代傳統(tǒng)化石能源,以達(dá)到二氧化碳的零排放。本文著重討論自然光、通風(fēng)及清潔能源在辦公建筑的利用。

1)自然光的利用。在傳統(tǒng)辦公建筑中,自然光一般通過(guò)窗戶進(jìn)入室內(nèi),自然光的利用與建筑的平面形狀和進(jìn)深具有直接的關(guān)系。比如在一個(gè)長(zhǎng)寬均為30 m的建筑平面中,距離外側(cè)墻面5 m以內(nèi)區(qū)域具備充足的自然光線,而進(jìn)深5 m～10 m內(nèi)為局部采光區(qū),進(jìn)深大于10 m的則為無(wú)采光區(qū)域。在大體量建筑中利用自然光,可結(jié)合平面布置中庭或天井,或?qū)ζ矫嫘螤钸M(jìn)行變異以減小建筑進(jìn)深(見(jiàn)圖1)。

現(xiàn)代化的集中型辦公建筑,一般進(jìn)深較大,傳統(tǒng)的采光手段已無(wú)法滿足要求。為了解決這個(gè)問(wèn)題,可以通過(guò)空中花園、中庭采光、光反射系統(tǒng)、導(dǎo)光管等先進(jìn)采光系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑中自然光線的利用。中庭由于具有玻璃幕墻或玻璃頂棚,可以有效地利用自然光。良好的自然采光通過(guò)窗戶和中庭進(jìn)入室內(nèi)的各個(gè)角落,人工照明只是在必要的情況下才采用?？罩谢▓@為高層辦公建筑提供活動(dòng)場(chǎng)所的同時(shí),也可為辦公場(chǎng)所提供自然光線,解決大進(jìn)深空間的采光問(wèn)題。

2)自然通風(fēng)。除非高溫高濕氣候條件下要求中央空調(diào),一般辦公建筑都具有自然通風(fēng)的潛力。采用自然通風(fēng)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):a.提供新鮮、清潔的自然空氣,有利于人體的生理和心理健康;b.室外空氣的引入可以為建筑降溫,實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式制冷,在不消耗不可再生能源的情況下,改善室內(nèi)熱環(huán)境。

自然通風(fēng)在實(shí)現(xiàn)原理上有利用風(fēng)壓、利用熱壓、風(fēng)壓與熱壓相結(jié)合等幾種形式。通常情況下,建筑的自然通風(fēng)并非風(fēng)壓或熱壓的單一模式,而是兩者互為補(bǔ)充,密不可分。在建筑構(gòu)造上,可通過(guò)中庭、雙層幕墻、風(fēng)塔、門窗、屋頂?shù)葮?gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì),來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)效果。

我們這里介紹一下雙層幕墻的通風(fēng)技術(shù)。這種技術(shù)利用了兩層表皮中的空氣間層進(jìn)行通風(fēng),解決了高層辦公難以自由開(kāi)窗的困窘,因此被稱為“會(huì)呼吸的皮膚”。在冬季,通過(guò)關(guān)閉底部的通道,在雙層幕墻間形成陽(yáng)光溫室,從而長(zhǎng)時(shí)間保持室內(nèi)溫度的平衡。在夏季,通過(guò)打開(kāi)底部的通道,利用煙囪效應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)。由下而上的氣流帶走了雙層玻璃幕墻之間大量輻射熱的同時(shí),也引入了新鮮的室外空氣。這種系統(tǒng)在建筑中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛,如RWE總部外側(cè)為單片玻璃幕墻,而內(nèi)側(cè)采用了雙層中空玻璃幕墻。兩者之間為50 cm寬的空腔,在腔內(nèi)安裝了能自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的百葉遮陽(yáng)裝置(見(jiàn)圖2)。由于外層的玻璃阻擋了高空強(qiáng)大的風(fēng)力,內(nèi)層窗戶可以開(kāi)啟,從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的自然通風(fēng)。

3)太陽(yáng)能利用。通過(guò)太陽(yáng)能光熱及技術(shù)轉(zhuǎn)化手段,可以把太陽(yáng)能和建筑的能源供給進(jìn)行有效結(jié)合。太陽(yáng)能在建筑中的應(yīng)用包括兩個(gè)方面:被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式通過(guò)建筑的朝向、環(huán)境布置、內(nèi)部空間及外部形體處理,來(lái)選擇、集取、儲(chǔ)存太陽(yáng)能。主動(dòng)式通過(guò)集熱器、風(fēng)機(jī)等裝置來(lái)主動(dòng)利用太陽(yáng)能。主動(dòng)式可以更有效的利用太陽(yáng)能并把其轉(zhuǎn)化為其他能源如電能等。技術(shù)主要包括:太陽(yáng)能光電系統(tǒng)、太陽(yáng)能墻加熱系統(tǒng)等。

a.太陽(yáng)能光電系統(tǒng)(PV)。太陽(yáng)能光電系統(tǒng)(PV)是將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)。光電系統(tǒng)(PV)其系統(tǒng)性能可靠,整體系統(tǒng)的可輸配性、可集成性好;而且壽命長(zhǎng)、設(shè)備簡(jiǎn)單、不污染環(huán)境,是一種理想的可再生能源技術(shù)。b.太陽(yáng)能墻加熱系統(tǒng)。太陽(yáng)能墻加熱系統(tǒng)是太陽(yáng)能空氣加熱系統(tǒng)的總稱,包括特朗伯墻、TAP墻、太陽(yáng)能墻、太陽(yáng)能水墻等等。特朗伯墻主要是通過(guò)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性進(jìn)行采暖的方式,其工作原理是將集熱墻向陽(yáng)的一面涂以深色的選擇性涂層,使該墻體成為集熱和儲(chǔ)熱器,在夜間又成為放熱體。在離集熱墻外表面10 cm左右設(shè)置玻璃蓋板,玻璃蓋板與集熱墻之間形成空氣通道。夏季時(shí)通過(guò)煙囪效應(yīng)強(qiáng)化自然通風(fēng),達(dá)到降溫的目的。冬季時(shí),利用溫室效應(yīng)加熱空氣,并通過(guò)對(duì)流循環(huán)用以室內(nèi)采暖,如圖3所示。

4)風(fēng)能利用。風(fēng)能在建筑中的利用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能,利用葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)辦公空間的制冷與供暖設(shè)備。

辦公項(xiàng)目大部分建于城市中,由于城市的風(fēng)力環(huán)境復(fù)雜性,風(fēng)能的利用不僅要考慮建筑的高度及進(jìn)深,更重要的是對(duì)場(chǎng)地周圍風(fēng)環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)向的整體考量。小型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)是一種比較適合辦公建筑的利用形式。

另外,微型風(fēng)機(jī)的研究利用已進(jìn)入建筑師的視野當(dāng)中。國(guó)外年輕的建筑師Agustin Otegu認(rèn)為,在“Nano-vent Skin”概念方案中,設(shè)計(jì)了一套具備生物自我修復(fù)功能的微型渦輪發(fā)電機(jī)組,機(jī)組呈網(wǎng)格化布置并與建筑外表皮形成整體化設(shè)計(jì)。NVS系統(tǒng)由一系列的微型渦輪組成,渦輪尺寸為25 mm×10.8 mm,通過(guò)風(fēng)能與太陽(yáng)光線的利用產(chǎn)生能源。如同人類通過(guò)皮膚感受涼風(fēng)一樣,當(dāng)微風(fēng)從表皮掠過(guò)時(shí),微型渦輪機(jī)組開(kāi)始旋轉(zhuǎn)發(fā)電,所產(chǎn)生的能量經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入建筑的用電系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前辦公建筑總體能耗較大,相應(yīng)的技術(shù)手段不夠成熟完善,無(wú)法完全依靠建筑本體自身來(lái)實(shí)現(xiàn)零碳排放。歐洲多個(gè)國(guó)家已通過(guò)制定稅收等財(cái)政金融政策發(fā)展“零碳經(jīng)濟(jì)”。比如可以通過(guò)購(gòu)買碳稅的手段,或者以投入資金的方式在異地栽植樹(shù)木來(lái)抵消建筑所排放的二氧化碳,抵消建筑的碳足跡,實(shí)現(xiàn)全球總體上的零碳平衡。作為一種趨勢(shì)研究,“零碳”辦公對(duì)未來(lái)辦公建筑的發(fā)展方向與相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略具有積極的、現(xiàn)實(shí)的意義。

[1] 西安建筑科技大學(xué)綠色建筑研究中心.綠色建筑[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1999:6.

[2] 李華東.高技術(shù)生態(tài)建筑[M].天津:天津大學(xué)出版社,2000.

[3] 李保峰.適應(yīng)夏熱冬冷地區(qū)氣候的建筑表皮之可變化設(shè)計(jì)策略研究[D].北京:清華大學(xué)博士學(xué)位論文,2004.

[4] 宋曄皓.結(jié)合自然整體設(shè)計(jì):注重生態(tài)的建筑設(shè)計(jì)研究[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.

[5] Carbon reductions in new non-domestic buildings.UK Green Building Council,2007.

[6] Building A Greener Future:Towards Zero Carbon Development.Department for Communities and Local Government,2006.

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