低碳建筑概念及实施路径概述

低碳建筑概念及实施路径概述

杜卓允  

广东城建达设计院有限公司

摘要：本文对低碳建筑相关建筑概念进行整理，总结生态建筑、可持续建筑、绿色建筑、节能建筑、低碳建筑的关系，重点提出实现低碳建筑的主要路径。

关键词：低碳建筑；降低建筑负荷；供暖电气化；直流供电；能源脱碳

0 引言

建筑作为社会经济体系中的重要组成部分，从解决环境及能源问题角度，建筑领域生态建筑、可持续建筑、绿色建筑、节能建筑、低碳建筑等陆续被提出。随着国家“2030年碳达峰、2060年碳中和” 重大战略决策的提出，建筑减碳成为必然趋势，低碳建筑将面临新的挑战。

1 相关概念

1）生态建筑

生态建筑是指根据当地的自然生态环境，运用生态学、建筑技术科学的基本理和现代科学技术手段等，合理安排并组织建筑与其他相关因素之间的关系，使建筑和环境之间成为一个有机的结合体，同时具有良好的室内气候条件和较强的生物气候调节能力，以满足人们居住生活所需的舒适环境，使人、建筑与自然生态环境之间形成个良性循环系统。

早在20世纪60年代，世界著名建筑师、“生态建筑之父”保罗．索莱里便将建筑和生态两词合二为一，提出了“生态建筑”的新理念。1969年， 美国建筑师伊安、麦克哈格著作的《设计结合自然》出版，标志着生态建筑学的正式诞生。

生态建筑没有明确的评价标准，但建筑师强调其设计、建造、维护与管理必须以强化内外生态服务功能为宗旨，达到经济、自然和人文三大生态目标。

2）可持续建筑

可持续建筑的理解处在发展变化的状态中，1994年，第一届国际可持续建筑会议将可持续建筑定义为:在有效利用资源并遵守生态原则的基础上，创造健康的建成环境并对其保持负责任的维护。发展至今，可持续建筑指标包括建筑技术因素和非技术因素，是追求降低环境负荷，与环境相结合，且有利于居住者健康。其目的在于减少能耗、节约用水、减少污染、保护环境、保护生态、保护健康、提高生产力有利于子孙后代。

国际经济合作与发展组织为可持续建筑设置了4项基本的发展原则和一个评定因素。资源的应用效率原则、能源的使用效率原则、污染的防止原则（室内空气质量、二氧化碳的排放量）及环境的和谐原则。评定因素是对以上四个原则方面内容进行研究评定，以评定结果来判断建筑是否为可持续建筑。

3）绿色建筑

1990年世界首个绿色建筑标准在英国发布，2006年，我国正式颁布了《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006，此后，于2014年和2019年进行修订，目前已经进入绿色建筑评价国家标准的3.0时代。评价指标从最初的“四节（(节能、节地、节水、节材)）一环保”到“安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居”以人为本五大指标。

《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019推荐建筑碳排放计算方法，提出建筑碳排放计算分析包括建筑固有的碳排放量(建材生产及运输的碳排放)和标准运行工况下的碳排放量(标准运行工况的预测碳排放量和实际运行碳排放量)，不包括建筑施工和回收拆除阶段的碳排放。

4）节能建筑

节能建筑主要是遵循气候设计和节能设计的基本方法，对建筑的规划、间距、空间布局等各方面进行研究，设计出低能耗建筑。其以建筑物的能耗水平为评价指标。20世纪70年代，石油危机使得太阳能、地热、风能等各种建筑节能技术应运而生，节能建筑成为建筑发展的先导。1980 年，世界自然保护组织首次提出“可持续发展”的口号，同时节能建筑体系逐渐完善。

截至“十二五”末，我国的建筑节能已完成了改革开放之初确定的节能率30%、节能率50%到节能率65%三步走的战略目标。新的节能规范《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021的发布，按不同气候区给出新建民用建筑节能率要求，严寒和寒冷地区居住建筑平均节能率应为75%，严寒和寒冷地区外其他气候区居住建筑平均节能率应为65%，公共建筑平均节能率应为72%。第一次对新建建筑的碳排放强度提出量化要求，居住建筑平均碳排放强度下降6.8kgCO2/（m2.a），公共建筑碳排放强度下降10.5 CO2/（m2.a）。

5）低碳建筑

低碳，指较低的温室气体（二氧化碳为主）排放。“低碳”一词首先出现在英国白皮书《我们未来的能源—创建低碳经济》中的“低碳经济”概念中。

重庆市最先发布地方的低碳建筑标准《重庆市低碳建筑评价标准》DBJ50/T-139-2012，该评价标准2012年5月1日正式实施，低碳建筑定义为从规划、设计、施工、运营、拆除、回收利用等各个阶段,通过减少碳源和增加碳汇实现建筑生命周期碳排放性能优化的建筑。在建筑生命周期内, 从建筑全生命周期碳排放量角度对建筑性能进行评价，分银级、金级、铂金级三个等级。

综上所述，生态建筑、可持续建筑、绿色建筑、节能建筑、低碳建筑侧重点存在一定差异，但都强调建筑应与环境和谐共生，降低碳排放。其中生态建筑、可持续建筑、绿色建筑内容相互交叉，节能建筑是绿色建筑和低碳建筑的基础，绿色建筑是节能建筑的扩展，低碳发展是生态建筑、可持续建筑、绿色建筑、节能建筑在碳排放方面的必然结果。

2 低碳建筑主要实施路径概述

1）降低建筑负荷

可通过提升围护结构性能降低建筑负荷，减少建筑能耗，是建筑减碳的基础工作。包括墙体保温隔热技术、屋面保温隔热技术、外窗节能技术、外遮阳技术等。不同的技术特点如下：

2）建筑电气化

电力碳排放因子较其他能源系统更小，故建筑电气化是实现低碳建筑的重要途径。建筑电气化主要包括供暖电气化和直流供电。

供暖电气化即用热泵取代直接燃烧的设备供暖(煤改电，气改电)，但需提高供暖热泵系统的效率，否则，电力驱动的热泵供暖系统与天然气锅炉供暖系统碳排放持平，供暖电气化没有降碳优势。目前的生产水平，提高热泵供暖系统的效率难度较大，目前可采用的途径有采用超低温空气源热泵或地源热泵系统，有希望提高热泵性能系数至3.0以上。

超低温空气源热泵供暖遵循逆卡诺循环，将不可直接利用的低位能(空气源)转换为可以直接利用的高位能（热能），然而超低温空气源热泵面临的最大难题是结霜，结霜时，热泵性能系数降低，导致制热量不足，目前，有示范项目采用先进的智能除霜控霜专利技术，可从根本上解决热泵频繁除霜甚至结冰无法运行的难题，化霜时间几乎可以忽略不计，保证稳定供热，为超低温空气源热泵的应用起到积极作用。

地源热泵系统指采用地表水、土壤、中深层地热替代空气源作为热源，利用埋地的管路系统将地源通过地源热泵机组与建筑物内部进行热交换，夏季蓄热，冬季蓄冷，但地源热泵系统设计时，需对地源特性进行详细的勘察测算、冬夏负荷平衡等，提高热泵系统选型准确性与运行的节能性。

直流供电可直接利用可再生能源电力，提高供电效率，减少碳排放。目前，《民用建筑直流配电设计标准》T/CABEE 030—2022已正式颁布实施，为建筑低压直流系统设计、运行等提供了依据，满足直流供电大规模推广应用的需求。该规范重点解决了电压等级的问题，目前，直流电气电压存在多个等级，不可能为每个电压等级设置专用插座，故该标准建议电压等级不多于3级,并推荐采用DC 750V、DC 375V和DC 48V,可根据设备接入功率需求选取适宜的电压等级。但电压等级的改变，用电设备的兼容问题会给设备带来颠覆性改变，生产企业将面临更大的挑战。建筑应用上主要有采用“光储直柔技术”利用直流供电，目前，已有一些建筑开展应用探索，如深圳建科院未来大厦、山西芮城庄上村、清华大学建筑节能楼等。

3）能源脱碳技术

建筑减碳归根究底是能源问题，能源脱碳是低碳建筑最关键的技术。2022年8月18日，科技部等九部门印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案( 2022- 2030)》，分析该方案可知，针对建筑领域能源脱碳主要有利用可再生能源发电和清洁氢能。

在建筑领域，可再生能源发电主要有太阳能光伏发电系统，前期针对太阳能发电系统的研究主要集中在太阳能光伏发电系统的低成本规模化开发利用,间歇式电源并网及输配和技术研究，随着研究的深入，主要问题逐渐细化为与建筑结合问题、负荷匹配、电网交互等问题，即同时保证太阳能光伏组件和建筑功能的同时如何提高效率和更美观、建筑负荷与太阳能产能的匹配、建筑太阳能产能与公共电网的交互关系。针对后两个问题，从宏观角度探索的解决办法是构建区域能源网络，建筑作为产能者和消能者，通过区域能源网络这个管理者整合区域能源资源、平衡供需。

氢气因气体密度低，质量轻，能源密度高，燃烧产物是水，被视为未来理想的清洁能源；另可再生能源可电解水制氢，形成绿氢，就地消纳可再生能源，缓解可再生能源不稳定性。虽氢气爆炸极限相对较低，安全要求高，成本高，各地区仍在积极推动氢能在建筑领域的应用发展。在建筑领域，一、氢气可代替或掺入天然气作为燃料，天然气掺氢是利用电网无法消纳的可再生能源电解水制取氢气，将氢气注入到天然气管道中，与天然气混合形成掺氢天然气，通过天然气管道将掺氢天然气输送至建筑终端，并在终端实现掺氢天然气的应用，从而形成“制氢、混氢、输氢、用氢”的系统化应用。如“国家电投辽宁朝阳天然气掺氢示范项目”。二、也可通过氢能燃料电池热电联供，氢能燃料电池主要有质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等，燃料电池把氢能的化学能通过电化学反应直接转换为电能，且燃料电池在发电的过程中会产生大量的热能，形成热电联供。如佛山南海“氢能进万家”智慧能源示范社区项目。

3 总结

国家碳达峰、碳中和任务艰巨，建筑减碳在面临挑战的同时，也迎来新的变革和机遇，将会受到越来越广泛的关注，减碳技术也将越来越成熟。

参考文献

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