韓小寶丨用科技與設(shè)計對話未來——雄安城市航站樓的零碳革命

編者按：

全球首座“超階零碳大樓”正式投入使用，該建筑實現(xiàn)了能源100%自給自足，每年減碳近2500噸，標(biāo)志著建筑領(lǐng)域碳中和實踐邁入系統(tǒng)化、規(guī)模化新階段。從倫敦貝丁頓社區(qū)到上海世博零碳館，零碳建筑正從先鋒理念走向廣泛實踐，成為推動“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的關(guān)鍵路徑。我國也在積極布局，從政策引導(dǎo)到技術(shù)突破，涌現(xiàn)出如雄安城市航站樓等具有標(biāo)桿意義的實踐項目。特邀雄安城市航站樓凈零碳建筑技術(shù)負(fù)責(zé)人韓小寶撰文，從國際視野與本土實踐出發(fā)，系統(tǒng)解析凈零碳建筑的核心路徑、技術(shù)策略與未來挑戰(zhàn)，旨在為行業(yè)提供可借鑒的思路與方法，推動建筑綠色轉(zhuǎn)型走向更深、更實。

在全球氣候變化的嚴(yán)峻背景下，極端天氣頻繁出現(xiàn)，冰川加速融化，海平面不斷上升，這都要求我們必須采取切實有效的手段進行應(yīng)對。根據(jù)國際能源研究中心和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布的權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，目前在全球碳排放中，有近40％來自于建筑施工和運營。雖然實現(xiàn)氣候目標(biāo)的路徑并不是唯一的，但政府間氣候變化專門委員會（IPCC）《全球升溫1.5°C特別報告》中指出，所有與1.5°C升溫目標(biāo)相匹配的氣候變化減緩路徑都要求全球在未來實現(xiàn)零碳排放。因此，降低來自建筑領(lǐng)域的碳排放對于應(yīng)對全球氣候變化至關(guān)重要。

近年來，我國經(jīng)歷了城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，建筑規(guī)模持續(xù)擴大，根據(jù)《2024中國城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳排放研究報告》數(shù)據(jù)顯示，2022年我國建筑與建筑業(yè)建造的碳排放總量為51.3億噸二氧化碳，占到了全國能源相關(guān)碳排放的48.3%。為了積極應(yīng)對氣候變化，我國提出了“雙碳”目標(biāo)，即2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。這一目標(biāo)體現(xiàn)了我國應(yīng)對氣候變化的堅定決心，也為建筑行業(yè)的發(fā)展指明了方向。凈零碳建筑作為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵路徑，其發(fā)展已經(jīng)成為全行業(yè)的共識和必然趨勢，也是應(yīng)對氣候變化的重要舉措。

韓小寶

意大利米蘭理工大學(xué)博士

國家一級注冊建筑師、高級工程師

德國PHI被動房認(rèn)證設(shè)計師

英國BREEAM INFRASTRUCTURE認(rèn)證評估師

北京筑綠低碳科技有限公司創(chuàng)始人

在零碳建筑領(lǐng)域具備豐富經(jīng)驗，在熟悉中國建筑設(shè)計法規(guī)和市場需求的基礎(chǔ)上，有針對性地將國際前沿零碳建筑技術(shù)融入到設(shè)計及施工運維全過程當(dāng)中，以全生命周期的視角，全方位地降低建筑的碳足跡，并提升人居環(huán)境品質(zhì)。

▲ 雄安城市航站樓人視

破局之道：凈零碳建筑的三大實現(xiàn)路徑

所謂的凈零碳建筑，是指在特定時間段內(nèi)（通常為一年），其運營過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放量，可以通過建筑自身或外部的碳匯/碳抵消機制完全中和的建筑，且實現(xiàn)中和的技術(shù)路徑需優(yōu)先通過節(jié)能和可再生能源利用，抵消手段僅作為補充。通俗地說，就是建筑能夠?qū)崿F(xiàn)能源消耗相關(guān)的碳排放“收支平衡”，即排放量低于或者等于可再生能源利用與碳抵消的碳減排總量。除此之外，如果進一步以建筑全生命周期為視角，將建筑所使用的材料產(chǎn)品在生產(chǎn)及運輸過程中產(chǎn)生的碳排放以及施工過程中由于能源消耗產(chǎn)生的碳排放都納入到建筑總體排放量中的話，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)碳排放“收支平衡”的建筑則是全生命周期凈零碳建筑。

從凈零碳建筑的定義可以看出，凈零碳建筑最終的零碳排放主要是通過“源頭減碳、能源替代、末端抵消”這三種技術(shù)途徑實現(xiàn)的，并且需要遵循“先減量、再中和”的原則。

源頭減碳——降低建筑的能源使用需求

建筑之所以會在運營過程中產(chǎn)生大量的碳排放，主要是因為在建筑內(nèi)部為了保證功能使用要求和室內(nèi)環(huán)境的舒適度，運營期間會使用大量設(shè)備，如空調(diào)、燈具、電梯、采暖器具等，這些設(shè)備的運行會消耗大量的電力及燃?xì)狻Ｈ绻玫碾娏κ怯苫茉串a(chǎn)生，那么這些能源消耗就會產(chǎn)生以二氧化碳為主的溫室氣體。可以說，建筑運營期間對耗能設(shè)備的依賴就是建筑碳排放的源頭所在。

目前，從源頭進行碳排放減量主要有兩種措施，一是減少耗能設(shè)備的使用數(shù)量和使用時長，即通常所說的“被動式技術(shù)”；另一種是通過提升耗能設(shè)備的運行效率，在同等使用強度下，消耗更少的能源，即“主動式技術(shù)”。兩種措施相比，“被動式技術(shù)”的核心是因地制宜，最大潛力地發(fā)掘建筑本身“冬暖夏涼”的調(diào)節(jié)能力，比如通過合理科學(xué)的建筑表皮設(shè)計，最大程度地利用天然采光，減少建筑照明的使用，同時有效隔絕太陽輻射得熱，實現(xiàn)“透光不透熱”，避免建筑空調(diào)能耗的增加。優(yōu)異的“被動式技術(shù)”措施，不僅可以從源頭減少建筑碳排放量，還減少了建筑內(nèi)部設(shè)備的使用數(shù)量，有效地降低了建筑建設(shè)成本，被稱之為“負(fù)成本增量”技術(shù)手段。“主動式技術(shù)”的核心是提升耗能設(shè)備的運行效率，既可以通過采購高能效設(shè)備產(chǎn)品實現(xiàn)，也可以通過優(yōu)化設(shè)備系統(tǒng)運行來實現(xiàn)。采購高能效設(shè)備技術(shù)門檻低、容易實施，但是會增加建設(shè)成本的風(fēng)險；優(yōu)化設(shè)備系統(tǒng)運行的方式可以針對任何常規(guī)設(shè)備，在控制造價方面有利，但需要專業(yè)的技術(shù)支持才能得以實現(xiàn)。

▲ 天然采光與太陽輻射仿真模擬

▲ 自然通風(fēng)利用仿真模擬

能源替代——使用可再生能源

建筑實現(xiàn)凈零排放的另一條技術(shù)路徑，是使用零碳 / 低碳能源（主要是可再生能源），來替代傳統(tǒng)的化石能源及其產(chǎn)生的電力。建筑使用的可再生能源主要是太陽能光伏發(fā)電，除此，風(fēng)力發(fā)電、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能也是有效手段。這其中，風(fēng)力發(fā)電、地?zé)崮軐ㄖ膮^(qū)位和場地有一定要求，而生物質(zhì)能需要具備可靠的供應(yīng)體系。但太陽能的光熱利用對于絕大多數(shù)建筑來說，既具備使用條件，又能夠保證日常運行，因此是凈零碳建筑中最為普遍的技術(shù)手段。與此同時，太陽能的利用還有另外一個優(yōu)勢，那就是與建筑構(gòu)件進行結(jié)合，形成太陽能光伏與建筑一體化（BIPV）應(yīng)用，將光伏板作為建筑外墻或屋頂材料，兼顧發(fā)電與建筑功能。

除此之外，若建筑自身可再生能源發(fā)電量不足，還可向電網(wǎng)或者周邊可再生能源發(fā)電實體購買“綠電”（由風(fēng)電或者太陽能光伏所發(fā)電力），其碳排放為零或極低。

末端抵消——碳匯、碳捕捉與碳信用

如果建筑通過源頭減量和能源替代后，仍舊有剩余的碳排放，這時候可以使用碳匯、碳捕捉或者碳信用進行抵消，從而實現(xiàn)最終的碳中和。

碳匯既可以通過建筑場地內(nèi)部種植的樹木和綠地進行就地抵消，也可以通過向林業(yè)碳匯項目（如植樹造林，樹木生長吸收二氧化碳）購買碳配額。

碳捕捉技術(shù)是指空氣直接碳捕捉DAC技術(shù)，即通過特定設(shè)備與工藝，從空氣中直接捕獲二氧化碳，并對其進行再利用或封存，從而阻止碳排向大氣，直接削減建筑的“實際碳足跡”。

凈零碳建筑中使用的碳信用主要是核證減排量CER。CER是聯(lián)合國清潔發(fā)展機制（CDM）下認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)化“碳排放削減憑證”，1個CER對應(yīng)1噸二氧化碳的減排量，凈零碳建筑項目可以通過購買此類憑證來抵消自身的碳排放量。

除了“源頭減碳、能源替代、末端抵消”這三種技術(shù)途徑外，從全生命周期視角看，凈零碳建筑也常通過低碳建材的選擇和綠色施工的實施，全方位降低貫穿整個環(huán)節(jié)的碳排放量。低碳建材的選擇主要包括再生鋼材、低碳水泥、負(fù)碳材料（本身吸收了二氧化碳）等，用于替代高碳建材；綠色施工主要是通過有效的施工過程管理，減少施工過程中的資源能源消耗及材料浪費，從而實現(xiàn)碳排放量的降低。

上述幾種凈零碳建筑的技術(shù)途徑，都遵循“先減量、再中和”的原則，這也是國際范圍內(nèi)的普遍行業(yè)共識，其核心目的在于從源頭上規(guī)避“漂綠”風(fēng)險。若跳過“減量”環(huán)節(jié)，直接通過購買綠證等方式實現(xiàn)碳排放中和，看似快速達(dá)成目標(biāo)，實則難以形成穩(wěn)定、可持續(xù)的脫碳成效——這種“中和”未觸及建筑高能耗的本質(zhì)。與此同時，優(yōu)異的“被動式技術(shù)”源頭減碳措施，一方面可以降低凈零碳建筑的建設(shè)成本，解決當(dāng)下凈零碳建筑在推廣中的首要難題；另一方面為過程中減少了各類設(shè)備和產(chǎn)品的使用，從而降低了其中的隱含碳，因此可以有效推動建筑行業(yè)向深度脫碳轉(zhuǎn)型。

▲ 雄安城市航站樓 - 總平面圖

案例深潛：一座交通樞紐的“零碳”實踐

作為國內(nèi)第一個獲得國際凈零碳建筑認(rèn)證的交通類建筑，雄安城市航站樓是集城市功能、交通功能、航空功能于一體的大型綜合交通樞紐建筑，其內(nèi)部整合了雄忻高鐵、京雄快線、M1線、M2普線四條軌道交通線路。作為新時代的城市地標(biāo)，以引導(dǎo)的姿態(tài)象征了中國綠色生態(tài)的新文化未來。項目實現(xiàn)了此類建筑凈零碳技術(shù)體系“從0到1”的突破，并獲得了由德國萊茵TüV和英國建筑研究院BRE共同頒發(fā)的“特別項目大獎”。

在技術(shù)應(yīng)用體系上，項目充分結(jié)合了交通建筑功能特點，借鑒了本領(lǐng)域國際前沿技術(shù)理念，以建筑全生命周期碳排放控制為視角，以數(shù)字化仿真模擬和人工智能算法為技術(shù)手段，實現(xiàn)了全專業(yè)、全過程的凈零碳建筑整合設(shè)計，并有機融合了零碳技術(shù)應(yīng)用與建筑藝術(shù)效果，創(chuàng)造出了全新的凈零碳交通建筑設(shè)計語言和技術(shù)實施路徑。

項目的凈零碳設(shè)計及認(rèn)證范圍為地面建筑單體，建筑面積為2387.53m2。根據(jù)測算，項目全年能耗為255.26MWh，項目本身的可再生能源發(fā)電量為492.70MWh，可再生能源產(chǎn)能大于建筑全年能耗，是一座產(chǎn)能建筑，實現(xiàn)了負(fù)碳效果，CO2年減排量約225.7噸，相當(dāng)于種植了18810棵樹。

雄安城市航站樓在凈零碳技術(shù)體系應(yīng)用上，采用了“源頭減碳+能源替代”的策略。一方面借助數(shù)字化仿真模擬技術(shù)與人工智能算法對建筑的設(shè)計進行優(yōu)化，以“被動式技術(shù)”最大化地降低建筑對耗能設(shè)備的依賴；另一方面，將可再生能源利用與建筑表皮設(shè)計相結(jié)合，使太陽能薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)成為了建筑本身的構(gòu)件，與建筑總體設(shè)計理念相融合，真正做到了太陽能與建筑一體化（BIPV）。

▲ 雄安城市航站樓 - 室內(nèi)設(shè)計

數(shù)字化仿真模擬 + 人工智能算法，實現(xiàn)節(jié)能新高度

雄安城市航站樓作為交通類建筑，對耗能設(shè)備的依賴主要是為了保證使用功能和達(dá)到室內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，主要設(shè)備有照明設(shè)備、夏季制冷設(shè)備、冬季供暖設(shè)備、新風(fēng)設(shè)備和自動扶梯等。降低對這些設(shè)備依賴的方法就是盡大可能性地讓建筑能夠利用天然采光和自然通風(fēng)，減少夏季的太陽輻射得熱，增加冬季太陽輻射得熱，并提升本身的保溫性能。這些方法均有對應(yīng)的技術(shù)措施，可難點在于如何協(xié)調(diào)這些方法間存在的內(nèi)在矛盾：單純提升天然采光利用可以降低照明能耗，但同時會增加夏季太陽得熱，進而增加空調(diào)能耗；過度使用遮陽措施可以減少空調(diào)使用，但在冬季又會導(dǎo)致供暖需求的增加；加強自然通風(fēng)可以減少空調(diào)使用時間，但在極端天氣中又會造成冬季熱散失和夏季的濕熱侵入室內(nèi)。這些難點的存在，使得目前“被動式技術(shù)”的應(yīng)用還有很大局限性，其往往停留在理念階段，很難做到有實效性地落地。

在雄安城市航站樓項目中，低碳技術(shù)團隊通過“虛擬化建模、仿真預(yù)測和人工智能算法”，精準(zhǔn)找到了建筑在夏季得熱、冬季供暖及采光需求間的最佳平衡點，將不同技術(shù)措施有機融合，保證總體效能最大化，最終實現(xiàn)了項目綜合能耗最低的目標(biāo)，這一成果是傳統(tǒng)性能計算無法完成、難以企及的。

▲ 雄安城市航站樓 - 室內(nèi)中庭

精細(xì)化設(shè)計，實現(xiàn)凈零碳建筑“高性價比”建設(shè)路徑

建筑內(nèi)部耗能設(shè)備的運行效率多呈現(xiàn)為動態(tài)曲線，而工程設(shè)計中因精細(xì)化程度不足，“大馬拉小車”的現(xiàn)象普遍存在——許多性能優(yōu)異的先進設(shè)備，因設(shè)計匹配度不夠，長期處于低效率區(qū)間運行，這就導(dǎo)致了“設(shè)備成本投入不少，實際節(jié)能效果未達(dá)預(yù)期”的困境，無法發(fā)揮出設(shè)備應(yīng)有的價值。反之，即便采用常規(guī)的設(shè)備產(chǎn)品，若能通過精細(xì)化設(shè)計對其運行邏輯、匹配場景進行優(yōu)化，確保設(shè)備始終在高效率區(qū)間穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，不僅能有效降低建筑能耗、實現(xiàn)降碳目標(biāo)，更能大幅控制建設(shè)成本。

在雄安城市航站樓項目中，結(jié)合其內(nèi)部空間高大的特點，項目供暖采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)。航站樓地面大廳冬季地板輻射采暖總熱負(fù)荷為153.3kW，集中能源站供給的50/45空調(diào)熱水，經(jīng)航站樓專用板式換熱機組換熱后供給40/30地板輻射采暖循環(huán)熱水。低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)通過分集水器與室內(nèi)埋地管連接，由溫度傳感器信號控制分集水器主供水管上的恒溫控制兩通閥，保證了熱量集中在人員活動高度區(qū)域內(nèi)，沒有通常高大空間冬季供暖因“溫度分層”而出現(xiàn)的熱量浪費現(xiàn)象。雄安城市航站樓空間制冷系統(tǒng)采用島式空調(diào)機組，共設(shè)置8臺，島式空調(diào)機的設(shè)計結(jié)合人員活動流線，以“按需送冷”作為設(shè)計策略，將空調(diào)冷風(fēng)“精準(zhǔn)”送至需求端而非均勻送至整個空間（包括無人員活動范圍內(nèi)），有效降低了夏季空調(diào)的能耗。

▲ 雄安城市航站樓 - 外觀設(shè)計

太陽能與建筑一體化設(shè)計，讓建筑設(shè)計語言與技術(shù)完美融合

雄安城市航站樓作為城市地標(biāo)項目，以極具前衛(wèi)感的全曲面雙曲線形態(tài)呈現(xiàn)。通常而言，這類復(fù)雜曲面設(shè)計與太陽能光伏利用難以兼容，若生硬鋪設(shè)傳統(tǒng)光伏板，將會破壞建筑整體美感。因此在項目中，低碳團隊選擇了碲化鎘薄膜太陽能光伏技術(shù)，結(jié)合建筑造型，將其與建筑自身構(gòu)件進行一體化設(shè)計。該方法不僅能實現(xiàn)發(fā)電功能，還可融入建筑整體節(jié)能系統(tǒng)，提升了透明建筑表皮的遮陽隔熱效果，同時讓光伏元素完全契合建筑的外觀設(shè)計理念，保證項目作品的美學(xué)價值。

此外，雄安城市航站樓項目的照明系統(tǒng)采用了智慧照明技術(shù)，結(jié)合分區(qū)、分組、定時、感應(yīng)等節(jié)能控制措施，采光區(qū)域的人工照明可以根據(jù)天然光照度變化自動調(diào)節(jié)亮度。同時設(shè)置了分類、分級用能自動遠(yuǎn)傳計量系統(tǒng)，實現(xiàn)對建筑能耗的監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和管理。

本項目還應(yīng)用了不同種類的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，包括分布式單晶硅太陽能光伏技術(shù)、碲化鎘薄膜太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。根據(jù)雄安新區(qū)氣候特點以及廠家提供不同產(chǎn)品的發(fā)電效率及系統(tǒng)綜合效率，經(jīng)測算，總年發(fā)電量為49.27萬kW?h，其中分布式單晶硅年發(fā)電量為33.77萬kW?h，碲化鎘薄膜光伏系統(tǒng)年發(fā)電量為15.5萬kW?h。

邁向深綠：凈零碳建筑的機遇與挑戰(zhàn)

在全球應(yīng)對氣候變化與國家“雙碳”目標(biāo)的雙重背景下，凈零碳建筑正迎來廣闊的發(fā)展前景，其不僅是緩解氣候問題的關(guān)鍵應(yīng)對方案，更是推動建筑行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要方向，發(fā)展?jié)摿薮蟆５?dāng)前社會上及行業(yè)內(nèi)對凈零碳建筑普遍存在“成本高、門檻高”的刻板印象，“建設(shè)成本高”成為其推廣路上的常見標(biāo)簽，以致其難以在常規(guī)項目中普及。而從雄安城市航站樓項目的實踐來看，在數(shù)字化仿真和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展的今天，通過科學(xué)設(shè)計與技術(shù)優(yōu)化，有效控制成本的低成本凈零碳建筑解決方案完全可以實現(xiàn)。未來，期待這類高性價比的解決方案可以得到更廣泛推廣，為凈零碳建筑的更快、更好發(fā)展提供有力支撐。

【來源：中國建筑裝飾裝修】

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