零碳建筑技术在社区服务中心的应用实践

南京长江都市建筑设计股份有限公司

祝侃 唐觉民 姜楠 张伟伟

对于零碳建筑，目前尚无统一的定义，一般是指在建筑的全生命周期中，建筑的综合碳排放为零的建筑。零碳建筑的考量不仅针对建筑使用阶段，更要全面考虑建材生产运输、建造施工、运行维护、拆除废弃等全生命周期。

以《京都议定书》的签订为里程碑，世界各国都从此开始重视建筑碳减排的相关工作。英国、德国、美国、日本等发达国家都出台了建筑近零能耗和低碳排放的政策，开展了一系列零碳建筑和零碳社区的实践。

在国内方面，虽然目前直接针对建筑碳排放的政策和标准相对较少，但也涌现出一批零碳建筑的成功案例。包括香港的“零碳天地”、上海世博会零碳馆、天津生态城公屋展示中心、宁波诺丁汉大学可持续建筑研究中心等。总体来看，虽然目前大多零碳建筑案例还只是实验建筑或示范建筑，尚不具备商业推广的价值，但也极大促进了我国各气候区建筑碳减排技术体系的发展。

本文旨在结合南京市某新建人才公共租赁房小区的社区服务中心设计案例，探索在夏热冬冷地区实现该类型零碳建筑的技术路径，并开展建筑全生命周期的碳排放预评估研究，以期为同类建筑的设计提供一定的参考。

1 社区服务中心特征分析

社区服务中心一般作为住宅小区的配套设施，总体上具备开展零碳建筑创建的基础条件。

1.1 体量小

住宅小区的社区服务中心一般多为低层建筑，总建筑面积往往在几千平米左右，体量不大，便于利用城市空间有限的碳汇资源。同时，较小的体量可以便于总体增量成本的控制，提高可推广性。

1.2 用能强度不大

社区服务中心一般功能为物业办公，并带有一定的公共服务功能。总体来讲，单位面积用能强度不大，使用时间较不密集，具备实现低能耗的创建条件。

1.3 管理可控

社区服务中心一般为物业管理部门使用，主体较为单一。同时社区服务中心的运营可以和物业管理结合，列入物业管理相应的考核要求。因此，在建筑的运营管理上具有保障，这对零碳建筑的实际效果起到了关键作用。

1.4 具有可复制性

社区服务中心在住宅小区中有着常见配套设施，整体设计具有趋同性。如果建立一套切实可行的零碳社区服务中心的技术体系，可以较为便利地进行复制;此外，小体量的优势减少了经济上的额外成本。在当下住宅地产开发追求产品附加值的趋势下，零碳社区服务中心作为小区开发的亮点，也具有一定的商业推广价值。

2 技术路线

2.1 全生命周期建筑碳排放计算模型

零碳建筑实现路径的分析，应当是基于建筑全生命周期碳排放计算。目前国内外文献中对于全生命周期的划分方法存在一定的差异，但均基本包含以下几个阶段:建材生产阶段、建材运输阶段、建筑施工阶段、建筑使用阶段(含维修)和拆除废弃阶段。

根据建筑全生命周期概念，将以上各个阶段二氧化碳排放量计算结果相加，即为建筑全生命周期总二氧化碳排放量。其中，建筑使用阶段的计算年限一般为50年。

根据相关文献调研，建材生产和建筑使用这两个阶段在全生命周期中产生的二氧化碳排放量所占的比例最大，特别是建筑使用阶段，甚至可占到建筑全生命周期碳排放总量的60%～80%以上。

2.2 如何实现零碳建筑

根据上文分析，在建筑的全生命周期中，所有阶段都是在产生碳排放，所以绝对意义上的建筑“零碳”是不可能实现的。只有在充分降低各阶段碳排放的基础上，通过诸如产生清洁能源等方式实现对碳排放的“抵偿”，才能实现建筑碳排放的相对值———即综合碳排放为零。因此实现零碳建筑的途径可分为两个层面。

2.2.1 降低碳排放量

从全生命周期建筑碳排放的计算模型出发，针对各阶段碳排放的产生影响因素，采用合适的设计方法或技术手段予以降低。重点应当关注建材生产过程产生的隐含碳排放及建筑使用期内的能源消耗。

2.2.2 提高碳减排量

采用可再生能源技术产生清洁能源，用于建筑本身或对电网输出;在建筑地块内设置绿地系统，通过植物的光合作用实现对大气二氧化碳含量的降低。

2.3 零碳技术路径

针对社区服务中心类建筑，实现零碳建筑的具体技术路径可以从以下几个方面入手。

2.3.1 实现建材低碳化

尽量采用可再循环的建筑材料及EPD(环境产品申明)认证的绿色建材。对于多层为主的社区服务中心可以结合木结构、钢结构等结构体系。室内装饰尽可能简洁，如采用清水混凝土、无吊顶设计等，并可采用竹材、麦秸板等自然素材或利用废弃物。

2.3.2 因地制宜的被动式设计

结合气候特征，通过优化建筑形体和立面设计，提高建筑的被动式性能，重点考虑夏季的建筑遮阳和过渡季的自然通风。根据性能分析适度提高建筑的保温体系，不过度追求围护结构绝热性能和气密性。

2.3.3 以能耗为导向的机电设计

以降低运行能耗为设计导向，不片面追求技术的先进性。注重实现空调系统的可调性和部分负荷性能，建议采用小型化的空调系统设计思路。严格控制照明功率密度，并重点从照明控制上提高节能效果。

2.3.4 合理使用碳中和手段

建筑碳中和手段应当作为辅助，在建筑的低碳建造、运营基础上，作为实现零碳的补充措施。常见的碳中和措施包括太阳能光伏发电和绿地系统等。绿地碳汇总量受场地限制;太阳能光伏发电技术在应用中必须考虑光伏组件生产和更新的隐含碳排放。

3 案例研究

3.1 案例概况

案例项目为南京市江北新区某人才公寓社区服务中心，项目总建筑面积为2376m2，地上共3层，建筑高度为14.4m。建筑主体采用现代木结构体系，1层主要为绿色低碳技术展示、社区服务和办公，2层主要为社区活动和会议室，3层主要为物业管理办公。

建筑顶部斜屋顶形成人工山丘的建筑形态，斜屋面上结合屋顶木屋架布置太阳能光伏组件。结合建筑形态，设置室外阶梯剧场，作为社区休闲聚会的开放空间。

项目预制装配率达到80%以上，按照绿色建筑三星级、健康建筑三星级标准设计。建成后将为江苏省第一栋木结构零碳建筑。

图1 项目效果图

3.2 零碳技术方案

3.2.1 低碳建材设计

3.2.1.1 木结构设计

本项目底部采用混凝土结构，上部木结构，结构稳定且利于防潮。上部木结构形式受树木启发，采用当代工程木材料和新的连接方式，既体现结构与自然材料的特点，又营造出了仿佛置身于树林之中的空间意向。

图2 木结构示意图

3.2.1.2 内装设计

建筑内装设计中尽可能采用低碳建材，减少材料隐含碳排放。外墙和内隔墙中采用欧松板;室内地面采用高性能竹基纤维复合地板，充分利用竹材这一自然材料。部分空间采用暴露管线的无吊顶设计，在减少室内装饰材料用量的同时，营造独特的室内风格。

3.2.2 被动式建筑设计

3.2.2.1 建筑空间与布局

（1）建筑层高控制

建筑层高与能耗紧密相关:高大的建筑空间一方面会增加建筑热环境控制的空间体积，另一方面会严重影响空调气流组织和照明效果，造成空调系统和照明系统的能耗增加。因此本项目在满足建筑功能的基础上，通过精细化设计，尽量降低层高，降低室内环境控制能耗。

（2）过渡空间设计

在建筑外区设置一定的过渡空间，将设备用房、楼梯间对热环境舒适度要求不高的房间移动至建筑外区，形成建筑热环境的缓冲区域，提升建筑的被动式节能表现。

（3）楼梯空间设计

对中庭悬梯和外区楼梯进行精细化设计，使楼梯空间变得明媚而具有趣味，激发人们走楼梯的愿望，减少电梯使用，进而实现行为节能的效果。

3.2.2.2 中庭设计

本项目为3层建筑，体型扁平，存在较大的内区空间。为了解决内区的采光、通风问题，充分改善建筑微气候，在建筑中采用了中庭设计。通过构建热压通道，强化自然通风效果，可以实现对于夏季和过渡季空调开启时间的减少。

项目通过自然通风模拟，对比了屋顶开窗和开高侧窗的方案，同时考虑屋面防水的问题，最终采用了在3层设置可开启的高侧窗，可以不受天气的干扰，实现自然通风的充分利用。

此外，中庭在前台接待处还设置了垂直绿化，通过绿色植物改善调节中庭的微气候，改善中庭的环境品质。

3.2.2.3 遮阳设计

夏季遮阳是夏热冬冷地区实现超低能耗建筑的关键，本项目结合建筑本体，采用多维度的遮阳设计，充分降低夏季的遮阳得热。

（1）建筑形体自然遮阳

项目充分利用建筑形体的错位和退让，实现2层对1层南向部分立面的自然遮阳。同时，依靠屋顶光伏构件，有效遮挡3层的太阳辐射。

（2）建筑格栅遮阳

由于建筑南侧主要为室外剧场，接受太阳辐射的朝向主体为东、西方向。因此考虑以垂直木格栅为立面遮阳方式，符合东西朝向的建筑遮阳控制特点。为充分提高建筑遮阳效果，并尽可能减少对于自然采光、冬季采阳的影响，设计初期对格栅设计参数的选取进行了详细的性能分析。

图3 遮阳格栅参数分析

（3）绿化遮阳

西北立面结合格栅，设计种植攀缘植物，通过立体绿化实现对西晒的控制。由于本建筑高度不高，设计在西侧种植乔木，对低角度的太阳辐射进行遮挡，进一步减缓西晒的影响。

3.2.2.4 围护结构热工设计

南京地处夏热冬冷地区，围护结构保温性能对于整体能耗表现的影响不及寒冷和严寒地区。根据建筑负荷模拟分析，提高外墙的保温性能有利于建筑冬季热负荷的降低，但也会增加过渡季的冷负荷，对空调季的制冷能耗带来一定的不利影响。当保温性能达到一定水平后，对建筑负荷的总体影响可基本忽略，进一步提高性能反而会显著增加投资。本项目主要围护结构热工要求如表1所示。

表1 围护结构热工参数

3.2.3 空调照明系统设计

3.2.3.1 直流变频多联机系统

本项目冷热源采用直流变频多联机，对于该项目，多联机空调系统输配能耗低，并在部分负荷下有着较好的能效比，综合能源效率IPLV(C)可达6.0。

3.2.3.2 热回收新风系统

随着建筑围护结构保温性能的提升，建筑新风负荷在能耗中的份额逐步提升，如何处理建筑的新风，对于超低能耗建筑目标的实现至关重要。本项目采用全热回收新风机组对排放的冷热量进行回收，减少新风负荷，热回收焓效率可达65%以上。新风系统设置除霾装置，对室外空气进行有效过滤，PM2.5去除效率达到95%，可以满足健康的室内环境要求。

3.2.3.3 吊扇通风

研究表明，人体不宜常期处于恒温状态，适当热应激有利于健康。30℃以下辅助低风速的气流，可以显著改善舒适度。在建筑空间中采用低转速高风量的风扇，能够在过渡季代替空调设备，营造舒适健康的热环境，并且有利于倡导一种绿色低碳的生活态度。

3.2.3.4 节能照明设计

本项目采用智能照明系统，设置照度传感器，实现灯具的照度、色温可调。照明灯具均采用LED灯，各房间或场所的照明功率密度值均满足现行国家标准GB50034《建筑照明设计标准》中的目标值要求。照明系统采取节能延时开关控制等节能控制措施。应急照明采用节能自熄开关时，在应急时采用强制点亮的措施。

3.2.4 直流微电网设计

该项目将单晶硅光伏组件与木结构屋顶一体化设计。采用330Wp光伏组件共848块，16个组件一串，共53串，总容量为279.84kWP，预计年发电量可达29.9万kW·h。

光伏屋顶的发电量进入直流配电网，同时市电交流经过整流同时汇入。直流配电网分为两级运行，第一级电压为DC375V，可供空调、汽车充电桩等直流设备直接使用;第二级电压DC220V以供照明、家用电器、办公设备等低压电器使用，两级配电线路由直流变换器连接，保障供电可靠性及设备安全运行，同时变换器中集成主动保护功能，防止接地、交流窜入故障的传播，母线和各线路均配置直流微机保护。

4 全生命周期碳排放预评估

4.1 计算方法

4.1.1 碳排放计算

根据全生命周期建筑碳排放计算模型(3.1节)，项目全生命周期碳排放按照建材生产、建材运输、建筑施工、建筑使用(含维修)和拆除废弃五个阶段进行计算。

图4 直流微电网系统图

（1）建材生产阶段

基于建材工程量清单，将各类建材总量和对应碳排放因子的乘积累加，可得建材生产阶段碳排放总量，具体材料碳排放因子取值参照国家《建筑碳排放计算标准》。特别注意的是，应将光伏组件等机电设备生产的隐含碳排放予以考虑。

（2）建材运输阶段

根据材料采购信息，可获得不同建材的大致运输距离。进口木材按照集装箱船运输方式考虑，其他省内建材按照重型汽油货车运输方式考虑，结合国家《建筑碳排放计算标准》中的碳排放因子，可以算得建材运输阶段的碳排放总量。

（3）建筑施工阶段

目前项目处于设计阶段，无法获得较为准确的施工台班统计。采用参考文献的计算方法，根据常规建筑施工每平方米的碳排放量进行估计。

（4）建筑使用(含维修)阶段

通过建筑能耗模拟计算方法，预估建筑全年用能总量。同时按照建筑寿命50年，计算全寿命期内建筑总用能对应的碳排放。此外，根据文献资料将建筑维护更新(包括光伏组件更新)的碳排放予以考虑。

（5）拆除废弃阶段

该阶段对建筑碳排放总量的影响较小，采用参考文献的估计方法。

4.1.2 碳减排量计算

本项目主要的碳中和手段为太阳能光伏发电和绿地碳汇。太阳能光伏发电量采用有效利用小时数计算法，计算所得的年发电量可折算相应的碳减排量。本项目周边绿地面积有限，绿地碳汇的碳减排量较小，根据文献中单位面积绿地的固碳能力进行计算。

4.2 全生命周期碳排放预评估结果

本项目全生命周期碳排放预评估结果如表2所示(详细计算过程略)。

表2 全生命周期碳排放预评估结果

根据案例建筑碳排放预评估结果，碳减排量大于碳排放总量，整体可满足全生命周期综合零碳排放的目标。从碳排放各阶段的分布来看，在全生命周期占比较大的是建材生产和建筑使用阶段(含维修)，分别占到了15.75%和80.77%。

建材生产阶段使用了低隐含碳排放的木材，对整体碳排放的降低起到了积极作用。但光伏组件由于生产能耗较高，很大程度影响了建材生产阶段的碳排放。

通过案例的被动式和主动式设计，将预估年单位面积能耗控制在42.9kW·h/m2，充分降低了建筑运行的碳排放;而建筑维护更新，包括光伏组件的更替，却贡献了全生命周期中12.66%的碳排放。

从碳减排的情况来看，本项目起到主要作用的是太阳能光伏，绿地碳汇的贡献可忽略不计。值得提及的是，通过碳排放的预估，在设计中对于光伏总量进行了优化，保证在满足零碳目标的前提下尽量控制光伏投资。

5  结语

（1）社区服务中心在建筑体量、用能强度、运行管理、成本增量上具备应用零碳建筑技术的天然优势，一定程度上具有推广零碳建筑的潜力。

（2）零碳建筑的实现路径应当围绕定义，主要针对建材生产和建筑运行两个阶段，采用低碳建材，并在被动式建筑设计和机电系统方面提高能耗表现，同时合理采用碳汇手段。

（3）采用太阳能光伏系统作为减碳技术措施，必须考虑太阳能光伏组件生产过程的隐含碳排放，包括设备初安装和生命期内维护更换。通过在项目设计初期进行全生命周期碳排放预评估，可以在检验零碳目标的同时，优化光伏容量。

本文来源：《绿色建筑设计与评价》第343期