碳中和建筑设计探索 梁文杰，潘迪勤 （吕元祥建筑师事务所，香港 999077） ［摘要］以“迈向净零”国际比赛获奖设计“Treehouse”为例，探讨高密度城市中商业建筑碳中和设计的价值和可 调适方案，以应对用户期望、成本、法规壁垒等挑战。Treehouse 是权衡了城市垂直微气候、极端天气和新工作方式 的工作空间。 ［关键词］碳中和；高层建筑；垂直微气候；可调适设计 DOI:10.19953/j.at.2022.s1.077 1 背景 1.1 办公大楼脱碳 在中国，公共和商业建筑约占建筑业运营能 耗的 30%，而办公大楼能源使用在该次级行业中 占了 30%的主要份额[1]。这突显了中国建筑业脱碳 以实现未来共同净零的紧迫性和重要性。“迈向净 零 ”(Advancing Net Zero)是 世 界 绿 色 建 筑 委 员会 （World Green Building Council）的全球性项目， 旨在促进加速实现到 2050 年净零碳建筑达 100%， 到 2030 年将新建筑、基础设施和翻修建筑的隐含 碳至少减少 40%。绿色建筑议会在 2021 年举办了 首届国际性“迈向净零”构思比赛，旨在发掘适 用于亚热带高密度城市碳中和高层办公大楼的设 计构思和解决方案[2]，探讨如何应对城市气候、建 筑数字科技、社会、法规和经济方面的机遇和挑 战，实现办公大楼深度脱碳。 1.2 Treehouse “Treehouse”由吕元祥建筑师事务所设计， 是该比赛“未来建筑”组别获奖作品，见图 1。该建 筑 为 220m 高 的甲 级 办公 大 楼 ， 地盘 面 积 约为 4238m2，总楼面面积约为 94144m2。该设计专门应 对亚热带气候中高湿度、高温度、混合用途的高 密度城区。运营的能源使用强度和前期碳估计分 别为 51 千瓦时/ m2/ 年和每平方米建筑楼面的隐含 碳为 342 千克二氧化碳当量，总碳排放比正常基准 低 74%。Treehouse 着重节能建筑为减排策略，并 通过可交易的碳积分抵消温室气体排放、达致平 衡 [3] 。 它提供了一种新型工作空间，兼顾垂直微 气候、新工作方式和多样化人类行为等，实行多 样化人性空间的综合解决方案。 图 1 迈向净零构思比赛获奖设计作品 Treehouse 334 2 碳中和建筑策略 2.1 应对城市热岛效应和极端气候 城市热岛效应(Urban Heat Island)是高密度城 市面临的最严峻环境问题之一。我们开展了室外 气候工程研究，发现温度每升高 1 度，商业建筑的 年降温能耗将增加 3%[4]，而建筑渗透性将风引向 行人层面、构建绿地/水体/凉爽物料及提供足够的 树荫或冠层遮荫是缓解城市热岛效应的有效策略。 通风对行人层面的热舒适性和污染疏散至关 重要。与建筑规范相比，Treehouse 的可渗透元素， 如架空平台、大壁阶和人行天桥，可使低区域渗 透率从 20%提高至 35.3%(北向)，更将地盘北侧的 风能利用率从 15%提高至 45%。 树冠大、树干短、树荫浓密的树木在阳光充 足的夏季可更有效降低行人层面的白昼平均温度， 而露天空地上的温度最多可高 5.1°C[5] 。拟议在 Treehouse 周边建设城市林地和人工湿地，以减少 公共区域的辐射得热，创造荫凉舒适的环境，见 图 2。 图 2 城市林地 Treehouse 的城市绿色冠层采用乙烯-四氟乙烯 （ETFE）遮阳膜和木结构，和周边的绿地融为一 体，遮盖了该地盘 40%的露天区域，提供凉爽舒 适的室外空间和全天候保护。城市林地和高架连 接桥上方的冠层则有助于营造进入 Treehouse 通道 的亲生物感。 2.2 应对垂直微气候 深入了解城市垂直微气候对高密度城市碳中 和建筑设计具有重要意义。我们发现不同区域垂 直微气候的变化，风和光照环境每隔约 60m 有显 着差异。建筑设计应应对此类垂直微气候变化， 以实现热舒适性，有效利用资源，减少隐含碳。 拟议每隔 9 层楼面建造一座空中花园，可作为通风 廊，增加纵向中低微气候区背风侧空气流通（图 3） 模拟结果显示空气流通量增加 9%~15%)，从而缓 解城市热岛效应。 图 3 东西轴向风速变化对比 Treehouse 设计的绿化总覆盖率在城市高密度 环境下达到典范性的 137%，林木覆盖率达 34.1%， 见图 4。可改善不同垂直区域的微气候，说明有可 能在狭小紧凑的城市地盘内进行立体绿化、实现 高绿化率。 现图 5 所示与垂直外墙相比阳光辐照度降低 19.2%， 从而使能源使用强度（EUI）降低 4 kWh/m2。 就地可再生能源是碳中和建筑设计须考虑的 最重要策略之一。自遮阳建筑体量可扩大上层覆 盖率，为在屋顶上安装光伏电池板提供更大面积， 令日光辐照量最大的位置的光伏覆盖率最大化。 最高三层的楼板也梯级性后退，令光伏电池板可 根据位置纬度和天空条件创建最佳南向倾角，见 图 6。 建筑外墙的太阳能捕获潜力也得到最大限度 发挥。安装在外墙上的光伏电池板暴露在日照强 度约为 0.5-0.8 Sun 的情况下，大部分时间可能无法 有效运行。为了解决这一问题，我们团队拟议将 一种新兴的薄膜轻质技术，钙钛矿型光伏板集成 至外遮阳构件，这种轻质薄膜在低日照强度(<1 Sun)下发电效率更高。研究表明，750nm 厚的钙钛 矿型光伏在 0.5~0.6 Sun 日照强度下可达到 20%的 发电效率，或在标准测试条件下可达到与单晶硅 光伏相同的发电效率。 图 4 地盘绿地和林木覆盖率示意图 图 6 光伏覆层位置及其性能模拟 图 5 南向建筑外墙日光辐照度模拟(基本情况和拟议设计) 建筑形式响应不同垂直区域各异的阳光辐照 度和通风情况。研究发现高层建筑上层和中层区 域严重暴露在太阳得热下，而下层区域则更多被 周围建筑遮阳，通风较差。拟议采用倾斜的南向 外墙，配合以下措施实现协同增效作用：有效的 自遮阳，扩大屋顶面积以供安装光伏电池板，以 及减少下层区域建筑体量以改善通风环境。但从 结构工程的角度来看，支撑大倾角所需的悬臂会 导致实体结构的隐含碳排放量较高。经过几次设 计迭代，团队议定将塔楼上层区域倾斜 5 度，以实 2.3 利用日光和视野，同时控制太阳得热和眩光 商业建筑的窗墙比通常较高，安装玻璃区域 是传热薄弱环节。另一方面，控制太阳得热和眩 光有时可能会导致视野的可视透明度和日光透射 率降低。Treehouse 尝试优化日光和视野，同时控 制太阳得热和眩光。超过 1.5m 进深的外遮阳构件 和倾斜玻璃与水平日光反射器配合使用，可将能 源使用强度降低 7 kWh/m2，并使天然采旋光性能 达到优良水平［低、中、上层区域的空间日照自 足指数(sDA)分别约为 69%、72%和 83%］。sDA 用于评估日照充足度，以每年 365 天、每天 10 小 时照度超过 300 勒克斯的办公室楼层面积的百分比 表示。sDA 约为 70%可视为良好，在高密度的紧 凑城市环境中尤其如此。总体年日照曝光量(ASE) 分析显示，南、北外墙附近眩光控制很好，但东、 西周边区域附近会出现眩光。由于周边建筑遮阳， 研究发现 ASE 比上层楼面更低。图 8 及图 9 模拟 335 结果显示可能产生眩光的区域主要在距东、西外 墙 0.5~1.8m 范围内。在未安装日光反射器的楼层 也进行了模拟，见图 10。结果表明，与安装反射 器的区域相比，sDA 减小 2%，分布更不均匀； ASE 增加 2%，主要集中在南外墙；东、西外墙的 采旋光性能则保持不变。这证明反射器有效。 图 7 一体化外墙系统截面示意图 光（LED）照明与昼夜节律同步，为办公区域提 供一般照明，并辅之以 LED 工作灯。 2.4 混合办公设计 在后疫情时代，人们对弹性、工作条件和生 活平衡的新期望不容忽视。混合办公模式受大部 分员工和企业领导人欢迎[23]，见图 11。未来采用 混合办公室的日常工作人口会随着团队协作性工 作的需求变化，需要可调适的租户和业主空间。 为了实现这种混合办公模式，团队提出了可调适 的 第 三 空 间 - 楼 高 三 层 的 空 中 共 享 中 庭 (sky common)概念，见图 12。美观的 1.5m 宽活动步梯 连接电梯停靠站，连接各种由业主管控、共享的 休闲、正式、社交、运动或专用空间。大楼的四 个空中花园提供完全自然通风和植被覆盖的半室 外环境，是专为用户而设的运动区，设有如慢跑 步道、攀岩墙和健身器材等设施。高端会议设备、 预订系统和自动消毒系统都已安装就位，仅限按 需启动，以最大限度减少能耗和资源分配。用户 可在空中共享中庭现场或通过智能手机应用程序 App 登记入驻自己想要的工作空间，或要求虚拟礼 宾系统寻找同事进行协作性团队工作，或根据自 己的个人舒适偏好匹配工作空间。 图 8 日照 sDA 和 ASE 模拟 装有日光反射器的上层楼面 图 9 日照 sDA 和 ASE 模拟 装有日光反射器的下层楼面 图 11 办公空间的混合办公设计 图 10 日照 sDA 和 ASE 模拟 无日光反射板的下层楼 图 7 截面示意倾斜的玻璃连同超过 1.5m 进深 的外遮阳构件设计，可有效阻挡所有日光直射， 因而无须采用自重较重、隐含碳排放量高和可见 光透射率较低的三层玻璃。采用双层玻璃(Uf：1.7 W/m2K、Ug：1.0 W/m2K、SHGC：0.26、TVL： 0.5)，气密度小于 2l/s/m2。占用传感器和发光二极 336 图 12 空中共享中庭使活动性工作空间概念成为现实 2.5 适应多样化人类行为 员工在办公室内的位置可能会对其工作绩 效产生很大影响，这归因于以下因素：空气质量、 热和声音舒适性、视觉敏锐度、感知的工作效率 以及能否接触到亲生物性元素。基于超宽带(Ultra Wide Band)技术的高精度实时定位解决方案(Real Time Location Systems) ，精确度至少可达 10cm， 能以低功耗和高粒度的方式向物联网管理系统提 供位置、移动和人员计数信息，可增加用户对热 度和照明水平的调控，寻求在热舒适性和能耗优 化之间达成平衡。 每个用户都可根据偏好和工作区域调节温度 和照明，见图 13。室内环境质量参数传感器持续 监测（每个数据 5min），并对每个传感器的位置 进行实时数据分析。将为室内空间提供参数变化 值，以便设施管理团队能评估环境变化，在楼宇 运行期间做出适当调整。 图 13 办公空间内的温度梯度策略 限度利用迎风外墙作为通风进气口，并进行了计 算流体动力学模拟，以确保其在舒适范围内。结 果表明，高层区域走廊和电梯大堂内风速在 0.5~2 m/s 之间(Vr=1.0 时风速=3 m/s)。我们从模拟结果中 得到启发