韓小寶丨用科技與設計對話未來——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，標志著建筑領域碳中和實踐邁入系統(tǒng)化、規(guī)?；码A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”目標實現(xiàn)的關鍵路徑。我國也在積極布局，從政策引導到技術突破，涌現(xiàn)出如雄安城市航站樓等具有標桿意義的實踐項目。特邀雄安城市航站樓凈零碳建筑技術負責人韓小寶撰文，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，推動建筑綠色轉型走向更深、更實。

在全球氣候變化的嚴峻背景下，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，降低來自建筑領域的碳排放對于應對全球氣候變化至關重要。

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)建設領域碳排放研究報告》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碳排放的48.3%。為了積極應對氣候變化，我國提出了“雙碳”目標，即2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。這一目標體現(xiàn)了我國應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”目標的關鍵路徑，其發(fā)展已經(jīng)成為全行業(yè)的共識和必然趨勢，也是應對氣候變化的重要舉措。

韓小寶

意大利米蘭理工大學博士

國家一級注冊建筑師、高級工程師

德國PHI被動房認證設計師

英國BREEAM INFRASTRUCTURE認證評估師

北京筑綠低碳科技有限公司創(chuàng)始人

在零碳建筑領域具備豐富經(jīng)驗，在熟悉中國建筑設計法規(guī)和市場需求的基礎上，有針對性地將國際前沿零碳建筑技術融入到設計及施工運維全過程當中，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。

▲ 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（通常為一年），其運營過程中產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，就是建筑能夠實現(xiàn)能源消耗相關的碳排放“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品在生產及運輸過程中產生的碳排放以及施工過程中由于能源消耗產生的碳排放都納入到建筑總體排放量中的話，仍然能夠實現(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生大量的碳排放，主要是因為在建筑內部為了保證功能使用要求和室內環(huán)境的舒適度，運營期間會使用大量設備，如空調、燈具、電梯、采暖器具等，這些設備的運行會消耗大量的電力及燃氣。如果所用的電力是由化石能源產生，那么這些能源消耗就會產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，一是減少耗能設備的使用數(shù)量和使用時長，即通常所說的“被動式技術”；另一種是通過提升耗能設備的運行效率，在同等使用強度下，消耗更少的能源，即“主動式技術”。兩種措施相比，“被動式技術”的核心是因地制宜，最大潛力地發(fā)掘建筑本身“冬暖夏涼”的調節(jié)能力，比如通過合理科學的建筑表皮設計，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”，避免建筑空調能耗的增加。優(yōu)異的“被動式技術”措施，不僅可以從源頭減少建筑碳排放量，還減少了建筑內部設備的使用數(shù)量，有效地降低了建筑建設成本，被稱之為“負成本增量”技術手段?！爸鲃邮郊夹g”的核心是提升耗能設備的運行效率，既可以通過采購高能效設備產品實現(xiàn)，也可以通過優(yōu)化設備系統(tǒng)運行來實現(xiàn)。采購高能效設備技術門檻低、容易實施，但是會增加建設成本的風險；優(yōu)化設備系統(tǒng)運行的方式可以針對任何常規(guī)設備，在控制造價方面有利，但需要專業(yè)的技術支持才能得以實現(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，風力發(fā)電、地熱能和生物質能也是有效手段。這其中，風力發(fā)電、地熱能對建筑的區(qū)位和場地有一定要求，而生物質能需要具備可靠的供應體系。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，那就是與建筑構件進行結合，形成太陽能光伏與建筑一體化（BIPV）應用，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。

碳捕捉技術是指空氣直接碳捕捉DAC技術，即通過特定設備與工藝，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）下認證的標準化“碳排放削減憑證”，1個CER對應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途徑，都遵循“先減量、再中和”的原則，這也是國際范圍內的普遍行業(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，看似快速達成目標，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。與此同時，優(yōu)異的“被動式技術”源頭減碳措施，一方面可以降低凈零碳建筑的建設成本，解決當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備和產品的使用，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

作為國內第一個獲得國際凈零碳建筑認證的交通類建筑，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，以引導的姿態(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”。

在技術應用體系上，項目充分結合了交通建筑功能特點，借鑒了本領域國際前沿技術理念，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手段，實現(xiàn)了全專業(yè)、全過程的凈零碳建筑整合設計，并有機融合了零碳技術應用與建筑藝術效果，創(chuàng)造出了全新的凈零碳交通建筑設計語言和技術實施路徑。

項目的凈零碳設計及認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，可再生能源產能大于建筑全年能耗，是一座產能建筑，實現(xiàn)了負碳效果，CO2年減排量約225.7噸，相當于種植了18810棵樹。

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

▲ 雄安城市航站樓 - 室內設計

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，對耗能設備的依賴主要是為了保證使用功能和達到室內環(huán)境標準，主要設備有照明設備、夏季制冷設備、冬季供暖設備、新風設備和自動扶梯等。降低對這些設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，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。這些方法均有對應的技術措施，可難點在于如何協(xié)調這些方法間存在的內在矛盾：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，進而增加空調能耗；過度使用遮陽措施可以減少空調使用，但在冬季又會導致供暖需求的增加；加強自然通風可以減少空調使用時間，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。這些難點的存在，使得目前“被動式技術”的應用還有很大局限性，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，低碳技術團隊通過“虛擬化建模、仿真預測和人工智能算法”，精準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，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 - 室內中庭

精細化設計，實現(xiàn)凈零碳建筑“高性價比”建設路徑

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

在雄安城市航站樓項目中，結合其內部空間高大的特點，項目供暖采用低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)。航站樓地面大廳冬季地板輻射采暖總熱負荷為153.3kW，集中能源站供給的50/45空調熱水，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。低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)通過分集水器與室內埋地管連接，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，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)采用島式空調機組，共設置8臺，島式空調機的設計結合人員活動流線，以“按需送冷”作為設計策略，將空調冷風“精準”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），有效降低了夏季空調的能耗。

▲ 雄安城市航站樓 - 外觀設計

太陽能與建筑一體化設計，讓建筑設計語言與技術完美融合

雄安城市航站樓作為城市地標項目，以極具前衛(wèi)感的全曲面雙曲線形態(tài)呈現(xiàn)。通常而言，這類復雜曲面設計與太陽能光伏利用難以兼容，若生硬鋪設傳統(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，結合建筑造型，將其與建筑自身構件進行一體化設計。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計理念，保證項目作品的美學價值。

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，結合分區(qū)、分組、定時、感應等節(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節(jié)亮度。同時設置了分類、分級用能自動遠傳計量系統(tǒng)，實現(xiàn)對建筑能耗的監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和管理。

本項目還應用了不同種類的太陽能光伏發(fā)電技術，包括分布式單晶硅太陽能光伏技術、碲化鎘薄膜太陽能光伏發(fā)電技術。根據(jù)雄安新區(qū)氣候特點以及廠家提供不同產品的發(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)

在全球應對氣候變化與國家“雙碳”目標的雙重背景下，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鍵應對方案，更是推動建筑行業(yè)綠色轉型的重要方向，發(fā)展?jié)摿薮?。但當前社會上及行業(yè)內對凈零碳建筑普遍存在“成本高、門檻高”的刻板印象，“建設成本高”成為其推廣路上的常見標簽，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迅速發(fā)展的今天，通過科學設計與技術優(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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