低碳建筑创新打造未来碳中和建筑

随着城市和经济的快速发展，能源消耗对自然环境的威胁越来越大，而建筑物中能源使用的数量和强度也在增加。随着《巴黎协定》引领全球向绿色经济的转变，并规定了保护地球所需的最低限度行动，它正在对全球政治和经济活动产生巨大影响。

建筑物的设计、运营、管理和使用将直接影响城市碳中和工作的有效性。强调建筑设计以节约能源，减少排放和创造碳汇也已成为应对气候变化和实现碳目标的首选策略之一。

碳中和建筑是实现中国双碳目标的关键手段之一，也是未来的市场趋势。实现他的技术方法特点是“被动优先、主动增强、最大限度地利用可再生能源，以及以人为本的入住后评估”。它旨在确保健康的建筑内部、功能和效率，制定碳中和设计特征，创造新的低能耗建筑类型，提高能源效率和智能集成，促进被动设计和可再生能源使用，并提升建筑物的节能性。

碳中和建筑设计的低碳特色，广东

低碳建筑创新技术应用

广东某碳中和建筑设计项目靠近交通基础设施，由五座大型建筑组成，占地80，000平方米，最大建筑密度为48，000平方米。在早期设计阶段，对现有解决方案进行了优势和劣势分析，因此决定将项目与低碳设计相结合。LWK + PARTNERS 与客户密切合作，评估传统方法并开发更好的设计框架。为了响应碳中和目标，它涉及对场地、建筑围护结构和屋顶的仔细审查，以便为低影响开发提供信息，以及基于“被动优先”和“最大化可再生能源”原则的低能耗综合设计。以下是该团队应用的低碳技术：

设计项目的檐篷通过优化阳光照射来提高能源效率和室内舒适度。

建筑围护结构设计

该碳中和建筑设计项目强调自然通风，隔热和遮阳。除了保持结构的标准隔热水平，例如专注于建筑物西侧的绝缘，使用传热系数较低的材料以及应用浅色饰面和绝缘涂料，LWK + PARTNERS 还提出了设计建筑围护结构的五个关键策略：

策略1：调整建筑物的方向以接收更多的太阳辐射

策略2：采用不平整的立面以减少热量传递

策略3：使用通风外墙提高能源效率

策略4：采用智能材料优化能源使用并协助能源管理

策略5：应用被动设计功能以节省能源

根据策略2，碳中和建筑设计项目略微倾斜，并采用不平坦的立面，来提高能源效率和减少二氧化碳排放。例如，在夏至，为了在冷却和排烟方面获得最佳效果，沿着立面的水平装置在 28° 27' 处进行调整，与相应的太阳角度完全相同。此设置持续到当天下午 5 点。在策略3下，通风立面的设计通过其支撑结构形成双层幕墙，产生烟囱效应，激活对流空气循环，改善建筑物的隔音和隔热，从而提高能源效率。

在 LWK + PARTNERS 的这个办公楼竞赛提案中，允许自然光和风通过其核心位置，共享设施和公共区域集中，办公室分配在外部范围。

顶篷设计

气候适应型设计作为被动设计的关键工具，需要达到更高的水平，以降低建筑物对供暖和空调的能源需求，同时为建筑师和设计师提供更多实现设计目标的机会。根据气候分析，最合适的被动式设计策略是遮阳、室内增热、自然通风冷却、除湿和优化空调效率。这些策略可有效提高能源效率和室内舒适度。以下示例再次使用碳中和建筑设计项目，展示了顶篷设计如何促进遮阳。

该项目的檐篷是根据太阳阴影的角度而设计的。考虑到顶篷相对于立面的位置，采用了两种类型的顶篷。1型檐篷旨在屏蔽建筑墙壁，这意味着它们可以在春季，夏季和秋季抵御直接暴露在阳光下，以最大程度地减少建筑表面的加热/冷却负荷。类型 2 是指入口和玻璃幕墙上方的檐篷。这些是人们聚集的地方，因此主要考虑是在冬季将阳光带入室内以照明和温暖。结合对建筑物南立面的顶篷尺寸和高度的计算，类型 1 具有百叶窗，用于在太阳角度超过 13° 时屏蔽辐射。根据有关阳光路径的现场分析，铝制百叶窗可以从中午到下午5点左右提供良好的遮阳效果。要从容积率计算中排除檐篷，它们必须至少为80%的空心，而铝百叶窗的倾斜度必须小于11.5°。为了最大限度地倾斜遮阳，顶篷本身必须倾斜 11.5°。

LWK + PARTNERS 经常在其住宅项目中整合通风良好的聚会空间，例如中国广州的Green Shore Residence二期。

此外，LWK + PARTNERS 建议在第一层顶篷上方增加第二层顶篷，以进一步遮荫屋顶，同时挤出第一层和第二层顶篷与屋顶之间的热量，有助于减少建筑空间的冷却负荷。双层屋顶结构与气室一起工作以实现分离，而中间的层提供额外的建筑照明。如果层具有相同的空心率，这种设计也会扩大阴影区域，创造一个有遮蔽的户外生活空间。

低环境影响的水生设计和景观系统

在气候方面，碳中和建筑设计项目位于亚热带土地上，易受季风、潮湿天气和大量降雨的影响。为了减少用水量，该项目包含从不同来源收集雨水的功能，包括屋顶、地表径流和植被集水区。初始处理产生的水往往更清洁，经过简单处理后可以重新用于杂项用途。据估计，仅雨水再利用一项就可以100%地供应该项目的杂项用水。该地区的供水主要服务于办公楼、工厂、植物浇水和道路洒水。

为了减少对空调的需求，地下空间的设计应吸收最大的阳光和自然通风，中国珠海天恒‧湾景的景观设计就是例证。

参考当地的低影响开发（LID）要求，该项目还包括一系列其他绿色功能。这些通常是基于蓝绿设计原则的景观特征，旨在促进碳汇、水循环、海绵城市概念、人工湿地景观和节水。主要针对场地南侧提出LID策略。第一种策略解决了大量雨水径流和项目现场潜在的溢流问题。这些水可用于雨水湿地，通过物理设备、水生植物和微生物保留。湿地既可以是生态景观，也可以是公共空间。第二种策略涉及地下静水体。多层植被用于建造护岸，通过透水铺路，雨水花园等措施创建人工湿地。通过这种方式，雨水经过渗透、储存、调节和净化，模拟自然环境。这些半自然结构的阶梯式布置不仅满足LID目标，而且还满足了各种其他功能需求。

LWK + PARTNERS 的办公楼竞赛设计方案在通风的中庭周围提供了多孔的体验式景观空间。

光伏 （PV） 系统

最大化可再生能源意味着通过开发可再生能源来抵消和平衡建筑物的能源消耗。在碳中和建筑设计项目中，LWK + PARTNERS 充分利用建筑表皮，并利用附近的资源来产生可再生能源。再次研究了当地的气候和太阳的角度。光伏模拟软件用于分析屋顶辐射、光伏电池板的最佳倾斜角度和面板之间的距离，以得出每年产生的最佳太阳能量，从而估算建筑物的用电量减少量。在项目中，光伏电池板每年可以减少89.3吨二氧化碳排放。

社交空间提供了露天体验

结论与展望

总体而言，越来越多的建筑物都或多或少地采用了类似的技术方法来节省能源和减少排放。对于上述碳中和建筑设计项目，设计策略主要集中在“被动优先”和“最大限度地利用可再生能源”的原则上。LWK + PARTNERS 提出了一个要素，即“以人为本的入住后评估”。这通过考虑真实用户的经验来为未来的设计提供信息，并进一步提高建筑物在碳减排方面的性能。LWK + PARTNERS 将把这一点应用于碳中和建筑设计项目，贯穿从设计到运营、管理和使用的整个建筑生命周期，通过数字平台跟踪入住后的数据。实践认为，密切监测入住后数据对碳排放控制、用户体验的形成以及建筑成本控制具有信息作用。从长远来看，这些数据也是实现碳减排目标的关键。

被动式设计是在升级能源系统的同时增强建筑形式和空间设计的有效工具。同时，低碳创新对于将可再生能源的使用纳入建筑设计以及通过用户行为捕捉人为因素至关重要。随着气候变化的威胁日益凸显，建筑师和工程师在我国的双碳目标和未来的城市发展中将发挥更重要的作用。

LWK + PARTNERS 简介

LWK + PARTNERS 是一家扎根香港的建筑设计事务所，在全球开设 12 所工作室，超过 1,100 位创意专才共同合作，提供世界级的建筑环境设计方案，横跨建筑设计、规划及城市设计、室内设计、景观设计、文物保育、建筑资讯模型（BIM）、品牌体验及灯光设计八大范畴。

事务所发展逾 36 年，已完成多个出色项目，涵盖综合用途、商业、住宅、教育、公共交通导向型发展，以及休闲与公共设施项目等。

来源：FuturArc 2021 年第 4 季度第 75 卷。本文由 LWK + PARTNERS 设计研究部设计研究总监Stephen Lau教授提供，通过中国案例研究，探讨零能耗建筑设计的各个方面。