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建筑碳中和领域的18项高科技

文章来源:技术发展中心 作者: 发布日期 : 2022-11-10 访问量:2528

当前我国建筑行业运行碳排放(含直接碳排放和间接碳排放)约为21亿吨二氧化碳,占全国总量的20%左右。建筑行业如何快速实现碳排放达峰并实现深度减排,不影响人居环境品质的改善和⼈民群众的幸福感和获得感,是我国应对气候变化目标中的重要议题。

一、明确建筑行业碳排放定义和内涵

建筑行业的碳排放可以分为直接碳排放和间接碳排放,前者指的是在建筑行业发生的化石燃料燃烧过程中导致的二氧化碳排放,主要包括建筑内的直接供暖、炊事、生活热水、医院或酒店蒸汽等导致的燃料排放;后者指外界输入建筑的电力、热力包含的碳排放。

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)体系下,⼀般将直接碳排放的部门划分为工业、电国、建筑和交通四个行业。这种语境下的建筑行业碳排放⼀般只包含直接碳排放。

而我国大部分研究和讨论中涉及的碳排放则包括了直接与间接碳排放,甚至部分研究和讨论中还涉及了建材(如钢铁、水泥、玻璃等)在生产过程中产生的碳排放。在IPCC体系下,这部分排放应该算在 业领域,但排放量的多少和未来房屋建设发展趋势直接相关。此外,建筑运行阶段使用制冷产品,由于可能产生制冷剂泄露,也会产生非二氧化碳温室气体排放,因此未来非二氧化碳的排放控制也会逐渐成为减排重点。

只有明确了统⼀的建筑行业碳排放语境和定义,才可能讨论形成统一的行业碳减排实现路径。
把握我国建筑行业碳排放趋势和特点

从全球看,建筑行业运行用能导致的碳排放占双28%,全球建筑相关用能碳排放占⽐40%(包含建筑建造)。以2017年为例,中国和美国建筑运行用能相关的碳排放占比分别是20%和36%。根据发达国家经验,伴随我国城镇化和经济⽔平的不断提升,建筑行业的运行碳排放比重越来越大。

图1 我国建筑⾏业碳排放拆分(含直接和间接碳排放,不含建材)


根据《中国建筑节能年度发展研究报告2020》,我国建筑碳排放总量整体呈现出持续增长趋势, 2019年达到约21亿吨,占总碳排放的21%(其中直接碳排放约占总碳排放的13%),较2000年6.68亿吨增长了约3.14倍,年均增长6.96%。

如图1所⽰,其中北方供暖约排放5.5亿吨CO2(排放强度约37kgCO2/m2),城镇住宅(除北方采暖)约4.4亿吨CO2(排放强度约18kgCO2/m2),公共建筑(除北方采暖)约6.5亿吨CO2(排放强度约51 kgCO2/m2),农村住宅商品能碳排放约5.5亿吨CO2(排放强度约24kgCO2/m2)。若考虑建筑相关行业(包括建材生产、运输和工艺过程)碳排放,碳排放⽐例已超过 35%,如图2所⽰。

图2 建筑⾏业碳排放发展趋势情况(含建材)


二、建筑碳中和领域的18项高科技

01高效保温隔热外墙体系

建筑内保温致命缺点是无法避免冷桥,容易形成冷凝水从面破坏墙体,因此无论是从保温效果还是从外饰面安装的牢固度和安全性考虑,外墙外保温及饰面干挂技术都是最好的外墙保温方式。外保温的形式可有效形成建筑保温系统,达到较好的保温效果,减少热桥的产生,其次保温层与外饰面之间的空气层可形成有效的自然通风,以降低空调温材料。


不同外墙保温系统对⽐

02 高效门窗系统与构造技术

外窗保温系统包括三部分:断桥铝合金窗框、中空玻璃、窗框与窗洞口连接断桥节点处理技术。外窗安装断桥铝合金中空玻璃窗户,同时通过改善窗户制作安装精度、加安密封条等办法,减少空气渗漏和冷风渗透耗热。采用高性能门窗,玻璃的性能至关重要。高性能玻璃产品⽐普通中空玻璃的保温隔热性能高出⼀到数倍。例如单面镀膜Low-E中空玻璃,其导热系数约为1.7w/m2.k,保温隔热性能比普通中空玻璃提高⼀倍,德国新型的保温节能玻璃U值达到0.5,比普通900mm砖墙加150mm聚苯保温层保温效果还好。

不同型材性能⽐较

03热桥阻断构造技术

热桥是热量传递的捷径,不但造成相当的冷热量损失,而且会有局部结露现象,特别是在建筑外墙、外窗等系统保温隔热性能大幅度改善之后,问题愈发突出。因此在设计施工时,应当对诸如窗洞、阳台板、突出圈梁、及构造柱等位置采用⼀定的保温⽅式,将其热桥阻断,达到较好的保温节能效果并增加舒适度。

热桥阻断技术在国外已有优秀的技术和⼴泛的应用,如消除阳台楼板冷桥构造,德国已有非常成熟的产品,如“钢筋/绝缘保温材埋件”等。这种产品在施工中埋入混凝土楼板,施工简便,效果⾮常好。国内完全有能力开发这类产品,也会有很好的市场反应

04遮阳系统

外遮阳设施

外遮阳是最有效的遮阳设施,它直接将80%的太阳辐射热量遮挡于室外,有效降低了空调负荷,节约了能量。结合建筑形式,在南向及西向安装一定形式的可调外遮阳,随使用情况进行调节,这样既能满中夏季遮阳的要求,又不影响采光及冬季日照要求。并且可进⼀步安装光、温感元件及电动执行机构以实现智能化的全自动控制,在室内无人的情况下也可根据室内外温度及日照强度自动调节遮阳设施,以降低太阳辐射的影响,节约能源。外遮阳系统中较传统的为卷帘外遮阳系统,在夏天日照强烈的时候将卷帘放下,可以有效遮挡阳光。目前较为先进的是由钢化玻璃(冰花玻璃)构成的外遮阳系统。

外遮阳系统结构(由外向内)

•12mm厚可滑动半透明钢化玻璃推拉遮阳镶嵌板

•空⽓层

•外墙涂料、保温及结构

•外窗系统

钢化玻璃与中空玻璃的搭配效益

中空玻璃的特点是允许日光携带的能量进⼊室内,但是室内的热量不会发散到室外,这⼀点对冬天极为有利,而夏天则会有室温过高的问题。当阳光照射到钢化玻璃表面的磨砂纹路上时会形成漫反射,热量随之被阻挡室外。钢化玻璃与中空玻璃搭配使夏天绝⼤部分阳光热量被隔绝在室外,解决西晒的困扰。

从上面同玻璃结构遮阳和防噪效果示意图可以看出,冰花玻璃和中空玻璃的配合使用,不仅可以起到很好的遮阳效果,还可以最大限度的减弱室外噪声影响。

内遮阳设施

相对于外遮阳,内遮阳设施对太阳辐射的遮挡效果较弱,但对于居住建筑而言,不论从私密性角度还是防眩光角度考虑都是必须的。同时其对于改善室内舒适度,降低空调负荷及美化室内环境都有一定的作用。

05房屋呼吸系统

目前,欧洲采用的住宅动力通风系统主要有两种,一种是门窗+厨卫排风扇的通风系统,这一种造价便宜,安装简单;缺点是噪声干扰,通风效果不理想。另一种是外墙进风设备+卫生间出风口+屋顶排风扇的通风系统,在过滤空气、降低噪声的同时,科学合理地保证了室内通风量,排出卫生间潮湿污浊空气,噪声干扰小。

工作原理和作用

取自高空的新鲜空气,经过滤、除尘、灭菌、加热/降温,加湿/除湿等处理过程,以每秒0.3m的低速,从房间底部送风口不间断送出,低于室温两度的新风,在地面形成新风潮,层层叠加,缓缓上升,带走人体室内污浊气体,最后,经由排气孔排出。有效调节室内空气湿度,使居室时刻保持干爽、舒适的状态,对大连夏季潮湿的空气有很强的除湿作用。不用开窗即可获得新鲜空气,减少室内热损失,节省能源。驱除室内装饰造成的可能长时间存在的有害气体。


06排水噪声处理系统

一般房屋传入室内的噪声有以下几类:室外的噪声透过外墙和窗户传入室内;楼上活动透过楼板传入楼下室内的噪声;下水管道流水撞击管壁产生的噪声。


•外遮阳系统和外窗系统可有效阻隔室外噪声

•楼板垫层下加隔声垫,防⽌楼上传⼊室内的噪声

•排⽔噪声处理系统

排水噪间系统——同层排水。同层排水系统来源于欧洲,至今已有四五十年的历史,虽然该系统进入中国市场不长,但发展迅速,在北京、上海及广东区域都有较多应用。

隔层排水:排水支管穿过楼板,在下层住户的天花板上与立管相连。

同层排水:同楼层的排水支管与主排水支管均不穿越楼板,在同楼层内连接到主排水立管上。

同层排水:同楼层的排水支管与主排水支管均不穿越楼板,在同楼层内连接到主排水立管上。

系统组成

•HDPE管道系统

•隐蔽式系统安装组件

•与同层排⽔相配套的卫⽣器具

•存⽔弯

同层排水的优势

与传统的隔层排水系统相比,同层排水系统具有下列优势:

隔声:采用墙前安装方式,假墙能起到隔声和增强视觉效果的作用。

独立:在卫生间,管道不穿越楼板,享受真正的产权独立,即使维修也无需跨层修理。

自由:房型设计和室内空间布置更加灵活,只需调整排水支管,就可实现个性化装修。

节水:采用内表面光滑的HDPE管道及独特的⽔箱设计,提高了系统的排水效果,实现真正的节水功能。

经济:采用同层排不技术,大大减少系统的立管、支管及配件数量,材料与施 较少,性价比高。

连接可靠:选用的PE管道采用热熔连接,不但连接强度高,而且杜绝泄漏问题,保证安全使用50年。

07中央除尘系统

中央除尘系统的概念就是主机和吸尘区分离,并将过滤后的空气排到室外,这样不仅解决了室内卫生不良状况,还杜绝了除尘之后的二次污染。

原理:中央除尘系统是将吸尘主机放置在⼀个卫和生要求较低的场所,如:地下设备层、车库、清理间等,将吸尘管道嵌至墙里,在墙外只留如普通电源插座大小的吸尘插口,当需要清理时只需将一根软管插⼊吸尘口,此时系统自动启动主机开关,全部大小灰尘、纸屑、烟头、有害微生物,甚至客房中的烟味等不良气味,都经过严格密封的管道传送到中央收集站。任何人、任何时间都可以进行全部或局部清洁,确保了最清洁的室内环境。

中央除尘系统的清洁处理能力是一般吸尘器的5倍,而软管长度可任意选配。该类系统在欧美国家已是必配系统,在国内已有很多项目在使用。

08食物垃圾处理系统

城市垃圾中占有相当大比例的食物垃圾不仅影响室内环境,也是居室虫害滋生源和疾病传播源。食物垃圾处理系统是一个纯国外引进的产品,在20世纪90年代初期才由极少数的国外制造商引入中国。

目前北京包括锋尚国际、万科、奥林匹克花园、华新国际、珠江帝景等在内的不少高档精装修房已使用了食物垃圾处理系统。每天产生的大量食物垃圾通过厨房的洗池排水口下安装的食物垃圾处理器,直接进⼊化粪池。

09屋面雨水系统

虹吸式雨水系统是当今国际上较为先进的屋面排放系统,该系统诞生至今已经有20多年的历史,它被广泛应用于各种复杂的屋面工程中。虹吸式雨水系统是利用不同高度的势能差,使得管道系统内部局部产生真空,从而通过虹吸作用达到快速排放雨水的目的。

10⼩区智能化系统

⼩区智能化系统的“一、二、三”:

一个平台:⼩区智能化系统集成管理⽹络平台;

二个基础:控制⽹络和信息⽹络;

三个分支:安全防范系统、设备管理系统和信息管理系统。

住宅⼩区智能化系统以先进,有发展、有后援,能满⾜并适应住户需求的技术,并应用成熟可靠,具有易集成、扩展、操作、维修的产品,同时尽可能降低系统整体造价的原则,通过计算机网络等相关技术,实现各子系统的设备、功能和信息的管理集成。使其成为⼀个互相关联、统⼀和协调的系统,系统资源达到充分共享,以减少资源的浪费和硬件设备的重复投入,实现真正意义的方便、安全、实用、可靠。


11天棚采暖制冷系统

将高性能 程塑料管铺设在混凝土楼板内,冬天采暖进水水温33℃,回水30℃,夏天制冷进⽔18℃,回水温度21℃,通过冷热水的控温,夏天制冷,冬天采暖,室内温度恒定在20-26℃。

冬天楼板会均匀地散发出28℃到29℃的热量,室内的温度使人们觉得温暖舒适,人体的温度30℃左右,所以不会有烘烤的感觉;夏天楼板温度19到24℃,可以把室内过多的热量带走。

人和环境的热交换方式以辐射形式所占比例最大,并且约⼀半的热量从头部散发。天棚采暖系统以顶部辐射的形式进行采暖和制冷,比普通⽅式更健康、舒适、有效。

北京万国城采用了此项技术。在进行室内温度测试的时候,离屋顶0.5m、1.0m、1.5m的高度进⾏测试,温差在0.2-0.3,人体⼀般不易觉察到这个温差,所以低温辐射采暖制冷的方式是目前民用建筑里最舒适的制冷采暖方式。

12太阳能系统

对太阳能的利用总体上可分为两类:太阳能集热板集热及太阳能光伏发电。太阳能集热板集热技术较为成熟,设备材料价格也不昂贵,有⼀定的应用。

13地源热泵系统

地源耦合热泵机组可做为空调系统冬季供热、夏季供冷的冷热源系统,并同时提供生活热水。它就是利用地下土壤,岩石及地下水温度相对稳定的特性,输入少量的高品位能源(如电能),通过埋藏于地下的管路系统与土壤、岩石及地下水进行热交换,夏季,通过对室内制冷将建筑物内的热量搬运出来,一部分用于提供免费生活用热,其余换热到地下储藏起来,冬季把地下储藏的低品位热能通过热泵搬运出来,实现对建筑物供热及提供生活热水地源耦合热泵的能耗很低,仅为常规系统能耗的25%-35%,它由水循环系统、热交换器、地源热泵机组、空调末端及控制系统组成。

14热电冷联产系统

热电冷联产是采用燃煤或燃气产生一次蒸汽利用汽轮机发电,来提供电力,同时充分回收其排放的低品位废热即中高温二次蒸汽及高温烟气来提供生活用热、冬季供暖以及为单效或双效溴化锂制冷机提供动力夏季供冷,从而实现冷、热、电联产。热电冷联产的效率较高,大型火力发电厂实际运行效率只有36%左右,而热电冷联产项目的实际运行效率可达60-80%左右。

15变风量空调系统

变风量系统是由变频中央空调系统配以变风量(VAV)末端设备组成,是⼀种高舒适度、低能耗的空调系统。变风量系统比常规这种系统具有相当多的优点:系统中的能耗设备均可进行变频调节能量输出,即使在较低负荷的工况下,也能通过变频调节而工作在较高的效率下,节约大量能源;系统中各个房间可独立起停及调节温度,并且互不影响,给使用者创造了极高的舒适度。

变频技术是在建筑物空调负荷需求发生变化时(如室内人员、室外温度、太阳辐射强度的变化),通过对冷水机组,水泵,风机等设备进行变频调节来降低能量输出以适应负荷需求,其整体节能效果可达到30%-40%。

16浮筑楼盘技术

为解决楼板撞击传声产生的噪声,德国住宅地面普遍采用“浮筑楼板”构造(SchwimmendeEstrich)。即在结构楼板上铺设⼀层绝缘隔声材料,上面再浇筑6-200mm的混凝⼟砂浆层,这层楼板好像浮在绝缘层上,与楼板及四周墙体分离,从而达到极好的隔声效果。

17中水利用系统

中水处理系统就是将生活废水、冷却水、已达标排放的生产污水等水源,经物化或生化处理,达到国家《生活杂用水水质标准》,然后再回用于厕所冲洗、灌溉草坪、洗车、 业循环水及扫除用水等。充分利用有限的水资源,替换出等量的自来水,又减轻了城市污水处理厂的运行负荷,是利国利民造福后代的善举。


18绿色屋面系统

在这方面,国外已有成熟的绿色屋面技术,适宜不同条件、不同植物的生长构造。例如在通常条件下,可种植⼀些易成活、成本低、无需管理的植物,如草类、苔藓类植物;或种植观赏效果好、需定期维护且对土壤厚度要求较高的植物,使其随季节变化形成不同的景观效果。


这⼀构造,一方面要满足植物生长的不同要求,解决蓄水和通风问题;同时该技术构造必须保证建筑顶部防水层不受植物根系的破坏,从而提高居住的舒适性。


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