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大型公共建筑零碳设计的碳排放指标研究

2025-07-09 40 上传者：管理员

摘要：本文结合大型公共建筑零碳设计实践，系统总结了车站等大型公共建筑碳排放量的计算方法，并在广泛调研城市地铁车站的基础上，确定了大型公共建筑的合理能耗指标，同时依据相关规范对近零碳公共建筑降碳率的指标要求，最终确定了大型公共建筑的零碳设计目标，并利用车站光伏建筑一体化技术实现节能降碳。研究成果有助于形成广泛适用性、先进性的设计指南，可以指导同类型车站项目的低碳设计。

关键词：
大型公共建筑
碳排放
绿色低碳技术
节能降碳
零碳设计
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随着国家“双碳”战略的实施,各行业都大力发展应用绿色低碳技术,实现节能降碳目标成为必然选择,各种近零碳建筑､零碳建筑越来越普遍｡建筑的碳排放量作为评定零碳建筑的主要依据,对其进行科学合理的核算愈发受到关注｡

2019年住建部发布了国家标准《近零能耗建筑技术标准(GB/T51350)》,对近零能耗建筑､超低能耗建筑､零能耗建筑做了统一界定[1]｡2021年天津市发布团体标准《零碳建筑认定和评价指南(T/TJSES002-2021)》,成为全国首个实施的零碳建筑标准｡2023年住建部发布了《零碳建筑技术标准》征求意见稿,在意见稿中有近零碳建筑､零碳建筑､全过程零碳建筑三种分类,并对零碳建筑定义为:适应气候特征与场地条件,在满足室内环境参数的基础上,通过优化建筑设计降低建筑用能需求,提高能源设备与系统效率,充分利用可再生能源和建筑蓄能,在实现近零碳建筑基础上,可结合碳排放权交易和绿色电力交易等碳抵消方式,碳排放强度符合对应条款规定,经碳抵消后的年碳排放总量应不大于零的建筑[2]｡但截止目前,对零碳建筑尚没有正式实施的国家行业标准予以定义,住建部的《零碳建筑技术标准》征求意见稿也未对大型公共建筑提出明确的单位面积碳排放指标｡

本文结合铁路车站零碳设计实践,系统梳理了大型公共建筑碳排放计算方法,并在广泛调研城市轨道交通车站的基础上,确定合理的能耗指标｡同时,参考近零碳公共建筑对降碳率指标要求,最终确定了零碳设计目标｡研究成果有助于形成广泛适用性､先进性的设计指南,用以指导同类型项目的低碳设计或零碳改造｡

1、全寿命周期的碳排放源

1.1项目概况

某高架车站,位于夏热冬冷地区,车站主体建筑5层(含地下一层),车站总建筑面积约4万m2｡车站所在地年均日照超2000小时,风能､太阳能等可再生能源丰富｡该项目要求在施工图设计阶段按照零碳设计理念,综合采用多项节能降碳技术,达到《零碳建筑技术标准》中对零碳建筑的要求｡因此,要合理确定车站碳排放强度指标及节能目标,并开展针对性细化设计｡

1.2不同阶段的碳排放源

车站作为基础设施类大型公共建筑,它在全寿命周期的碳排放主要来自规划设计､施工建造､以及运营维护等三个阶段｡其中,与其它阶段相比,规划设计阶段的碳排放量微乎其微,在核算时可以忽略不计,但设计方案对建筑全生命周期的碳排放量有着重要影响[3]｡施工建造阶段的碳排放主要来自各类建筑材料生产运输过程中的碳排放,以及施工生产过程中人员､机械､设备等产生的碳排放｡运营维护阶段是铁路车站碳排放的主要环节[4],主要包括各类暖通､照明､通信､信息､信号､电扶梯等设施设备使用造成的间接碳排放,此外还包括拆除报废期的碳排放,如车站站房的拆除重建､空调等设备的更新换代等｡

1.3碳排放源的核查范围

根据《建筑碳排放计算标准(GB/T51366-2019)》规定[5],在计算建筑物碳排放时,其范围应涵盖建设工程规划许可证范围内能源消耗产生的碳排放量,以及可再生能源及碳汇系统的减碳量[6]｡本文以车站为对象,核查范围为建筑红线内所有能耗[7],包括含可再生能源利用及碳汇,核算时期为车站运营期完整年,碳排放源主要为车站通风空调､照明､电扶梯､给排水等用能设备｡

目前铁路､公路等行业正积极扩展新能源的利用,其中最主要的就是以屋面光伏发电为主的措施,部分地区也在积极尝试引入风力发电设施｡因此,在计算车站全生命周期的碳排放量时,应扣除采用新能源等措施产生的补偿｡

2、车站零碳目标设计

2.1设计阶段碳排放计算

目前《建筑碳排放计算标准》规定了相应系统的碳排放计算要求和方法,但是缺少自动扶梯､通号等系统的碳排放计算方法｡

结合以往经验,自动扶梯可以根据《自动扶梯和自动人行道的能量计算与分级(ISO25745-3:2015)》计算｡铁路的通号系统年能耗应根据铁路客站规模及运营管理模式确定[6],可按下式计算:

综合上述方法,就能实现设计阶段车站完整年能耗及碳排放的计算｡

2.2运行阶段碳排放计算

车站运行阶段碳排放量计算公式如下

2.3能耗指标估算

目前,国家､行业尚无市域铁路车站能耗指标的相关标准｡本文通过调研城市轨道交通等车站的能耗指标,用以估算该铁路车站的能耗指标,并以此确定车站的总体节能降碳目标｡

目前夏热冬冷地区的部分城市制定相关地方标准,规定了城市轨道交通车站的能耗指标,如表1所示｡另外,已有各地区地铁运营资料与表1所示指标基本相当｡其次,根据已有资料统计,某省与该站特点相近的高架车站年能耗情况如表2所示｡综合上述情况,该铁路车站能耗指标按照80kW·h/m2估算是较为合理的｡据此,可计算得到该车站年用电量135.79万kW·h/a｡据此,可计算得到该车站年用电量为320万kW·h/a,这也与该项目初步设计阶段估算的年用电量基本一致｡

表1城市轨道交通车站能耗指标

表2相似铁路高架站能耗指标

表3近零碳公共建筑降碳率

2.4零碳目标的确定

目前,现行各标准都未对市域铁路车站提出明确的碳排放强度指标要求,包括《零碳建筑技术标准(征求意见稿)》｡因此,参照《零碳建筑技术标准》中对近零碳公共建筑的要求,其规定近零碳公共建筑降碳率要达到≥45%｡因此,以调研收集的同类项目指标为基准,通过各项节能措施,该铁路车站需要至少节约320×0.45=144万kW·h/a,并据此计算单位面积碳排放强度为22kgCO2/m·2a｡(表3)

3、车站综合降碳技术

3.1被动降碳技术

车站在建筑总平面的布置和设计时,夏季充分自然通风;冬季充分利用日照并尽量避开主导风向｡在保证建筑物使用功能和满足室内环境湿度和空气质量条件下,通过提高建筑围护结构保温隔热性能和结合不同朝向控制窗墙比等技术手段,尽可能降低建筑能耗｡

被动降碳技术即通过优化建筑设计和利用自然条件,在不依赖高能耗设备的前提下实现节能减排,具有长效､低维护的特点｡

自然通风系统可通过站房屋顶的导风板､可开启天窗及侧墙百叶形成“风走廊”,利用热压差和风压差促进空气流动,减少空调使用时长｡北京丰台站采用双层呼吸式幕墙,夏季通过空气夹层隔热降温,冬季关闭通风口形成保温层,年节省制冷能耗约15%｡本次设计优化充分利用其东北风主导风向,在车站南北两侧设连续高窗,北进南排,并根据车站穹顶部分区域开启天窗,利用空气上升效应形成热压差,同步增加温湿度和风速传感器等设备,动态调节高窗与天窗｡措施可降低机械通风负荷约20%｡

围护结构优化方面,采用高热惰性材料结合外保温层,延缓冷热传导速度;低辐射玻璃幕墙可反射80%以上的红外线,降低夏季太阳辐射得热,同时保证冬季室内热量不散失｡此外,生态遮阳与绿化融合也是重要手段,如华南某车站利用光伏遮阳板与垂直绿化墙结合,既遮挡直射阳光又通过植物蒸腾作用降低周边温度,减少外围护结构表面温度3-5℃｡这类技术通过建筑本体与环境的协同作用,将降碳融入基础设施全生命周期,实现碳排放源头削减｡本项目在设计优化中玻璃幕墙采用了双银Low-E夹胶中空玻璃,可反射80%热辐射,传热系数由设计2.4W/(m·2K)降低至1.6W/(m·2K)｡且外层钢化,提高公共区间使用的安全性｡

3.2光伏建筑一体化降碳

车站作为大型公共建筑,应充分利用可再生能源技术实现节能降碳｡铁路车站具有屋顶面积大､结构承载能力强的特点,同时车站用电负荷大,光伏所发电量可以就地消纳｡另外,车站白天为负荷高峰,晚上为低峰,与光伏发电工作时间对应,光伏系统自发自用效率较高｡因此,通过高效利用铁路车站及沿线基础设施,建设集中式､分布式光伏发电,不仅能实现铁路全生命周期的节能降碳,更能显著降低运营维护成本｡

车站在设计阶段拟采用光伏建筑一体化技术(BIPV),将光伏发电系统与车站造型相结合,在车站主体屋面､连廊屋面､附属屋面等有条件的位置尽可能多的布设光伏发电装置｡BIPV与传统的在建筑物建好以后再安装光伏相比,采用无边框设计,灰尘会被雨水自然冲刷带走,减少了遮挡造成的发电损失,另外尽可能减少运维通道,提高光伏可利用面积｡《零碳建筑技术标准(征求意见稿)》也规定,建筑设计宜进行光伏发电系统一体化设计,将建筑从耗能方转变为供能方｡

但要注意屋顶光伏发电与室内采光要求之间的矛盾,设计阶段通过模拟不同透光宽度对站台采光系数的影响,明确了当透光宽度不超过8m时,室内采光系数均能满足《建筑采光设计标准》规定(采光系数>1%,室内照度>150lx)｡基于这一临界值,设计采用车站屋顶全覆盖光伏铺设方案,并在保证采光需求的前提下,光伏系统总装机容量约1930kWp,预计年平均发电量260万kW·h,较基准车站能耗减少80%｡

由于光伏发电的波动性,仅能用于车站二三级负荷,根据车站负荷初步估算,光伏系统高峰小时发电量超过车站用电需求,因此配置全钒液流电池储能,以提高光伏发电利用效率,助力车站运营期近零碳目标｡

3.3节能设备降碳

公共建筑的照明与设备能耗较大,是降碳技术的重要突破口｡在照明方面,LED灯具光效可达120-150lm/W,较传统灯具节能60%-80%,且寿命长达5万小时以上,可减少频繁更换带来的资源浪费｡例如,华北某车站通过全面更换LED照明系统,年节电量超200万度,减少碳排放约1600吨｡

在设备节能方面,需聚焦空调､电梯等高耗能设备｡采用节能､高效型空调､通风设备和配件,并优先采用一级能效产品｡如空调系统可采用磁悬浮变频离心机组,其部分负荷能效比高达11.0,较传统机组节能40%;电梯则推广能量回馈装置,将制动时产生的电能回馈电网,节能率可达25%-30%｡

此外,在电力设计时,还可以通过合理设置变配电所,减少送配电线路的损耗,对于站厅､站台的照明,采用多路交叉供电,节省更多的电能｡

3.4智能管控系统降碳

采用智慧能源管理系统,减少车站能源消耗,提高能源利用效率｡智能管控系统集监测监控､运维､能源配置等功能于一体,可以监测车站整体和空调､照明等分项能耗数据,并根据监测数据调控各系统负荷｡通过对能耗数据的监测､统计､分析,能源管理可以较为全面地了解车站运行情况,并向运行人员发出异常警报或反馈节能控制,以达到能耗最低的目标｡

例如,某铁路车站通过实时监测照明､空调､电梯等设备的运行状态和动态调整,在客流低谷时段自动降低候车厅空调负荷15%-20%,制冷系统综合能效比提升12%｡此外,管控系统还可通过联网,实现碳排放数据的自动核算与对标分析,支持管理人员制定碳配额分配方案｡

4、结论

本文以铁路高架车站为案例,依据《建筑碳排放计算标准》《零碳建筑技术标准(征求意见稿)》等要求,明确了铁路的碳排放源及核查范围,补充完善了铁路车站特殊系统如扶梯､通号等系统的碳排放计算方法｡并根据近零碳建筑的判定标准,在调研收集的同类项目指标为基准的基础上,确定车站通过各项节能措施要节约144万kW·h/a的量化节能目标,以及单位面积碳排放强度指标22kgCO2/m·2a,以满足车站达到近零碳建筑的评价要求｡同时,探讨采用被动降碳技术､光伏建筑一体化技术,采用节能设备以及智能管控等节能降碳措施,助力实现零碳车站｡研究成果可为类似项目的碳排放设计提供指导借鉴｡

参考文献:

[1]GB/T51350-2019,近零能耗建筑技术标准[S].

[2]梁浩,李宏军,张川,等“.一带一路”国际绿色低碳建筑标准编制思考[J].建设科技,2023(19):6-9.

[3]张良涛,李鸣君.基于全生命周期的铁路行业碳达峰影响因素研究[J].铁路节能环保与安全卫生,2023,13(06):1-6,15.

[4]陈进杰,王兴举,王祥琴,等.高速铁路全生命周期碳排放计算[J].铁道学报,2016,38(12):47-55.

[5]GB/T51366-2019,建筑碳排放计算标准[S].

[6]钟丽雯,于江,祝侃,等.建筑全生命周期碳排放计算分析及软件应用比较[J].绿色建筑,2023,15(02):70-75.

[7]张学萍,孙永强,周正,等.铁路客站碳排放物理边界界定与运行碳排放研究[J].铁道经济研究,2024(03):24-32

基金资助:中国铁建股份有限公司科技研发计划项目(2022-B15､2023-B08); 中铁建设集团科研计划项目(25-48c);

文章来源:张园.大型公共建筑零碳设计的碳排放指标研究[J].价值工程,2025,44(19):93-95.