建筑围护系统的低碳节能发展方向

孟 迪 刘海江 李浩然

当前的建筑围护系统正处在一个重大的变革时期，不再是满足基础性能的保障，更多被赋予了高节能、舒适性等诸多属性。在“双碳”的战略背景下，建筑围护系统如何实现低碳节能应用，能否实现绿色发展，对整个国家的可持续发展有重要意义。这意味着要实现“双碳”目标，低碳节能技术在建筑维护系统上的深度应用将成为新的发展方向。

1 “双碳”背景

2020 年9 月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话中提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。”

我国碳排放与发达国家相比存在达峰晚、总量大的问题，建立绿色低碳循环发展的经济体系，确保实现“双碳”目标是势在必行的。我国是世界上最大的发展中国家，也是世界上最大的建造商，有义务也有能力做好“双碳”工作，这是中国作为负责任的大国对世界的承诺与担当[1]。

2 碳排放现状

21 世纪以来，全球碳排放量增长迅速，2000 ～2019 年，全球二氧化碳排放量增加了40%。2019 年，全球碳排放量达343.6 亿吨，创历史新高。

2020 年，受新冠疫情影响，世界各地区碳排放量普遍减少。从碳排放地区及国家分布来看，2020 年亚太地区二氧化碳排放量最大，占比52.38 %，其次为北美地区和欧洲地区，分别为16.59 %和11.23 %。从国家分布情况来看，2020年中国二氧化碳排放量为98.94 亿吨，全球排名第一；美国二氧化碳排放量为44.32 亿吨，全球排名第二；印度二氧化碳排放量为22.98 亿吨，全球排名第三。

3 建筑行业碳排放现状

根据中国建筑节能协会公布的数据，建筑全过程碳排放总量占总排放量1/2 以上，其中建筑材料占比28.3 %；运行阶段占比21.9 %，施工阶段占比1%。

从我国目前的城市化进程来看，城镇化率已经突破60 %，预计2035 年城镇化率将达到75 %左右。根据经验来看，城镇化和经济水平的不断提升，将推动着建筑行业的运行碳排放比重也将不断增长。可见碳中和背景下，我国建筑行业的减碳之路任重道远[2]。

4 政策导向

作为一项重要的战略决策，我国提出的碳达峰、碳中和目标，不仅是技术问题，也不仅是单一的能源、气候环境问题，而是一个影响广泛和深远的社会问题，势必对各行业发展产生重大影响。

在推动以化石能源为主的能源结构转型的基础上，工业、建筑、交通等能源消费端需要做出更大贡献。实现碳中和目标，需要消费端的技术突破，工业、建筑、交通等传统高碳排行业是额外减排的重点，应通过低碳技术脱碳实现净零碳排放。工信部提出绿色制造，加快推进新能源高质量发展，引导光伏企业加强技术创新、提质降本。住建部提出要不断提高新建绿色建筑的比例，并对绿色建筑标识的申报和审查程序、标识管理等做了相应规定。

5 建筑围护系统的节能发展趋势

建筑维护系统节能发展趋势主要包括绿色建材应用、减少建设材料用量、提高系统标准化程度、提升建筑装配化程度、高性能的遮阳隔热保温系统、充分利用清洁能源等。

面对双碳目标，机遇与挑战并存。严控新建项目的能耗、物耗及碳排放，加快节能降碳先进工艺技术和设备应用；在产品结构上，全力开发绿色低碳环保型产品，加快提升高端幕墙产品供给水平，并形成规模化应用。

针对上述目标，可从如下方面进行幕墙系统的减碳、固碳研究工作。

5.1 提升产品性能，减少能源损失

建筑维护产品的高性能主要体现在系统的高密封性和高保温性。建筑热量的消耗主要通过幕墙结构的传热和空气渗透产生热能损失。建筑的传热是以辐射、对流、导热三种方式同时进行。节能设计重点是合理控制热通道的手段，以减少热损失，达到节能目的[3]。下面几个方面可供设计参考。

5.1.1 面材性能的提升

作为幕墙面材，玻璃的热损失占建筑能耗的50%以上。玻璃内表面的传热以辐射为主，占58%，采用Low-E 镀膜工艺改变玻璃性能减少热能损失的方法是最为有效的。此外，在Low-E 镀膜工艺基础上的多层中空玻璃结构也进一步提升了面材的热工性能，试验证明中空层最佳的厚度为12 ～16 mm，即达到阻隔传导作用又避免产生对流。

5.1.2 框材性能的提升及新型保温材料的应用

对于框支式幕墙，金属框架是影响系统整体热工性能的薄弱环节。隔热铝型材是提高热工性能的主要手段,其技术措施主要有几种：调整隔热条尺寸及形状；在隔热条形成的空腔内填充发泡材料，减少热辐射；应用铝合金-聚氨酯复合型材，提升密封性，减小热传递；采用胶条、尼龙条等对框料内部空腔进行分割，减少辐射传热。

在幕墙系统内部构造上可通过增加热工性能好的保温材料提高系统整体隔热性能，如岩棉、聚苯乙烯泡沫塑料板或气凝胶垫等。

5.1.3 构造设计的节能保障措施

遮阳系统是现代建筑中不可或缺的部分，完整的遮阳系统完美而和谐地统一了建筑的采光与遮阳节能。建筑遮阳分为构造遮阳和材料遮阳两大类，构造遮阳主要通过结构造型装饰翼、遮阳百叶等途径实现内外遮阳效果。材料遮阳主要通过面材的材料特性实现其遮阳功能，如调光玻璃、温变玻璃、织物面材等，既达到建筑整体美观效果，又实现了隔阻室外大部分阳光热量进入室内[4]。

双层呼吸式幕墙与传统的单层幕墙相比，最大特点是在内外两层幕墙之间形成一个通风换气层。通风换气层形成自下而上的空气循环，使内侧幕墙玻璃温度达到或接近室内温度，形成优越的温度条件，达到节能效果，同时对隔音，光污染等带来显著改善。也可通过系统构造设计实现空气质量的微气候控制调节，实现多种循环形式的通风，改变微气候。

5.2 清洁能源与建筑的结合

随着石化能源的日益枯竭和人类生存环境的日益恶化，清洁能源的开发利用成为发展的主流。将光伏发电、风力发电技术与幕墙系统完美结合，实现建筑维护系统的低碳减排。

5.2.1 BIPV 光伏建筑一体化技术应用

随着光伏组件种类的日益繁多，进一步满足了建筑师对透光性、颜色、质感等方面的设计要求，也推动了光伏建筑一体化产业的发展。随着光伏产业规模不断扩大，我国常规光伏已步入平价，为BIPV 大规模推广提供了重要的基础条件。在“十四五”期间通过解除光伏成本和协同两大限制因素后，光伏装机容量可能达到30 ～50 GW，对应市场规模在1 500 ～2 500 亿元。

利用光伏发电技术与幕墙系统相结合，在建筑的屋面、层间、立面及采光顶等部位设置发电单元。不同的建筑位置适用不同特性的光伏组件，其分类包括：晶体硅电池（包括单晶硅、多晶硅和带状硅等）、非晶硅电池、薄膜光伏电池（包括铜铟镓硒、碲化镉等）、钙钛矿电池等。其中晶硅类组件是目前发展最成熟并应用最广泛的光伏组件，适用于光伏屋顶、光伏采光顶及立面层间位置。相比晶硅组件，碲化镉薄膜组件具有弱光效应好、透光率高等特点，更适用于幕墙立面，可最大限度利用建筑的表面增加有效发电面积，满足多角度建筑发电需求。

光伏系统安装之后，用户最关心的是发电量，因为它直接关系到用户的投资回报。影响发电量的因素很多，如天气、温度、组件转换效率、逆变效率、电缆的线损、组件安装朝向方位角、倾斜角度、灰尘、阴影遮挡、组件和逆变器容配比系统方案、线路设计、施工、电网电压等诸多因素。

一般光伏组件的理论转换效率可达到15 %至25 %左右,逆变效率基本上可以达到97 %左右，电缆线损一般在2 %左右。光伏组件的安装角度包含两个角度：即倾角和方位角。倾角（高度角），即光伏组件与水平地面之间的夹角；方位角，即光伏组件的朝向与正南方向的夹角。无论是倾角，还是方位角，对于具体项目而言都是受限于建筑本身的结构特性的。光伏组件在组串时，为使系统获得最大效率，应重点考虑接至同一台逆变器的光伏组件的规格类型、串联数量及安装角度应保持一致。同时，逆变器电压越接近额定工作电压，效率越高，发电量收益越好，则串联数量最佳。

针对光伏幕墙系统经济及社会效益，以薄膜太阳能组件作为发电单元为例，规格面积1.6 m×1.2 m=1.92 m2为市场常规薄膜组件发电功率为250 W，光电转换率为13 %，每平米组件发电功率约为130 W。按三类地区太阳能辐射量测算（我国按日照时长共分为五类地区），年光照时长约为2 600 小时，组件应用于建筑采光顶位置，每平米光伏组件年发电量为130×2 600=338 kW·h=338 度电，以一座1 000 m2的采光顶建筑面积为例，考虑采光顶坡度倾角、方位角及衰减损耗等因素，按80%效率考虑（如立面等位置考虑倾角问题会有更大折减），年发电总量为338×0.8×1 000=270 400 度电。按商业用电电费（0.73 元/度）计算，年产生收益270 400×0.73=19.74 万元。

按目前市场幕墙用光伏系统建设成本7 元/瓦计算，总成本约91 万，其成本回收期约为91÷19.74=4.6 年。综合考虑太阳能电池组件光电转换率逐年衰减及过程养护成本等因素，成本回收期估计在5 至7 年左右。

按组件一般寿命的25 年测算，总发电收益约为493.5 万元，节约一次性能源约2 366 吨标准煤，可减排二氧化碳6 739 吨，二氧化硫58.4 吨，烟尘41.2吨，煤渣1 066 吨。

光伏与建筑结合的优点可以从三个方面来看，分别是：建筑、经济和技术。从建筑上看，可以最大限度的利用空间面积，无需额外占用土地资源；从经济上看，可以就近发电、用电，节约电站建设和电力输送成本；从技术上看，光伏组件吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，在利用清洁能源发电的同时，对建筑起到节能减排效果。

5.2.2 风能的利用

风能作为重要的可再生能源，在建筑中主要有两种利用形式，一种是被动式利用，如自然通风和排气，降低对机械能源的消耗；另一种是主动式利用，其中最常见的就是风力发电。将风力发电技术与建筑相结合，让建筑作为风力强化和收集的载体。风力发电较太阳能而言，它的成本优势明显，如何使得风力发电和建筑进行一体化设计、在建筑周围设置小型风力发电机而又不影响人的生活质量，现已成为建筑行业能源研究的焦点。

目前已经有案例开始利用风力发电装置为建筑供能。如沪上“第一高楼”上海中心大厦，就在其塔冠上装配着270台垂直轴涡轮发电机，可每年为大厦提供119 万度绿色电力，供屋顶和观光层中的设备使用。

5.3 与建筑融合的绿植幕墙系统应用

依托垂直绿化技术的绿植幕墙，可以改善建筑微气候环境，实现固碳功能。绿植幕墙是将绿植沿建筑幕墙外立面攀附固定形成的垂直绿化系统，可以为城市增加有效的绿化面积，有效扩大城市的绿化范围，提升绿化覆盖率，在空间的维度上实现建筑的吸碳运行，从而实现真正意义的碳中和[5]。

5.3.1 绿植幕墙系统构成

绿植幕墙系统主要包括：定植结构、支撑框架、自动微滴灌系统、补光系统及各类相关附件等。其外延配套还可以与雨水收集系统、光伏发电系统相结合。

5.3.2 绿植幕墙的意义

生态效益：改善空气质量，吸收碳排放；调节温度和湿度；控制噪音。社会效益：拓展绿化空间、城市多样化需要；减少光污染；保护建筑物。经济效益：绿植幕墙自身的使用价值；装饰绿化后的景观效益；景观功能所产生的吸引人们购买欲望的潜在价值等。

5.3.3 绿植幕墙的节能效果。

据测定，应用绿植覆盖的建筑墙面温度通常可降低2 ～7 ℃，空气相对湿度可以提高10 ～20 %，室温降低3 ～5℃。一座面积约5 000 m2的绿植幕墙，年节能量约为7.2 万度，减少二氧化碳排放66.32 吨。

6 结语

建筑围护系统的低碳节能发展是一项全方位的综合性系统工程，涉及到系统构造技术、遮阳技术、材料技术、能源技术、仿生技术等，也涉及设计、生产、施工、管理、政策法规等诸多部门。

为达到有效的建筑围护系统低碳节能，只靠建筑设计师是远远不够的，还需要相关行业、企业协同配合开发出高效节能产品，如高热工性能的面材、框材，高转化效率的光伏组件，更加高效节能的生产加工工艺等，使建筑围护系统在全生命周期范围内实现真正意义的低碳节能。