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可持续·向未来 冰雪建筑:“第五立面”的碳中和

2022.01.11

 

▲ 融创·华发深圳冰雪文旅城冰雪综合体效果图


 
建筑屋面,除作为建筑围护结构的使用功能之外,在建筑创作中更是作为“第五立面”被赋予重要的美学功能,以形成与城市自然环境、人文特色相协调的城市顶部空间意象。
 

在面向3060双碳目标的今天,建筑“第五立面”又被赋予重要意义。在冰雪建筑通向“碳中和“的路上,建筑屋面更成为影响双碳目标实现的“核心战略资源”。

 

建筑要绿色,屋面要白色

 

 

冰雪建筑碳减排,首在降低制冷能耗。

 

冰雪建筑的冷区空间室内温度低,需全年供冷,制冷能耗很高。而建筑围护结构形成的制冷负荷中,屋面冷负荷因太阳辐射热的存在对总负荷影响最大。太阳辐射热使得屋面的表面温度升高,热量通过屋面进入冷区,进而形成室内制冷负荷。

 

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory),对夏季午后不同屋面材料在太阳辐射下的表面温度进行测试,黑色表面温升高达45°C,而白色表面温升仅为5°C。

 

 

当有太阳辐射时,采用浅色饰面的建筑屋面,能反射较多的太阳辐射热,屋面表面温度低,通过屋面进入建筑物内部的热量减少,从而减轻了制冷负荷。
 

美国加州能源部门的资料表明,每100平方米的白色屋面,较黑色屋面每年可减少10吨碳排放量。美国前能源部长朱棣文曾经说过:“当所有的屋面都漆成白色的时候,碳排放量相当于世界上所有的汽车停驶11年。”

 

 

全年供冷的冰雪建筑,其屋面采用白色或浅色,对降低全年空调耗电量、减少建筑碳排放量起到重要作用。采用浅色金属屋面,或结合TPO、PVC等浅色的防水材料,达到浅色冷屋面的节能效果。

 

 

白色或浅色屋面表面温度低,对大气的长波辐射少,还可以减轻城市的热岛效应。

 

 
屋面是一种资源

 
冰雪建筑通向碳中和之路,可再生能源的利用是极其重要的技术手段。结合冰雪建筑大面积屋面资源,进行BIPV的设计,实现“光伏建筑一体化”。

 

欧洲运营中的室内滑雪场中,较多项目的屋面设置了太阳能光伏发电系统。

 

 

▲ WITTENBURG(GERMANY)德国维滕堡  光伏装机容量2.9MWp

 

国内早期的室内滑雪场,由于度电成本较高,一直没有达成光伏发电的实际应用。随着技术进步和产业规模提升,过去10年光伏组件成本下降了90%,光伏度电成本和火电基本持平,分布式光伏系统装机容量大幅增长。

 

 

▲ 无补贴光伏度电成本变化(2009-2020)

数据来源于:Lazard第14版平准化度电成本(LCOE)报告

 

 

▲ 各发电形式年均新增装机容量预测(万千瓦)

图表来源于:《中国光伏发展展望2050》

 

在分布式光伏大行其道的今天,冰雪建筑的大屋面是值得开发利用的资源。以北京地区为例,一座屋面面积4万平方米的室内滑雪馆项目,光伏安装容量约8MWp,全年发电量可达820万度,碳排放量减少约6800吨。

 

室内滑雪馆屋面多采用直立锁边金属屋面体系,光伏系统应和屋面系统整合设计,采用建筑光伏一体化(BIPV,Building Integrated Photovoltaic)的方式。
 

以往在金属屋面上简单附加光伏系统(BAPV,Building Attached Photovoltaic)的项目,在构造上存在一系列问题:

 

 

1)因屋面板刚性不够,光伏卡具连接不可靠、易脱扣,风掀事故频发。

2)安装太阳能光伏系统后,固定在直立锁边上的安装卡具限制了屋面板的热胀冷缩,温度应力集中导致屋面板的变形、接缝处破坏,构成安全隐患和漏水隐患。 

3)夹具与钢板金属材料不同产生电位差,使得屋面容易出现不同程度的锈蚀现象。

 

因此,需要优化屋面光伏系统的构造做法,采取金属屋面与太阳能光伏组件的一体化系统。采用稳定的不滑移体系,提升整体抗风性能;BIPV系统节点完善,提升防水性能;实现BIPV建筑与光伏同设计年限,提升发电效率。

 

 
结 语 

 

面向碳中和的绿色屋面系统的设计,是把可持续设计“5R”原则中的Reduce、Renewable应用到建筑设计中:
 

Reduce:让屋面着浅装,消减制冷能耗,从源头减碳。
 

Renewable:BIPV屋面光伏整合设计,利用可再生能源,让能源消费不产生碳排放。
 

在3060双碳目标引导下,冰雪建筑的的可持续设计,为用户提供卓越的冰雪运动体验的同时,让屋面更“绿”,让建筑更“绿”。

 

(作者:汪涌、安毅)

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