可持续·向未来 冰雪建筑:“第五立面”的碳中和

 

▲ 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）