英海特 | 建筑幕墙的可持续设计
日期:2023-05-22


英海特 | 建筑幕墙的可持续设计

原创 WINDOOR新品展 城博门窗幕墙新产品博览会







「可持续建筑」一直是建筑师和幕墙公司在研讨的话题,在响应「双碳」的需求背景下,建筑幕墙的设计、材料与生命周期被关注与重视,藉由实现建筑全生命周期的可持续性。


「幕墙中国·挑战可持续的建筑幕墙」主题论坛邀请英海特工程咨询执行董事钱学昆通过建筑碳幕墙隐含碳排放计算、可持续建筑幕墙材料多个维度讨论,分享如何在幕墙设计过程中引入低碳原则,幕墙设计和碳排放的关系。










#全球39%碳排放来自于建筑业


地球只有一个,我们希望能够共融、和谐生存,但越来越多的碳排放使得我们的生存环境在不断受到影响。一方面,我们希望能够享受到更加舒适、和谐、便捷的建筑和交通工具。另外一方面,我们在享受的同时,破坏了地球。如果我们采用手段来减少碳排放,可能会影响到整个的投入产出和利润,所以这是一个矛盾点。


人类90%的时间都生活在建筑物里,建筑物以及建材的生产过程中会产生了大量的碳排放。据国外的统计数据,目前建筑业占全球碳排放比例的39%,其中28%来自于建筑的运营阶段,有11%来自于建材的生产阶段,幕墙的隐含碳排放占整个建筑生产建造阶段的10%~15%。可以看到,为了让我们享受到一个比较舒适的生活,我们对地球做出了很多不利的碳排放。





#所有幕墙材料都有「隐含碳」


我们把产生的温室气体以二氧化碳等值的单位作为计量,称为「全球变暖潜能值(GWP)」,1公斤的GWP相当于就是1公斤二氧化碳的排放量。在2030年之前,国家要达到碳达峰的目标,2060年之前要实现碳中和的目标。


在整个的生产和使用过程一直存在着碳排放,我们称为「隐含碳」和「运营碳」。「隐含碳」是在建材生产和幕墙建造过程中所产生的一定碳排放。「运营碳」是在我们的使用建筑的过程中使用空调、光源等所产生的碳排放。


所有幕墙材料都有「隐含碳」,例如玻璃、铝型材,从矿山采挖到工厂加工,再到施工现场安装过程,后期建筑的使用及维护更新,最后到建筑生命周期结束的拆除都会产生碳排放。


正因为「隐含碳」的被忽视,目前还处于一个比较高的这样的位置。我们的法国公司在过去50年里统计了各种建筑物里隐含的碳排放,可以看到,建造过程中的碳排放(红色部分)始终占据比较高的位置,而运行过程碳排放,随着一些节能规范法律的出台在逐渐降低。





#国内电解铝碳排放严峻


国内建筑幕墙材料基本以铝型材为主。铝型材基本是通过电解铝方式生产,而80%以上的电厂用的是火电,从而导致在生产型材过程中消耗大量的能源,产生大量碳排放。


国内在2019年颁布了有关建筑材料的碳排放标准提及「碳排放因子」,可以看到一些数据,比如铝板或者是电解铝在生产过程中,生产1吨的电解铝会产生2万多公斤的二氧化碳排放量。在国外,生产1公斤的铝型材所产生的是8.2公斤的碳排放。这两个数据区别在于国内工厂的效率不高,并采用了火电站电解,而国外使用的是核电站或者清洁能源。



在建材隐含碳金字塔中,越往顶部的材料碳排放越高。木材是一个非常低碳环保的材料,它甚至是零碳或者是负碳。在今后的一些建筑里,我们希望有更多采用木材作为主要材料的幕墙体系和结构体系。





#建筑幕墙碳排放计算


按照国内的建筑碳排放计算的标准,如何计算建筑幕墙「隐含碳」排放?


在生产阶段计算,幕墙构成有铝型材、钢、金属和玻璃,相对应的每平方米重量是多少,碳排放因子是多少进行一个加成,同时考虑运输阶段的碳排放。


在一座建筑中,整个结构占了可能3/4的碳排放,而幕墙占了其中的可能1/4左右,其中可能有22%是玻璃幕墙部分,7%是石材幕墙或者是不透明幕墙的部分。再缩小到石材幕墙里,石材占了多少碳排放?龙骨又占了多少碳排放?一步步把一座建筑的碳排放逐点分离研究,看某一个幕墙体系的碳排放。


石材幕墙碳排放

钢龙骨支撑的干挂石材幕墙体系,钢的碳排放量相对比较高,会产生大概110kgCO?e/㎡的碳排放。


预制混凝土的面板材料,混凝土的用量会比较多,总的厚度比较厚,反而比干挂的钢结构钢龙骨干挂的幕墙体系的碳排放要多,达到130kgCO?e/㎡。


单元式幕墙碳排放达到280kgCO?e/㎡。铝型材在生产过程中产生的碳排放是钢的差不多3倍以上。



玻璃幕墙碳排放

玻璃幕墙有框架式幕墙、单元式幕墙、钢框架幕墙、玻璃肋支撑幕墙,我们分别去看它们的组成部分。


框架式幕墙含有部分铝型材,单元式幕墙铝型材占比非常多,钢框架幕墙以钢型材为主,铝型材作为副框相对碳排放比较少。玻璃勒幕墙,玻璃的占比会更加多一些。在这几个前提条件下再去计算隐含碳排放就会发现,单元式幕墙有非常高的碳排放,玻璃肋支撑幕墙的碳排放最少。



 英国窗体系住宅楼项目全生命周期隐含碳计算 

在设计初期就要考虑全生命周期的隐含碳计算。分别对单元式外墙、干挂体系加玻璃窗、预制混凝土三明治板幕墙进行分析,将生产建造、运输、维护及拆除的全周期碳排放进行综合计算对比,最后给业主提供明确的判断。


 法国项目案例 

项目用到了木材作为幕墙或主体结构材料,同时也用了石材作为装饰和遮阳材料,最后我们在计算完隐含碳排放后发现,在生产建造过程中,幕墙的碳排放占了14%。

项目使用了木质结构,同时在运营过程中涉及到废水回收、太阳能可再生能源的利用,使整个全生命周期的碳排放会降低,有更好的可持续性设计和低碳环保理念。



#幕墙设计的反思与未来


我们一直认为的节能建筑,大家只考虑到在运营阶段、性能、遮阳、U值,但是我们往往忽视为了生产幕墙、为了达到性能、为了更好看,增加了非常多不必要的铝合金或高碳材料,这是给建筑设计和幕墙设计的反思。包括我之前在做幕墙设计时也没有考虑到,为什么我们做的幕墙会越做越复杂?碳排放没有降低?是因为我们采用了过多不必要的材料。


我有差不多20年的幕墙顾问经验,在2000年初时候的单元式幕墙基本上是开腔型截面,用非常少的铝型材。到2010年左右,大部分幕墙都采用双腔,使用中空夹胶玻璃。到了最近,大部分幕墙越做越复杂,甚至做到三腔,还有非常复杂的装饰条。


图中三个项目案例从时间跨度来看,碳排放是逐年增加。实际上我们每隔几年就会颁布新的节能规范,但是我们做幕墙设计的时候,碳排放确实每年在增加,隐含碳排放会导致我们因为节能所节约下来的碳排放,反而被综合掉了一部分,这也是我想给大家带来的一些启示。


图中项目2是2019年完工,是一个外轮廓复杂、外立面占比较多的建筑。项目3是2023年即将完工的项目,外立面也是非常复杂。如果把碳排放按照建筑面积折算,会发现是逐年增加。随着建筑师们希望做一些标新立异的设计,无形增加了碳排放,这是值得我们去反思的问题。


我们在设计幕墙的时候,可以根据以下作用重要性进行考虑设计。


「更少」指更高效的建筑形式是不需要做非常复杂的外立面。如果我们能够对既有建筑进行翻新也会减少碳排放。


「更轻」是指采用更有效的建筑材料来代替传统建筑材料。例如中国建筑西南设计研究院新研发的「玄武岩纤维」,它既能够达到很高的强度,而且碳排放只有钢材的1/7,铝型材的1/20;还有UHPC也是非常好的降低碳排放材料;以及有效利用模具组合,减少模具开发和用量。


「更低碳」采用可再生材料,比如再生铝或者木材,能够为今后的建筑减少碳排放起到很大的作用。


「面向未来」有一个可持续性的设计理念,尽量考虑可再生循环的材料。


「合作共赢」各个专业的配合,能够合作多赢的合作模式。





#运营碳排放与舒适人居


运营碳排放是为了让在建筑活动的人更舒适、更好的温度、隔音性能、减少阳光直射,以及很好的视野,这些都是和整个幕墙体系的性能有关系。


如果幕墙材料有更好的储热能力,对运营碳排放是有一定的帮助。比如在白天吸收太阳能量,到了夜间一点点释放,这样能够降低空调的负荷。








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