本文节选自CTBUH中文出版物
《未来城市：应对碳、气候和社会危机 ——世界高层建筑与都市人居前沿研究与案例解读》
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可持续高层建筑设计范例
作者：威尔·米兰达（Will Miranda），丹尼尔·萨法里克（Daniel Safarik）
█ 引言
联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernment Panel on Climate Change，IPCC）是联合国负责评估与气候变化有关的数据和技术的研究机构。2015年，在《联合国气候变化框架公约》（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC）上，IPCC受命研究全球变暖的影响和减少温室气体（Greenhouse Gas，GHG）排放的途径。2018年，IPCC发布了《全球变暖1.5℃特别报告》，提出了未来展望:“如果未来几年不制定在2030年前大幅减少温室气体排放量这一更严格的计划来应对气候变化，那么全球变暖将在接下来的几十年里（比工业化前平均升温1.5℃）对脆弱的生态系统造成不可逆转的破坏，人类和社会将面临一次又一次的危机。”（IPCC，2018）
该协定指出，各国必须公开透明地报告所有减缓气候变化的措施以及在实现这一目标所取得的进展。为此，国际绿色建筑委员会（Green Building Council，GBCs）积极制定战略以减少建筑行业的排放，最终实现新建筑净零排放的目标。换言之，在建筑的建造或运营过程中排放的所有温室气体都将被列入计算结果。
█ 高层建筑的影响
联合国环境委员会指出，“建筑和建筑业应该成为温室气体减排工作的主要目标对象。”尽管2013—2016年的建筑排放量开始趋于平稳，但是2017年、2018年二氧化碳总量（GtCO2）连续两年增长2%，达到9.7 GtCO2（GlobalABC和IEA，2019）。为了遵循《巴黎协定》的要求，避免全球变暖2.0℃带来的气候、经济和社会后果，必须减少所有建筑排放，这与过去十年世界总建筑面积和人口持续增长的事实相悖。
建筑行业约占全球能源和加工相关二氧化碳排放量的39%。其中28%的排放来自现有建筑运营阶段（17%来自住宅建筑，11%来自其他功能），剩下的11%的排放来自建筑业以及建筑材料和产品的制造，如钢铁、水泥和玻璃（GlobalABC和IEA，2019）。这两种排放，一类通常被称为建筑物的“运营碳（operational carbon）”，即建筑物在使用期间产生的排放量；另一类为建筑所产生的“隐含碳（embodied carbon）”，即建筑材料的生产、制造、运输、施工和拆除阶段产生的排放量（SPOT UL，2020）。大部分运营排放为间接排放，主要是指在建筑运营阶段中电力和热力等其他能源带来的碳排放，约占所有二氧化碳排放的19%。剩余约9%为直接的运营排放，例如为了加热和冷却在现场燃烧化石燃料所产生的排放。
█ 运营和隐含能源目标
国际能源署（International Energy Agency，IEA）指出，要将全球平均气温上升限制在1.5℃以内，就必须在2050年前实现全球二氧化碳排放量净零目标，具体内容包括“呼吁人类彻底改变能源的生产、运输和消费方式”。据预测，到2050年，建筑行业的二氧化碳排放总量需要下降95%以上，而与此同时，建筑行业的总建筑面积预计将增长75%，其中大部分增长集中在新兴市场和发展中经济体（IEA，2021）。大量技术已经开始被广泛运用以帮助实现这一转变，如改进新建筑和现有建筑的围护结构、热泵和节能电器的使用等。在美国，最大的碳排放来源是供暖制冷、水暖、烹饪、电器、电子产品和照明（图1）（美国能源情报署，2018）。为了加速推动建筑行业迈向净零排放，世界绿色建筑委员会（The World Green Building Council，WorldGBC）等组织发起了“净零碳建筑承诺”，重点聚焦建筑排放最具影响力的方面，并将净零运营碳排放作为全球建筑和城市的目标。
图1 在美国的建筑中，二氧化碳排放最主要来自供暖和制冷、水暖、烹饪、电器、电子设备和照明。“其他”是指被美国能源信息管理局归类为“其他电力负荷”的项目，如数据服务器、吊扇和水泵。资料来源：美国能源信息管理局（2018）
█ 解决高层建筑的碳排放问题
在全球范围内，建筑行业已经开始将可持续性设计作为首要目标。本节将简要介绍全球范围内的一些高层建筑。在建筑选择上，各地区选择一座建筑进行介绍，这些建筑融入当地环境，并通过相应设计策略减少了运营碳和隐含碳的排放。
1.澳大利亚:中央公园一号，悉尼（116 m，34层，2014年竣工）
图2 悉尼中央公园一号以其长达5 km的雨水收集灌溉系统以及40个悬臂式日光反射装置而闻名。该装置可以根据太阳轨迹，以最佳方式将太阳光线反射到热量和光照不足的地区（摄影：Marshall Gerometta）
中央公园一号的被动式太阳能系统使用了42面定日镜和320面固定镜面，能为遮蔽的阴影区域提供数小时的太阳光线，甚至可以分出50%的反射太阳光热量用于加热屋顶游泳池（图3）。该多面反射器同时为高塔楼西侧立面提供遮阳设备。由于植被覆盖面积难以量化，定日镜系统也没有主动产生能量，因此它们没有列入澳大利亚的BASIX和绿色星级计算范围。建筑通过采取一些隐蔽节能措施以在可持续性认证方面取得优异成绩，例如部署了一个30MW的中央发电厂和一个2MW的三联发电系统。通过这一系列的策略，中央公园一号的能耗与新南威尔士州建筑的平均水平相比减少了26%（Nouvel和Beissel，2014）。
图3 悉尼中央公园一号项目中的定日镜装置为建筑遮光阴影区域提供数小时的阳光和热量（摄影：Terri Meyer Boake）
2.中东：巴哈尔塔，阿布扎比（145 m，29层，2012年竣工）
该双子塔作为当地美学代表建筑的同时，试图解决沙漠气候中太阳眩光和热量的影响（图4）。建筑立面表皮借鉴该地区的传统窗花元素马什拉比亚（mashrabiya），通过参数化和算法研究设计出一系列可操作的半透明聚四氟乙烯（PTFE）面板（图5）。
图4 阿布扎比巴哈尔塔的立面表皮借鉴该地区的传统窗花元素马什拉比亚，一种中东地区传统的格子屏风，可起到建筑物遮阳的作用 © StillePsiLoN （cc by-sa）
图5 阿布扎比的巴哈尔塔中每块面板可以根据太阳的位置自动打开和关闭，确保光线进入建筑物（和向外看的视线），也可以阻隔眩光和热量（摄影：Terri Meyer Boake）
建筑整体造型根据立面系统进行优化，并且考虑圆形楼板的墙与楼板比例效率，建筑中的水通过一系列太阳能热板加热，节省隐含碳排放。该措施为项目赢得LEED银级认证（Wood和Henry，2012）。
3.中/南美洲：雷福马之塔，墨西哥城（246 m，56层，2016年竣工）
雷福马之塔（图6和图7）和中央公园一号、巴哈尔塔一样实施创新的策略以降低温暖的气候条件下的空间温度。建筑中所有的雨水和废水全部通过污水处理重复利用于空调、浴室和街道的灌溉。水箱沿着塔楼分散布置，利用重力驱动取代能源消耗大的水泵。大楼设置自动停车系统，无需照明或通风，也没有尾气排放，通过电动电梯取代引擎发动将汽车运至停车层，减少环境的负荷和能量的排放。
图6 墨西哥城的雷福马之塔使用混凝土剪力墙来限制太阳热量的增加 © HEXA
除重力水泵和自动停车场系统外，建筑立面同时采用混凝土剪力墙和双层玻璃幕墙，以提高最小遮阳系数（shading coefficient，SC）、太阳热增益系数（solar heat gain coefficient，SHGC）、u值、反射值，其透光水平远高于美国采暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）的推荐值，相比于同等规模的传统建筑可减少24%的总能源消耗（Boy，2017）。窗户自动控制系统会在黎明前打开窗户，自然通风的三层通高中庭种满植物进一步为建筑提供凉爽的空气流，改善空气质量。
4.非洲：当代艺术博物馆，开普敦（58 m，14层，2017年竣工）
Zeitz非洲当代艺术博物馆改造自一座拥有90年历史的废弃粮仓，直接在现有的粮仓墙壁上浇铸一层250mm厚的新混凝土（图8），节省了大量的隐含碳排放。同时，采用当地劳动力和材料（不包括专用太阳能控制玻璃），进一步减少了隐含碳排放。该项目利用计算流体动力学分析了太阳能控制玻璃的冷却和加热需求，有效地将太阳能热增益降至最低（图9）。
图8 位于开普敦的Zeitz非洲当代艺术博物馆是一个粮仓改造项目，在其发挥设计创造力的同时极大地限制了隐含能源的使用［摄影：Matti Blume（cc by-sa）］
除了以上所采取的减少能源负荷措施外，该项目利用附近的海水资源作为热源和散热器对区域范围内的系统进行空间的加热和冷却。同时对整个辖区的设备系统进行了优化，可最大限度地提高加热和冷却循环的效率（Archer和Brunette，2018）。
与非洲当代艺术博物馆一样，华润大厦（图10）对现有建筑结构进行改造，在采用了现代暖通空调技术和操作标准的同时，保留了原有建筑97%的维护结构、核心筒、楼板和屋顶。此外，项目实施建筑垃圾管理计划，回收再利用1977吨建筑垃圾，占建筑垃圾总量的81.3%。和前面的案例一样，华润大厦利用其靠近维多利亚港得天独厚的地理优势，在大楼内安装了海水冷却机组，相较于传统的风冷机组节省约20%的能源。
图10 中国香港华润大厦对现存建筑进行改造，采用了现代暖通空调技术和操作标准，保留了原有建筑97%的维护结构、核心筒、楼板和屋顶 ©Wing1990hk（cc by-sa）
改造后的立面表皮和照明系统减少了运营碳排放（图11）。项目立面采用低辐射涂层玻璃以减少太阳热量，同时使用了节能环保的LED灯和荧光灯替代传统的T8灯配件，前两者需要的维护更少，使用寿命更长（Wan等，2015）。
图11 中国香港华润大厦立面细节图，该大厦采用特殊涂层的Low-E玻璃限制太阳能的吸收 © Powfreytmn （cc by-sa）
6.欧洲：Stadthaus公寓（30 m，9层，2009年竣工）
Stadthaus公寓于2009年完工，是最早使用正交胶合木（CLT）面板的现代高层建筑之一（图12和图13）。木材本身具有固碳属性，捕获了原本会被垂死树木释放到大气中的碳，因此，高层建筑使用木材作为主要结构材料可以减少大量隐含能源消耗。
图13 伦敦Stadthaus施工中公寓内部，表现了木板材料和结构的美学和简单性，同时增加了其作为碳汇的价值（摄影：Will Pryce）
对运营碳而言，CLT是一个充满空气的固态保温围护结构。当与刚性绝缘、木质包层和胶泥石膏板结合时，CLT可以有效隔绝和减缓气流。也就是说，CLT墙体系统具有透气性和抗霉菌性，在与高功能性机械和空气管理系统搭配使用时，可以为居住者创造一个健康的室内环境（Northrup，2010）。
7.北美：美国银行大厦，纽约市（366 m，55层，2009年竣工）
美国银行大厦作为坐落于超级城市的企业总部，以其规模和突出的地位举世闻名。大厦采用先进的清洁燃烧技术，其5MW的发电厂提供了建筑物大约65%的年度电力需求，并在日间高峰时期为大厦减少了30%的用电需求（图14）。大厦的蓄热系统以冰为介质，夜间制冰，降低城市电网负荷，白天利用冰的融化对空间进行制冷（图15）。每年降落在该地区的1200 mm雨雪几乎全部被收集起来，并重新作为灰水用于厕所用水和冷却塔供应。以上一系列策略，加上无水便池和低流量装置的使用，每年可节省约770万gal（2900万L）饮用水。
图14 纽约市美国银行大厦的高性能幕墙通过低辐射玻璃和热反射陶瓷熔块最大限度地减少太阳热量的增加（摄影：Marshall Gerometta）
图15 纽约市美国银行大厦地下室的冰储罐。夜间制冰，白天利用冰的融化对空间进行制冷（摄影：Marshall Gerometta）
该建筑超高的室内空气质量得益于医院级95%的空气过滤系统、充足的自然采光、2.9m高的天花板、带有独立控制器的地板通风系统、全天候空气质量监测系统以及视野开阔的透明落地玻璃幕墙。这种高性能幕墙能够通过Low-E玻璃和热反射陶瓷熔块最大限度地减少太阳热量的获得；通过自动日光调光系统减少人工室内照明，从而减少因照明和冷却所消耗的高达10%的能源（Wood和Henry，2011）。
本文选自CTBUH Journal 2021年第3期。
