胡昂院士讲座 | 智能零碳建筑的前沿趋势（下）

Original HUFUJII Lab. 胡藤井研究室 2023-08-30

收录于合集 #建筑文化 17个

引言2023年7月9日，胡昂院士受邀出席中国材料大会，作特邀报告“智能零碳建筑的前沿趋势”，分享其与中建西勘院合作研究的相关成果。本文内容节选自以上报告。

讲座上篇中从零碳建筑概念开始，以建筑全生命周期视角，探讨如何通过零碳建筑的储能技术、新型材料创新、智能化管理系统架构等，实现并促进零碳建筑的可持续发展。

国际事务所的零碳建筑转型

目前的建筑设计公司已经朝着多元化、综合化的方向发展，为实现零碳建筑，需要一个学科综合性极强的团队，才能够真正有效的达成目标。英国的Norman · Foster及合伙人建筑设计事务所就是这样一家集建筑师、各类工程师、艺术家以及数据分析师、程序师等各个领域专长人员的综合性建筑设计公司。

· 集各个领域专长人员的综合性建筑设计公司（图片来源：Foster+Partners）

通过各专业不同人员的协同合作，发挥各专业领域的优势和领先技术，来实现一个建筑在生态性、舒适性、经济性、智能性方面最优的性能。

该事务所核心的设计理念即是达成生态绿色低碳的建筑环境，另外正朝着零碳建筑的方向，做了大量的理论研究和实践尝试。总体来讲，该事务所对零碳的控制，主要在隐形碳排放和运行碳排放两个方面，并基于此提出了十大可持续发展主题、五大关键领域，以及多个未来的发展方向。

· 图片来源：https://www.fosterandpartners.com/

比如说，采用可回收的建筑材料，智能可控的建筑智能系统、被动式和主动式的节能措施、高性能的围护结构、未来移动技术及无人驾驶技术等。

苹果总部大楼是Foster事务所设计的典型近零碳建筑，Apple Park，作为美国苹果公司新总部大楼，位于美国加利福尼亚州库比蒂诺市。占地面积280万平方英尺（约合26万平方米）。其中乔布斯剧院处在环形总部大楼附近，专门用于举办发布会等重大活动，最多可容纳1.2万人，剧院的外观玻璃幕墙高20英尺（约6米），直径165英尺（约50.2米）。屋顶是有史以来最大的碳纤维独立屋顶，重达80吨，由44块面板组成。

· 苹果总部大楼©Foster+Partners，ARUP,Kier+Wright，Apple

据事务所信息，该建筑是“世界上同等规模最环保的项目之一”。它将带有镶有太阳能面板的窗户。Apple Park基本上依靠太阳能电池板和其它可再生能源供电。园区内安装了一个微型电网，仅仅依靠太阳能发电网就能提供17兆瓦电力，并能满足75%的电力需求。得益于那些玻璃面板和窗户，一年大部分时候都无需进行空调。该大楼还会包含循环再用设施。此外，该新总部将以绿色空间为主，拥有充裕的空间种植数千棵树木以及设立果园和中心花园。

· 镶有太阳能面板的窗户©Apple

· 太阳能面板©Apple

智能零碳建筑发展趋势

未来智能零碳建筑会朝着更加智能、更加舒适、更加生态的方向发展。可控的室内物理环境、适应外部物理环境做相应变化的建筑维护结构以及实时监控的建筑能源变化系统将普及到所有建筑物当中。实现真正的零碳、智慧化城市。

· 太阳能板铺设（图片来源：Simon Wyatt - Partner at Cundall & Chair of the CIBSE Knowledge Generation Panel）

· 太阳能板铺设（图片来源：https://newbuildings.org/）

主动衍生式设计

在设计方法上，AI人工智能技术将和建筑设计完美结合。目前已经在工业设计领域普遍采用的基于人工智能算法的衍生式设计将应用到建筑工程领域。

衍生设计是借助AI人工智能算法对设计进行优化、比选、生成的设计方法。基于客观物理环境参数和人工约束条件，利用计算机自主学习能力和超高运算力，高效生成海量设计成果并筛选优化的设计方式的转变。

· 设计方式的转：AI+云计算（图片来源：https://www.autodesk.com.cn/）

衍生设计更接近于自然进化，是对传统设计方式的变革性进步。利用计算机强大的算力，从设计之初，将零碳的概念植入。

· 生成设计过程（图片来源：Webinar: Generative Design for Revit/Dynamo）

区别于传统的建筑设计，衍生式设计更加科学、高效、智能。

基于物理空间参数和计算机算法学习,计算生成设计成果，逻辑严密，过程严谨，是一种理性推导得出设计结果的科学方法。

· 计算机生成设计成果（图片来源：Webinar: Generative Design for Revit/Dynamo）

凭借计算机算力，在极短时间内得出海量方案，经过筛选条件设置，从结果中分析得出最优解。整个过程大大缩短了传统设计所需的时间。

· 获得方案（图片来源：Webinar: Generative Design for Revit/Dynamo）

设计方式基于人工智能算法与计算机神经网络学习，具有高度的智能化。设计过程可视化、动态化，结合地理、气候条件的生态考虑，是目前双碳理念的最佳载体。

· 视频来源：https://www.youtube.com/watch?v=mj3-16y4I0k

项目位于海边，通过人工智能算法，计算比较得出建筑物最优的摆放位置，再通过计算比较得出最佳的朝向角度，以获得最佳的日照和视野。

通过当地太阳轨迹和常年风环境，得出建筑物保温隔热薄弱面以及太阳能布置最有效区域，针对性的设置保温材料和太阳能板，获得做大的效能。

另外，通过风环境因素计算，得出建筑内部通风井道的位置形状，实现自然拔风，降低空调能耗。

最终得出的建筑形体是一个通过计算得出的最适合该地区气候的建筑形体，他是一个有机的，嵌入当地环境的，生态友好的建筑形体，而整个设计过程都是通过计算生成得出，未来这种衍生式设计会在建筑设计领域普及。

建筑电气化

建筑行业用能全面电气化是降低直接碳排放的关键。建筑电气化也成为最近风靡全球的一个脱碳手段，国际可再生能源机构(IRENA)把电气化分为直接电气化和间接电气化，直接电气化主要有电力转化为移动能源如电动汽车，公共巴士，在供暖领域，电力直接转为供热。在工业、航运和航空等难以减排的领域，间接电气化是一个重要的解决方案，可再生电力通过电解转化为氢气和衍生燃料，以取代难以用电力替代的化石燃料。

· 建筑电气化分类与用途（图片来源：https://www.irena.org/）

光储直柔

中国走向碳中和的三大关键领域，电网的清洁化和消费侧的电气化将贡献约50%的减排。在建筑领域，未来零碳建筑的特点是大量智慧能源接入配电系统，风光、储能、LED照明、充电桩、柔性可调节负荷等基本都是直流负荷，如何将多种能源在新型电气系统上实现可分配，可调节，可以与电网互动，这种技术就是光储直柔技术。

采用光储直柔的意义除了建筑电气化的区域，国家政策的支持，也有利于加快构建以新能源为主体的新型电力系统、促进新能源的消纳，提升能源安全、提高供电可靠性。

光储直柔的定义为，光：主要是指分布式光伏；储：指储能、储热等装置；

直：指用户侧的低压直流配电系统，直流配电系统可以更好地发挥建筑光伏利用的优势；机电设备中越来越多的高效设备采用直流驱动、直流配电系统就免去了交流转换直流，系统更简单、电能质量更高。图中表示了光伏发电到家用储能到直流供电、充电桩的场景。

· 直流供电示意图（图片来源：直流建筑发展路线图2020-2030）

柔：代表柔性控制，将综合能源、用电统一在一个微电网上，通过一个柔性控制平台，对发电量的预测、储能设备充放电策略制定、稳定微网电压、接受电网的需求侧响应。

“光储直柔”是建筑领域面向碳中和实现技术创新突破的重要途径，目前已受到广泛关注并得到国家、部委等层面的政策支持。《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》中“城乡建设碳达峰行动”部分明确指出：“提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的‘光储直柔’建筑”。“光储直柔”建筑配电系统将成为建筑及相关部门实现“双碳”目标的重要支撑技术。

目前，已有一些建筑中开展了“光储直柔”系统的应用探索，包括深圳建科院未来大厦、山西芮城庄上村、清华大学建筑节能楼等。

随着人工智能、AI等技术的发展，光储直柔网络将会越来越智能化、合理化，为将来建立虚拟电厂、隔墙售电做好坚实的基础。

构建能碳管理与碳核查平台

建筑智能化一般是经历四个阶段，从能用到难用、易用，最后到完全自主阶段，从智能化到智慧化。

· 直流供电示意图（图片来源：腾讯数字双碳服务中心碳管理平台方案）

未来的能碳管理平台应该是一个智慧、开放的1+N模块化平台，即1朵云+N个平台场景应用，在现在的建筑智能化领域，主要功能是展示、分析、监测但不易于集成和控制，在未来的零碳建筑中，随着AI技术，数字孪生技术的发展，机器学习能力的增强，系统融合了多种智慧能源以及大量的碳排放、碳核查数据，具备了碳数据底座，协助各类用户进行碳资产的应用。

另一方面，原有的建筑智能化也积极拓展，打造城市数据底座，有利于更加智慧的系统开发和实现更多社会化服务。

这是一个能碳管理技术架构图，灰色的这块区域是目前做的技术较为成熟的一块，可以看出，未来的能碳管理平台，将是一个超级数据融合的平台，不仅仅是物业的服务、建筑安防、包括能源的管理、碳资产管理都存储在这个平台，数据量更大，分类更细，多种业务、使用者协同，从碳资产管理到业务咨询，多个模块搭建而成。

· 直流供电示意图（图片来源：智慧腾讯碳中和行业解决方案）

通过这个碳核查平台，可以帮助用户更好地监测、管理和减少其碳排放量，从而降低其碳排放成本，提高其环保形象和可持续性发展。

同时提供更加精准、个性化的碳普惠解决方案，根据用户的实际情况和需求，定制化推荐最适合的碳减排方案，帮助用户实现碳减排目标的同时，获得更多的碳普惠收益。

数字能源管理

在现阶段，建筑设备监控系统主要可以完成对空调系统、照明、变配电系统的监控和能耗分析，在未来，数字能源管理系统利用机器学习等AI技术，对园区及建筑内公共动力设备（中央空调、空压机、锅炉等）进行最优化控制指导，提升系统运行效率，降低设备能耗及碳排放，功能更加强大，在云计算、大数据、机器学习等新技术的赋能下，系统讲不断自我迭代，决策更加人性化，响应更加快速化，结合能源管理系统持续优化控制逻辑和节能效果，使得建筑在全生命周期内实现碳中和。

未来趋势展望图景

建筑与人、车、路、网、云、图协同的时代=未来城市。

· 马来西亚槟城南岛概念方案（图片来源：Needle设计空间站）

END

腾讯智慧城市交通与网联、中建西勘院张力、吴倩等对此文亦有贡献

往期回顾

「建筑设计」