香港打造绿色摩天大楼,未来或将实现能耗降低 90%

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2021-03-25 12:51

北京时间 3 月 24 日消息,作为全球摩天大楼之都,香港正在积极推广高层建筑的可持续设计,争取到 2050 年实现净零排放。

当你从香港最高的摩天大楼——118 层环球贸易广场(ICC)的观景台俯瞰香港标志性的天际线,就能明白为什么香港被人们称为 “全球最垂直的城市”,香港的高楼大厦紧密地排列在一起,就像现实版俄罗斯方块游戏。

虽然许多城市的摩天大楼拥有令人印象深刻的建筑风格,以及标志性的特殊造型,但香港拥有的摩天大楼规模及数量远远超越其他城市。目前香港坐落着大约 4.2 万栋建筑,其中包括 8000 栋高楼,这里有超过 1500 栋摩天大楼,其高度超过 100 米,数据显示,香港高层建筑消耗 90% 的城市电力,产生的温室气体排放量占香港地区的 60%。

由于土地供应紧缺,楼体向上建造是香港建筑发展的唯一选择,但在一个应对气候危机的世界里,使用大量能源和材料建造运营摩天大楼似乎越来越不合时宜,尤其是考虑到 2050 年实现碳中和的目标,这会不禁使人置疑摩天大楼的可持续发展程度。

不过,香港出现了一些 “绿色希望”,香港绿色建筑运动正蓬勃发展,为致力于提高摩天大楼的能效优化,比如,环球贸易广场,它是香港最高的摩天大楼,也是最高的绿色环保建筑。

环球贸易广场利用最新智能技术提高能源效率,在全球绿色建筑排名中名列百分之前三,在这座 118 层摩天大楼中,传感器系统通过无线网络安装在不同设备上,包括照明、电梯、自动扶梯和空调机组,这样能有效节约能源消耗。

智能科技公司董事总经理爱德华 · 徐说:“我们使用物联网技术(IoT)来分析移动数字系统收集的大数据,从而优化摩天大楼的能源效率,我们可以看到建筑中每个区域的能源性能,并优化系统,使其更卓越。这就相当于对一栋建筑的体检…… 如果我们发现任何异常状况,可以在它浪费任何能源之前进行重置或者快速维护。”据悉,智能科技公司负责监管国际商会的物联网数据系统。

收集数据还被用于优先维护他们对建筑所做的任何维护措施,除了重新调试——一个通过微调而不是更换现在建筑的设备和系统来提高效率的过程。

在炎热的夏天,保持摩天大楼处于凉爽状态是最大的挑战,特别是摩天大楼外面全部都是玻璃,虽然落地窗能提供更好的视野和自然光线,但这也会造成太阳辐射所形成的温室效应,而且这样的房屋需要空调系统消耗大量能源进行降温。

在环球贸易广场,空调系统占该建筑总耗能的 70%,但是将智能物联网与该大楼空气处理系统结合在一起,该大楼工作人员能实时监控每层楼的温度、污染水平以及使用了多少冷却能源,这也意味着他们可以控制冷气分配至不同办公楼层,从而更进一步优化建筑的能源使用。

据统计,自 2012 年以来,环球贸易广场通过各种节能措施,累计节能能源 1500 万千瓦时,相当于 4500 多户三口之家的家庭年平均耗电量,减少碳排放 10000 吨,环球贸易广场研究小组致力于 2050 年实现政府设定的净零碳排放的目标。

为了实现净零碳排放的目标,研究小组在该大楼安装太阳能电池板,可以制造再生太阳能,加大了该建筑玻璃外墙利用率,他们还计划通过在楼顶和平台安装风力涡轮机制造可再生风力能源。在不久的将来,我们将看到电池的大规模应用,甚至应用于传统家庭,而不仅仅是像环球贸易广场这样的大型商业建筑。

香港绿色环保建筑运动的另一个先驱代表是太古坊,这是一座 48 层高的摩天大楼,于 2018 年竣工,当时是按照最高等级的绿色环保建筑和人类健康标准设计建造的。

太古坊的能源消耗比香港其他普通高层写字楼低大约 29%,这在一定程度上归功于 “神经元”先进人工智能建筑管理系统,该系统的作用与环球贸易广场的物联网系统相似,但它结合了一种叫做 “机器学习”的人工智能系统,“神经元”系统可以分析大型历史数据集,自动优化建筑系统,提高能源效率。

“神经元”系统通过精准预测何时开启和关闭冷水机和冷却塔,使建筑的供暖、通风和空调(HVAC)系统性能达到最佳,从而减少了建筑的总能耗。同时,该系统还能实时检测建筑物是否存在任何异常,这有助于防止过度的能源消耗和运行效率低下,它还能识别建筑内关键设备需要服务的时间和地点。太古坊的核心优势归功于完善的‘神经元’管理系统,这样每年可节省 300 万港元的电费。

除了 “神经元”管理系统,太古坊还有另一个尖端系统减少对环境的影响,这座摩天大楼是香港首个采用废物转化为能源的生物油系统的商业建筑,集供热、制冷和发电于一体。该系统从生物油(大楼餐厅收集的废弃食用油转化而成)中产生可再生能源用于供暖和发电,同时,建筑发电产生的余热驱动一个被称为 “吸附式冷水机”的设备装置,该设备为建筑冷却和除湿系统提供冷水。

同时,太古坊也是香港首个以创新双层屋顶为特色的商业项目,在绿色屋顶上安装太阳能电池板,屋顶上的绿色植被为建筑隔热,使其免受太阳直接照射而升温,同时,绿色植被还能为屋顶太阳能电池板降温,提高其工作效率。

可再生能源结合垃圾转化能源系统和双层屋顶结构,大约占建筑总能耗的 3.8%,虽然它不是很大,但是一种有效节能趋势,我们通过该系统突破了高层建筑在香港潜在发挥作用的界限。”

对于摩天大楼而言,减少空调能耗是最大的挑战,太古坊开创了香港建筑节能先例,该公司在大楼空气处理系统中安装了一种新型节能风扇,称之为 EC 塞式风扇。通常通风风扇是用皮带驱动的,我们称之为间接电机驱动风扇,但如果采用 EC 塞式风扇,每个风扇都有一个直接电机,那么为风扇供电的能量损失就会大幅减少,EC 塞式风扇可以减少 30% 的能源消耗。

华润大厦的二氧化碳排放量已减少 1370 吨,相当于 20 万棵松树一年吸收的二氧化碳量。

虽然环球贸易广场和太古坊一号使用最新智能技术节约建筑楼宇能源,而其他摩天大楼则通过改造现有建筑来提高其能源性能,并且也取得了成功。

华润大厦是香港一座四星级写字楼,共 48 层高,位于香港湾仔区,建造于 1983 年,当时是香港最高的写字楼。虽然华润大厦非常宏伟壮观,但由于建造年份较早,楼内机械和电气系统效率低下。2012 年,华润大厦进行了重大改造,重点是更新陈旧的机械和电气系统,现今它已成为可持续改造楼宇的一个里程碑,具有极高的借鉴学习价值。

为了使华润大厦达到 21 世纪可持续设计的标准,工程师更换了大厦外观玻璃系统,仅允许 5% 的太阳能传输至室内,从而自然地降低了室内温度和空调需求。同时,工程师还安装了节能型人工照明设备,并改善了空气处理装置,此外,还增加了需求控制通风系统(DCV),为了节省能源,DCV 系统依据实际能源使用率来控制室外空气流量,而不是以固定速率对室内进行通风。这些系统改变总共节省了超过 10% 的电力,该大厦二氧化碳排放量减少了 1370 吨,相当于 20 万棵松树一年吸收的二氧化碳量。

为了避免日后需要再次翻新,香港最新建造的摩天大楼都考虑到了节约能源,也许最环保的是英皇道 728 号大厦,这是一座 22 层高的多用途甲级写字楼,它于 2019 年竣工,作为世界首座获得 3 项可持续发展认证铂金认证的建筑,它是香港最具可持续发展摩天大楼的有力竞争者,也是世界上最环保的建筑之一。

从任何意义上看,它都像是一座 “绿色建筑”,建筑的基座被植被全部包裹着,加上楼顶,总绿化面积达到 6700 平方米,相当于 26 个标准网球场的面积。然而绿色植物的作用远不止装饰,事实上,这些绿色植被每年会吸收 4 吨二氧化碳,并减少高密度社区的热量积累。

据统计,英皇道 728 号拥有超过 70 个可持续发展的特色,其中包括亚洲最大的混合太阳能电池板,达到 220 平方米,共计 138 个光伏电池板为电梯、大堂照明和许多淋浴系统提供电力和热水。这种混合太阳能电池板的能源效率远高于传统太阳能电池板,占建筑总能源使用量的 1.3%,此外,英皇道 728 号大夏还安装了一台 3 千瓦功率的风力涡轮机,为景观照明提供动力,这些较小的改善措施叠加在一起,就节省碳和能源成本而言,对建筑体十分有利。这座建筑的设计目标比正常的行业标准节能 30% 以上。

对于香港这样的高层、高密度、亚热带城市而言,实现零排放是一个巨大挑战。

尽管香港有许多栋外层闪亮的绿色摩天大楼,但事实上,香港的高层建筑要实现零碳排放仍然面临许多挑战,其一是提高高峰时段的能源效率,即上午 8 点至 10 点,以及下午 5 点至 7 点;其二是缺乏安装大型可再生能源系统的空间。而且即使在摩天大楼安装太阳能电池板,也存在着眩光问题的风险,可能会影响附近的其他高层建筑,此外,碳抵消市场的长期发展也存在一定程度的不确定性。

还有隐含碳——生产材料和建筑过程中排放的所有二氧化碳,占建筑 “排放寿命”的 30-50%。为了解决这个问题,建筑物需要采取一种长期策略,同时考虑具体操作过程中的排放量。使用低碳建筑材料,例如:木材、高可回收成分的钢材或者可持续性较高的混凝土,对于减少这些建筑的碳足迹至关重要。

然而,尽管摩天大楼实现零碳排放面临挑战,香港绿色建筑委员会执行董事陈嘉瑞表示,实现碳中和的摩天大楼不仅是一种可能性,也是一种必要性,但对于像香港这样的高层、高密度、亚热带城市而言,实现零排放是一个巨大的挑战。

实现零能耗建筑的第一步不是改变建筑本身的特性,而是让它们使用的能源更环保,作为 “2030 + 碳行动计划”的一部分,香港政府制定了一个目标,即通过消耗煤炭转向天然气,并购买更多可再生能源,将香港电力供应的碳强度降低大约 65-70%。

对于建筑行业而言,如果一座建筑能够通过绿色环保措施将其能耗降低至 25% 左右,同时电力供应碳强度降低 70%,那么两者加起来就能耗降低超过 90% 以上,因此,基于这种计算方法,香港摩天大楼能耗大幅降低是切实可行的。

毫无疑问,使香港大多数建筑——从未来主义的摩天大楼至老破小住宅,承诺实现零耗能确实是一个巨大挑战,但是陈嘉瑞教授对此充满希望和信心,他表示,在零排放方面,香港决定成为可持续发展垂直城市的典范。

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