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摘要：在国家“双碳”目标的推动下，青海省作为生态屏障的重要区域，积极响应绿色发展号召，率先打造了创新型“零碳空间”示范项目。
该项目结合社会养老需求，通过融合被动式节能设计与主动式能源创新技术，充分适应高原干旱寒冷的气候特点，实现了建筑的零碳运营目标。本文从被动式节能技术应用、主动式能源系统创新、可持续材料与装配式施工等多维度，系统分析了该项目在高原地区的实践路径及技术创新价值，并探讨其在干旱寒冷地区的推广潜力和示范意义。
关键词：零碳空间、装配式设计、BIPV光伏屋顶、自然采光、太阳得热、保温幕墙、可持续建筑、绿色建筑、社会养老
1 引言
随着全球气候变化加剧，实现碳中和已成为全球共识。中国提出“双碳”目标(碳达峰、碳中和)后，建筑领域作为碳排放的重要来源，成为绿色转型的重点方向。建筑能耗约占全国总能耗的40%，其中建筑运行阶段的碳排放占比尤为突出。因此，发展零碳建筑是实现“双碳”目标的重要途径。
青海果洛州地处干旱寒冷地区，气候条件复杂，建筑能耗问题突出。在此背景下，高原零碳空间项目应运而生。该项目以实现“零碳运营”为目标，通过技术创新与实践，探索了适用于干旱寒冷地区的可持续建筑解决方案，为全国类似地区提供了有益经验。
图1 建设中的零碳空间
图2 乐寿轩养老驿站
2 被动式节能设计：自然之力降碳
2.1 气候适应性设计
果洛藏族自治州地区地处干旱寒冷地区，气候条件复杂，冬季寒冷，夏季炎热，昼夜温差大，但光照资源充足。基于这一气候特点，项目采用了气候适应性设计，通过优化建筑朝向、蓄热墙体与气密性设计，最大限度地减少冬季采暖（词条“采暖”由行业大百科提供）与夏季制冷的能源需求。
建筑朝向优化：项目遵循黄金角度原则进行建筑朝向设计，确保冬季阳光最大限度进入室内，同时通过遮阳设施减少夏季的热量吸收。根据当地气象数据，果洛州年平均日照时数约为2000小时，年平均温度在10℃至15℃之间，为被动式设计提供了良好的自然条件。
蓄热墙体设计：项目采用高性能玻璃幕墙蓄热墙体，墙体厚度达400mm，热容高达1.5MJ/m3·K。墙体内部设置循环水系统，用于储存多余热量并在夜间释放，显著降低了冬季采暖能耗。
气密性设计：建筑气密性达到德国被动房标准(PHI)，空气渗透率低于0.1ACH(空气置换次数/小时)。通过优化门窗密封设计和建筑接缝处理，有效减少了冷热空气的流失，进一步提升了能源利用效率。
通过这些被动式节能设计的综合应用，项目成功地将自然条件转化为降低建筑能耗的有效手段，为实现零碳运营奠定了坚实基础。
2.2新型保温幕墙体系
项目采用了高性能隔热材料（词条“隔热材料”由行业大百科提供）构建保温幕墙，有效阻隔外部极端温度，保持室内恒温舒适。
玻璃纤维聚氨酯型材（词条“型材”由行业大百科提供）：幕墙龙骨采用玻璃纤维聚氨酯型材，相较于钢材和铝材，其生产工艺具有更低的隐含碳排放。
三层复合结构：幕墙采用三层复合结构设计（词条“结构设计”由行业大百科提供），外层为低辐射玻璃(Low-E玻璃)，具有高达80%的可见光透射率，同时有效阻隔红外线热辐射;中间层是为真空隔热层，进一步降低热传导;内层采用高密度聚氨酯泡沫，提供优异的保温性能。
导热率测试：实验室测试结果显示，该幕墙的热导率仅为0.02W/m2·K，远低于传统幕墙的0.5W/m2·K。这一技术使建筑冬季采暖能耗降低了约60%，夏季制冷能耗降低了约40%。
耐久性设计：幕墙采用耐候性材料，设计使用寿命超过50年，显著降低了建筑全生命周期的维护成本。
通过这一新型保温幕墙体系，项目在保持室内恒温舒适的同时，大幅降低了能源消耗，为实现零碳运营提供了重要支持。
2.3自然通风与采光优化
项目通过合理设计建筑开窗比例与位置，实现了自然通风最大化，减少机械通风需求。同时，优化自然采光设计，降低照明能耗，提升室内舒适度。
可调节开窗设计：建筑开窗采用三层中空玻璃，配备智能调节系统，可依据室内外温差和风速自动开启或关闭。通过智能传感器，开窗角度精确控制在10°至30°之间，确保通风效率最大化。此外，通风换气采用室内室外等压仓设计，进一步提高空气流通效率，减少机械通风能耗。
自然采光优化：建筑采光设计遵循“日光因子”原则，通过顶部采光窗和反射板设计，使自然光深入室内15米以上。实际测试数据显示，自然采光可满足建筑80%的照明需求，相较于传统照明系统，能耗降低约75%。
通过自然通风与采光优化设计，项目在降低能源消耗的同时，显著提升了室内环境的舒适度和可持续性。
绿色环保照明设计：夜间的功能性照明，采用绿色环保的高性能LED照明灯具，光效达到110lm/W以上，显色指数能达到85以上，在保证舒适度的前提下，仍然保证高光效，践行绿色低碳的环保理念。此外，灯具采用高效节能驱动器，功率因数能达到0.9以上，充分提高能源转换效率。相比于传统卤钨灯，高压放电灯节能50%以上，相比于荧光灯节能30%以上。
2.4 适老化智能照明与夜间活动支持
在满足高效节能的基础上，本项目照明设计充分考量高原地区老年群体的生理与心理需求，突破单一照明功能，通过引入适度动态光效与多场景智能控制，有效激活夜间社区活力，弥补了当地夜生活相对单调的不足，为老年人创造了丰富、温馨且安全的夜间活动光环境。
多层次动态照明与活动引导：针对室外庭院与活动广场，设计了兼具功能性与艺术性的动态照明系统。采用智能控制的RGBW全彩LED投光灯与线条灯，可在晚间定时呈现舒缓的色彩渐变效果，如模拟晚霞的暖色序列或静谧的蓝色光波，有效吸引长者走出房门，参与晚间户外活动。系统预设“日常模式”与“节日模式”：日常模式下灯光以低照度暖白色为主，保障散步、闲谈等活动的安全照明;节日或集体活动时可切换为动态模式，配合藏区传统节日或社区晚会，呈现节奏舒缓、色彩喜庆的灯光场景，显著提升夜间娱乐的仪式感与参与度。
智能化与人文关怀融合：所有动态效果均采用缓慢平滑的调光方式，避免闪烁与强光刺激，充分保障长者视觉舒适与健康。照明系统还可与户外音响联动，实现光随乐动，为广场舞、集体歌会等提供沉浸式体验。室内活动空间则保持高显色性、防眩光设计，并通过可调光调色温的智能面板，轻松适配阅读、棋牌、联谊等不同场景的用光需求。
本项目通过光影艺术与技术创新的结合，不仅延长了建筑的有效使用时间，更将零碳空间打造为一个温暖、富有吸引力的社区核心，切实提升了高原老年群体的幸福感与社会归属感，实现了绿色科技与人文关怀的深度融合。
3. 主动式能源创新：BIPV屋顶发电
3.1BIPV光伏一体化设计
项目在南向屋顶采用BIPV(建筑光伏一体化)设计，将太阳能板（词条“太阳能板”由行业大百科提供）与屋顶结构完美结合，既提升了建筑美观性，又实现了高效能源利用。光伏组件在朝阳面形成天然遮阳效果，有效阻挡强光直射，减少室内热辐射。特别是在夏季高温时，光伏组件的阴影区域形成局部低温区域，通过自然通风系统，将这些低温空气引入室内，进一步降低室内温度。结合可调节开窗设计，自然通风与光伏遮阳相辅相成，显著降低了建筑对机械制冷的依赖，进一步优化了能源利用效率。
光伏组件规格：采用单晶硅（词条“单晶硅”由行业大百科提供）组件，转换效率高达22%，总面积为300平方米，总容量为50kW。年发电量约为70,000千瓦时，与建筑年能耗65,000千瓦时基本持平，剩余电量可为周边建筑提供绿色能源。该系统年发电量可完全覆盖小屋日常能耗，余电并入电网，实现“零碳运营”。
建筑美学融合：光伏组件与建筑屋顶曲线无缝融合，塑造出独特且现代的建筑外观，完美体现了可再生能源技术与建筑设计的和谐统一。建筑外立面采用光伏大坡顶设计，形成低矮屋檐，其形态如同日本传统建筑中的大坡顶，展现出独特的东方美学风格。
图3 兼具遮阳功能的大挑檐光伏屋面
3.2能源管理与监测
本项目配备了智能化能源管理系统，实时监测建筑能耗与发电情况，为能源优化提供数据支持。
数据采集与分析：能源管理系统采用云计算技术，数据采集频率为每分钟一次，确保实时数据的准确性。系统通过大数据分析，建立能耗预测模型，能够预测未来24小时的能耗与发电量，优化能源分配策略。
能源自给率：根据实际运行数据，建筑能源自给率达到98%，碳排放量较传统建筑减少约85%，显著提升了建筑的绿色性能。
通过智能化能源管理系统和多样化的可再生能源技术，本项目不仅实现了高效的能源管理，还为可持续发展提供了有力支持。
4. 可持续保温材料（词条“保温材料”由行业大百科提供）创新应用
在青海藏区，牦牛粪便是一种常见的农业废弃物。项目创新性地将牦牛粪便作为保温材料，用于地面保温材料。这一技术不仅充分利用了本地资源，还为牧区废弃物的资源化利用提供了新思路。
4.1制作过程
牦牛粪便经过发酵、干燥与粉碎后，与植物纤维(如麦秸)混合，制成轻质复合保温板（词条“保温板”由行业大百科提供）。这一工艺不仅确保了材料的环保性，还最大化地保留了粪便中的有机成分，使其具备优异的保温性能。
4.2材料特点
牦牛粪便保温材料具有多种优异的特点，使其成为一种理想的可持续保温材料。
首先，高效保温是该材料的突出特点，其导热系数低，能够显著降低建筑能耗。其次，该材料轻质高强，由于其密度较低，使用时可减轻建筑荷载，且具有良好的机械性能。另外，牦牛粪便保温材料具有显著的环境友好性，它采用农业废弃物为原料，减少了对传统保温材料的依赖，从而降低了资源消耗和环境负担。这种材料的使用为实现“无废社会”提供了有力支持，促进了资源的循环利用和可持续发展。
在耐久性方面，该材料经过特殊工艺处理，具备较长的使用寿命，能够适应不同气候条件下的建筑需求。即使在恶劣的环境中，该材料仍能保持其性能，确保建筑的长期稳定性和节能效果。
此外，牦牛粪便保温材料还具备良好的防火性能。它符合B1级防火标准，能够在火灾发生时有效阻止火势蔓延，确保建筑的安全性。
这一创新应用不仅减少了建筑对传统保温材料的依赖，还为牧区废弃物的资源化利用提供了可持续的解决方案，助力实现绿色建筑和乡村振兴的战略目标。
5. 装配式施工
零碳小屋项目采用装配式施工技术，进一步提升建筑的可持续性和施工效率。装配式建筑通过将建筑构件在工厂预制，再运输到施工现场进行组装，减少了现场施工的时间和资源消耗，同时提高了建筑质量和施工精度。
5.1 模块化设计
建筑结构采用模块化设计，将建筑分解为若干预制构件（词条“构件”由行业大百科提供），每个构件在工厂内预制完成，再运至施工现场进行组装。模块化设计简化了施工流程，降低了现场施工的复杂性，减少了施工误差，同时提高了建筑的精确度和一致性。预制构件包括承重墙、非承重墙、楼板、屋顶结构等，均在工厂内按照设计规格预制，确保构件质量符合标准。
5.2 工厂预制与质量控制
预制构件在工厂内完成生产，采用标准化生产工艺，严格控制材料质量和生产流程。工厂预制减少了现场施工中因天气、人员操作等因素导致的质量问题，确保构件的耐久性和稳定性。预制过程中采用优化设计，减少材料浪费，进一步降低建筑成本。
5.3 抗震性能与适应性
装配式建筑在抗震性能方面表现出色，尤其适用于高原地区或其他地震频发地区。预制构件通过采用高强度连接技术，增强了建筑的整体稳定性，有效提高了抗震能力。在地震发生时，装配式建筑能够更好地吸收和分散地震能量，降低结构破坏的风险。
此外，装配式建筑在设计时充分考虑了高原地区的特殊气候条件，如高海拔、低温等，确保建筑在各种极端环境下的稳定性和耐久性。这种建筑方式不仅减少了对环境的破坏，还通过优化材料使用，降低了建筑的碳足迹。
6. 社会效益与推广价值
高原零碳空间项目不仅在技术创新上取得了显著成果，还在社会效益和推广价值方面展现了巨大潜力，为绿色建筑的普及和可持续发展提供了重要参考。
6.1 技术创新、示范效应与民生改善
该项目集成了多项创新技术，展示了绿色科技在建筑领域的应用潜力。项目作为技术集成的展示平台，吸引了国内外建筑行业的广泛关注。根据第三方评估，项目技术的可复制性高达85%，适用于我国80%以上的干旱寒冷地区。
更重要的是，装配式零碳小屋不仅周转方便，居住环境更加舒适，还为藏区的游牧居住环境提供了一个很好的提升示范。在藏区，传统的游牧生活往往面临居住条件简陋、能源供应不足、生态环境脆弱等问题。而装配式零碳小屋通过其灵活的模块化设计，能够快速搭建和迁移，完美适应游牧民族的迁徙需求，同时提供舒适、安全的居住环境。
更值得一提的是，小屋采用了多项绿色技术，如太阳能发电、高效保温材料和自然通风设计，显著降低了能源消耗，减少了对传统能源的依赖，为藏区的可持续发展提供了新的可能性。这种创新的建筑形式也为当地社区提供了可复制的解决方案，推动了绿色建筑技术在高原地区的普及和应用。
6.2干旱寒冷地区的低碳实践
项目针对干旱寒冷地区的气候特点，探索了适用于该类区域的低碳建筑技术路径。根据青海省建厅的数据，2024年青海省建筑能耗占总能耗的35%，通过推广零碳建筑技术，预计到2030年，这一比例将降至20%，碳排放量减少约40%。
项目的成功实践为全国类似地区提供了重要的参考价值，推动了干旱寒冷地区建筑低碳转型的进程。
6.3推动城乡绿色化升级
项目通过推广绿色建筑理念，助力青海省三江源保护区，推动城乡建设向绿色化、智能化方向升级。根据青海省发改委的规划，到2027年，青海省将建成100个类似零碳小屋的示范项目，带动全省建筑行业碳排放减少15%。
此外，项目不仅降低了建筑运行成本，还创造了绿色就业机会。预计到2030年，青海省建筑行业绿色转型将创造超过10万个就业岗位，为地方经济可持续发展注入新动力。
7. 结论与展望
青海零碳小屋项目通过创新的被动式和主动式技术结合，成功实现了零碳运营，为建筑领域的可持续发展提供了重要的实践案例。项目不仅展示了绿色科技在建筑领域的巨大潜力，也为实现“双碳”目标提供了可行的解决方案。
未来，随着技术的进一步发展，零碳建筑的推广将更加广泛。建议在政策层面加大对零碳建筑的支持力度，推动相关技术的标准化与产业化，为实现“双碳”目标提供坚实保障。同时，继续深化零碳建筑技术的研究，探索更多适用于不同气候条件的解决方案，为全球建筑领域的可持续发展贡献力量。
此外，项目还可以通过收集和分析实际运行数据，进一步优化设计和施工流程，降低成本，提升经济效益。预期未来，零碳小屋项目将为青海省及全国其他类似地区提供可复制的示范，助力实现绿色低碳的城乡发展。
参考文献
[1] 住房和城乡建设部. 《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》.
[2] 李明, 王强. 《零碳建筑技术与实践》. 北京: 科学出版社, 2021.
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[5] 德国被动房研究所(PHI). 《被动式建筑标准》. 2020.
[6] 国际可再生能源署(IRENA). 《建筑光伏一体化(BIPV)技术报告》. 2022.
