全生命周期零碳建筑——东南大学“阳光方舟3.0”

导  读

持续的高温天气导致全国各地用电需求大幅攀升，局部地区已经出现电力供需紧张的情况。但在河北张家口正在进行的中国国际太阳能十项全能竞赛现场，却有一栋建筑在与外界完全断电的情况下，依旧可维持室温25度正常生活。这便是由东南大学联合苏黎世联邦理工学院、福建三明学院打造出的“阳光方舟3.0”（Solar Ark 3.0）建筑。

（注：国际太阳能十项全能竞赛是一项享有太阳能“奥林匹克”和绿色住宅“世博会”双重美誉的全球顶级大学生科技创新赛事，今年是落地中国举办的第三届。来自10个国家29所知名高校组成的15支参赛团队，每队设计并建造一栋以太阳能为唯一能源的高性能全尺寸房屋，打造发储用综合体、绿色循环减排、智能互联零碳社区。）

东南大学连续三届参与了中国国际太阳能十项全能竞赛，并一直延续着Solar Ark的理念，Solar标志着对以太阳能为代表的新能源新技术的创新利用，Ark代表着对人类美好未来生活和环境可持续发展的不断探索，3.0则代表东南大学团队对Solar Ark产能房屋系列产品的三次技术优化和迭代更新，进而践行产品化建筑设计和新型建筑学人才培养的发展方向。

东南大学建筑学院教授张宏介绍，阳光方舟3.0创造了多个第一： 世界上第一个采用超高性能混凝土预制装配的双曲面壳体建筑，5天即装配完成，并节省了67%的混凝土使用量；采用了全国第一个用80块东西向布置的光伏板系统，比传统南北西布置每天可多接收阳光3小时以上，房子旁边还加装了风电装置，风光联动。

Solar Ark 3.0（阳光方舟3.0）

低碳设计 低碳建材 

Solar Ark 3.0占地面积400㎡，建筑室内面积127㎡。2021年8月24日开工，9月12日竣工，仅用20天时间就快速建成并正式运营。

Solar Ark 3.0是SD竞赛史上第一个采用预制装配双曲面壳体结构的建筑，采用围护支撑与壳体定位支撑一体化架子系统技术支持快速安全建造，壳体的厚度只有5cm。

在材料方面，UHPC（超高性能混凝土）是目前最具创新性的水泥基工程材料之一， 具有卓越的抗压强度、延展性、耐久性及生态环保功能。 该作品将 UHPC 材料用在主壳体结构和东西墙外围护结构上，这种双曲面壳体结构系统与传统梁柱结构体系相比，只用了其1/3的混凝土用量，大大减少了单位面积的混凝土用量，通过减量降低了碳排放。

在设计与建造层面，秉持了标准化设计与建造的概念，双曲面预制装配标准化设计建造遵循构件标准化原则，整个建筑仅有一套曲面模板，即可实现所有的曲面预制。 壳体还通过BIM优化实现高效的运输，一辆17m的普通宽度长车，可以一次性运输8个5.4mX2.7mX2m曲面构件，壳体综合建造成本约为艺术类同类型曲面建筑的二十分之一，适合产品化推广。

另外还设计合理的螺栓连接方式，实现壳体快速的地面拼装和整体吊装。20 个曲面通过 308 个 20mm 的螺栓连接，5 天完成结构封顶，15 天完成整体建造。建造过程无需脚手架或支模，快速建造，绿色建造，世界领先。 

自产能源 高效供电

阳光方舟 3.0 旨在打造一个太阳能、风能、空气能等多元产储用能系统的小型能源共享站。该综合能源系统可以进一步增加系统的整合度，提高新能源利用效率和稳定性。风光互补的能源系统弥补了常规光伏系统在晚上或者光照不佳条件下无法发电的弊端，让建筑尽可能地使用所在场地中产生的可再生能源，减少外部电网送电过程中的能源损耗。 

离网之后，整个房屋的运行要完全依靠自身产生的能源维持日常生活。 按照比赛要求，室内温度不得高于25℃、二氧化碳浓度低于1000ppm、发电量要大于或等于总耗电量等。

走进室内，虽然仅开了2盏吊顶灯，但依然明亮通透。一台普通空调让室温保持在22℃左右，二氧化碳含量随人员多少保持在300—500ppm区间。

团队在屋顶布设了近百块光伏板，并与风力发电结合，近期每天可发电260度，全部设备24小时满负荷运转最多耗电60度，每天的用电通常维持在20-30度，离网半年，也不用担心电不够。

多能互补新能源系统原理图（绘制：金宇航）

Solar Ark 3.0室内实景图

零碳建筑 助力低碳

Solar Ark 3.0局部图

光伏产用能曲线图（绘制：金宇航）

在阳光方舟 3.0 中，光伏板被创新性的东西向布置，这样既可以在相同的投影面积中布置更多的光电板，提高约 10% 的产能量， 并且可以优化早中晚产能的均衡性，使产能曲线与用能曲线更为贴合，更加高效的利用太阳能。

Solar Ark 3.0夜晚实景图

这样一幢房子，冬天每天可发电100千瓦时以上，夏天每天发电260千瓦时，全年发电5.7万千瓦时，扣除自用，净产能4.2万千瓦时。以此推算，9年即可实现碳中和，成为全生命周期零碳建筑。而传统建筑终生都达不到碳中和。 房屋所在地的冬天，最低气温可达零下30多℃，光伏发电还可提供暖气和热水。

雪景图

在比赛当天下午，团队几位同学开始忙碌起来，择菜、洗菜……烧菜的周超同学告诉记者，按照挑战要求，晚上要邀请友队同学聚餐，他们为此准备了白灼虾、猪头肉等超过10道菜。虽然有了热量和油烟，不过依靠油烟机和新风系统，房间内的各项指标并没有过多波动。烧菜、洗衣产生的污水，则依靠室外生物处理系统完成净化后用来种植、浇灌和冲洗马桶。

多元健康系统

多元健康系统（绘制：金宇航）

多元健康系统以关注用户的健康为目标，通过最新的智能家居技术把各个要素互联起来， 实现“呼吸建筑”的智能化、人性化，改善用户的体验，是实现“呼吸建筑”的重要保障。 在这方面，我们针对人居环境中的温度、湿度、PM2.5、二氧化碳、甲醛等进行了实时监测，并通过物联网技术将传感器和HVAC设备进行联动，保障室内环境处于健康、舒适的状态，实现建筑对环境的感知、判断和反应。在智能灯光系统方面，配备了无线开关面板，采用EnOcean无线通信协议，可随意调节位置，满足用户自定义，实现自动开灯和远程遥控，增加用户体验的同时也具有节能的控制功能。该系统还具备了能耗监测、安防、娱乐等功能，丰富用户的体验。

S olar Ark 3.0室俯视景图

其他创新技术手段 

阳光方舟3.0还采用了竹材固碳、行为节能（蓝牙定位和惯性导航复合技术）等各种材料和技术手段实现该作品的设计目标和功能性需求。房屋周边还配置了电动汽车充电桩， 为居民和游客带来生活和旅游便利。 

该建筑室内空间组合可变家具，创造居住模式、办公模式、交流模式、影院模式和展示模式等，实现空间的耐久性，满足业主一生的长效使用需求。

基于这些设计，阳光方舟3.0在开赛之前已斩获第二届全国生态混凝土创新设计应用大赛环境生态工程类一等奖、2021 Active House Award中国区竞赛学生组一等奖，并亮相央视新闻频道和湖南卫视天天向上栏目。8月10日，第三届中国国际太阳能十项全能竞赛颁出单项奖，阳光方舟3.0捧得“市场潜力”第一名与“能源能效”第三名两座奖杯。

本次参赛房屋是东大第九代光伏屋，功能更完善，赛后将留在当地，服务旅游功能。

Solar Ark 3.0实景图

在助力建筑行业实现双碳目标的道路上，我国科研院校正奋力前行。