邁向零碳建筑

菲爾·瓊斯

英國(guó)卡迪夫大學(xué)威爾士建筑學(xué)院

姚佳偉 YAO Jiawei/ 譯

王祥 WANG Xiang/ 校

零碳建成環(huán)境的營(yíng)造是未來零碳戰(zhàn)略中的重要內(nèi)容。盡管零能耗建筑的進(jìn)展仍然緩慢，但在過去的40年間，我們已經(jīng)逐漸發(fā)展出了一些低碳設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)，特別是形成了對(duì)于零能耗建筑的理解和認(rèn)知[1-2]。換句話說，對(duì)于建筑零碳化，我們已經(jīng)知道應(yīng)該如何去實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)在正是采取行動(dòng)的時(shí)候。

目前我們已經(jīng)擁有眾多的減碳技術(shù)解決方案，未來還將會(huì)出現(xiàn)更多的實(shí)用技術(shù)。隨著技術(shù)成本的不斷下降，低碳產(chǎn)業(yè)也將得到拓展。但是建筑活動(dòng)全過程中的可持續(xù)性與技術(shù)解決方案同樣重要，包括如何規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造與調(diào)試建筑，如何隨著時(shí)間的推移運(yùn)營(yíng)它們以及最終拆除它們。在走向零碳建成環(huán)境的大背景下，我們必須著眼于一種全系統(tǒng)的方法（圖1）。這種零碳建成環(huán)境必須由人們的需求和意志以及國(guó)家和國(guó)際目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，它們分別被視為是自下而上和自上而下的方法：沒有自下而上的認(rèn)同和行動(dòng)，自上而下的策略就行不通；同樣，自上而下的方法也需要在各地區(qū)實(shí)施，而不能完全依賴國(guó)家和國(guó)際的指令和規(guī)定[3-4]。

本文將討論如何向零碳建成環(huán)境過渡，并重點(diǎn)討論將自上而下的政策與自下而上的活動(dòng)聯(lián)系起來的必要性，以及如何依托一種全系統(tǒng)的方法來共同實(shí)現(xiàn)，還將強(qiáng)調(diào)政策與實(shí)踐之間以及設(shè)計(jì)與實(shí)際性能之間存在的差距。

1 自上而下與自下而上

大多數(shù)能源政策都是由政府“自上而下”的供應(yīng)導(dǎo)向方法驅(qū)動(dòng)的[5]。從構(gòu)建環(huán)境的角度來看，自上而下的方法代表了大型政府以及大型產(chǎn)業(yè)的行動(dòng)與利益，如基于電網(wǎng)的能源供應(yīng)、建筑法規(guī)以及國(guó)家和國(guó)際碳減排目標(biāo)等。大型建筑公司與大型開發(fā)商對(duì)能源規(guī)劃和可持續(xù)設(shè)計(jì)的支持往往只停留在表面，卻能對(duì)政府的政策制定產(chǎn)生重要的負(fù)面影響，例如通過延遲制定與節(jié)能相關(guān)的法規(guī)或保持恪守現(xiàn)有法規(guī)致使消極對(duì)待低碳化進(jìn)程。從政策層面上看，自上而下更多是代表國(guó)際上對(duì)于碳減排政策的呼吁，并且在很大程度上依賴于相關(guān)強(qiáng)制性法規(guī)的實(shí)施。在另一方面，自下而上則鼓勵(lì)在特定項(xiàng)目上主動(dòng)實(shí)施創(chuàng)新性低碳技術(shù)。以需求為導(dǎo)向的“自下而上”代表了最終用戶（無論是個(gè)人、組織還是社區(qū)）對(duì)特定建筑和環(huán)境的需求。自下而上的解決方案能夠有效降低能源需求并顧及更好的建成環(huán)境，以應(yīng)對(duì)自上而下的政府推動(dòng)舉措的緩慢實(shí)施。簡(jiǎn)言之，通過自下而上的方式降低的能源需求越多，自上而下擴(kuò)大供給側(cè)的壓力就越小。這兩種方法是相輔相成且彼此互補(bǔ)的，需要共存來實(shí)現(xiàn)必要的轉(zhuǎn)換，因此鼓勵(lì)自下而上的活動(dòng)同樣也符合政府的利益。自上而下和自下而上之間的這種聯(lián)系最好是通過中間代理商來實(shí)現(xiàn)，他們應(yīng)當(dāng)是非利益相關(guān)者，比如對(duì)節(jié)能減排感興趣的非營(yíng)利組織或者建筑行業(yè)專業(yè)人士[6]。

自上而下的方法通常會(huì)導(dǎo)致技術(shù)“鎖定”的問題，通常政府的激勵(lì)措施或各種評(píng)估方案都要求先確認(rèn)新技術(shù)達(dá)標(biāo)，才能認(rèn)可推廣該技術(shù)的應(yīng)用。這可能會(huì)造成成本高昂，技術(shù)開發(fā)應(yīng)用緩慢等問題，甚至導(dǎo)致小型研發(fā)類企業(yè)被排除在供應(yīng)鏈之外。自上而下的解決方案，特別是在較大的項(xiàng)目上，通常是通過系統(tǒng)性的采購安排和框架合同來實(shí)施，這些采購和框架合同往往遵循最保守的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，從而顯得僵化。與之相反，自下而上的方法則鼓勵(lì)在政策與標(biāo)準(zhǔn)的允許下進(jìn)行創(chuàng)新，并以盡可能低的決策水平來處理問題。但是，盡管自下而上的方法在從大眾立場(chǎng)推進(jìn)低碳議程方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)，但僅僅采用該方法仍缺乏對(duì)于國(guó)家宏觀層面重大問題的考慮，而且從本質(zhì)上講這種方式通常是無力的，有時(shí)也是短期的。相反，自上而下缺乏滲透性，并努力維持現(xiàn)狀，除非有相應(yīng)的大量需求，否則實(shí)現(xiàn)自上而下的推動(dòng)力將非常緩慢。

從自下而上的建筑使用者的角度來看，舒適、健康和福祉是享受優(yōu)質(zhì)生活并最大程度提高生產(chǎn)力與滿意度的基礎(chǔ)?？韶?fù)擔(dān)的供暖和制冷成本對(duì)家庭或企業(yè)來說都至關(guān)重要，高效清潔能源的使用將最終實(shí)現(xiàn)礦物燃料的零使用，并能夠顯著改善室內(nèi)外空氣質(zhì)量。如果用戶能獲得自下而上的切實(shí)利益，他們就可以自發(fā)地采取行動(dòng)，而不是為實(shí)現(xiàn)國(guó)家和全球的溫室氣體減排目標(biāo)被迫采取行動(dòng)。

2 零碳建筑設(shè)計(jì)的全系統(tǒng)方案

3 產(chǎn)生能量的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)：（頂部）太陽能PV 和（底部）太陽能熱量

與政策和建設(shè)活動(dòng)類似，研究活動(dòng)也可以分為自上而下和自下而上兩種類型。我們將創(chuàng)新視為科研發(fā)明的應(yīng)用，并將其影響視為創(chuàng)新的規(guī)?；?。創(chuàng)新通常發(fā)生在設(shè)計(jì)研究的過程中，并且在單個(gè)或少量建筑物上首先進(jìn)行應(yīng)用展示，這在很大程度上是自下而上的活動(dòng)。最具創(chuàng)新的解決方案通常是用相對(duì)較少的研究資金研發(fā)的，但這樣的研究資金現(xiàn)在卻越來越難以獲得。同時(shí)政府傾向于尋求大型研究團(tuán)隊(duì)（通常缺乏經(jīng)驗(yàn)）資助開展大型研究項(xiàng)目，并召開一系列會(huì)議，旨在解決出現(xiàn)的重大問題。但是這些自上而下的研究項(xiàng)目的成果很少能真正符合預(yù)期并解決實(shí)際問題。實(shí)際上，我們僅需要少量與設(shè)計(jì)息息相關(guān)的研究項(xiàng)目，這些項(xiàng)目應(yīng)在真實(shí)性、社會(huì)性和經(jīng)濟(jì)性等方面受到嚴(yán)格監(jiān)督與評(píng)估，并迅速反饋到政策和實(shí)踐中。此外，將研究成果轉(zhuǎn)化到政策和實(shí)踐中的速度也至關(guān)重要。

為了向可持續(xù)的零碳社會(huì)過渡，需要更加強(qiáng)調(diào)自下而上的“全系統(tǒng)”方法，同時(shí)需要審查各層級(jí)的規(guī)則與責(zé)任，甚至可能會(huì)出現(xiàn)面向推動(dòng)建筑低碳化的中間組織的新要求。因此在未來的建筑設(shè)計(jì)中，能夠解決環(huán)境與能源問題的建筑技術(shù)相關(guān)人士的重要性不言而喻。

2 全系統(tǒng)方案

全系統(tǒng)方案可以將建筑學(xué)與工程學(xué)緊密連接，滿足舒適性、健康性以及零碳排放的綜合性需求。在全系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，首先需要整合被動(dòng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效暖通空調(diào)照明系統(tǒng)并集成可再生能源技術(shù)與能源存儲(chǔ)設(shè)備來降低能源需求（圖2）。此外，相關(guān)技術(shù)還可與建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合產(chǎn)出更多的可再生能源（圖3）。

4 卡迪夫大學(xué)建筑科學(xué)研究小組根據(jù)建筑全系統(tǒng)方法設(shè)計(jì)和建造的SOLCER 節(jié)能型房屋

盡管某些技術(shù)領(lǐng)域還有待開發(fā)，但目前我們已經(jīng)擁有了一系列經(jīng)過實(shí)踐項(xiàng)目驗(yàn)證過的技術(shù)解決方案。我們?cè)鵀樽≌ㄖ峁┏墒斓牡吞荚O(shè)計(jì)全系統(tǒng)方案，用以實(shí)現(xiàn)建筑的零能耗，甚至建筑自身還能產(chǎn)出超過需求的能源[7]（圖4）。但是除了住宅建筑之外，其他類型建筑想要達(dá)到零碳卻并不容易，如高密度建筑群、醫(yī)院建筑或機(jī)場(chǎng)航站樓等，還需額外解決現(xiàn)有的建筑資源及其能源改造等問題。

我們已經(jīng)在改善建筑結(jié)構(gòu)的隔熱性和氣密性方面取得了很大進(jìn)展，但還需要在設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、運(yùn)維等方面開展深入研究。無論哪種建筑類型，HVAC（供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，譯者注）的作用都是顯著的，因此其解決方案的創(chuàng)新性更為重要。具體來說，我們需要提升建筑的通風(fēng)設(shè)計(jì),同時(shí)合理利用更高效的供暖和制冷系統(tǒng)以及適宜且平衡的地面系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)，然后通過全系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)最大限度地考慮能源再利用，如熱回收、熱泵以及可再生能源的產(chǎn)生和存儲(chǔ)等。

通過設(shè)計(jì)全系統(tǒng)方案，我們可以了解被動(dòng)式設(shè)計(jì)和主動(dòng)式設(shè)計(jì)的相互作用，使彼此共同推進(jìn)設(shè)計(jì)深化。可能現(xiàn)階段某些技術(shù)要素尚未達(dá)到成本效益（如熱儲(chǔ)存），但是隨著我們逐步優(yōu)化被動(dòng)和主動(dòng)解決方案，便可實(shí)現(xiàn)成本的下降。但是如果等到所有技術(shù)要素都經(jīng)過優(yōu)化后才將它們合并進(jìn)全系統(tǒng)中，我們將永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)。

5 在建筑物與電網(wǎng)能源供應(yīng)之間實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠胶?/p>

6 未來能源系統(tǒng)

7 邁向零碳建筑環(huán)境：實(shí)行差距的政策

將被動(dòng)建筑和主動(dòng)技術(shù)結(jié)合設(shè)計(jì)的解決方案仍然存在挑戰(zhàn)，應(yīng)當(dāng)考慮使其對(duì)居住者的使用具有魯棒性（Robustness，亦稱健壯性、穩(wěn)健性），而不依賴于“行為改變”來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。我們需要適應(yīng)氣候變化并減緩其變化的系統(tǒng)，并且能夠綜合考慮應(yīng)對(duì)諸如過熱和傳染病傳播的事件；我們需要考慮標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，它不一定是美學(xué)上的，而是技術(shù)上的。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在提高建筑質(zhì)量的同時(shí)，還能最大程度地減少設(shè)計(jì)和實(shí)際效果之間的性能差距，并減少浪費(fèi)和隱含的能源消耗。盡管裝配式模塊化結(jié)構(gòu)目前被認(rèn)為造價(jià)昂貴，但無論是基于功能性還是體量性，該結(jié)構(gòu)都可能成為未來可持續(xù)設(shè)計(jì)和建造的主要部分。

現(xiàn)有建筑物的改建將成為我們向零碳排放邁進(jìn)的主要行為。盡管這樣增加了成本和難度，但為新建筑開發(fā)的新技術(shù)很多也適用于建筑改造項(xiàng)目，將新建和改建結(jié)合起來可能是更為適合的方法。將老年人居住的不合規(guī)住房逐漸改造為健康、舒適、零能耗的適老型建筑，并提供多人口居住的老舊住宅改建的經(jīng)濟(jì)型方案將成為未來發(fā)展趨勢(shì)。

全系統(tǒng)方案可以從單個(gè)建筑物擴(kuò)展到建筑群甚至整個(gè)能源系統(tǒng)，然而隨之而來的問題是，我們可以將多少能源集成到建筑物中，以及可以從大規(guī)?？稍偕茉催M(jìn)行減碳的電力網(wǎng)絡(luò)中獲取多少能源。當(dāng)我們努力實(shí)現(xiàn)零能耗或零碳排放的目標(biāo)時(shí)，盡管成本會(huì)上升，但針對(duì)每一種不同類型的建筑都將有一個(gè)最佳平衡點(diǎn)（圖5）。

未來的能源系統(tǒng)可能與當(dāng)前的能源系統(tǒng)有很大不同（圖6）。從建筑物到國(guó)家電網(wǎng)，各個(gè)層面都將有能源的產(chǎn)生和存儲(chǔ)。未來過量的可再生能源可被用于生產(chǎn)氫能，因此很可能使用天然氣發(fā)電，氫能可以通過現(xiàn)有的燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行輸送。建筑物將與這種“更智能”的未來能源系統(tǒng)充分融合，用戶將同時(shí)成為能源的消耗方和生產(chǎn)方?？稍偕茉吹氖褂寐省⒛茉创鎯?chǔ)和再利用，都需要在建筑層面進(jìn)行決策。電力驅(qū)動(dòng)交通工具所需的能源也可以和建筑能源生產(chǎn)、電池存儲(chǔ)系統(tǒng)相結(jié)合。

3 多重收益

低能耗和零能耗技術(shù)的實(shí)施通常會(huì)帶來附加價(jià)值的“多重收益”[8]。改進(jìn)的熱工設(shè)計(jì)會(huì)使建筑物的能源需求降低，可以營(yíng)造承擔(dān)得起的建成環(huán)境、降低化石能源需求、改善人體健康狀況、提高生產(chǎn)效率并減少本地空氣污染。這樣的建筑物無疑更具有高資產(chǎn)價(jià)值，會(huì)帶來更高的租金，并且在未來能免受法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的變化影響（尤其是與減緩和適應(yīng)氣候變化有關(guān)）。不僅如此，零能耗技術(shù)對(duì)于能源生產(chǎn)和大規(guī)模城市更新以及其他低碳產(chǎn)業(yè)技術(shù)也會(huì)產(chǎn)生重要影響，并通過創(chuàng)造更多就業(yè)機(jī)會(huì)帶來可持續(xù)增長(zhǎng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

多重收益來自于采用自下而上的“持續(xù)增益”的措施和自上而下的頂層架構(gòu)的結(jié)合，以達(dá)到較全面綜合的各方需求，并需要權(quán)衡技術(shù)或設(shè)備的成本支出與能源消耗減少等多重利益間的博弈關(guān)系。但是這些成本通常比預(yù)期的要低，并且如果在項(xiàng)目實(shí)踐中采用上述全系統(tǒng)方案，各項(xiàng)支出與整體收益可能達(dá)到平衡，如用更好的建筑保溫材料降低供暖制冷成本。因此，我們需要開發(fā)一種能夠識(shí)別多重收益的總社會(huì)價(jià)值的金融工具，而不僅是將節(jié)能效益與成本控制簡(jiǎn)單掛鉤。

4 政策執(zhí)行

盡管很多政府宣布了氣候緊急狀態(tài)，但在建筑環(huán)境的能源使用和二氧化碳排放目標(biāo)方面，政策與實(shí)踐之間的差距似乎越來越大。除非有明確的操作方法指導(dǎo)，否則政策驅(qū)動(dòng)的減排目標(biāo)將無法實(shí)現(xiàn)。近年來，優(yōu)先采用自上而下的政策來減少排放已被證明未能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

目前，目標(biāo)、法規(guī)、法規(guī)遵守、建筑實(shí)際性能均落后于政策的發(fā)展（圖7）。盡管各國(guó)已經(jīng)制定了長(zhǎng)期目標(biāo)，如減少二氧化碳的排放，但由于實(shí)施的不確定性以及反對(duì)變化的工業(yè)部門的消極應(yīng)對(duì)，這些短期目標(biāo)常常被推遲。由于類似的原因和監(jiān)管滯后，能源使用的各個(gè)方面也沒有得到有效監(jiān)管。法規(guī)遵從性滯后于新法規(guī)的制定，這可能是權(quán)威部門刻意所為，或舊版法規(guī)的缺陷所致，也可能來源于行業(yè)內(nèi)消極實(shí)施的態(tài)度。在“能源流”末端，糟糕的設(shè)計(jì)和工藝以及對(duì)如何將低碳技術(shù)集成到現(xiàn)有的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工階段的認(rèn)知不足，常常也會(huì)降低建筑能源的使用效率。因此，盡管目前正在積極地開發(fā)低碳技術(shù)與創(chuàng)新解決方案，尤其是在建筑和社區(qū)尺度上，但要被政策接納和實(shí)踐推廣仍有很長(zhǎng)的路要走。

5 前進(jìn)的道路

我們這一代人擁有維護(hù)世界氣候穩(wěn)定的獨(dú)特機(jī)會(huì)[9]，我們需要加快將零碳設(shè)計(jì)方法和技術(shù)推廣到建筑實(shí)踐中的速度。有關(guān)全球變暖、空氣污染和能源短缺的證據(jù)不勝枚舉，我們沒有理由等待，要相信技術(shù)能發(fā)揮出應(yīng)有的作用。每個(gè)建筑項(xiàng)目都應(yīng)努力實(shí)現(xiàn)零碳排放，并在整個(gè)設(shè)計(jì)和施工過程中設(shè)定目標(biāo)，同時(shí)定期進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)備調(diào)試以及能耗與行為監(jiān)控。

當(dāng)我們有足夠的技術(shù)來取得進(jìn)步時(shí)，政府行為可能會(huì)成為主要障礙。因此我們必須挑戰(zhàn)現(xiàn)狀，積極解決邁向零碳建筑中出現(xiàn)的問題。當(dāng)前的利益相關(guān)方通常會(huì)受到標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)、框架協(xié)議和隱性補(bǔ)貼的保護(hù)，因此向零碳建筑緩慢過渡并非技術(shù)問題，多與建筑行業(yè)的文化有關(guān)。

建筑行業(yè)的所有相關(guān)部門都需要制定并實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)。政府需要為那些想要改變的人提供更多支持，而不是扶持那些不想改變的人。低碳產(chǎn)業(yè)是未來的主要經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)領(lǐng)域，將為人們帶來有益于人類和環(huán)境的產(chǎn)品，為充滿活力的未來清潔經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)。

但是一方面，某些行業(yè)可能希望利用手中的權(quán)力來制造環(huán)境政策與行業(yè)發(fā)展間的隔閡，以及商業(yè)利益與道德價(jià)值觀之間的沖突。盡管各國(guó)的情況不盡相同，但抵制變化的行業(yè)通常更具有說服政府的能力，用以獲得長(zhǎng)期補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠。另一方面，一些行業(yè)歡迎變革，積極擁抱零碳化發(fā)展，并將其作為生產(chǎn)創(chuàng)新型產(chǎn)品的重要契機(jī)。這些行業(yè)同樣需要政府的更多支持，包括更公平的補(bǔ)貼分配和稅收優(yōu)惠。

我們需要能夠做出正確決策并具備適當(dāng)能力實(shí)施系統(tǒng)變革的“中間人”來領(lǐng)導(dǎo)建筑項(xiàng)目的成功實(shí)施與長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)。中間人能夠幫助我們重新認(rèn)識(shí)自下而上與自上而下的互通，并通過一系列措施促進(jìn)政策落實(shí)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有效推動(dòng)低碳化變革。由于中間人的能力和權(quán)力的特殊屬性，一方面可以與自上而下的決策者開展充分溝通，另一方面也可以為自下而上的計(jì)劃提供領(lǐng)導(dǎo)與激勵(lì)。

從政策到實(shí)踐應(yīng)該有明確的發(fā)展路線和政府的前瞻性計(jì)劃，同時(shí)行業(yè)和公眾都可以對(duì)此做出回應(yīng)。當(dāng)前，在不同的政府部門之間，如中央與地方政府之間以及政府與企業(yè)之間的溝通往往很薄弱。政策的改變和實(shí)施往往與開發(fā)新產(chǎn)品的行業(yè)時(shí)間尺度以及有效應(yīng)用它們所需的技術(shù)有關(guān)。政府決策必須公正無誤，并以研究為依據(jù)來確定明確的發(fā)展路徑，促使行業(yè)能夠有序推進(jìn)、積極研發(fā)、合理制定金融工具以及建立穩(wěn)定的產(chǎn)品供應(yīng)鏈。只有政府、產(chǎn)業(yè)與研究機(jī)構(gòu)共同協(xié)同與決策，才能提出創(chuàng)新的綜合性解決方案。

我們需要?jiǎng)?chuàng)建自上而下的零碳建筑系統(tǒng)解決方案，同時(shí)也需要法規(guī)的支持和保護(hù)。當(dāng)前示范項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)復(fù)制應(yīng)用在其他項(xiàng)目實(shí)踐中的速度太慢，可能是因?yàn)檎陀脩魧?duì)方案缺乏了解，同時(shí)害怕承擔(dān)應(yīng)用新技術(shù)的額外成本。因此研究機(jī)構(gòu)在零碳解決方案的推廣與宣傳中起著至關(guān)重要的作用，可以幫助政府和行業(yè)做出正確的決策。有證據(jù)表明，向政府決策者和終端用戶有效展示零碳建筑全系統(tǒng)方案會(huì)提高他們的興趣，從而激發(fā)對(duì)產(chǎn)業(yè)變革的需求。只有滿足大范圍的團(tuán)體組織、社區(qū)和公眾的自下而上的需求，才可能在短時(shí)間內(nèi)營(yíng)造向零碳建筑過渡的大環(huán)境，而創(chuàng)造這種需求就是我們現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)。