市場(chǎng)推廣視角下碳中和建筑設(shè)計(jì)思考
——以中國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽作品R-Cells 為例＊

張藝凡 朱相臣 李潔 楊崴

1 研究背景

我國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上表示，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]，建筑部門面臨碳排放體量巨大、減碳速度滯后的艱巨挑戰(zhàn)。碳中和建筑可以實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期內(nèi)“零碳排放”，相對(duì)于一般節(jié)能建筑具有更加突出的環(huán)境效益，規(guī)模化發(fā)展碳中和建筑對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)雙碳目標(biāo)起到助力作用。近年來(lái)國(guó)家出臺(tái)了一系列建筑節(jié)能、建筑碳排放、綠色建筑等相關(guān)政策，已發(fā)展成較為完善的建筑節(jié)能減碳標(biāo)準(zhǔn)體系。但在實(shí)踐過程中，碳中和建筑面臨的唯性能論、成本投入高、舒適度低、普及度差、市場(chǎng)認(rèn)可度低等一系列問題亟待解決。

低碳建筑市場(chǎng)化問題已逐漸引起學(xué)界重視，但相關(guān)研究多在政策、經(jīng)濟(jì)、宣傳、技術(shù)層面開展，在設(shè)計(jì)層面的分析研究相對(duì)較少。葉祖達(dá)[2]提出綠色建設(shè)政策及市場(chǎng)投資有必要進(jìn)行全面的成本分析，并強(qiáng)調(diào)綠色建筑市場(chǎng)化是下一步的主要發(fā)展方向。郝晨宇[3]以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法分析了市場(chǎng)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策方面的綠色住宅推廣影響因素，并針對(duì)各方面提出了對(duì)應(yīng)的實(shí)施建議。何晨琛等[4]針對(duì)消費(fèi)者和開發(fā)商進(jìn)入低碳建筑市場(chǎng)的障礙因素，探討了以政府政策引導(dǎo)為主，結(jié)合金融機(jī)構(gòu)、媒體、技術(shù)企業(yè)等多主體配合的低碳市場(chǎng)推廣模式。國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，前期設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑生命周期環(huán)境性能及成本有重要影響[5]，此外設(shè)計(jì)師與政策執(zhí)行人員、開放商、施工方、消費(fèi)者等角色聯(lián)系緊密且相對(duì)客觀中立[6]，因此從設(shè)計(jì)視角思考碳中和建筑市場(chǎng)化問題，對(duì)提升建筑綜合性能、激發(fā)更多利益相關(guān)者參與碳中和建筑行業(yè)具有重要意義。

2 R-Cells介紹

太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽（Solar Decathlon，SD）是由美國(guó)能源部主辦的面向全球高校的建筑與能源科技競(jìng)賽。2021中國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽（SDC 2021）在河北省張家口市德勝村舉行。天津大學(xué)聯(lián)隊(duì)（Team Tianjin U+）是由天津大學(xué)牽頭，聯(lián)合天津城建大學(xué)、奧斯陸建筑與設(shè)計(jì)學(xué)校及多家企業(yè)組成的產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)，參賽作品R—Cells在十項(xiàng)子競(jìng)賽中斬獲8項(xiàng)一等獎(jiǎng)、1項(xiàng)二等獎(jiǎng)，并獲得SDC 2021年度總冠軍（圖1）。R—Cells旨在創(chuàng)造一個(gè)正能源、全循環(huán)、零排放的可持續(xù)太陽(yáng)能建筑原型，從不同經(jīng)濟(jì)主體的需求出發(fā)開展設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑生命周期的碳中和，為向市場(chǎng)化思維轉(zhuǎn)變的低碳建筑設(shè)計(jì)提供參考。

3 主要經(jīng)濟(jì)主體需求梳理

提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的本質(zhì)是切實(shí)回應(yīng)利益相關(guān)者的需求。基于前期的大量訪談?wù){(diào)研，梳理了地方政府、開發(fā)商、消費(fèi)者等主要經(jīng)濟(jì)主體對(duì)碳中和建筑的關(guān)注重點(diǎn)。地方政府主要關(guān)注碳中和相關(guān)政策導(dǎo)向及具體政策落實(shí)，主要包含民生福祉、環(huán)境效益、示范推廣等方面。開發(fā)商的核心關(guān)注點(diǎn)在于盈利能力，包括盈利模式、成本投入、項(xiàng)目周期和政策補(bǔ)貼。此外，由于綠色環(huán)保理念愈發(fā)受到大眾認(rèn)可，開發(fā)商也較為關(guān)注“環(huán)?！薄敖】怠钡葼I(yíng)銷概念，塑造良好的品牌形象，以期在低碳建筑市場(chǎng)取得領(lǐng)先地位。消費(fèi)者對(duì)于碳中和建筑的關(guān)注點(diǎn)與自身經(jīng)濟(jì)能力、文化程度、年齡段等因素有較大相關(guān)性[7]，但共同的需求可以歸納為性價(jià)比、耐用性、舒適度、健康材料和定制化。通過對(duì)上述需求的進(jìn)一步整理，歸納出綠色工業(yè)、人性化設(shè)計(jì)、可拓展性、技術(shù)集成和經(jīng)濟(jì)性五方面設(shè)計(jì)策略（表1）。

4 面向經(jīng)濟(jì)主體需求的碳中和建筑設(shè)計(jì)策略

4.1 綠色工業(yè)

碳達(dá)峰、碳中和本身是一場(chǎng)極其廣泛深刻的綠色工業(yè)革命。裝配式模塊化建筑是建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的核心建筑模式，對(duì)加快建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推動(dòng)建筑業(yè)綠色發(fā)展至關(guān)重要。R—Cells實(shí)現(xiàn)了二維與三維互補(bǔ)的“結(jié)構(gòu)—設(shè)備—室內(nèi)”模塊化建筑體系，整體建筑由5個(gè)相同的三維主模塊組成，為符合運(yùn)輸限高和限寬，每個(gè)主模塊由3個(gè)子模塊組裝，底部為鋼底盤及支腳，盡量減少構(gòu)件變量以實(shí)現(xiàn)高度標(biāo)準(zhǔn)化，有利于提高工業(yè)生產(chǎn)效率（圖2）。通過BIM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各專業(yè)聯(lián)動(dòng)，將機(jī)電設(shè)備盡量集成在各主體模塊內(nèi)，以減少模塊拼接造成的影響（圖3）。最后在三維主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上使用二維構(gòu)件，如圍護(hù)墻體、內(nèi)墻裝飾板、內(nèi)置裝飾等，滿足外部圍護(hù)和內(nèi)部空間的分隔要求（圖4）。

R—Cells的建造系統(tǒng)和材料均以易于拆解、便于循環(huán)為原則，降低其生命周期碳排放。由于具有突出的碳匯性能，木材成為首選的主要材料。梁柱體系使用層壓膠合木的重木，次級(jí)骨架為規(guī)格集成材的輕木，外圍護(hù)墻體由結(jié)構(gòu)保溫板（SIP）及輕木集成材填充玻璃棉和真空板組成。R—Cells共使用了26m3的膠合木及8m3的集成材，能夠降低建筑建造階段的碳排放達(dá)20t。此外，初期施工階段的各種建筑材料總量約為94t，其中可替換材料的重量約為29t；約70%的建筑材料可被直接回收，另外15%左右未來(lái)可能被回收（表2）。

表1 碳中和建筑市場(chǎng)主要經(jīng)濟(jì)主體需求關(guān)鍵詞

1 R—Cells 實(shí)景圖

2 主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖

3 基于BIM 平臺(tái)的機(jī)電設(shè)計(jì)

表2 R—Cells 建筑材料的回收率

4 “三維+二維”的模塊結(jié)構(gòu)體系

5 R—Cells 空間靈活布局示意

4.2 人性化設(shè)計(jì)

單一強(qiáng)調(diào)性能、忽視消費(fèi)者使用感受的低碳建筑難以得到大眾認(rèn)可，需要從人性化視角探討滿足使用者多樣化需求的設(shè)計(jì)策略。R—Cells主要從空間布局靈活性、可定制模塊、無(wú)障礙設(shè)計(jì)三個(gè)方面開展人性化設(shè)計(jì)。1）靈活布局：住宅建筑的內(nèi)部空間應(yīng)具備靈活劃分為多個(gè)宜居空間的可能性，如兼顧工作和育兒的日常情景、家庭多人聚會(huì)的社交情景、疫情隔離的應(yīng)急情景等。R—Cells可以通過簡(jiǎn)易改變家具布局來(lái)重構(gòu)室內(nèi)空間，滿足多樣化的功能需求（圖5）。2）定制模塊：隨著我國(guó)老齡化進(jìn)程加快、二孩三孩政策實(shí)行，家庭人口結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多樣化趨勢(shì)。R—Cells的主模塊可以靈活組裝拼接，以滿足不同家庭人口規(guī)模，同時(shí)可以降低施工成本，縮短工期。用戶可以通過專門的手機(jī)程序下單定制，并可實(shí)時(shí)看到選定的主模塊拼接生成的空間效果，實(shí)現(xiàn)“預(yù)制+定制”的模塊設(shè)計(jì)（圖6）。3）無(wú)障礙設(shè)計(jì)：R—Cells內(nèi)部設(shè)置常規(guī)干濕分離衛(wèi)生間和無(wú)障礙衛(wèi)生間，空間流線連結(jié)各個(gè)主要居住空間，在走廊、廚衛(wèi)設(shè)施等部位考慮了輪椅回轉(zhuǎn)尺度。同時(shí)R—Cells室內(nèi)使用了不同顏色的材料，有助于視障人士辨識(shí)空間方位。

4.3 可擴(kuò)展性

工業(yè)化設(shè)計(jì)和建造使R—Cells實(shí)現(xiàn)多維度拓展，具體體現(xiàn)在可移動(dòng)、橫向擴(kuò)展和縱向擴(kuò)展三方面。1）可移動(dòng)性：基于“三維+二維”的建造體系，R—Cells一次預(yù)制、八次吊裝，分別于2021年4月、6月、9月在天津大學(xué)、天津國(guó)家會(huì)展中心、河北張家口3個(gè)地點(diǎn)成功完成搭建。在最終競(jìng)賽中，現(xiàn)場(chǎng)3天完成主體結(jié)構(gòu)搭建，21天建筑整體竣工交付，具有較高的施工效率（圖7）。基于可移動(dòng)性和快速搭建的能力，R—Cells可在后期作為移動(dòng)城市展廳、樓盤售樓處等進(jìn)行重復(fù)使用。2）橫向擴(kuò)展：R—Cells作為模塊化設(shè)計(jì)建筑原型，可以根據(jù)不同使用對(duì)象和功能組織衍變?yōu)槎喾N變體，擴(kuò)展形成鄉(xiāng)村聚落、民宿旅游、養(yǎng)老住宅區(qū)等（圖8）。3）縱向擴(kuò)展：除了在低密度郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)外，R—Cells也可以利用裝配式優(yōu)勢(shì)作為單元模塊應(yīng)用于城市多層建筑（圖9）。高度可擴(kuò)展性能有利于建筑原型實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，進(jìn)一步擴(kuò)大適用范疇，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4.4 技術(shù)集成

R—Cells通過主被動(dòng)協(xié)同的太陽(yáng)能設(shè)計(jì)策略達(dá)到出色的環(huán)境性能，實(shí)現(xiàn)生命周期碳中和目標(biāo)。V形屋頂由中國(guó)傳統(tǒng)建筑“反宇向陽(yáng)”概念演繹而來(lái)，北側(cè)朝南的大坡屋頂盡可能獲得最大的太陽(yáng)輻射，南側(cè)的屋檐反向翹起，兼顧冬季陽(yáng)光引入和夏季遮陽(yáng)（圖10）。同時(shí)，屋頂整合了單晶硅、碲化鎘薄膜、透明薄膜三種太陽(yáng)能光伏模組，年發(fā)電量達(dá)到4.28萬(wàn)kW·h，是預(yù)測(cè)年耗電量的5.3倍。建筑西側(cè)的屋頂上安裝了兩塊太陽(yáng)能光電、光熱一體化（PV/T）模組，位于主臥衛(wèi)生間上方，通過盡可能縮小管道距離減少熱量損失，充分利用太陽(yáng)熱能為生活熱水提供能量（圖11）。經(jīng)過生命周期測(cè)算分析，R—Cells可在建成后7年內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳中和。

6 R—Cells 模塊拼接示意

7 吊裝模塊過程

在暖通空調(diào)系統(tǒng)方面，R—Cells選用整合了新風(fēng)、送風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)功能的新風(fēng)一體機(jī)系統(tǒng)組織氣流。一體機(jī)采用低溫空氣源熱泵并補(bǔ)充電熱膜來(lái)保障冬季采暖。此外空調(diào)控制系統(tǒng)采用了自主開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)建筑環(huán)境傳感器及基于自主學(xué)習(xí)的持續(xù)溫濕度智慧控制算法，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、潔凈、舒適的室內(nèi)環(huán)境，在提升環(huán)境效益的同時(shí)保障了使用者的舒適體驗(yàn)。

4.5 經(jīng)濟(jì)性

價(jià)格是影響消費(fèi)者低碳建筑購(gòu)買行為的重要因素[5]，產(chǎn)品的前期投入成本和盈利情況也會(huì)對(duì)投資者的開發(fā)意愿產(chǎn)生重大影響，因此有必要從經(jīng)濟(jì)性維度對(duì)R—Cells進(jìn)行分析。R—Cells的初始投資成本約為481.4萬(wàn)元，其中建筑單體建設(shè)成本約為418.5萬(wàn)元，約27900元/m2，相對(duì)于普通住宅成本偏高，原因如下：1）采用的產(chǎn)品在環(huán)保、外觀和壽命方面質(zhì)量超出常規(guī)建筑。例如，森鷹被動(dòng)窗、Velux太陽(yáng)能智能天窗、Parklex外墻木飾面板、屋面鈦鋅板等，均可達(dá)到與建筑同壽命（50年）。此類高質(zhì)量產(chǎn)品費(fèi)用占總成本的40%。2）競(jìng)賽要求。SDC要求各參賽作品滿足至少兩天離網(wǎng)運(yùn)行，R—Cells建筑一體化集成光伏裝機(jī)容量為35.4kW·h，并配備100kW·h電池組，以應(yīng)對(duì)最不利天氣及運(yùn)行條件，相應(yīng)成本均有增加。由于建筑部品的高性能選型，R—Cells的初始投入成本占測(cè)算生命周期成本的63.2%，后續(xù)在運(yùn)行、維護(hù)和更新方面僅需少量投入（圖12）。

為了進(jìn)一步控制初始成本，減少開發(fā)商和消費(fèi)者的投資及購(gòu)買門檻，將R—Cells高性能建筑部品進(jìn)行合理調(diào)配，改進(jìn)為3個(gè)版本：旗艦版（Premium）、經(jīng)典版（Classic）和經(jīng)濟(jì)版（Economic），成本價(jià)格分別為23775元/m2、12404元/m2和9648元/m2。以能源系統(tǒng)為例，旗艦版的光伏裝機(jī)容量與R—Cells相同，但配置電池容量根據(jù)常規(guī)自用需求設(shè)置為50%。經(jīng)典版與經(jīng)濟(jì)版的光伏裝機(jī)容量分別是R—Cells光伏裝機(jī)容量的80%和60%，且沒有配置電池。考慮計(jì)入向電網(wǎng)出售剩余能源的收益和可能的收入碳交易，4種版本的R—Cells生命周期成本如圖13所示。旗艦版本的可再生能源系統(tǒng)在其使用壽命的第40年和第46年可以達(dá)到零生命周期成本，而經(jīng)典版本和經(jīng)濟(jì)版R—Cells的成本回收時(shí)間不到10年?？梢娞贾泻徒ㄖ沫h(huán)境效益與生命周期成本、初始成本之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，需要進(jìn)一步探討。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑部門減碳脫碳是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要抓手。隨著政策、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、材料和工藝工法等方面的發(fā)展完善，碳中和建筑在技術(shù)層面已逐漸從探索走向成熟，如何實(shí)現(xiàn)碳中和建筑的市場(chǎng)化、規(guī)模化發(fā)展，是下一步建筑從業(yè)者面臨的挑戰(zhàn)。本文以中國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽參賽作品R—Cells為例，梳理了地方政府、開發(fā)商和消費(fèi)者三個(gè)主要市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)主體針對(duì)碳中和建筑的自身需求，并在綠色工業(yè)、人性化設(shè)計(jì)、可擴(kuò)展性、技術(shù)集成和經(jīng)濟(jì)性五方面開展碳中和建筑市場(chǎng)化設(shè)計(jì)策略的探索，希望為市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化的低碳建筑設(shè)計(jì)思維轉(zhuǎn)變提供借鑒。

8 橫向擴(kuò)展概念圖

9 縱向擴(kuò)展概念圖

10 屋頂概念與形體生成

11 可再生能源系統(tǒng)

12 R—Cells 生命周期成本測(cè)算

13 4 種版本R—Cells 生命周期成本測(cè)算

圖片來(lái)源

1黃維旻拍攝

2鄭鈺豐繪制

3阿美娜繪制

4王旨選繪制

5,6孫啟明繪制

7天津大學(xué)聯(lián)隊(duì)成員拍攝

8,9王琦繪制

10 岳詩(shī)文繪制

11韓愛澤繪制

12,13李潔繪制

表格來(lái)源

1張藝凡繪制

2畢雪皎繪制