貝丁頓零碳生態(tài)社區(qū)可持續(xù)設計理念及策略

■ 王舒媛 WANG Shuyuan 周靜敏 ZHOU Jingmin

2021 年9 月，我國在聯(lián)合國大會上宣布提升應對氣候變化國家自主貢獻，力爭2030 年實現(xiàn)碳排放達峰，2060 年前實現(xiàn)碳中和。同年10月，發(fā)布《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，對具體目標和工作進行部署。“雙碳”目標的提出，對各類產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提出了根本性的要求，要更堅定地走向綠色、低碳、循環(huán)、高質(zhì)量的發(fā)展之路。

當前中國人均碳排放7 t 多，超過世界人均的4.75 t，其中，城市作為碳排放主體，在建筑、交通和市政等方面占有很大比重，也成為減碳的主要著力點之一。我國在快速城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中，建材的生產(chǎn)、運輸以及使用產(chǎn)生大量碳排放，同時，建筑本身能耗高，且由于缺乏全生命周期的考量不得不反復拆建，以及當前化石能源供能的交通模式向城市釋放了大量的CO2和PM2.5，而人們長期以來的生活習慣也會無形中帶來資源的浪費（如水電資源、食物等）。因此，減碳需要從能源結(jié)構(gòu)、建筑模式、治理方式、生活方式等多角度入手，是一個長期而系統(tǒng)的工程。當前領域內(nèi)對城市公共系統(tǒng)規(guī)劃、綠色建筑、海綿城市等方面已經(jīng)進行了一定的研究與嘗試，但多集中于單項技術層面。

英國作為世界上第一個設立碳排放管理規(guī)劃的國家，在2003 年發(fā)布了《我們能源的未來：創(chuàng)建低碳經(jīng)濟》白皮書，并致力于實現(xiàn)2050 年建立低碳經(jīng)濟國家的目標[1]。而在此之前，英國貝丁頓零碳生態(tài)社區(qū)就已經(jīng)作為實踐先驅(qū)提供了一系列先鋒性的理念和技術探索，它以社區(qū)為基本單元，不僅是對綠色技術的開創(chuàng)和運用，而且還從碳排放的各個環(huán)節(jié)尋找對策，從開端優(yōu)化能源選擇與利用方式，在過程中降低能耗，加強資源循環(huán)利用，在末端控制碳排放，并且項目后期仍然在做長期的監(jiān)測，最終勾畫的是一個可自給自足并且未來期望正向產(chǎn)能的社區(qū)生態(tài)系統(tǒng)。下文將從能源供應、被動式設計、節(jié)能與降低碳排放、資源節(jié)約及循環(huán)利用幾方面，剖析貝丁頓零碳生態(tài)社區(qū)的設計理念及策略，及其后續(xù)的發(fā)展，期望為未來中國城市的生態(tài)發(fā)展提供思考與借鑒。

1 項目概況

貝丁頓零碳開發(fā)項目（the Beddington Zero (fossil) Energy Development，簡 稱BedZED）是英國倫敦南部薩頓區(qū)開發(fā)的零碳生態(tài)住區(qū)項目，建于一塊棕地（brown field site）之上，由英國著名的低碳建筑設計師比爾·鄧斯特（Bill Dunster）設計，英國最大的住房協(xié)會之一皮博迪信托公司（the UK’s Peabody Trust）和機構(gòu)BioRegional Development 聯(lián)合開發(fā)，工程顧問機構(gòu)奧雅納（Arup）一同參與工程設計，2000 年開始施工，2002 年完工并分階段投入使用，是英國最大的低碳可持續(xù)發(fā)展社區(qū)，也是世界上最早的零碳生態(tài)社區(qū)探索實踐，于2000年7 月獲得了英國皇家建筑師學會（RIBA）住宅設計大獎優(yōu)勝獎。

該項目共有99 套混合使用權(quán)住宅，包括50%待售住房、25%的核心工人共享所有權(quán)住房以及25%的社會住宅供出租。住區(qū)采用高密度布局方式，每公頃100 戶住宅（不包括運動場），以提供連貫的社區(qū)空間和集約的交通，并減少對綠地的占用，同時，也保證了建筑體量和布局可以滿足太陽能使用要求。在公共空間方面，住區(qū)設置有步行的“生活街道”、小村莊廣場、運動場、社區(qū)中心，還有可供居民租來種地的小塊園地（allotments）（圖1、2）。

圖1 BedZED 外觀

圖2 BedZED 總平面圖

2 項目緣起與設計理念

當前以化石能源為主的消耗方式，對能源的轉(zhuǎn)換效率低，并且在供能的過程中還會產(chǎn)生大量的碳排放，這使得人類社會對能源的消耗入不敷出，而建筑作為自然資源的最大消耗者和垃圾的產(chǎn)生者之一，建筑全生命周期中，所有材料的采購、加工、運輸、使用中的副產(chǎn)品、回收再利用的可能性等均會影響到生態(tài)環(huán)境。

在此背景下，設計師比爾·鄧斯特在BedZED 項目之前就開始探索城市中的可持續(xù)發(fā)展方案，并在他的自宅“希望之家”中探索了零能源的實施手法，BedZED 項目為他提供了一個更大規(guī)模的實踐機會，去進一步展望城市可持續(xù)生活方式。同時，英國一家致力于將可持續(xù)業(yè)務帶入市場的機構(gòu)BioRegional Development 的想法與鄧斯特不謀而合，他們意識到該項目的潛力，從世界野生動物基金會（WWF）獲取基金，并展開與皮博迪公司的合作，皮博迪公司作為BedZED 的開發(fā)商，擁有約150 年的歷史，管理著近2 000 套房屋，擁有著前瞻性的眼光。他們將地點選在倫敦薩頓區(qū)的一塊土地，在當?shù)亟虝闹С窒拢c當?shù)厣鐓^(qū)進行了廣泛協(xié)商，最終在1999 年項目獲批，在2002 年迎來了它的第一批居民。

該項目旨在創(chuàng)造一個可以自給自足的碳中和社區(qū)（圖3），項目中采用了太陽能、生物質(zhì)等綜合供能方法，以及建筑隔熱、熱回收風罩、天然采光等被動式設計，與周邊普通小區(qū)相比，可節(jié)約81%的供熱能耗以及45%的電力消耗[2]，同時，還鼓勵了一種可持續(xù)的生活方式（如水資源利用、減少食物浪費等），提供了更加綠色的城市治理和基礎設施設計策略。這向大眾展現(xiàn)了一個先鋒前沿的零碳社區(qū)建造模式及其市場需求，不僅為城市可持續(xù)建設提供了可能的發(fā)展路徑，也推動了相關理念、標準規(guī)范，以及實踐的發(fā)展。

圖3 BedZED 可持續(xù)設計要點圖示

3 設計策略

3.1 零碳能源供應

BedZED 開發(fā)了一種技術來評估和匹配可再生能源與能源需求，即“能源分級”（energy grading）技術[3]，例舉可利用的能源清單，并根據(jù)其與最終需求的匹配程度進行排序，包括考慮能源利用的可實施性。目的在于盡可能選取最匹配需求的能源形式，實現(xiàn)包括能源利用效率、成本效益、可操作性、環(huán)境影響等在內(nèi)的最佳平衡。

為了實現(xiàn)最優(yōu)的能源供應方案，BedZED 也經(jīng)歷了不斷的嘗試，最開始BedZED 的電力供應80%來自國家電網(wǎng)，熱水則由備用天然氣冷凝鍋爐供應。遵循BedZED 最早家庭能源自主的理念，項目需要尋求更加具有成本效益的供能方式，項目又嘗試利用當?shù)氐纳锶剂线M行生物質(zhì)發(fā)電，即生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)（Bio-fuelled combined heat and power，CHP），將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可用于發(fā)電供熱的能源（圖4）。當?shù)貜U棄的樹木成為理想的燃料來源，項目建立了一個小型的CHP 裝置，利用專門的氣化器系統(tǒng)（gasifier system）將這些樹木的木屑轉(zhuǎn)化為適合為CHP 點燃式發(fā)動機（spark ignition engine）提供燃料的木炭氣（wood-gas），盡管小型CHP 的建立仍舊存在一些成本問題和技術難點，但其采用地方性可回收生物資源的想法和實施方案確實有利于推進相關技術的研究和應用。

圖4 CHP 裝置工作示意圖

同時，BedZED 建筑物外圍護上的光伏面板也可提供高達20%的電力，并且作為供給城市電動汽車的電力來源，讓項目成為可再生能源的轉(zhuǎn)換者。相比化石能源供能，電動汽車在供能效率和減少碳排放及空氣污染方面具有更好的表現(xiàn)，也具有更高的成本效益，這為建筑成為城市正向產(chǎn)能者提供了發(fā)展思路。

3.2 被動式設計

要實現(xiàn)社區(qū)的零碳運行，僅僅嘗試新的能源利用方式遠遠不夠。對于一個社區(qū)體量而言，當前采用光伏的成本，以及構(gòu)建一定規(guī)模CHP 裝置的技術難度仍會給零碳實施帶來種種困難，因此，降低建筑能耗就成為目前可實踐且收益較高的方案之一。貝丁頓零碳社區(qū)采取了多種建筑被動式設計方式。

首先，是合理布置建筑朝向，并通過功能混合來達到太陽能利用的最大化。例如，項目在最初住宅設計時工作和居住功能混合。工作空間北向設置，因其具有潛在的高使用頻率和辦公機器熱增益，有時會產(chǎn)生過高的室溫并可能需要機械降溫，以最大限度利用太陽能增益，減少白天對人工照明的需求；居住空間因為使用密度和內(nèi)部熱量獲取較少，可以朝南以獲取更多的太陽能熱補充。同時，南側(cè)屋頂設計傾斜30°采光（圖5），保證建筑高密度布局下的冬季采暖。此外，傾斜的屋頂體量挖缺形成生機盎然的家庭花園。一方面，為居住者提供向陽的溫暖曬臺；另一方面，覆蓋屋頂?shù)闹参镆部梢詼p少室內(nèi)熱量的散失（圖6）。

圖5 屋面傾斜角度的采光

圖6 BedZED 屋頂花園

其次，傳統(tǒng)的房間供暖和制冷會產(chǎn)生大量的碳排放，并且能源利用效率不高。BedZED 通過合理使用高熱容量、低熱傳導的圍護材料，以保證房間的熱工性能，減少供暖、制冷的能源需求。例如，使用300 mm 厚的巖棉（具有較好的熱絕緣性能）、低U 值（即熱導系數(shù)）的高質(zhì)量雙層和三層玻璃木框窗、保溫性能好的致密混凝土砌塊等，以減少熱量損失（圖7）。

圖7 密閉、厚實的外圍護減少室內(nèi)熱量損耗

更加熱密閉的圍護結(jié)構(gòu)也意味著需要合理控制通風，以提供新鮮空氣、去除廚房和浴室中的冷凝水、廁所氣味和廚房油煙，并在此過程中盡量減少熱損耗。尤其是冬季，當引入外部新鮮空氣的同時，也需要為每個房間補充供暖，為此，BedZED 開發(fā)了風罩系統(tǒng)（圖8），也就是屋頂凸起可見的管道，利用風壓輸送新鮮空氣，排出被污染的空氣，并且，空氣進出管道間的塑料薄膜可以實現(xiàn)熱量交換，從廢氣中回收熱量，對新鮮空氣加熱，減少對機械供暖的依賴。

圖8 屋頂?shù)墓夥柲馨寮盁峄厥诊L罩

3.3 節(jié)能及降低碳排放

從建筑本身進行能耗控制是減碳的一個方面，而建立一種綠色的生活方式則會產(chǎn)生長遠的環(huán)境保護效益。BedZED 也考慮了如何通過設計去引導一種低碳的生活。其中，城市交通是影響碳排放的重要部分。提倡電動汽車的使用，并通過建筑立面和屋頂?shù)墓夥┠苁遣呗灾?，此外，項目還積極地倡導其他的綠色交通方式，并試圖通過設計使人們建立起一種新的交通習慣，例如：①減少停車位；② 提供免費的電動汽車充電站點；③優(yōu)先考慮行人和騎自行車者的道路設置或家庭區(qū)布局（圖9）；④考慮與公共交通站點的聯(lián)系（項目對面即有一個巴士站，出門即可到達兩個火車站及電車站）；⑤提供充足且安全的自行車停車空間。諸如此類的策略確實在一定程度上改變了BedZED 居民對交通的態(tài)度，雖然項目后續(xù)的回訪顯示，需要進行更深層次的改變才能夠?qū)崿F(xiàn)全面的低碳出行目標，但也開闊了思路，獲得了人們對此的態(tài)度及后續(xù)的改善方式。交通的便利性依舊是人們出行首要考慮的因素，而讓人們更加深刻地意識到交通方式對碳排放、對環(huán)境的影響，及與自身的行為產(chǎn)生聯(lián)系仍舊是需要探索的方面。

圖9 BedZED 步行區(qū)和自行車停車場

此外，還有建筑設計中的引導，項目利用了一些細節(jié)設計去引導居民的節(jié)能行為。例如，采用淺色的裝飾提升房間的亮度（圖10、11），從而減少對電能的需求。同時，在廚房等地設置居民可見的智能電表（圖12、13），居民可以非常清晰地了解家中電能的使用量，從而減少對電能的浪費。

圖10 BedZED 室內(nèi)餐廳

圖12 BedZED 室內(nèi)廚房

圖13 戶內(nèi)居民可見的電表

3.4 資源節(jié)約及循環(huán)利用

除了以上的措施外，BedZED同樣的也關注到了包括水資源（圖14）、建材和廢物的回收利用以及食物資源節(jié)約等方面。

圖14 BedZED 的水處理系統(tǒng)示意圖

在水資源方面，清潔水資源的供給、運輸，污水的排放、處理等，都需要消耗大量資源。同時，倫敦南部有兩個水問題：由于排水系統(tǒng)缺乏能力而導致的洪水，以及由于人均降雨量少、人均用水量高而導致的供水不足。這凸顯了水資源管理的重要性。最初的管理策略[4]包括使用節(jié)水器具，例如，水龍頭調(diào)節(jié)器、歐盟“A”級的用水器具、低位抽水馬桶或雙沖水馬桶；安裝外露式的水表，讓住戶了解自家的用水并對此負責；安裝雨水收集系統(tǒng)（RWH），將建筑屋頂多余的水排入地下水箱，以供應廁所沖水和公寓的“空中花園”用水，并減少地表徑流對當?shù)厮牡挠绊?；在BedZED 服務大樓中安裝“活機器”（Living Machine）進行污水處理，供應廁所沖水、景觀灌溉用水，并將達到標準的“生態(tài)水”（green water）回收，后期對這個生態(tài)現(xiàn)場污水處理系統(tǒng)也進行了一系列的技術嘗試和升級。后續(xù)的監(jiān)測結(jié)果表明，居民每天的自來水消耗量低于倫敦平均水平的58%，證明了節(jié)水策略的有效性。此外，項目還采用了可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（sustainable drainage system，SUDS），包括采用滲透性高的硬質(zhì)地面、可以清潔污染物的過濾介質(zhì)以及保水功能強的地面材料，提升地面吸水、蓄水、滲水、凈水性能，以減輕當?shù)睾樗绊憽?/p>

而在建材及廢物的處理方面，建材在加工、運輸、現(xiàn)場建造的過程中會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，并影響到周邊環(huán)境。BedZED 的策略即是盡可能使用當?shù)氐?、可再利用的建筑材料（例如使用可再利用的結(jié)構(gòu)鋼、森林管理委員會認證的再生木材等），減少運輸成本和環(huán)境影響（圖15、16），以及及時分類回收現(xiàn)場的建筑垃圾。對于生活垃圾的處理，因為其大量且分散的特點，現(xiàn)場處理或者集中回收都存在困難，項目則利用每個家庭的隔離垃圾箱以及回收箱進行垃圾的回收（圖17），再由地方當局的回收服務進行回收，這種方法實施的關鍵在于社區(qū)倡議以及相關的社交平臺及組織團體的正面影響。

圖15 回收木材用于建造

圖16 BedZED 開放屋中展陳的各類材料

圖17 水槽下方的隔離回收箱

在食物方面，BedZED 采取了一些簡單的措施和倡導，希望讓人們更好地關注食物選取及節(jié)約。例如，為了減少食物浪費，倡導居民培養(yǎng)好的購物習慣和烹飪技巧；鼓勵人們從零開始做更多的食物，而不是購買高度加工的即食食品；多吃當?shù)氐臅r令有機農(nóng)產(chǎn)品等。同時，為了推廣這樣的生活方式，項目在社區(qū)內(nèi)開設了多功能市場，每周一、周日開放農(nóng)產(chǎn)品售賣，周一、周二和周五的午餐時間經(jīng)營咖啡館，為當?shù)鼐用裉峁┙】档牟忘c，BedZED 也提供了種植園地（圖18），可分配給各個家庭自行種植，這樣可以為居民提供便利的時令蔬菜，有利于形成健康的低肉飲食習慣。

圖18 BedZED 種植園地

4 貝丁頓零碳理念的發(fā)展

工程結(jié)束但項目仍在推進，BedZED 后期也在持續(xù)監(jiān)測居民生活及技術使用的適應性，并從中得到經(jīng)驗教訓。相關文獻表明[5]，BedZED居民將他們的生態(tài)足跡（Ecological Footprint，指能夠持續(xù)地提供資源或消納廢物的、具有生物生產(chǎn)力的地域空間）減少了43%，直觀地表明了項目對減少碳排放所做的貢獻。此后，零碳設計的理念在不斷的實踐中應用和發(fā)展，原先設計貝丁頓的Bill Dunster Achitects 發(fā)展為ZEDfactory，成為零碳設計和開發(fā)領域的領導者，并在英國和全球范圍內(nèi)進行零碳建筑的設計實踐，其實踐的范圍也逐漸向更多元的建筑類型鋪展，包括住宅、混合開發(fā)項目，還有公共建筑和辦公建筑等。

2021 年6 月，ZEDfactory 在 天津首屆中國建筑科學大會暨綠色智慧建筑博覽會（GIB）上展出的零碳小屋（圖19），濃縮并發(fā)展了自貝丁頓生態(tài)社區(qū)以來的關鍵設計理念。ZEDfactory 在零碳小屋中采用了預制裝配的方式，在180 m2的展位上搭建了一個可移動模塊化建筑單體，并在其中展示了建筑如何成為零能源、零碳的完整系統(tǒng)。其中，最根本的是降低建筑自身能源消耗，并且僅利用自身生產(chǎn)的清潔能源供給實現(xiàn)整體建筑供能。包括圍護結(jié)構(gòu)采用保溫、透氣等性能優(yōu)秀的材料減少建筑內(nèi)熱量散失，并通過熱回收通風系統(tǒng)達到80%以上的熱量回收，應用太陽能光伏板、可移動太陽能充電電池、無水干式堆肥廁所（圖20）、灰水處理裝置等實現(xiàn)清潔能源利用。展會后，這棟可移動的建筑被贈予河南輝縣孟莊鎮(zhèn)作為零碳書屋，可作為零碳體驗館，為當?shù)匦∨笥烟峁┰⒔逃跇返目臻g，充分發(fā)揮了其全生命周期的可持續(xù)理念。

圖19 ZEDfactory 零碳小屋

圖20 無水干式堆肥廁所

5 結(jié)語

貝丁頓生態(tài)社區(qū)作為零碳生態(tài)社區(qū)理念的開創(chuàng)者及實踐先驅(qū)，在零碳能源供應、被動式設計、節(jié)能與降低碳排放、資源節(jié)約及循環(huán)利用等幾個方面，都提出了在當時具有先進性，并且在現(xiàn)今仍不斷發(fā)展并被廣泛傳播的理念及技術成果，對我國城市可持續(xù)建設具有積極的參考意義。

在零碳能源供應方面，項目積極嘗試利用太陽能、當?shù)貜U棄植物供能，并不斷探索低成本、高效的能源利用方法；在被動式設計方面，充分考慮地域和建筑功能特征，采用適宜的布局方式，選取當?shù)厣鷳B(tài)的材料和建造方法，并積極創(chuàng)新，開發(fā)了新的通風系統(tǒng)，解決了冬季通風熱量損耗問題，在設計階段即最大程度地降低了建筑能耗；在節(jié)能與降低碳排放方面，采取設計手段引導居民的節(jié)能行為；在資源節(jié)約及循環(huán)利用方面，從水資源、食物資源、建材及廢品的回收利用方面給出了有效的策略。

我國經(jīng)歷了高度壓縮的城市化進程，在觀念、技術、管理等各方面都需要尋找適應性的方法，BedZED 的經(jīng)驗表明，資本合作、綠色生活方式及社區(qū)觀念是保證可持續(xù)發(fā)展的基礎之一；技術的運用則無法脫開成本考量，且與工人的技術專業(yè)度高度相關，如果要形成持續(xù)的發(fā)展，更需要行業(yè)規(guī)范的變革及相應產(chǎn)業(yè)鏈的供應；同時，可持續(xù)社區(qū)的實現(xiàn)也需要持續(xù)的努力，以適應不斷變化的文化觀念與生活方式。