迈向零碳建筑

菲尔·琼斯

英国卡迪夫大学威尔士建筑学院

姚佳伟 YAO Jiawei/ 译

王祥 WANG Xiang/ 校

零碳建成环境的营造是未来零碳战略中的重要内容。尽管零能耗建筑的进展仍然缓慢，但在过去的40年间，我们已经逐渐发展出了一些低碳设计的方法与技术，特别是形成了对于零能耗建筑的理解和认知[1-2]。换句话说，对于建筑零碳化，我们已经知道应该如何去实现，而现在正是采取行动的时候。

目前我们已经拥有众多的减碳技术解决方案，未来还将会出现更多的实用技术。随着技术成本的不断下降，低碳产业也将得到拓展。但是建筑活动全过程中的可持续性与技术解决方案同样重要，包括如何规划、设计、建造与调试建筑，如何随着时间的推移运营它们以及最终拆除它们。在走向零碳建成环境的大背景下，我们必须着眼于一种全系统的方法（图1）。这种零碳建成环境必须由人们的需求和意志以及国家和国际目标驱动，它们分别被视为是自下而上和自上而下的方法：没有自下而上的认同和行动，自上而下的策略就行不通；同样，自上而下的方法也需要在各地区实施，而不能完全依赖国家和国际的指令和规定[3-4]。

本文将讨论如何向零碳建成环境过渡，并重点讨论将自上而下的政策与自下而上的活动联系起来的必要性，以及如何依托一种全系统的方法来共同实现，还将强调政策与实践之间以及设计与实际性能之间存在的差距。

1 自上而下与自下而上

大多数能源政策都是由政府“自上而下”的供应导向方法驱动的[5]。从构建环境的角度来看，自上而下的方法代表了大型政府以及大型产业的行动与利益，如基于电网的能源供应、建筑法规以及国家和国际碳减排目标等。大型建筑公司与大型开发商对能源规划和可持续设计的支持往往只停留在表面，却能对政府的政策制定产生重要的负面影响，例如通过延迟制定与节能相关的法规或保持恪守现有法规致使消极对待低碳化进程。从政策层面上看，自上而下更多是代表国际上对于碳减排政策的呼吁，并且在很大程度上依赖于相关强制性法规的实施。在另一方面，自下而上则鼓励在特定项目上主动实施创新性低碳技术。以需求为导向的“自下而上”代表了最终用户（无论是个人、组织还是社区）对特定建筑和环境的需求。自下而上的解决方案能够有效降低能源需求并顾及更好的建成环境，以应对自上而下的政府推动举措的缓慢实施。简言之，通过自下而上的方式降低的能源需求越多，自上而下扩大供给侧的压力就越小。这两种方法是相辅相成且彼此互补的，需要共存来实现必要的转换，因此鼓励自下而上的活动同样也符合政府的利益。自上而下和自下而上之间的这种联系最好是通过中间代理商来实现，他们应当是非利益相关者，比如对节能减排感兴趣的非营利组织或者建筑行业专业人士[6]。

自上而下的方法通常会导致技术“锁定”的问题，通常政府的激励措施或各种评估方案都要求先确认新技术达标，才能认可推广该技术的应用。这可能会造成成本高昂，技术开发应用缓慢等问题，甚至导致小型研发类企业被排除在供应链之外。自上而下的解决方案，特别是在较大的项目上，通常是通过系统性的采购安排和框架合同来实施，这些采购和框架合同往往遵循最保守的标准和法规，从而显得僵化。与之相反，自下而上的方法则鼓励在政策与标准的允许下进行创新，并以尽可能低的决策水平来处理问题。但是，尽管自下而上的方法在从大众立场推进低碳议程方面具有潜在的优势，但仅仅采用该方法仍缺乏对于国家宏观层面重大问题的考虑，而且从本质上讲这种方式通常是无力的，有时也是短期的。相反，自上而下缺乏渗透性，并努力维持现状，除非有相应的大量需求，否则实现自上而下的推动力将非常缓慢。

从自下而上的建筑使用者的角度来看，舒适、健康和福祉是享受优质生活并最大程度提高生产力与满意度的基础。可负担的供暖和制冷成本对家庭或企业来说都至关重要，高效清洁能源的使用将最终实现矿物燃料的零使用，并能够显著改善室内外空气质量。如果用户能获得自下而上的切实利益，他们就可以自发地采取行动，而不是为实现国家和全球的温室气体减排目标被迫采取行动。

2 零碳建筑设计的全系统方案

3 产生能量的建筑围护结构：（顶部）太阳能PV 和（底部）太阳能热量

与政策和建设活动类似，研究活动也可以分为自上而下和自下而上两种类型。我们将创新视为科研发明的应用，并将其影响视为创新的规模化。创新通常发生在设计研究的过程中，并且在单个或少量建筑物上首先进行应用展示，这在很大程度上是自下而上的活动。最具创新的解决方案通常是用相对较少的研究资金研发的，但这样的研究资金现在却越来越难以获得。同时政府倾向于寻求大型研究团队（通常缺乏经验）资助开展大型研究项目，并召开一系列会议，旨在解决出现的重大问题。但是这些自上而下的研究项目的成果很少能真正符合预期并解决实际问题。实际上，我们仅需要少量与设计息息相关的研究项目，这些项目应在真实性、社会性和经济性等方面受到严格监督与评估，并迅速反馈到政策和实践中。此外，将研究成果转化到政策和实践中的速度也至关重要。

为了向可持续的零碳社会过渡，需要更加强调自下而上的“全系统”方法，同时需要审查各层级的规则与责任，甚至可能会出现面向推动建筑低碳化的中间组织的新要求。因此在未来的建筑设计中，能够解决环境与能源问题的建筑技术相关人士的重要性不言而喻。

2 全系统方案

全系统方案可以将建筑学与工程学紧密连接，满足舒适性、健康性以及零碳排放的综合性需求。在全系统方案设计中，首先需要整合被动式结构设计、高效暖通空调照明系统并集成可再生能源技术与能源存储设备来降低能源需求（图2）。此外，相关技术还可与建筑外围护结构设计结合产出更多的可再生能源（图3）。

4 卡迪夫大学建筑科学研究小组根据建筑全系统方法设计和建造的SOLCER 节能型房屋

尽管某些技术领域还有待开发，但目前我们已经拥有了一系列经过实践项目验证过的技术解决方案。我们曾为住宅建筑提供成熟的低碳设计全系统方案，用以实现建筑的零能耗，甚至建筑自身还能产出超过需求的能源[7]（图4）。但是除了住宅建筑之外，其他类型建筑想要达到零碳却并不容易，如高密度建筑群、医院建筑或机场航站楼等，还需额外解决现有的建筑资源及其能源改造等问题。

我们已经在改善建筑结构的隔热性和气密性方面取得了很大进展，但还需要在设计、结构、运维等方面开展深入研究。无论哪种建筑类型，HVAC（供热通风与空气调节系统，译者注）的作用都是显著的，因此其解决方案的创新性更为重要。具体来说，我们需要提升建筑的通风设计,同时合理利用更高效的供暖和制冷系统以及适宜且平衡的地面系统和空气系统，然后通过全系统方案设计最大限度地考虑能源再利用，如热回收、热泵以及可再生能源的产生和存储等。

通过设计全系统方案，我们可以了解被动式设计和主动式设计的相互作用，使彼此共同推进设计深化。可能现阶段某些技术要素尚未达到成本效益（如热储存），但是随着我们逐步优化被动和主动解决方案，便可实现成本的下降。但是如果等到所有技术要素都经过优化后才将它们合并进全系统中，我们将永远无法实现零碳目标。

5 在建筑物与电网能源供应之间实现适当的平衡

6 未来能源系统

7 迈向零碳建筑环境：实行差距的政策

将被动建筑和主动技术结合设计的解决方案仍然存在挑战，应当考虑使其对居住者的使用具有鲁棒性（Robustness，亦称健壮性、稳健性），而不依赖于“行为改变”来实现目标。我们需要适应气候变化并减缓其变化的系统，并且能够综合考虑应对诸如过热和传染病传播的事件；我们需要考虑标准化解决方案，它不一定是美学上的，而是技术上的。预制装配式结构在提高建筑质量的同时，还能最大程度地减少设计和实际效果之间的性能差距，并减少浪费和隐含的能源消耗。尽管装配式模块化结构目前被认为造价昂贵，但无论是基于功能性还是体量性，该结构都可能成为未来可持续设计和建造的主要部分。

现有建筑物的改建将成为我们向零碳排放迈进的主要行为。尽管这样增加了成本和难度，但为新建筑开发的新技术很多也适用于建筑改造项目，将新建和改建结合起来可能是更为适合的方法。将老年人居住的不合规住房逐渐改造为健康、舒适、零能耗的适老型建筑，并提供多人口居住的老旧住宅改建的经济型方案将成为未来发展趋势。

全系统方案可以从单个建筑物扩展到建筑群甚至整个能源系统，然而随之而来的问题是，我们可以将多少能源集成到建筑物中，以及可以从大规模可再生能源进行减碳的电力网络中获取多少能源。当我们努力实现零能耗或零碳排放的目标时，尽管成本会上升，但针对每一种不同类型的建筑都将有一个最佳平衡点（图5）。

未来的能源系统可能与当前的能源系统有很大不同（图6）。从建筑物到国家电网，各个层面都将有能源的产生和存储。未来过量的可再生能源可被用于生产氢能，因此很可能使用天然气发电，氢能可以通过现有的燃气系统进行输送。建筑物将与这种“更智能”的未来能源系统充分融合，用户将同时成为能源的消耗方和生产方。可再生能源的使用率、能源存储和再利用，都需要在建筑层面进行决策。电力驱动交通工具所需的能源也可以和建筑能源生产、电池存储系统相结合。

3 多重收益

低能耗和零能耗技术的实施通常会带来附加价值的“多重收益”[8]。改进的热工设计会使建筑物的能源需求降低，可以营造承担得起的建成环境、降低化石能源需求、改善人体健康状况、提高生产效率并减少本地空气污染。这样的建筑物无疑更具有高资产价值，会带来更高的租金，并且在未来能免受法规和标准的变化影响（尤其是与减缓和适应气候变化有关）。不仅如此，零能耗技术对于能源生产和大规模城市更新以及其他低碳产业技术也会产生重要影响，并通过创造更多就业机会带来可持续增长的社会经济效益。

多重收益来自于采用自下而上的“持续增益”的措施和自上而下的顶层架构的结合，以达到较全面综合的各方需求，并需要权衡技术或设备的成本支出与能源消耗减少等多重利益间的博弈关系。但是这些成本通常比预期的要低，并且如果在项目实践中采用上述全系统方案，各项支出与整体收益可能达到平衡，如用更好的建筑保温材料降低供暖制冷成本。因此，我们需要开发一种能够识别多重收益的总社会价值的金融工具，而不仅是将节能效益与成本控制简单挂钩。

4 政策执行

尽管很多政府宣布了气候紧急状态，但在建筑环境的能源使用和二氧化碳排放目标方面，政策与实践之间的差距似乎越来越大。除非有明确的操作方法指导，否则政策驱动的减排目标将无法实现。近年来，优先采用自上而下的政策来减少排放已被证明未能达到预期目标。

目前，目标、法规、法规遵守、建筑实际性能均落后于政策的发展（图7）。尽管各国已经制定了长期目标，如减少二氧化碳的排放，但由于实施的不确定性以及反对变化的工业部门的消极应对，这些短期目标常常被推迟。由于类似的原因和监管滞后，能源使用的各个方面也没有得到有效监管。法规遵从性滞后于新法规的制定，这可能是权威部门刻意所为，或旧版法规的缺陷所致，也可能来源于行业内消极实施的态度。在“能源流”末端，糟糕的设计和工艺以及对如何将低碳技术集成到现有的规划、设计和施工阶段的认知不足，常常也会降低建筑能源的使用效率。因此，尽管目前正在积极地开发低碳技术与创新解决方案，尤其是在建筑和社区尺度上，但要被政策接纳和实践推广仍有很长的路要走。

5 前进的道路

我们这一代人拥有维护世界气候稳定的独特机会[9]，我们需要加快将零碳设计方法和技术推广到建筑实践中的速度。有关全球变暖、空气污染和能源短缺的证据不胜枚举，我们没有理由等待，要相信技术能发挥出应有的作用。每个建筑项目都应努力实现零碳排放，并在整个设计和施工过程中设定目标，同时定期进行适当的设备调试以及能耗与行为监控。

当我们有足够的技术来取得进步时，政府行为可能会成为主要障碍。因此我们必须挑战现状，积极解决迈向零碳建筑中出现的问题。当前的利益相关方通常会受到标准、法规、框架协议和隐性补贴的保护，因此向零碳建筑缓慢过渡并非技术问题，多与建筑行业的文化有关。

建筑行业的所有相关部门都需要制定并实现零碳目标。政府需要为那些想要改变的人提供更多支持，而不是扶持那些不想改变的人。低碳产业是未来的主要经济增长领域，将为人们带来有益于人类和环境的产品，为充满活力的未来清洁经济做出贡献。

但是一方面，某些行业可能希望利用手中的权力来制造环境政策与行业发展间的隔阂，以及商业利益与道德价值观之间的冲突。尽管各国的情况不尽相同，但抵制变化的行业通常更具有说服政府的能力，用以获得长期补贴和税收优惠。另一方面，一些行业欢迎变革，积极拥抱零碳化发展，并将其作为生产创新型产品的重要契机。这些行业同样需要政府的更多支持，包括更公平的补贴分配和税收优惠。

我们需要能够做出正确决策并具备适当能力实施系统变革的“中间人”来领导建筑项目的成功实施与长期的运营监测。中间人能够帮助我们重新认识自下而上与自上而下的互通，并通过一系列措施促进政策落实与产业发展，有效推动低碳化变革。由于中间人的能力和权力的特殊属性，一方面可以与自上而下的决策者开展充分沟通，另一方面也可以为自下而上的计划提供领导与激励。

从政策到实践应该有明确的发展路线和政府的前瞻性计划，同时行业和公众都可以对此做出回应。当前，在不同的政府部门之间，如中央与地方政府之间以及政府与企业之间的沟通往往很薄弱。政策的改变和实施往往与开发新产品的行业时间尺度以及有效应用它们所需的技术有关。政府决策必须公正无误，并以研究为依据来确定明确的发展路径，促使行业能够有序推进、积极研发、合理制定金融工具以及建立稳定的产品供应链。只有政府、产业与研究机构共同协同与决策，才能提出创新的综合性解决方案。

我们需要创建自上而下的零碳建筑系统解决方案，同时也需要法规的支持和保护。当前示范项目的技术经验复制应用在其他项目实践中的速度太慢，可能是因为政府和用户对方案缺乏了解，同时害怕承担应用新技术的额外成本。因此研究机构在零碳解决方案的推广与宣传中起着至关重要的作用，可以帮助政府和行业做出正确的决策。有证据表明，向政府决策者和终端用户有效展示零碳建筑全系统方案会提高他们的兴趣，从而激发对产业变革的需求。只有满足大范围的团体组织、社区和公众的自下而上的需求，才可能在短时间内营造向零碳建筑过渡的大环境，而创造这种需求就是我们现在面临的挑战。