英国低碳建筑：法规体系与技术应用*

虞志淳

0 引 言

英国在低碳建筑领域处于世界领先地位，伴随着完善的法规体系的约束和有效减排技术的支撑，英国低碳建筑常态化发展，已经成为建筑日常。低碳建筑延续节能、低能耗建筑技术，同时以降低建筑全寿命周期的碳排放为目标，在概念上与操作上比生态建筑、绿色建筑等概念更明确、具体，成为当前全球建筑业的重要发展方向。探析英国低碳建筑的发展过程及其特征，将对我国建筑的可持续发展具有借鉴与促进作用。

1 发展历程

回溯英国低碳建筑，其源头是生态可持续性建筑的研究与发展，从模仿自然的“绿色精神”[1]开始，跟随世界低能耗建筑潮流发展，逐渐形成高技术绿色建筑、生态建筑的格局，零能耗建筑、生态村等相继出现。随着全球气候问题的突出，碳排放成为关注的焦点，进入21世纪后，低碳建筑成为研究热点。

1.1 早期发展

19世纪中期以拉斯金为代表的“绿色精神”，其建筑观点打破当时的古典折衷主义，崇尚自然，在形式上模仿植物形态。以威廉·莫里斯为代表的工艺美术运动也受到了拉斯金的影响，其代表作红屋（Red House）的设计推崇手工艺，学习、模仿自然，与传统古典主义建筑分野。早期绿色精神尚未形成基于生态、可持续的科学观点与技术路线，但是打破传统建筑制约，追求自然的设计成为开启建筑生态性探索的萌芽。

现代意义的英国可持续建筑发展始于20世纪六七十年代，1971年剑桥大学的亚历山大·派克（Alexander Pike）开始自维持住宅（Autonomous House）的研究，通过建筑自我供给减少外部能源的消耗，该理论的发展对欧洲绿色住宅提供了理论依据。在能源危机影响下，米尔顿·凯恩斯市（Milton Keynes）建造了一批低能耗住宅。1991年亚历山大·派克的学生威尔夫妇（Brenda Vale and Robert Vale）出版的经典著作《绿色建筑：为可持续发展的未来而设计》（Green Architecture: Design for A Sustainable Future）提出绿色建筑六原则：节约能源、设计结合气候、材料再利用、尊重使用者、尊重场地、整体设计观等。此后在上述理论的影响下，出现了大量的优秀绿色建筑作品，如蒙特福特大学的女王楼（Queen Building，University of DeMontford）、诺丁汉大学朱比丽校园（Jubilee Campus, University of Nottingham）和班尼特事务所（Bennets Associates）设计的威斯塞斯水资源总部（Wessex Water Headquarter），以及威尔夫妇设计的豪其顿生态住宅（Hockerton Housing）等。这一时期的绿色建筑注重自然通风组织，利用可再生的太阳能与雨水资源，通过被动式设计策略实现建筑的可持续性。

1.2 低碳建筑

进入21世纪以后，英国绿色建筑更注重新材料与新技术的运用，高技派生态建筑不断创新，如诺曼·福斯特（Norman Foster）设计的伦敦市政厅（London City Hall），尼古拉斯·格雷姆肖（Nicholas Grimshaw）设计的伊甸园项目（Eden Project）等，建筑形态自由，运用高新技术、新材料大幅降低能耗，提升建筑性能。通过可再生能源利用，以先进的结构、设备、材料和工艺建立高效围护结构和暖通系统，创造促进建筑节能和优化室内环境品质的微气候、亚生态系统。

2002年著名的贝丁顿零能耗发展项目（BedZED）建成，此后生态村、生态社区陆续出现，如2015年建成的布里斯托（Bristol）哈汉姆（Hanham Hall）、2019年竣工的约克（York）德文索普（Derwenthorpe）以及蓝图建筑事务所（Blueprint）在诺丁汉设计的多处生态住宅与住区等。

21世纪以来研究重心由绿色建筑与生态建筑转向低碳建筑，低碳建筑更具针对性和操作性，着重于建筑全生命周期的CO2排量的降低，以降低建筑对气候的影响。2003年英国政府提出低碳经济理念，将通过各种技术提高建筑能效、实现碳排放量显著减少的建筑定性为低碳建筑，以及零碳建筑[2]。2006年启动低碳建筑计划（Low Carbon Building Programme, LCBP），在资金和政策上支持低碳建筑的发展，2011年将其改为可再生能源计划（renewable heat incentive）[3]。《2009年降低碳排放白皮书》（DFID’s White Paper 2009）[4]主张减碳促增长，当前低碳建筑、生态住区在英国已成为新公共建筑和住宅项目的主流。2016年《巴黎协定》生效，通过减少CO2排放改善气候变化，低碳建筑成为全球共识。

值得一提的是为了实现在住宅使用过程中的节能和CO2减排目标，建筑师通过设计倡导一种低资源消耗的生活模式[5]，不仅是低碳技术的支持，还有生活方式与低碳理念的推广，低碳、零碳的建筑形式与生活方式成为一种“新常态”[6]，全方位推进低碳建筑的普及。低碳生活理念与高技术路线可划分成为低技与高技两大发展方向，比如以盖娅基金会推动下的生态村全球性运动，体现健康低碳、生态环保的理念，因地制宜，有低技术发展的部分；而英国近期建成的低碳建筑、生态社区则大多数受高技术影响，运用高新技术与材料。但是随着低碳建筑的发展，关注行为习惯与生活方式对能耗的作用，“低技”与“高技”的结合也成为可能，哈汉姆与德文索普都通过生态社区建设探索低碳生活与低碳建筑技术的双赢。

2 相关法规体系

有效的法律法规体系是保障建筑实施的重要屏障，英国的建筑法规体系完善，健全的法规体系有效的监管并促成了低碳建筑在英国的普及。并且低碳建筑技术的应用也有赖于相关法规的大力推广。

英国建筑法规体系分为4个层级[7]：法律（act）、条例（regulation）、技术准则（approved document）和标准（standards）；或法律（国会和地方议会颁布）、法规（社区和地方政府制定）和标准（国家标准制定管理机构）3个层级[8]。建筑法律制定了目标，具有最高法律效力，条例规定了功能性要求，标准提供了可选择的实现方法，技术准则建立了法规（法律、条例）和标准的桥梁，形成完整的建筑法律体系[9-10]。英国建筑法规在城乡无差别实施[11-12]，故而低碳建筑在英国是没有城乡差异的，这一点与我国国情不同，统一贯彻的法律法规有力保证了建筑的品质。

1965年开始陆续出台建筑节能相关的条例和标准，低能耗、低碳、生态可持续成为一种建筑日常渗透到该领域的方方面面。1990年全世界第一个绿色建筑评估体系— —建筑研究所环境评估方法（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，简称 BREEAM）[13-14]，由英国建筑研究院（BRE）成功开发，当前BREEAM 已形成了比较完善的绿色建筑评估体系，遍布70多个国家，超过590万栋建筑通过认证。

2006年12月英国政府公布可持续住宅标准（Code for Sustainable Homes, CSH）[15-16]，提出“2016年所有新建居住建筑实现零碳排放”。对居住建筑减少CO2排放规定了时间表：以2006年的排放量为基准，到2010年减少25%，到2013年减少44% ，到2016年减少100%，即所有新建住宅都要达到零碳排放、CSH 6级（最高级）标准。自2007年以来，已有超过15万户住宅通过CSH认证[17]，其中超过10万户为CSH3级。

2008年英国议会通过了《气候变化法案》（Climate Change Act, CCA）[18]，这是全球第一个确定温室气体减排目标的法案，承诺到2020年CO2排放量减少在1990年基础上的34%，2050年减排80%。同年，英国城乡规划协会（TCPA）出版《社区能源：城市规划对低碳未来的应对导引》（Community Energy：Urban Planning For A Low Carbon Future）[19]，从区域、次区域、地区三个层面构建社区可持续能源发展的框架，实现社区层面的可持续发展。2010年4月开始实施“减少碳排放承诺（Carbon Reduction Commitment，CRC）”制度，该制度从排放总量减少比例和单位销售额排放量减少比例评价减少的CO2，对排放的努力程度进行排名与公示。英国皇家建筑师协会（the Royal Institute of British Architects，RIBA）于2014 年发布《建筑师应对气候变化指导手册》[20]，其中一项重要的气候变化应对策略即为低碳建筑设计模式研究，强调低碳建筑设计对气候变化的减缓作用[21]。

居住建筑是各建筑类型中面广而量大的群体，在2016年新建居住建筑实现零碳排放后，进一步扩展零碳标准实施范围，规定2019年新商业建筑也实现了零碳排放。而其他公共建筑，由于其重要的社会影响，在CSH颁布之前已经率先使用各项节能高新技术，引领建筑低碳发展。至此，英国低碳建筑已经完成新建筑普及，即将迈入更深层次的发展阶段。总之，当前英国低碳建筑相关法律法规体系健全，从评估体系到指导手册，保障了节能减排技术与低碳建筑的贯彻实施。

3 低碳建筑关键技术

英国属温带海洋性气候，地处北纬51°00′—52°3′，虽纬度较高，但由于受海洋性气候影响全年气候温和，季节差异小，湿润多雨。受盛行西风控制，且无高山阻隔，四面环海，终年风速强劲。整体气候类型相当于我国寒冷气候区，所以在技术选择上也同样是以保温为主的被动式技术应用，同时也具有其独特性。重视围护结构保温与风能利用，就是从本土气候出发具有特色而兼具地域性与技术性的技术选择。

3.1 围护结构设计

英国十分重视建筑围护结构的保温设计，广泛运用新材料与新技术，墙体、屋顶采用复合保温，与多层保温门窗一起形成完整的外围护结构保温体系。一般居住建筑外墙普遍使用夹心保温，外侧以当地砖石材料砌筑，中间为聚苯板等保温材料，内层为水泥砖、混凝土砌块，墙体厚度在300～400 mm（图1）。以零排放、低碳甚至是零碳标准建设的新住宅更注重维护结构的构造，采用更高性能的保温措施。例如在伦敦贝丁顿，住宅屋顶设有300 mm厚泡沫聚苯乙烯，墙体300 mm厚矿棉，窗为填充氩气的3层玻璃窗[22]。当前较为先进的保温材料[23]主要有：封闭泡沫板（closed cell foam）、真空保温板（vip）、气体填充板（gas filled panel），气凝胶（aerogel）和相变材料（phase change materials）等。良好的保温明显带来冬季能源消耗的降低，但也出现由于气密性绝佳带来的夏季通风不畅、室内过热的问题，同时也带来建筑造价的攀升。但总体上来看，英国冬季时间长、气候寒冷，围护结构尤其是外墙的保温设计依然是低碳建筑的重要组成部分，以被动式技术为主体，系统化、复合化、多层次的外墙保温是当前英国低碳建筑的重要技术选择。

图1 两处施工中的建筑外墙及其夹心保温构造Fig 1 the exterior wall of the building under construction and the sandwich insulation constructure

围护结构中门窗是保温隔热的薄弱环节，故而低碳建筑设计非常重视门窗及相关构件的整体设计。因为气候寒冷，英国建筑开窗面积一般较小（如诺丁汉生态住宅，图2a），但是在权衡采光与保温之下，哈汉姆和德文索普的主要居室的窗有意识增大，提升居住舒适度获得住户一致好评[24]。哈汉姆设计了标志性的木格栅遮阳架，在门窗遮阳的同时创造出入口、阳台过渡空间，也是提升围护结构保温隔热性能的有效措施（图2b）。贝丁顿在三层窗之外，还设计了南向的阳光间，部分窗玻璃为PV板利用太阳能（图2a）。英国低碳建筑其门窗在材质与设计上体现了高度工业化，密闭性好，高效保温。围护构件结合空间设计，外墙、门窗与屋顶等构件在性能上达成保温、隔热、通风、采光，并以围护结构保温为主体实现空间、功能与性能的整合设计，新建筑的低碳建筑外观更是呈现出多样化建筑表达（图2c）。

图2 英国低碳建筑Fig 2 the UK low-carbon architecture

3.2 太阳能光伏发电

欧美发达国家太阳能光伏PV（Photovoltaic）发电技术在20世纪90年代起逐渐普及，英国新建筑也广泛应用，从起步的绿色建筑范例到当前的一般住宅都可以看到PV板的身影。虽然英国纬度较高，并不属太阳能资源富集地区，但在政府大力支持下，太阳能光伏发电发展迅猛，尤其在居住建筑中大量普遍应用。南安普顿大学白海杰（Bahaj）教授团队设计的哈万特（Havant）生态住宅，每个住户都安装了光伏PV板，政府和住户签订“差价合约”，回购所产电力让利于住户[25]，住户在10—15年可以收回初装成本，其后10—15年可获利。积极的政策极大推动了光伏的普及，PV板在社会住宅（类似于我国廉租房）、联排别墅、集合住宅等均得到广泛应用，成为新建筑的基本配置。从著名的伦敦贝丁顿零能耗生态住区，低碳建筑新代表金斯潘住宅（the Kingspan Lighthouse），到英国南部普通小镇伊斯特利（Eastleigh）的住宅，均在建筑向阳屋顶设置了光伏PV板（图3），PV板已经成为低碳建筑的基本配置。

图3 金斯潘住宅、哈万特生态住宅和伊斯特利小镇住宅Fig 3 the Kingspan Lighthouse, Havant Eco House and Eastleigh Town House

光伏发电也将建筑从单一的用能、被动式太阳能利用转向产能发电的主动式建筑，同时采用控制和调节系统，主动适应不同季节气候的变化，建筑也将成为能源制造的场所。英国低碳建筑跟随时代技术进步，由被动式建筑向主动式建筑转变。

3.3 建筑通风与风能利用

在20世纪90年代的代表性绿色建筑中，自然通风系统的运用成为一大特色，体现了被动式建筑整合设计思想。英国风能优势被发掘出来，通过风塔抽拔空气，实现大进深建筑的自然通风，具有日常运行的经济性和舒适性，高耸的通风塔成为这个时期绿色建筑的独特标志。德蒙福特大学的女王大楼是运用通风塔实现自然通风的典型案例，将大体量建筑划分成多个狭长体块，利用烟囱效应促进自然通风，实现低能耗下的室内热舒适。还有英国建筑师迈克尔·霍普金斯（Michael Hopkins）设计的诺丁汉税务中心（Inland Revenue Center）（图4）运用太阳能通风烟囱促进自然通风，将建筑进深控制在13.6 m以内，在入口和楼梯间设置顶帽可以升降的圆柱形玻璃通风塔，这些通风塔吸收太阳能量，加热塔内空气，形成烟囱效应，带动各楼层空气的自然流通和循环。再如英国建筑研究院环境楼、诺丁汉大学朱比丽校园、考文垂大学图书馆高耸的通风烟囱（图4）、伦敦贝丁顿建筑顶部彩色风帽（图2）、金斯潘住宅的风斗（图3），既有通风效用，又成为独特的标志性符号。然而随着被动式建筑技术向主动式转变，自然通风由符号化的风塔、风帽向根据气候自动调节的通风系统转变，弱化形式制约，风塔成为英国低碳建筑发展进程中的一个时代印记。

图4 自然通风：诺丁汉税务中心、诺丁汉大学朱比丽校园和考文垂大学图书馆Fig 4 natural ventilation: Nottingham Inland Revenue Center, Jubilee Campus of the University of Nottingham,and Coventry University Library

图5 建筑以及风力发电装置Fig 5 buildings and wind power plants

英国四面环海，风力强劲，具有风力发电的优势，极其重视风力的开发与利用，2018年全国约20%的电力为风力发电，全球约半数的海上风力发电在英国。在牧区、旷野形成了很多太阳能牧场（Solar farm）和风能电厂（Wind farm），英吉利海峡等海面均可见风力发电涡轮的身影。建筑中也有设置微型风力发电装置的尝试，但由于噪声、振动较大，住户接受度不高，实际发电效果不佳，应用并不普及（图5），但是风能利用一直是英国低碳建筑具有特色的部分。

3.4 技术应用审视

减少对气候的影响，降低碳排放与能源消耗是低碳建筑首要目标，也是当前城市发展的需求[26]。英国低碳技术的选择首先从自身气候条件与自然资源出发，重视围护结构的保温隔热性能提升，在墙体、门窗的材料选材与形态上重点设计，体现本土特色与地域特征；由于新材料、新技术的植入，在砖石传统之外探索新的形式与空间表达，这是非常值得借鉴的设计方法。再者，太阳能光伏与风能的运用，显示出英国对于可再生能源利用的积极态度，这也是值得推崇的技术选择。重视新材料与新技术应用，从被动式建筑逐渐向主动式建筑发展，技术上的不断推陈出新令人赞赏。

然而随着建筑节能要求的不断提高，对于低碳技术的依赖越来越大，技术投资成本与设备使用要求也越来越高。过度技术依赖使实际节能效果不尽人意，如设备使用、住户操作等带来能源消耗的不确定性[27]。在约克市德文索普生态社区，住户不能熟练掌握复杂而脆弱的各项采暖、采光、通风、垃圾、水等系统的操作方法[27]，导致部分设备损坏和设施闲置。住户使用行为、生活习惯都成为影响低碳建筑表现的因素。此外，部分设计先进的高技术建筑，如伦敦市政厅的能耗仅和普通办公建筑持平，并没有达到设计预期的低能耗水平。受经济性、操作难度、运行稳定性等因素影响，对高投入、高技术、高标准的依赖不能解决所有问题。寻找适宜技术，寻求简单易行、经济适用的低碳建筑技术同样具有现实意义。中国的低碳建筑发展，在技术上必然逐步提升，但在技术选择上可以避免上述问题，主、被动式技术相结合，结合地域性与技术应用，适宜技术将成为重要的技术选择。

4 结语

低碳建筑策略作为共识已经深入到城乡建设领域，从法律法规的约束到层面技术的支撑，英国低碳建筑获得了全面的贯彻，实现常态化发展。法规是主导与促进力量，技术是支持与建筑实施，二者缺一不可、互为促进。独特的岛国气候，在法规与技术的共同作用下，辅以深入人心的低碳生活理念，英国低碳建筑独具特色，务实、有效，兼具地域性与技术性。其完善、城乡一体的法律法规体系，利用地域优势资源风能和可持续能源太阳能，从地域气候出发着重围护结构保温等方面值得借鉴。结合我国低碳建筑发展实际，当前我国在法规体系方面日臻完善，城市建筑法规发展良好，农村建筑法律法规有待发展；在技术方面可以实现跨越式发展，一方面促进低碳高新技术的应用与推广，另一方面实现低技术与高技术结合，被动式与主动式互动的新技术路线。高技术也面临经济成本、运行效益与节能效果等系列问题，应同步探讨适宜性技术的推广与应用，多元互动，多层次、全方位实现我国低碳建筑的普及与应用。