市场推广视角下碳中和建筑设计思考
——以中国国际太阳能十项全能竞赛作品R-Cells 为例＊

2022-02-16 05:54张艺凡朱相臣李洁杨崴

建筑技艺 2022年10期

张艺凡朱相臣李洁杨崴

1 研究背景

我国在第七十五届联合国大会上表示，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值、2060年前实现碳中和[1]，建筑部门面临碳排放体量巨大、减碳速度滞后的艰巨挑战。碳中和建筑可以实现建筑全生命周期内“零碳排放”，相对于一般节能建筑具有更加突出的环境效益，规模化发展碳中和建筑对于实现建筑行业双碳目标起到助力作用。近年来国家出台了一系列建筑节能、建筑碳排放、绿色建筑等相关政策，已发展成较为完善的建筑节能减碳标准体系。但在实践过程中，碳中和建筑面临的唯性能论、成本投入高、舒适度低、普及度差、市场认可度低等一系列问题亟待解决。

低碳建筑市场化问题已逐渐引起学界重视，但相关研究多在政策、经济、宣传、技术层面开展，在设计层面的分析研究相对较少。叶祖达[2]提出绿色建设政策及市场投资有必要进行全面的成本分析，并强调绿色建筑市场化是下一步的主要发展方向。郝晨宇[3]以系统动力学方法分析了市场、技术、经济、政策方面的绿色住宅推广影响因素，并针对各方面提出了对应的实施建议。何晨琛等[4]针对消费者和开发商进入低碳建筑市场的障碍因素，探讨了以政府政策引导为主，结合金融机构、媒体、技术企业等多主体配合的低碳市场推广模式。国外学者研究发现，前期设计阶段对建筑生命周期环境性能及成本有重要影响[5]，此外设计师与政策执行人员、开放商、施工方、消费者等角色联系紧密且相对客观中立[6]，因此从设计视角思考碳中和建筑市场化问题，对提升建筑综合性能、激发更多利益相关者参与碳中和建筑行业具有重要意义。

2 R-Cells介绍

太阳能十项全能竞赛（Solar Decathlon，SD）是由美国能源部主办的面向全球高校的建筑与能源科技竞赛。2021中国国际太阳能十项全能竞赛（SDC 2021）在河北省张家口市德胜村举行。天津大学联队（Team Tianjin U+）是由天津大学牵头，联合天津城建大学、奥斯陆建筑与设计学校及多家企业组成的产学研团队，参赛作品R—Cells在十项子竞赛中斩获8项一等奖、1项二等奖，并获得SDC 2021年度总冠军（图1）。R—Cells旨在创造一个正能源、全循环、零排放的可持续太阳能建筑原型，从不同经济主体的需求出发开展设计，实现建筑生命周期的碳中和，为向市场化思维转变的低碳建筑设计提供参考。

3 主要经济主体需求梳理

提升市场竞争力的本质是切实回应利益相关者的需求。基于前期的大量访谈调研，梳理了地方政府、开发商、消费者等主要经济主体对碳中和建筑的关注重点。地方政府主要关注碳中和相关政策导向及具体政策落实，主要包含民生福祉、环境效益、示范推广等方面。开发商的核心关注点在于盈利能力，包括盈利模式、成本投入、项目周期和政策补贴。此外，由于绿色环保理念愈发受到大众认可，开发商也较为关注“环保”“健康”等营销概念，塑造良好的品牌形象，以期在低碳建筑市场取得领先地位。消费者对于碳中和建筑的关注点与自身经济能力、文化程度、年龄段等因素有较大相关性[7]，但共同的需求可以归纳为性价比、耐用性、舒适度、健康材料和定制化。通过对上述需求的进一步整理，归纳出绿色工业、人性化设计、可拓展性、技术集成和经济性五方面设计策略（表1）。

4 面向经济主体需求的碳中和建筑设计策略

4.1 绿色工业

碳达峰、碳中和本身是一场极其广泛深刻的绿色工业革命。装配式模块化建筑是建筑产业现代化的核心建筑模式，对加快建筑业转型升级、推动建筑业绿色发展至关重要。R—Cells实现了二维与三维互补的“结构—设备—室内”模块化建筑体系，整体建筑由5个相同的三维主模块组成，为符合运输限高和限宽，每个主模块由3个子模块组装，底部为钢底盘及支脚，尽量减少构件变量以实现高度标准化，有利于提高工业生产效率（图2）。通过BIM平台实现各专业联动，将机电设备尽量集成在各主体模块内，以减少模块拼接造成的影响（图3）。最后在三维主体结构基础上使用二维构件，如围护墙体、内墙装饰板、内置装饰等，满足外部围护和内部空间的分隔要求（图4）。

R—Cells的建造系统和材料均以易于拆解、便于循环为原则，降低其生命周期碳排放。由于具有突出的碳汇性能，木材成为首选的主要材料。梁柱体系使用层压胶合木的重木，次级骨架为规格集成材的轻木，外围护墙体由结构保温板（SIP）及轻木集成材填充玻璃棉和真空板组成。R—Cells共使用了26m3的胶合木及8m3的集成材，能够降低建筑建造阶段的碳排放达20t。此外，初期施工阶段的各种建筑材料总量约为94t，其中可替换材料的重量约为29t；约70%的建筑材料可被直接回收，另外15%左右未来可能被回收（表2）。

表1 碳中和建筑市场主要经济主体需求关键词

1 R—Cells 实景图

2 主体结构系统示意图

3 基于BIM 平台的机电设计

表2 R—Cells 建筑材料的回收率

4 “三维+二维”的模块结构体系

5 R—Cells 空间灵活布局示意

4.2 人性化设计

单一强调性能、忽视消费者使用感受的低碳建筑难以得到大众认可，需要从人性化视角探讨满足使用者多样化需求的设计策略。R—Cells主要从空间布局灵活性、可定制模块、无障碍设计三个方面开展人性化设计。1）灵活布局：住宅建筑的内部空间应具备灵活划分为多个宜居空间的可能性，如兼顾工作和育儿的日常情景、家庭多人聚会的社交情景、疫情隔离的应急情景等。R—Cells可以通过简易改变家具布局来重构室内空间，满足多样化的功能需求（图5）。2）定制模块：随着我国老龄化进程加快、二孩三孩政策实行，家庭人口结构出现多样化趋势。R—Cells的主模块可以灵活组装拼接，以满足不同家庭人口规模，同时可以降低施工成本，缩短工期。用户可以通过专门的手机程序下单定制，并可实时看到选定的主模块拼接生成的空间效果，实现“预制+定制”的模块设计（图6）。3）无障碍设计：R—Cells内部设置常规干湿分离卫生间和无障碍卫生间，空间流线连结各个主要居住空间，在走廊、厨卫设施等部位考虑了轮椅回转尺度。同时R—Cells室内使用了不同颜色的材料，有助于视障人士辨识空间方位。

4.3 可扩展性

工业化设计和建造使R—Cells实现多维度拓展，具体体现在可移动、横向扩展和纵向扩展三方面。1）可移动性：基于“三维+二维”的建造体系，R—Cells一次预制、八次吊装，分别于2021年4月、6月、9月在天津大学、天津国家会展中心、河北张家口3个地点成功完成搭建。在最终竞赛中，现场3天完成主体结构搭建，21天建筑整体竣工交付，具有较高的施工效率（图7）。基于可移动性和快速搭建的能力，R—Cells可在后期作为移动城市展厅、楼盘售楼处等进行重复使用。2）横向扩展：R—Cells作为模块化设计建筑原型，可以根据不同使用对象和功能组织衍变为多种变体，扩展形成乡村聚落、民宿旅游、养老住宅区等（图8）。3）纵向扩展：除了在低密度郊区或农村地区外，R—Cells也可以利用装配式优势作为单元模块应用于城市多层建筑（图9）。高度可扩展性能有利于建筑原型实现规模化应用，进一步扩大适用范畴，提升市场竞争力。

4.4 技术集成

R—Cells通过主被动协同的太阳能设计策略达到出色的环境性能，实现生命周期碳中和目标。V形屋顶由中国传统建筑“反宇向阳”概念演绎而来，北侧朝南的大坡屋顶尽可能获得最大的太阳辐射，南侧的屋檐反向翘起，兼顾冬季阳光引入和夏季遮阳（图10）。同时，屋顶整合了单晶硅、碲化镉薄膜、透明薄膜三种太阳能光伏模组，年发电量达到4.28万kW·h，是预测年耗电量的5.3倍。建筑西侧的屋顶上安装了两块太阳能光电、光热一体化（PV/T）模组，位于主卧卫生间上方，通过尽可能缩小管道距离减少热量损失，充分利用太阳热能为生活热水提供能量（图11）。经过生命周期测算分析，R—Cells可在建成后7年内实现碳中和。

6 R—Cells 模块拼接示意

7 吊装模块过程

在暖通空调系统方面，R—Cells选用整合了新风、送风、回风、排风功能的新风一体机系统组织气流。一体机采用低温空气源热泵并补充电热膜来保障冬季采暖。此外空调控制系统采用了自主开发的物联网建筑环境传感器及基于自主学习的持续温湿度智慧控制算法，实现稳定、洁净、舒适的室内环境，在提升环境效益的同时保障了使用者的舒适体验。

4.5 经济性

价格是影响消费者低碳建筑购买行为的重要因素[5]，产品的前期投入成本和盈利情况也会对投资者的开发意愿产生重大影响，因此有必要从经济性维度对R—Cells进行分析。R—Cells的初始投资成本约为481.4万元，其中建筑单体建设成本约为418.5万元，约27900元/m2，相对于普通住宅成本偏高，原因如下：1）采用的产品在环保、外观和寿命方面质量超出常规建筑。例如，森鹰被动窗、Velux太阳能智能天窗、Parklex外墙木饰面板、屋面钛锌板等，均可达到与建筑同寿命（50年）。此类高质量产品费用占总成本的40%。2）竞赛要求。SDC要求各参赛作品满足至少两天离网运行，R—Cells建筑一体化集成光伏装机容量为35.4kW·h，并配备100kW·h电池组，以应对最不利天气及运行条件，相应成本均有增加。由于建筑部品的高性能选型，R—Cells的初始投入成本占测算生命周期成本的63.2%，后续在运行、维护和更新方面仅需少量投入（图12）。

为了进一步控制初始成本，减少开发商和消费者的投资及购买门槛，将R—Cells高性能建筑部品进行合理调配，改进为3个版本：旗舰版（Premium）、经典版（Classic）和经济版（Economic），成本价格分别为23775元/m2、12404元/m2和9648元/m2。以能源系统为例，旗舰版的光伏装机容量与R—Cells相同，但配置电池容量根据常规自用需求设置为50%。经典版与经济版的光伏装机容量分别是R—Cells光伏装机容量的80%和60%，且没有配置电池。考虑计入向电网出售剩余能源的收益和可能的收入碳交易，4种版本的R—Cells生命周期成本如图13所示。旗舰版本的可再生能源系统在其使用寿命的第40年和第46年可以达到零生命周期成本，而经典版本和经济版R—Cells的成本回收时间不到10年。可见碳中和建筑的环境效益与生命周期成本、初始成本之间存在复杂的耦合关系，需要进一步探讨。

5 结语

建筑部门减碳脱碳是实现碳中和目标的重要抓手。随着政策、标准、技术、材料和工艺工法等方面的发展完善，碳中和建筑在技术层面已逐渐从探索走向成熟，如何实现碳中和建筑的市场化、规模化发展，是下一步建筑从业者面临的挑战。本文以中国国际太阳能十项全能竞赛参赛作品R—Cells为例，梳理了地方政府、开发商和消费者三个主要市场经济主体针对碳中和建筑的自身需求，并在绿色工业、人性化设计、可扩展性、技术集成和经济性五方面开展碳中和建筑市场化设计策略的探索，希望为市场化、产业化、规模化的低碳建筑设计思维转变提供借鉴。