贝丁顿零碳生态社区可持续设计理念及策略

■ 王舒媛 WANG Shuyuan 周静敏 ZHOU Jingmin

2021 年9 月，我国在联合国大会上宣布提升应对气候变化国家自主贡献，力争2030 年实现碳排放达峰，2060 年前实现碳中和。同年10月，发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，对具体目标和工作进行部署。“双碳”目标的提出，对各类产业转型升级提出了根本性的要求，要更坚定地走向绿色、低碳、循环、高质量的发展之路。

当前中国人均碳排放7 t 多，超过世界人均的4.75 t，其中，城市作为碳排放主体，在建筑、交通和市政等方面占有很大比重，也成为减碳的主要着力点之一。我国在快速城镇化发展过程中，建材的生产、运输以及使用产生大量碳排放，同时，建筑本身能耗高，且由于缺乏全生命周期的考量不得不反复拆建，以及当前化石能源供能的交通模式向城市释放了大量的CO2和PM2.5，而人们长期以来的生活习惯也会无形中带来资源的浪费（如水电资源、食物等）。因此，减碳需要从能源结构、建筑模式、治理方式、生活方式等多角度入手，是一个长期而系统的工程。当前领域内对城市公共系统规划、绿色建筑、海绵城市等方面已经进行了一定的研究与尝试，但多集中于单项技术层面。

英国作为世界上第一个设立碳排放管理规划的国家，在2003 年发布了《我们能源的未来：创建低碳经济》白皮书，并致力于实现2050 年建立低碳经济国家的目标[1]。而在此之前，英国贝丁顿零碳生态社区就已经作为实践先驱提供了一系列先锋性的理念和技术探索，它以社区为基本单元，不仅是对绿色技术的开创和运用，而且还从碳排放的各个环节寻找对策，从开端优化能源选择与利用方式，在过程中降低能耗，加强资源循环利用，在末端控制碳排放，并且项目后期仍然在做长期的监测，最终勾画的是一个可自给自足并且未来期望正向产能的社区生态系统。下文将从能源供应、被动式设计、节能与降低碳排放、资源节约及循环利用几方面，剖析贝丁顿零碳生态社区的设计理念及策略，及其后续的发展，期望为未来中国城市的生态发展提供思考与借鉴。

1 项目概况

贝丁顿零碳开发项目（the Beddington Zero (fossil) Energy Development，简 称BedZED）是英国伦敦南部萨顿区开发的零碳生态住区项目，建于一块棕地（brown field site）之上，由英国著名的低碳建筑设计师比尔·邓斯特（Bill Dunster）设计，英国最大的住房协会之一皮博迪信托公司（the UK’s Peabody Trust）和机构BioRegional Development 联合开发，工程顾问机构奥雅纳（Arup）一同参与工程设计，2000 年开始施工，2002 年完工并分阶段投入使用，是英国最大的低碳可持续发展社区，也是世界上最早的零碳生态社区探索实践，于2000年7 月获得了英国皇家建筑师学会（RIBA）住宅设计大奖优胜奖。

该项目共有99 套混合使用权住宅，包括50%待售住房、25%的核心工人共享所有权住房以及25%的社会住宅供出租。住区采用高密度布局方式，每公顷100 户住宅（不包括运动场），以提供连贯的社区空间和集约的交通，并减少对绿地的占用，同时，也保证了建筑体量和布局可以满足太阳能使用要求。在公共空间方面，住区设置有步行的“生活街道”、小村庄广场、运动场、社区中心，还有可供居民租来种地的小块园地（allotments）（图1、2）。

图1 BedZED 外观

图2 BedZED 总平面图

2 项目缘起与设计理念

当前以化石能源为主的消耗方式，对能源的转换效率低，并且在供能的过程中还会产生大量的碳排放，这使得人类社会对能源的消耗入不敷出，而建筑作为自然资源的最大消耗者和垃圾的产生者之一，建筑全生命周期中，所有材料的采购、加工、运输、使用中的副产品、回收再利用的可能性等均会影响到生态环境。

在此背景下，设计师比尔·邓斯特在BedZED 项目之前就开始探索城市中的可持续发展方案，并在他的自宅“希望之家”中探索了零能源的实施手法，BedZED 项目为他提供了一个更大规模的实践机会，去进一步展望城市可持续生活方式。同时，英国一家致力于将可持续业务带入市场的机构BioRegional Development 的想法与邓斯特不谋而合，他们意识到该项目的潜力，从世界野生动物基金会（WWF）获取基金，并展开与皮博迪公司的合作，皮博迪公司作为BedZED 的开发商，拥有约150 年的历史，管理着近2 000 套房屋，拥有着前瞻性的眼光。他们将地点选在伦敦萨顿区的一块土地，在当地教会的支持下，与当地社区进行了广泛协商，最终在1999 年项目获批，在2002 年迎来了它的第一批居民。

该项目旨在创造一个可以自给自足的碳中和社区（图3），项目中采用了太阳能、生物质等综合供能方法，以及建筑隔热、热回收风罩、天然采光等被动式设计，与周边普通小区相比，可节约81%的供热能耗以及45%的电力消耗[2]，同时，还鼓励了一种可持续的生活方式（如水资源利用、减少食物浪费等），提供了更加绿色的城市治理和基础设施设计策略。这向大众展现了一个先锋前沿的零碳社区建造模式及其市场需求，不仅为城市可持续建设提供了可能的发展路径，也推动了相关理念、标准规范，以及实践的发展。

图3 BedZED 可持续设计要点图示

3 设计策略

3.1 零碳能源供应

BedZED 开发了一种技术来评估和匹配可再生能源与能源需求，即“能源分级”（energy grading）技术[3]，例举可利用的能源清单，并根据其与最终需求的匹配程度进行排序，包括考虑能源利用的可实施性。目的在于尽可能选取最匹配需求的能源形式，实现包括能源利用效率、成本效益、可操作性、环境影响等在内的最佳平衡。

为了实现最优的能源供应方案，BedZED 也经历了不断的尝试，最开始BedZED 的电力供应80%来自国家电网，热水则由备用天然气冷凝锅炉供应。遵循BedZED 最早家庭能源自主的理念，项目需要寻求更加具有成本效益的供能方式，项目又尝试利用当地的生物燃料进行生物质发电，即生物质热电联产（Bio-fuelled combined heat and power，CHP），将生物质转化为可用于发电供热的能源（图4）。当地废弃的树木成为理想的燃料来源，项目建立了一个小型的CHP 装置，利用专门的气化器系统（gasifier system）将这些树木的木屑转化为适合为CHP 点燃式发动机（spark ignition engine）提供燃料的木炭气（wood-gas），尽管小型CHP 的建立仍旧存在一些成本问题和技术难点，但其采用地方性可回收生物资源的想法和实施方案确实有利于推进相关技术的研究和应用。

图4 CHP 装置工作示意图

同时，BedZED 建筑物外围护上的光伏面板也可提供高达20%的电力，并且作为供给城市电动汽车的电力来源，让项目成为可再生能源的转换者。相比化石能源供能，电动汽车在供能效率和减少碳排放及空气污染方面具有更好的表现，也具有更高的成本效益，这为建筑成为城市正向产能者提供了发展思路。

3.2 被动式设计

要实现社区的零碳运行，仅仅尝试新的能源利用方式远远不够。对于一个社区体量而言，当前采用光伏的成本，以及构建一定规模CHP 装置的技术难度仍会给零碳实施带来种种困难，因此，降低建筑能耗就成为目前可实践且收益较高的方案之一。贝丁顿零碳社区采取了多种建筑被动式设计方式。

首先，是合理布置建筑朝向，并通过功能混合来达到太阳能利用的最大化。例如，项目在最初住宅设计时工作和居住功能混合。工作空间北向设置，因其具有潜在的高使用频率和办公机器热增益，有时会产生过高的室温并可能需要机械降温，以最大限度利用太阳能增益，减少白天对人工照明的需求；居住空间因为使用密度和内部热量获取较少，可以朝南以获取更多的太阳能热补充。同时，南侧屋顶设计倾斜30°采光（图5），保证建筑高密度布局下的冬季采暖。此外，倾斜的屋顶体量挖缺形成生机盎然的家庭花园。一方面，为居住者提供向阳的温暖晒台；另一方面，覆盖屋顶的植物也可以减少室内热量的散失（图6）。

图5 屋面倾斜角度的采光

图6 BedZED 屋顶花园

其次，传统的房间供暖和制冷会产生大量的碳排放，并且能源利用效率不高。BedZED 通过合理使用高热容量、低热传导的围护材料，以保证房间的热工性能，减少供暖、制冷的能源需求。例如，使用300 mm 厚的岩棉（具有较好的热绝缘性能）、低U 值（即热导系数）的高质量双层和三层玻璃木框窗、保温性能好的致密混凝土砌块等，以减少热量损失（图7）。

图7 密闭、厚实的外围护减少室内热量损耗

更加热密闭的围护结构也意味着需要合理控制通风，以提供新鲜空气、去除厨房和浴室中的冷凝水、厕所气味和厨房油烟，并在此过程中尽量减少热损耗。尤其是冬季，当引入外部新鲜空气的同时，也需要为每个房间补充供暖，为此，BedZED 开发了风罩系统（图8），也就是屋顶凸起可见的管道，利用风压输送新鲜空气，排出被污染的空气，并且，空气进出管道间的塑料薄膜可以实现热量交换，从废气中回收热量，对新鲜空气加热，减少对机械供暖的依赖。

图8 屋顶的光伏太阳能板及热回收风罩

3.3 节能及降低碳排放

从建筑本身进行能耗控制是减碳的一个方面，而建立一种绿色的生活方式则会产生长远的环境保护效益。BedZED 也考虑了如何通过设计去引导一种低碳的生活。其中，城市交通是影响碳排放的重要部分。提倡电动汽车的使用，并通过建筑立面和屋顶的光伏供能是策略之一，此外，项目还积极地倡导其他的绿色交通方式，并试图通过设计使人们建立起一种新的交通习惯，例如：①减少停车位；② 提供免费的电动汽车充电站点；③优先考虑行人和骑自行车者的道路设置或家庭区布局（图9）；④考虑与公共交通站点的联系（项目对面即有一个巴士站，出门即可到达两个火车站及电车站）；⑤提供充足且安全的自行车停车空间。诸如此类的策略确实在一定程度上改变了BedZED 居民对交通的态度，虽然项目后续的回访显示，需要进行更深层次的改变才能够实现全面的低碳出行目标，但也开阔了思路，获得了人们对此的态度及后续的改善方式。交通的便利性依旧是人们出行首要考虑的因素，而让人们更加深刻地意识到交通方式对碳排放、对环境的影响，及与自身的行为产生联系仍旧是需要探索的方面。

图9 BedZED 步行区和自行车停车场

此外，还有建筑设计中的引导，项目利用了一些细节设计去引导居民的节能行为。例如，采用浅色的装饰提升房间的亮度（图10、11），从而减少对电能的需求。同时，在厨房等地设置居民可见的智能电表（图12、13），居民可以非常清晰地了解家中电能的使用量，从而减少对电能的浪费。

图10 BedZED 室内餐厅

图12 BedZED 室内厨房

图13 户内居民可见的电表

3.4 资源节约及循环利用

除了以上的措施外，BedZED同样的也关注到了包括水资源（图14）、建材和废物的回收利用以及食物资源节约等方面。

图14 BedZED 的水处理系统示意图

在水资源方面，清洁水资源的供给、运输，污水的排放、处理等，都需要消耗大量资源。同时，伦敦南部有两个水问题：由于排水系统缺乏能力而导致的洪水，以及由于人均降雨量少、人均用水量高而导致的供水不足。这凸显了水资源管理的重要性。最初的管理策略[4]包括使用节水器具，例如，水龙头调节器、欧盟“A”级的用水器具、低位抽水马桶或双冲水马桶；安装外露式的水表，让住户了解自家的用水并对此负责；安装雨水收集系统（RWH），将建筑屋顶多余的水排入地下水箱，以供应厕所冲水和公寓的“空中花园”用水，并减少地表径流对当地水文的影响；在BedZED 服务大楼中安装“活机器”（Living Machine）进行污水处理，供应厕所冲水、景观灌溉用水，并将达到标准的“生态水”（green water）回收，后期对这个生态现场污水处理系统也进行了一系列的技术尝试和升级。后续的监测结果表明，居民每天的自来水消耗量低于伦敦平均水平的58%，证明了节水策略的有效性。此外，项目还采用了可持续城市排水系统（sustainable drainage system，SUDS），包括采用渗透性高的硬质地面、可以清洁污染物的过滤介质以及保水功能强的地面材料，提升地面吸水、蓄水、渗水、净水性能，以减轻当地洪水影响。

而在建材及废物的处理方面，建材在加工、运输、现场建造的过程中会产生大量的建筑垃圾，并影响到周边环境。BedZED 的策略即是尽可能使用当地的、可再利用的建筑材料（例如使用可再利用的结构钢、森林管理委员会认证的再生木材等），减少运输成本和环境影响（图15、16），以及及时分类回收现场的建筑垃圾。对于生活垃圾的处理，因为其大量且分散的特点，现场处理或者集中回收都存在困难，项目则利用每个家庭的隔离垃圾箱以及回收箱进行垃圾的回收（图17），再由地方当局的回收服务进行回收，这种方法实施的关键在于社区倡议以及相关的社交平台及组织团体的正面影响。

图15 回收木材用于建造

图16 BedZED 开放屋中展陈的各类材料

图17 水槽下方的隔离回收箱

在食物方面，BedZED 采取了一些简单的措施和倡导，希望让人们更好地关注食物选取及节约。例如，为了减少食物浪费，倡导居民培养好的购物习惯和烹饪技巧；鼓励人们从零开始做更多的食物，而不是购买高度加工的即食食品；多吃当地的时令有机农产品等。同时，为了推广这样的生活方式，项目在社区内开设了多功能市场，每周一、周日开放农产品售卖，周一、周二和周五的午餐时间经营咖啡馆，为当地居民提供健康的餐点，BedZED 也提供了种植园地（图18），可分配给各个家庭自行种植，这样可以为居民提供便利的时令蔬菜，有利于形成健康的低肉饮食习惯。

图18 BedZED 种植园地

4 贝丁顿零碳理念的发展

工程结束但项目仍在推进，BedZED 后期也在持续监测居民生活及技术使用的适应性，并从中得到经验教训。相关文献表明[5]，BedZED居民将他们的生态足迹（Ecological Footprint，指能够持续地提供资源或消纳废物的、具有生物生产力的地域空间）减少了43%，直观地表明了项目对减少碳排放所做的贡献。此后，零碳设计的理念在不断的实践中应用和发展，原先设计贝丁顿的Bill Dunster Achitects 发展为ZEDfactory，成为零碳设计和开发领域的领导者，并在英国和全球范围内进行零碳建筑的设计实践，其实践的范围也逐渐向更多元的建筑类型铺展，包括住宅、混合开发项目，还有公共建筑和办公建筑等。

2021 年6 月，ZEDfactory 在 天津首届中国建筑科学大会暨绿色智慧建筑博览会（GIB）上展出的零碳小屋（图19），浓缩并发展了自贝丁顿生态社区以来的关键设计理念。ZEDfactory 在零碳小屋中采用了预制装配的方式，在180 m2的展位上搭建了一个可移动模块化建筑单体，并在其中展示了建筑如何成为零能源、零碳的完整系统。其中，最根本的是降低建筑自身能源消耗，并且仅利用自身生产的清洁能源供给实现整体建筑供能。包括围护结构采用保温、透气等性能优秀的材料减少建筑内热量散失，并通过热回收通风系统达到80%以上的热量回收，应用太阳能光伏板、可移动太阳能充电电池、无水干式堆肥厕所（图20）、灰水处理装置等实现清洁能源利用。展会后，这栋可移动的建筑被赠予河南辉县孟庄镇作为零碳书屋，可作为零碳体验馆，为当地小朋友提供寓教于乐的空间，充分发挥了其全生命周期的可持续理念。

图19 ZEDfactory 零碳小屋

图20 无水干式堆肥厕所

5 结语

贝丁顿生态社区作为零碳生态社区理念的开创者及实践先驱，在零碳能源供应、被动式设计、节能与降低碳排放、资源节约及循环利用等几个方面，都提出了在当时具有先进性，并且在现今仍不断发展并被广泛传播的理念及技术成果，对我国城市可持续建设具有积极的参考意义。

在零碳能源供应方面，项目积极尝试利用太阳能、当地废弃植物供能，并不断探索低成本、高效的能源利用方法；在被动式设计方面，充分考虑地域和建筑功能特征，采用适宜的布局方式，选取当地生态的材料和建造方法，并积极创新，开发了新的通风系统，解决了冬季通风热量损耗问题，在设计阶段即最大程度地降低了建筑能耗；在节能与降低碳排放方面，采取设计手段引导居民的节能行为；在资源节约及循环利用方面，从水资源、食物资源、建材及废品的回收利用方面给出了有效的策略。

我国经历了高度压缩的城市化进程，在观念、技术、管理等各方面都需要寻找适应性的方法，BedZED 的经验表明，资本合作、绿色生活方式及社区观念是保证可持续发展的基础之一；技术的运用则无法脱开成本考量，且与工人的技术专业度高度相关，如果要形成持续的发展，更需要行业规范的变革及相应产业链的供应；同时，可持续社区的实现也需要持续的努力，以适应不断变化的文化观念与生活方式。