虞志淳

0 引 言

英國在低碳建筑領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，伴隨著完善的法規(guī)體系的約束和有效減排技術(shù)的支撐，英國低碳建筑常態(tài)化發(fā)展，已經(jīng)成為建筑日常。低碳建筑延續(xù)節(jié)能、低能耗建筑技術(shù)，同時以降低建筑全壽命周期的碳排放為目標，在概念上與操作上比生態(tài)建筑、綠色建筑等概念更明確、具體，成為當前全球建筑業(yè)的重要發(fā)展方向。探析英國低碳建筑的發(fā)展過程及其特征，將對我國建筑的可持續(xù)發(fā)展具有借鑒與促進作用。

1 發(fā)展歷程

回溯英國低碳建筑，其源頭是生態(tài)可持續(xù)性建筑的研究與發(fā)展，從模仿自然的“綠色精神”[1]開始，跟隨世界低能耗建筑潮流發(fā)展，逐漸形成高技術(shù)綠色建筑、生態(tài)建筑的格局，零能耗建筑、生態(tài)村等相繼出現(xiàn)。隨著全球氣候問題的突出，碳排放成為關(guān)注的焦點，進入21世紀后，低碳建筑成為研究熱點。

1.1 早期發(fā)展

19世紀中期以拉斯金為代表的“綠色精神”，其建筑觀點打破當時的古典折衷主義，崇尚自然，在形式上模仿植物形態(tài)。以威廉·莫里斯為代表的工藝美術(shù)運動也受到了拉斯金的影響，其代表作紅屋（Red House）的設計推崇手工藝，學習、模仿自然，與傳統(tǒng)古典主義建筑分野。早期綠色精神尚未形成基于生態(tài)、可持續(xù)的科學觀點與技術(shù)路線，但是打破傳統(tǒng)建筑制約，追求自然的設計成為開啟建筑生態(tài)性探索的萌芽。

現(xiàn)代意義的英國可持續(xù)建筑發(fā)展始于20世紀六七十年代，1971年劍橋大學的亞歷山大·派克（Alexander Pike）開始自維持住宅（Autonomous House）的研究，通過建筑自我供給減少外部能源的消耗，該理論的發(fā)展對歐洲綠色住宅提供了理論依據(jù)。在能源危機影響下，米爾頓·凱恩斯市（Milton Keynes）建造了一批低能耗住宅。1991年亞歷山大·派克的學生威爾夫婦（Brenda Vale and Robert Vale）出版的經(jīng)典著作《綠色建筑：為可持續(xù)發(fā)展的未來而設計》（Green Architecture: Design for A Sustainable Future）提出綠色建筑六原則：節(jié)約能源、設計結(jié)合氣候、材料再利用、尊重使用者、尊重場地、整體設計觀等。此后在上述理論的影響下，出現(xiàn)了大量的優(yōu)秀綠色建筑作品，如蒙特福特大學的女王樓（Queen Building，University of DeMontford）、諾丁漢大學朱比麗校園（Jubilee Campus, University of Nottingham）和班尼特事務所（Bennets Associates）設計的威斯塞斯水資源總部（Wessex Water Headquarter），以及威爾夫婦設計的豪其頓生態(tài)住宅（Hockerton Housing）等。這一時期的綠色建筑注重自然通風組織，利用可再生的太陽能與雨水資源，通過被動式設計策略實現(xiàn)建筑的可持續(xù)性。

1.2 低碳建筑

進入21世紀以后，英國綠色建筑更注重新材料與新技術(shù)的運用，高技派生態(tài)建筑不斷創(chuàng)新，如諾曼·福斯特（Norman Foster）設計的倫敦市政廳（London City Hall），尼古拉斯·格雷姆肖（Nicholas Grimshaw）設計的伊甸園項目（Eden Project）等，建筑形態(tài)自由，運用高新技術(shù)、新材料大幅降低能耗，提升建筑性能。通過可再生能源利用，以先進的結(jié)構(gòu)、設備、材料和工藝建立高效圍護結(jié)構(gòu)和暖通系統(tǒng)，創(chuàng)造促進建筑節(jié)能和優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的微氣候、亞生態(tài)系統(tǒng)。

2002年著名的貝丁頓零能耗發(fā)展項目（BedZED）建成，此后生態(tài)村、生態(tài)社區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)，如2015年建成的布里斯托（Bristol）哈漢姆（Hanham Hall）、2019年竣工的約克（York）德文索普（Derwenthorpe）以及藍圖建筑事務所（Blueprint）在諾丁漢設計的多處生態(tài)住宅與住區(qū)等。

21世紀以來研究重心由綠色建筑與生態(tài)建筑轉(zhuǎn)向低碳建筑，低碳建筑更具針對性和操作性，著重于建筑全生命周期的CO2排量的降低，以降低建筑對氣候的影響。2003年英國政府提出低碳經(jīng)濟理念，將通過各種技術(shù)提高建筑能效、實現(xiàn)碳排放量顯著減少的建筑定性為低碳建筑，以及零碳建筑[2]。2006年啟動低碳建筑計劃（Low Carbon Building Programme, LCBP），在資金和政策上支持低碳建筑的發(fā)展，2011年將其改為可再生能源計劃（renewable heat incentive）[3]?！?009年降低碳排放白皮書》（DFID’s White Paper 2009）[4]主張減碳促增長，當前低碳建筑、生態(tài)住區(qū)在英國已成為新公共建筑和住宅項目的主流。2016年《巴黎協(xié)定》生效，通過減少CO2排放改善氣候變化，低碳建筑成為全球共識。

值得一提的是為了實現(xiàn)在住宅使用過程中的節(jié)能和CO2減排目標，建筑師通過設計倡導一種低資源消耗的生活模式[5]，不僅是低碳技術(shù)的支持，還有生活方式與低碳理念的推廣，低碳、零碳的建筑形式與生活方式成為一種“新常態(tài)”[6]，全方位推進低碳建筑的普及。低碳生活理念與高技術(shù)路線可劃分成為低技與高技兩大發(fā)展方向，比如以蓋婭基金會推動下的生態(tài)村全球性運動，體現(xiàn)健康低碳、生態(tài)環(huán)保的理念，因地制宜，有低技術(shù)發(fā)展的部分；而英國近期建成的低碳建筑、生態(tài)社區(qū)則大多數(shù)受高技術(shù)影響，運用高新技術(shù)與材料。但是隨著低碳建筑的發(fā)展，關(guān)注行為習慣與生活方式對能耗的作用，“低技”與“高技”的結(jié)合也成為可能，哈漢姆與德文索普都通過生態(tài)社區(qū)建設探索低碳生活與低碳建筑技術(shù)的雙贏。

2 相關(guān)法規(guī)體系

有效的法律法規(guī)體系是保障建筑實施的重要屏障，英國的建筑法規(guī)體系完善，健全的法規(guī)體系有效的監(jiān)管并促成了低碳建筑在英國的普及。并且低碳建筑技術(shù)的應用也有賴于相關(guān)法規(guī)的大力推廣。

英國建筑法規(guī)體系分為4個層級[7]：法律（act）、條例（regulation）、技術(shù)準則（approved document）和標準（standards）；或法律（國會和地方議會頒布）、法規(guī)（社區(qū)和地方政府制定）和標準（國家標準制定管理機構(gòu)）3個層級[8]。建筑法律制定了目標，具有最高法律效力，條例規(guī)定了功能性要求，標準提供了可選擇的實現(xiàn)方法，技術(shù)準則建立了法規(guī)（法律、條例）和標準的橋梁，形成完整的建筑法律體系[9-10]。英國建筑法規(guī)在城鄉(xiāng)無差別實施[11-12]，故而低碳建筑在英國是沒有城鄉(xiāng)差異的，這一點與我國國情不同，統(tǒng)一貫徹的法律法規(guī)有力保證了建筑的品質(zhì)。

1965年開始陸續(xù)出臺建筑節(jié)能相關(guān)的條例和標準，低能耗、低碳、生態(tài)可持續(xù)成為一種建筑日常滲透到該領(lǐng)域的方方面面。1990年全世界第一個綠色建筑評估體系— —建筑研究所環(huán)境評估方法（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，簡稱 BREEAM）[13-14]，由英國建筑研究院（BRE）成功開發(fā)，當前BREEAM 已形成了比較完善的綠色建筑評估體系，遍布70多個國家，超過590萬棟建筑通過認證。

2006年12月英國政府公布可持續(xù)住宅標準（Code for Sustainable Homes, CSH）[15-16]，提出“2016年所有新建居住建筑實現(xiàn)零碳排放”。對居住建筑減少CO2排放規(guī)定了時間表：以2006年的排放量為基準，到2010年減少25%，到2013年減少44% ，到2016年減少100%，即所有新建住宅都要達到零碳排放、CSH 6級（最高級）標準。自2007年以來，已有超過15萬戶住宅通過CSH認證[17]，其中超過10萬戶為CSH3級。

2008年英國議會通過了《氣候變化法案》（Climate Change Act, CCA）[18]，這是全球第一個確定溫室氣體減排目標的法案，承諾到2020年CO2排放量減少在1990年基礎上的34%，2050年減排80%。同年，英國城鄉(xiāng)規(guī)劃協(xié)會（TCPA）出版《社區(qū)能源：城市規(guī)劃對低碳未來的應對導引》（Community Energy：Urban Planning For A Low Carbon Future）[19]，從區(qū)域、次區(qū)域、地區(qū)三個層面構(gòu)建社區(qū)可持續(xù)能源發(fā)展的框架，實現(xiàn)社區(qū)層面的可持續(xù)發(fā)展。2010年4月開始實施“減少碳排放承諾（Carbon Reduction Commitment，CRC）”制度，該制度從排放總量減少比例和單位銷售額排放量減少比例評價減少的CO2，對排放的努力程度進行排名與公示。英國皇家建筑師協(xié)會（the Royal Institute of British Architects，RIBA）于2014 年發(fā)布《建筑師應對氣候變化指導手冊》[20]，其中一項重要的氣候變化應對策略即為低碳建筑設計模式研究，強調(diào)低碳建筑設計對氣候變化的減緩作用[21]。

居住建筑是各建筑類型中面廣而量大的群體，在2016年新建居住建筑實現(xiàn)零碳排放后，進一步擴展零碳標準實施范圍，規(guī)定2019年新商業(yè)建筑也實現(xiàn)了零碳排放。而其他公共建筑，由于其重要的社會影響，在CSH頒布之前已經(jīng)率先使用各項節(jié)能高新技術(shù)，引領(lǐng)建筑低碳發(fā)展。至此，英國低碳建筑已經(jīng)完成新建筑普及，即將邁入更深層次的發(fā)展階段?？傊斍坝吞冀ㄖ嚓P(guān)法律法規(guī)體系健全，從評估體系到指導手冊，保障了節(jié)能減排技術(shù)與低碳建筑的貫徹實施。

3 低碳建筑關(guān)鍵技術(shù)

英國屬溫帶海洋性氣候，地處北緯51°00′—52°3′，雖緯度較高，但由于受海洋性氣候影響全年氣候溫和，季節(jié)差異小，濕潤多雨。受盛行西風控制，且無高山阻隔，四面環(huán)海，終年風速強勁。整體氣候類型相當于我國寒冷氣候區(qū)，所以在技術(shù)選擇上也同樣是以保溫為主的被動式技術(shù)應用，同時也具有其獨特性。重視圍護結(jié)構(gòu)保溫與風能利用，就是從本土氣候出發(fā)具有特色而兼具地域性與技術(shù)性的技術(shù)選擇。

3.1 圍護結(jié)構(gòu)設計

英國十分重視建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫設計，廣泛運用新材料與新技術(shù)，墻體、屋頂采用復合保溫，與多層保溫門窗一起形成完整的外圍護結(jié)構(gòu)保溫體系。一般居住建筑外墻普遍使用夾心保溫，外側(cè)以當?shù)卮u石材料砌筑，中間為聚苯板等保溫材料，內(nèi)層為水泥磚、混凝土砌塊，墻體厚度在300～400 mm（圖1）。以零排放、低碳甚至是零碳標準建設的新住宅更注重維護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，采用更高性能的保溫措施。例如在倫敦貝丁頓，住宅屋頂設有300 mm厚泡沫聚苯乙烯，墻體300 mm厚礦棉，窗為填充氬氣的3層玻璃窗[22]。當前較為先進的保溫材料[23]主要有：封閉泡沫板（closed cell foam）、真空保溫板（vip）、氣體填充板（gas filled panel），氣凝膠（aerogel）和相變材料（phase change materials）等。良好的保溫明顯帶來冬季能源消耗的降低，但也出現(xiàn)由于氣密性絕佳帶來的夏季通風不暢、室內(nèi)過熱的問題，同時也帶來建筑造價的攀升。但總體上來看，英國冬季時間長、氣候寒冷，圍護結(jié)構(gòu)尤其是外墻的保溫設計依然是低碳建筑的重要組成部分，以被動式技術(shù)為主體，系統(tǒng)化、復合化、多層次的外墻保溫是當前英國低碳建筑的重要技術(shù)選擇。

圖1 兩處施工中的建筑外墻及其夾心保溫構(gòu)造Fig 1 the exterior wall of the building under construction and the sandwich insulation constructure

圍護結(jié)構(gòu)中門窗是保溫隔熱的薄弱環(huán)節(jié)，故而低碳建筑設計非常重視門窗及相關(guān)構(gòu)件的整體設計。因為氣候寒冷，英國建筑開窗面積一般較小（如諾丁漢生態(tài)住宅，圖2a），但是在權(quán)衡采光與保溫之下，哈漢姆和德文索普的主要居室的窗有意識增大，提升居住舒適度獲得住戶一致好評[24]。哈漢姆設計了標志性的木格柵遮陽架，在門窗遮陽的同時創(chuàng)造出入口、陽臺過渡空間，也是提升圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能的有效措施（圖2b）。貝丁頓在三層窗之外，還設計了南向的陽光間，部分窗玻璃為PV板利用太陽能（圖2a）。英國低碳建筑其門窗在材質(zhì)與設計上體現(xiàn)了高度工業(yè)化，密閉性好，高效保溫。圍護構(gòu)件結(jié)合空間設計，外墻、門窗與屋頂?shù)葮?gòu)件在性能上達成保溫、隔熱、通風、采光，并以圍護結(jié)構(gòu)保溫為主體實現(xiàn)空間、功能與性能的整合設計，新建筑的低碳建筑外觀更是呈現(xiàn)出多樣化建筑表達（圖2c）。

圖2 英國低碳建筑Fig 2 the UK low-carbon architecture

3.2 太陽能光伏發(fā)電

歐美發(fā)達國家太陽能光伏PV（Photovoltaic）發(fā)電技術(shù)在20世紀90年代起逐漸普及，英國新建筑也廣泛應用，從起步的綠色建筑范例到當前的一般住宅都可以看到PV板的身影。雖然英國緯度較高，并不屬太陽能資源富集地區(qū)，但在政府大力支持下，太陽能光伏發(fā)電發(fā)展迅猛，尤其在居住建筑中大量普遍應用。南安普頓大學白海杰（Bahaj）教授團隊設計的哈萬特（Havant）生態(tài)住宅，每個住戶都安裝了光伏PV板，政府和住戶簽訂“差價合約”，回購所產(chǎn)電力讓利于住戶[25]，住戶在10—15年可以收回初裝成本，其后10—15年可獲利。積極的政策極大推動了光伏的普及，PV板在社會住宅（類似于我國廉租房）、聯(lián)排別墅、集合住宅等均得到廣泛應用，成為新建筑的基本配置。從著名的倫敦貝丁頓零能耗生態(tài)住區(qū)，低碳建筑新代表金斯潘住宅（the Kingspan Lighthouse），到英國南部普通小鎮(zhèn)伊斯特利（Eastleigh）的住宅，均在建筑向陽屋頂設置了光伏PV板（圖3），PV板已經(jīng)成為低碳建筑的基本配置。

圖3 金斯潘住宅、哈萬特生態(tài)住宅和伊斯特利小鎮(zhèn)住宅F(xiàn)ig 3 the Kingspan Lighthouse, Havant Eco House and Eastleigh Town House

光伏發(fā)電也將建筑從單一的用能、被動式太陽能利用轉(zhuǎn)向產(chǎn)能發(fā)電的主動式建筑，同時采用控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主動適應不同季節(jié)氣候的變化，建筑也將成為能源制造的場所。英國低碳建筑跟隨時代技術(shù)進步，由被動式建筑向主動式建筑轉(zhuǎn)變。

3.3 建筑通風與風能利用

在20世紀90年代的代表性綠色建筑中，自然通風系統(tǒng)的運用成為一大特色，體現(xiàn)了被動式建筑整合設計思想。英國風能優(yōu)勢被發(fā)掘出來，通過風塔抽拔空氣，實現(xiàn)大進深建筑的自然通風，具有日常運行的經(jīng)濟性和舒適性，高聳的通風塔成為這個時期綠色建筑的獨特標志。德蒙福特大學的女王大樓是運用通風塔實現(xiàn)自然通風的典型案例，將大體量建筑劃分成多個狹長體塊，利用煙囪效應促進自然通風，實現(xiàn)低能耗下的室內(nèi)熱舒適。還有英國建筑師邁克爾·霍普金斯（Michael Hopkins）設計的諾丁漢稅務中心（Inland Revenue Center）（圖4）運用太陽能通風煙囪促進自然通風，將建筑進深控制在13.6 m以內(nèi)，在入口和樓梯間設置頂帽可以升降的圓柱形玻璃通風塔，這些通風塔吸收太陽能量，加熱塔內(nèi)空氣，形成煙囪效應，帶動各樓層空氣的自然流通和循環(huán)。再如英國建筑研究院環(huán)境樓、諾丁漢大學朱比麗校園、考文垂大學圖書館高聳的通風煙囪（圖4）、倫敦貝丁頓建筑頂部彩色風帽（圖2）、金斯潘住宅的風斗（圖3），既有通風效用，又成為獨特的標志性符號。然而隨著被動式建筑技術(shù)向主動式轉(zhuǎn)變，自然通風由符號化的風塔、風帽向根據(jù)氣候自動調(diào)節(jié)的通風系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，弱化形式制約，風塔成為英國低碳建筑發(fā)展進程中的一個時代印記。

圖4 自然通風：諾丁漢稅務中心、諾丁漢大學朱比麗校園和考文垂大學圖書館Fig 4 natural ventilation: Nottingham Inland Revenue Center, Jubilee Campus of the University of Nottingham,and Coventry University Library

圖5 建筑以及風力發(fā)電裝置Fig 5 buildings and wind power plants

英國四面環(huán)海，風力強勁，具有風力發(fā)電的優(yōu)勢，極其重視風力的開發(fā)與利用，2018年全國約20%的電力為風力發(fā)電，全球約半數(shù)的海上風力發(fā)電在英國。在牧區(qū)、曠野形成了很多太陽能牧場（Solar farm）和風能電廠（Wind farm），英吉利海峽等海面均可見風力發(fā)電渦輪的身影。建筑中也有設置微型風力發(fā)電裝置的嘗試，但由于噪聲、振動較大，住戶接受度不高，實際發(fā)電效果不佳，應用并不普及（圖5），但是風能利用一直是英國低碳建筑具有特色的部分。

3.4 技術(shù)應用審視

減少對氣候的影響，降低碳排放與能源消耗是低碳建筑首要目標，也是當前城市發(fā)展的需求[26]。英國低碳技術(shù)的選擇首先從自身氣候條件與自然資源出發(fā)，重視圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能提升，在墻體、門窗的材料選材與形態(tài)上重點設計，體現(xiàn)本土特色與地域特征；由于新材料、新技術(shù)的植入，在磚石傳統(tǒng)之外探索新的形式與空間表達，這是非常值得借鑒的設計方法。再者，太陽能光伏與風能的運用，顯示出英國對于可再生能源利用的積極態(tài)度，這也是值得推崇的技術(shù)選擇。重視新材料與新技術(shù)應用，從被動式建筑逐漸向主動式建筑發(fā)展，技術(shù)上的不斷推陳出新令人贊賞。

然而隨著建筑節(jié)能要求的不斷提高，對于低碳技術(shù)的依賴越來越大，技術(shù)投資成本與設備使用要求也越來越高。過度技術(shù)依賴使實際節(jié)能效果不盡人意，如設備使用、住戶操作等帶來能源消耗的不確定性[27]。在約克市德文索普生態(tài)社區(qū)，住戶不能熟練掌握復雜而脆弱的各項采暖、采光、通風、垃圾、水等系統(tǒng)的操作方法[27]，導致部分設備損壞和設施閑置。住戶使用行為、生活習慣都成為影響低碳建筑表現(xiàn)的因素。此外，部分設計先進的高技術(shù)建筑，如倫敦市政廳的能耗僅和普通辦公建筑持平，并沒有達到設計預期的低能耗水平。受經(jīng)濟性、操作難度、運行穩(wěn)定性等因素影響，對高投入、高技術(shù)、高標準的依賴不能解決所有問題。尋找適宜技術(shù)，尋求簡單易行、經(jīng)濟適用的低碳建筑技術(shù)同樣具有現(xiàn)實意義。中國的低碳建筑發(fā)展，在技術(shù)上必然逐步提升，但在技術(shù)選擇上可以避免上述問題，主、被動式技術(shù)相結(jié)合，結(jié)合地域性與技術(shù)應用，適宜技術(shù)將成為重要的技術(shù)選擇。

4 結(jié)語

低碳建筑策略作為共識已經(jīng)深入到城鄉(xiāng)建設領(lǐng)域，從法律法規(guī)的約束到層面技術(shù)的支撐，英國低碳建筑獲得了全面的貫徹，實現(xiàn)常態(tài)化發(fā)展。法規(guī)是主導與促進力量，技術(shù)是支持與建筑實施，二者缺一不可、互為促進。獨特的島國氣候，在法規(guī)與技術(shù)的共同作用下，輔以深入人心的低碳生活理念，英國低碳建筑獨具特色，務實、有效，兼具地域性與技術(shù)性。其完善、城鄉(xiāng)一體的法律法規(guī)體系，利用地域優(yōu)勢資源風能和可持續(xù)能源太陽能，從地域氣候出發(fā)著重圍護結(jié)構(gòu)保溫等方面值得借鑒。結(jié)合我國低碳建筑發(fā)展實際，當前我國在法規(guī)體系方面日臻完善，城市建筑法規(guī)發(fā)展良好，農(nóng)村建筑法律法規(guī)有待發(fā)展；在技術(shù)方面可以實現(xiàn)跨越式發(fā)展，一方面促進低碳高新技術(shù)的應用與推廣，另一方面實現(xiàn)低技術(shù)與高技術(shù)結(jié)合，被動式與主動式互動的新技術(shù)路線。高技術(shù)也面臨經(jīng)濟成本、運行效益與節(jié)能效果等系列問題，應同步探討適宜性技術(shù)的推廣與應用，多元互動，多層次、全方位實現(xiàn)我國低碳建筑的普及與應用。