張藝凡 朱相臣 李潔 楊崴

1 研究背景

我國在第七十五屆聯(lián)合國大會上表示，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值、2060年前實現(xiàn)碳中和[1]，建筑部門面臨碳排放體量巨大、減碳速度滯后的艱巨挑戰(zhàn)。碳中和建筑可以實現(xiàn)建筑全生命周期內(nèi)“零碳排放”，相對于一般節(jié)能建筑具有更加突出的環(huán)境效益，規(guī)?；l(fā)展碳中和建筑對于實現(xiàn)建筑行業(yè)雙碳目標起到助力作用。近年來國家出臺了一系列建筑節(jié)能、建筑碳排放、綠色建筑等相關政策，已發(fā)展成較為完善的建筑節(jié)能減碳標準體系。但在實踐過程中，碳中和建筑面臨的唯性能論、成本投入高、舒適度低、普及度差、市場認可度低等一系列問題亟待解決。

低碳建筑市場化問題已逐漸引起學界重視，但相關研究多在政策、經(jīng)濟、宣傳、技術層面開展，在設計層面的分析研究相對較少。葉祖達[2]提出綠色建設政策及市場投資有必要進行全面的成本分析，并強調(diào)綠色建筑市場化是下一步的主要發(fā)展方向。郝晨宇[3]以系統(tǒng)動力學方法分析了市場、技術、經(jīng)濟、政策方面的綠色住宅推廣影響因素，并針對各方面提出了對應的實施建議。何晨琛等[4]針對消費者和開發(fā)商進入低碳建筑市場的障礙因素，探討了以政府政策引導為主，結合金融機構、媒體、技術企業(yè)等多主體配合的低碳市場推廣模式。國外學者研究發(fā)現(xiàn)，前期設計階段對建筑生命周期環(huán)境性能及成本有重要影響[5]，此外設計師與政策執(zhí)行人員、開放商、施工方、消費者等角色聯(lián)系緊密且相對客觀中立[6]，因此從設計視角思考碳中和建筑市場化問題，對提升建筑綜合性能、激發(fā)更多利益相關者參與碳中和建筑行業(yè)具有重要意義。

2 R-Cells介紹

太陽能十項全能競賽（Solar Decathlon，SD）是由美國能源部主辦的面向全球高校的建筑與能源科技競賽。2021中國國際太陽能十項全能競賽（SDC 2021）在河北省張家口市德勝村舉行。天津大學聯(lián)隊（Team Tianjin U+）是由天津大學牽頭，聯(lián)合天津城建大學、奧斯陸建筑與設計學校及多家企業(yè)組成的產(chǎn)學研團隊，參賽作品R—Cells在十項子競賽中斬獲8項一等獎、1項二等獎，并獲得SDC 2021年度總冠軍（圖1）。R—Cells旨在創(chuàng)造一個正能源、全循環(huán)、零排放的可持續(xù)太陽能建筑原型，從不同經(jīng)濟主體的需求出發(fā)開展設計，實現(xiàn)建筑生命周期的碳中和，為向市場化思維轉(zhuǎn)變的低碳建筑設計提供參考。

3 主要經(jīng)濟主體需求梳理

提升市場競爭力的本質(zhì)是切實回應利益相關者的需求。基于前期的大量訪談調(diào)研，梳理了地方政府、開發(fā)商、消費者等主要經(jīng)濟主體對碳中和建筑的關注重點。地方政府主要關注碳中和相關政策導向及具體政策落實，主要包含民生福祉、環(huán)境效益、示范推廣等方面。開發(fā)商的核心關注點在于盈利能力，包括盈利模式、成本投入、項目周期和政策補貼。此外，由于綠色環(huán)保理念愈發(fā)受到大眾認可，開發(fā)商也較為關注“環(huán)?！薄敖】怠钡葼I銷概念，塑造良好的品牌形象，以期在低碳建筑市場取得領先地位。消費者對于碳中和建筑的關注點與自身經(jīng)濟能力、文化程度、年齡段等因素有較大相關性[7]，但共同的需求可以歸納為性價比、耐用性、舒適度、健康材料和定制化。通過對上述需求的進一步整理，歸納出綠色工業(yè)、人性化設計、可拓展性、技術集成和經(jīng)濟性五方面設計策略（表1）。

4 面向經(jīng)濟主體需求的碳中和建筑設計策略

4.1 綠色工業(yè)

碳達峰、碳中和本身是一場極其廣泛深刻的綠色工業(yè)革命。裝配式模塊化建筑是建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的核心建筑模式，對加快建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級、推動建筑業(yè)綠色發(fā)展至關重要。R—Cells實現(xiàn)了二維與三維互補的“結構—設備—室內(nèi)”模塊化建筑體系，整體建筑由5個相同的三維主模塊組成，為符合運輸限高和限寬，每個主模塊由3個子模塊組裝，底部為鋼底盤及支腳，盡量減少構件變量以實現(xiàn)高度標準化，有利于提高工業(yè)生產(chǎn)效率（圖2）。通過BIM平臺實現(xiàn)各專業(yè)聯(lián)動，將機電設備盡量集成在各主體模塊內(nèi)，以減少模塊拼接造成的影響（圖3）。最后在三維主體結構基礎上使用二維構件，如圍護墻體、內(nèi)墻裝飾板、內(nèi)置裝飾等，滿足外部圍護和內(nèi)部空間的分隔要求（圖4）。

R—Cells的建造系統(tǒng)和材料均以易于拆解、便于循環(huán)為原則，降低其生命周期碳排放。由于具有突出的碳匯性能，木材成為首選的主要材料。梁柱體系使用層壓膠合木的重木，次級骨架為規(guī)格集成材的輕木，外圍護墻體由結構保溫板（SIP）及輕木集成材填充玻璃棉和真空板組成。R—Cells共使用了26m3的膠合木及8m3的集成材，能夠降低建筑建造階段的碳排放達20t。此外，初期施工階段的各種建筑材料總量約為94t，其中可替換材料的重量約為29t；約70%的建筑材料可被直接回收，另外15%左右未來可能被回收（表2）。

表1 碳中和建筑市場主要經(jīng)濟主體需求關鍵詞

1 R—Cells 實景圖

2 主體結構系統(tǒng)示意圖

3 基于BIM 平臺的機電設計

表2 R—Cells 建筑材料的回收率

4 “三維+二維”的模塊結構體系

5 R—Cells 空間靈活布局示意

4.2 人性化設計

單一強調(diào)性能、忽視消費者使用感受的低碳建筑難以得到大眾認可，需要從人性化視角探討滿足使用者多樣化需求的設計策略。R—Cells主要從空間布局靈活性、可定制模塊、無障礙設計三個方面開展人性化設計。1）靈活布局：住宅建筑的內(nèi)部空間應具備靈活劃分為多個宜居空間的可能性，如兼顧工作和育兒的日常情景、家庭多人聚會的社交情景、疫情隔離的應急情景等。R—Cells可以通過簡易改變家具布局來重構室內(nèi)空間，滿足多樣化的功能需求（圖5）。2）定制模塊：隨著我國老齡化進程加快、二孩三孩政策實行，家庭人口結構出現(xiàn)多樣化趨勢。R—Cells的主模塊可以靈活組裝拼接，以滿足不同家庭人口規(guī)模，同時可以降低施工成本，縮短工期。用戶可以通過專門的手機程序下單定制，并可實時看到選定的主模塊拼接生成的空間效果，實現(xiàn)“預制+定制”的模塊設計（圖6）。3）無障礙設計：R—Cells內(nèi)部設置常規(guī)干濕分離衛(wèi)生間和無障礙衛(wèi)生間，空間流線連結各個主要居住空間，在走廊、廚衛(wèi)設施等部位考慮了輪椅回轉(zhuǎn)尺度。同時R—Cells室內(nèi)使用了不同顏色的材料，有助于視障人士辨識空間方位。

4.3 可擴展性

工業(yè)化設計和建造使R—Cells實現(xiàn)多維度拓展，具體體現(xiàn)在可移動、橫向擴展和縱向擴展三方面。1）可移動性：基于“三維+二維”的建造體系，R—Cells一次預制、八次吊裝，分別于2021年4月、6月、9月在天津大學、天津國家會展中心、河北張家口3個地點成功完成搭建。在最終競賽中，現(xiàn)場3天完成主體結構搭建，21天建筑整體竣工交付，具有較高的施工效率（圖7）?；诳梢苿有院涂焖俅罱ǖ哪芰?，R—Cells可在后期作為移動城市展廳、樓盤售樓處等進行重復使用。2）橫向擴展：R—Cells作為模塊化設計建筑原型，可以根據(jù)不同使用對象和功能組織衍變?yōu)槎喾N變體，擴展形成鄉(xiāng)村聚落、民宿旅游、養(yǎng)老住宅區(qū)等（圖8）。3）縱向擴展：除了在低密度郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)外，R—Cells也可以利用裝配式優(yōu)勢作為單元模塊應用于城市多層建筑（圖9）。高度可擴展性能有利于建筑原型實現(xiàn)規(guī)?；瘧茫M一步擴大適用范疇，提升市場競爭力。

4.4 技術集成

R—Cells通過主被動協(xié)同的太陽能設計策略達到出色的環(huán)境性能，實現(xiàn)生命周期碳中和目標。V形屋頂由中國傳統(tǒng)建筑“反宇向陽”概念演繹而來，北側朝南的大坡屋頂盡可能獲得最大的太陽輻射，南側的屋檐反向翹起，兼顧冬季陽光引入和夏季遮陽（圖10）。同時，屋頂整合了單晶硅、碲化鎘薄膜、透明薄膜三種太陽能光伏模組，年發(fā)電量達到4.28萬kW·h，是預測年耗電量的5.3倍。建筑西側的屋頂上安裝了兩塊太陽能光電、光熱一體化（PV/T）模組，位于主臥衛(wèi)生間上方，通過盡可能縮小管道距離減少熱量損失，充分利用太陽熱能為生活熱水提供能量（圖11）。經(jīng)過生命周期測算分析，R—Cells可在建成后7年內(nèi)實現(xiàn)碳中和。

6 R—Cells 模塊拼接示意

7 吊裝模塊過程

在暖通空調(diào)系統(tǒng)方面，R—Cells選用整合了新風、送風、回風、排風功能的新風一體機系統(tǒng)組織氣流。一體機采用低溫空氣源熱泵并補充電熱膜來保障冬季采暖。此外空調(diào)控制系統(tǒng)采用了自主開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)建筑環(huán)境傳感器及基于自主學習的持續(xù)溫濕度智慧控制算法，實現(xiàn)穩(wěn)定、潔凈、舒適的室內(nèi)環(huán)境，在提升環(huán)境效益的同時保障了使用者的舒適體驗。

4.5 經(jīng)濟性

價格是影響消費者低碳建筑購買行為的重要因素[5]，產(chǎn)品的前期投入成本和盈利情況也會對投資者的開發(fā)意愿產(chǎn)生重大影響，因此有必要從經(jīng)濟性維度對R—Cells進行分析。R—Cells的初始投資成本約為481.4萬元，其中建筑單體建設成本約為418.5萬元，約27900元/m2，相對于普通住宅成本偏高，原因如下：1）采用的產(chǎn)品在環(huán)保、外觀和壽命方面質(zhì)量超出常規(guī)建筑。例如，森鷹被動窗、Velux太陽能智能天窗、Parklex外墻木飾面板、屋面鈦鋅板等，均可達到與建筑同壽命（50年）。此類高質(zhì)量產(chǎn)品費用占總成本的40%。2）競賽要求。SDC要求各參賽作品滿足至少兩天離網(wǎng)運行，R—Cells建筑一體化集成光伏裝機容量為35.4kW·h，并配備100kW·h電池組，以應對最不利天氣及運行條件，相應成本均有增加。由于建筑部品的高性能選型，R—Cells的初始投入成本占測算生命周期成本的63.2%，后續(xù)在運行、維護和更新方面僅需少量投入（圖12）。

為了進一步控制初始成本，減少開發(fā)商和消費者的投資及購買門檻，將R—Cells高性能建筑部品進行合理調(diào)配，改進為3個版本：旗艦版（Premium）、經(jīng)典版（Classic）和經(jīng)濟版（Economic），成本價格分別為23775元/m2、12404元/m2和9648元/m2。以能源系統(tǒng)為例，旗艦版的光伏裝機容量與R—Cells相同，但配置電池容量根據(jù)常規(guī)自用需求設置為50%。經(jīng)典版與經(jīng)濟版的光伏裝機容量分別是R—Cells光伏裝機容量的80%和60%，且沒有配置電池?？紤]計入向電網(wǎng)出售剩余能源的收益和可能的收入碳交易，4種版本的R—Cells生命周期成本如圖13所示。旗艦版本的可再生能源系統(tǒng)在其使用壽命的第40年和第46年可以達到零生命周期成本，而經(jīng)典版本和經(jīng)濟版R—Cells的成本回收時間不到10年?？梢娞贾泻徒ㄖ沫h(huán)境效益與生命周期成本、初始成本之間存在復雜的耦合關系，需要進一步探討。

5 結語

建筑部門減碳脫碳是實現(xiàn)碳中和目標的重要抓手。隨著政策、標準、技術、材料和工藝工法等方面的發(fā)展完善，碳中和建筑在技術層面已逐漸從探索走向成熟，如何實現(xiàn)碳中和建筑的市場化、規(guī)模化發(fā)展，是下一步建筑從業(yè)者面臨的挑戰(zhàn)。本文以中國國際太陽能十項全能競賽參賽作品R—Cells為例，梳理了地方政府、開發(fā)商和消費者三個主要市場經(jīng)濟主體針對碳中和建筑的自身需求，并在綠色工業(yè)、人性化設計、可擴展性、技術集成和經(jīng)濟性五方面開展碳中和建筑市場化設計策略的探索，希望為市場化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；牡吞冀ㄖO計思維轉(zhuǎn)變提供借鑒。

8 橫向擴展概念圖

9 縱向擴展概念圖

10 屋頂概念與形體生成

11 可再生能源系統(tǒng)

12 R—Cells 生命周期成本測算

13 4 種版本R—Cells 生命周期成本測算

圖片來源

1黃維旻拍攝

2鄭鈺豐繪制

3阿美娜繪制

4王旨選繪制

5,6孫啟明繪制

7天津大學聯(lián)隊成員拍攝

8,9王琦繪制

10 岳詩文繪制

11韓愛澤繪制

12,13李潔繪制

表格來源

1張藝凡繪制

2畢雪皎繪制