从零舍到零环——面向低碳目标的主动式建筑实践_任军.pdf

1 建筑领域碳中和主动式建筑特色与低碳策略从碳排放清单角度出发建设低碳建筑是实现我国双碳目标的重要组成。建筑领域碳排放边界包含了能源燃烧的直接排放、建筑运行的间接排放和建材生产、建筑施工的隐含碳排放，三者组成建筑全寿命期碳排放。建筑领域的低碳路径主要针对上述 3 种排放，并分别提出策略(图 1)。主动式建筑(Active House，AH)的特点，一是主动性，即建筑可感知可调节的能力，通过对能源、环境、舒适度的自动感知与主动调节，实现精确应对需求的可持续发展；二是以人为核心，即从人的角度出发，综合平衡空间的物理属性和环境的资源属性，实现人体健康舒适前提下的低碳。主动式建筑包含了能源、环境、舒适和主动性 4个方面，从这 4 个角度出发，可以得出主动式建筑的低碳策略主动调节应对环境，使资源消耗最小化的同时实现健康舒适最大化。在乡村和湿地公园这两个没有市政管网的区域，北京周边的两个主动式建筑案例通过近零能耗和近零排放的设计呼应环境现状条件，指向建筑领域的低碳目标。第一个项目是零舍，北方乡村的近零能耗乡居改造，关注的核心是能耗与舒适；第二个项目是零环，中国怀来湿地博物馆，关注的核心是环境与生态。2 零舍近零能耗乡居改造2.1 低碳核心策略与性能化设计方法零舍是北京大兴半壁店村的乡居改造项目，设计之初就根据绿色乡村规划确定了建筑的低碳定位，即近零能耗与装配式相结合的乡居改造。基于近零能耗建筑定位确定了低碳核心策略：用呼应气候的超低能耗技术实现最小能源需求、结合新型太阳能利用方式实现能源替代、重建部分用装配式模块快速建造减少建材及施工排放(图 2)。针对能耗最小化，建筑设计采用性能化设计方法寻找最适宜的被动式技术组合方案。性能化设计方法可以认为是一套输入/反馈的优化设计系统，通过调整输入参数及快速输出的能耗结果来优化被动式技术参数，寻找最佳的性能参数组合。零舍首先按照被动式技术原则对建筑形态及围护结构进行设计和赋值，但模拟计算的热负荷却不能满足 15kWh/(m2a)的要求，又经过对东西向外窗幕墙面积的缩减以及 南北向门窗和天窗的优化，将热负荷降低到16.9 和14.0 kWh/(m2a)。经过 3 轮的性能优化，满足了近零能耗最小化能源需求的目标。在这从零舍到零环 面向低碳目标的主动式建筑实践From Zero House(Lingshe)to Zero Ring(Linghuan)Active Houses Low-Carbon-Oriented Practices ABSTRACTThis paper analyzes the low-carbon design strategies of two recent projects from four angles:the environment,energy,comfort and active design.Centering on energy consumption,Lingshe demonstrates a near-zero consumption technical system in combination with prefabricated construction in renovating rural houses.The Wetland Museum,on the other hand,focuses on ecology showcases a construction pattern with minimum disturbance to the wetland environment,attaining ecological friendliness to the environment,birds and visitors due to minimal impact,zero emission and full-cycling technological strategies.KEY WORDSActive House;low-carbon;nearly zero energy consumption;zero emission摘 要从环境、能源、舒适和主动式4 个视角，分析了两个主动式建筑的低碳策略。以能耗为核心的零舍，探讨了与装配式建造结合的近零能耗乡居改造技术体系。以生态为核心的湿地博物馆，探讨了对湿地环境扰动最小的建造模式，以微影响、零排放和全循环的技术策略，实现了建筑对环境、鸟类、游人的生态友好。关键词主动式建筑；低碳；近零能耗；零排放 任军 REN Jun作者单位天津大学建筑学院(天津，300072)天津市天友建筑设计股份有限公司(天津，300072)收稿日期2022/10/10DOI:10.19819/ki.ISSN0529-1399.202306007建筑学报 2023 06特集 主动式建筑的理念与本土实践Special Issue The Concept and Local Practices of the Active House044个不断寻优的过程中，反馈式的逐步优化是性能化设计方法的核心(图 3)。2.2 能源：超低能源需求、高效能源系统结合光伏能源供应零舍的能源系统通过主被动节能技术集成实现能源平衡。被动式节能从北方地区太阳辐射的利用出发，采用超级保温围护结构、提升建筑气密性、被动式太阳房等措施大幅提升传统农宅外围护的热工性能。外围护保温系统针对农宅单层的特点，特意加厚了屋面和地面的保温构造。被动式太阳房是北方农村非常适宜的节能技术，针对冬季太阳辐射和蓄热，零舍太阳房选择了高保温性能的玻璃，在冬季阳光充足的日子上午 11：00左右阳光房内的温度就可以达到 24C，并通过重质墙地面的蓄热性能，将热量保持。针对夏季容易出现的过热现象，一方面在顶面利用竹帘遮阳；另一方面将太阳房的立面门扇设计为全部可开启，实现和室外空气的快速对流散热(图 4)。基于主动式技术，项目采用了具有新风热回收功能的环能一体机，提供新风的同时满足采暖和制冷需求。在可再生能源方面努力将光伏利用与建筑要素结合起来一体设计，发掘光伏组件的艺术表现力。坡屋面设置了太阳能光伏瓦，融入传统乡村风貌；太阳房玻璃顶铺设了彩色薄膜光伏玻璃，形成斑斓的光影；院墙上用柔性发电纸做成一个反射镜面的艺术景观装置，同时能给村民的手机充电(图 5、6)。通过被动式节能和再生能源利用，项目运营中实现了近零能耗建筑目标建筑能耗为 29.3kWh/(m2 a)，光伏年发电7050kWh，折合 17.6kWH/m2。相比北方农村农宅的 124 kWh/(m2 a)平均能耗1，零舍节约了 76.4%的能耗，并实现了 60.1%的可再生能源利用率。2.3 环境：装配式建造减少环境负载，地方材料融入乡村文脉零舍利用旧农宅的改建和加建，尝试了砖木体系、轻木体系、模块装配体系 3 种结构类型的近零能耗建造技术。改建的部分保留了原有的砖木结构，新建部分采用低碳的轻木结构和工厂预制的轻钢模块装配式结构，实现资源的低碳循环利用(图 7)。建筑呼应北方乡村的环境风貌，砖(红砖)、木(碳化木)和灰瓦(光伏瓦)融入北京乡村整体砖瓦体系的乡土文脉，与高大的杨树形成了协调的景致。整个轻木结构的会议室房屋完全由一种规格(40mm160mm)的松木集成材建造，木结构作为一种低碳的1 碳排放清单下的建筑零碳路径4 被动式太阳房2 零舍对应的 3 种结构体系3 零舍平面及功能空间示意5 太阳房彩色薄膜光伏玻璃6 柔性发电纸光伏艺术装置绿色书屋楼梯间 绿色书屋展示空间展示空间办公室会议室门厅展示空间门厅卧室客厅厨房书房厨房温室花房温室花房会议室排放源直接排放间接排放隐含碳排放零化石能源能源低碳炊事电气化生活热水电气化材料低碳建造低碳资源低碳化低碳结构体系，高性能建材标准化、工业化、装配式建造轻量化、减量化、循环建材建筑超低能耗建筑电气化风电、光电等零碳电力化零碳策略零碳路径运行碳隐含碳新建部分保留部分 轻钢新建部分轻木结构砖木结构装配式模块冬季:储存太阳能冬季光线可直射进被动太阳房，玻璃门关闭，被动太阳房得热，降低室内餐厅采暖热负荷夏季:自然通风+竹帘遮阳顶部竹帘遮阳，光伏可有效隔热，玻璃门开启，室外风进入被动太阳房，最终通过北侧高窗流通到室外，同时带走室内高温空气高性能围护结构彩色薄膜光伏门窗关闭节能门窗节能门窗彩色薄膜光伏门窗打开，促进自然通风竹帘收起仿木地砖蓄热高性能围护结构竹帘遮阳045ARCHITECTURAL JOURNAL结构体系，建造也仅用一周就迅速搭建起来。零舍还在庭院北侧用模块装配式建造了一个两室两厅两卫的居住单元，80m2的居住单元由 3 个长宽高为 600040003300 的轻钢标准模块组成，高度和宽度接近了高速公路运输的极限。模块单元的围护体系、基础装修、整体卫浴均在工厂预制，现场吊装后进行外保温、气密性和碳化木外墙的安装。改造的砖木体系利用原有建筑，轻介入的方式结合地方材料，减少资源消耗(图 8)；新建的轻木和模块体系快速且无现场湿作业的建造方式减少了对环境的影响(图 9、10)。室外空间延续了文脉中的庭院式布局，并设计为不同的绿色主题庭院。结合 3 个庭院的生态功能定义为不同的主题庭院水庭院、太阳能庭院和废弃物装饰的零碳花园。所谓零碳花园，是指花园中的建造材料都是原有房屋中拆除下来的，废旧木窗、旧砖瓦等废弃材料被设计为花园中的景墙、铺装等，中间穿过平台的大树成为碳汇的概念象征(图 11、12)。2.4 舒适：从风、光、热的物理性能提升乡村居住品质传统农宅在冬夏季的热舒适性都比较欠缺，其主要原因包括冬季室内温度过低，同时门窗保温和气密性的不足导致冷风渗透和冷辐射，使得人们体感寒冷；夏季则由于北方农宅通风不畅，造成室内闷热。门窗气密性是农宅冬季能耗高以及舒适性差的重要原因，因此零舍采用了性价比高的铝包塑钢材质的被动窗。高性能的围护结构大幅度改善了冬季室内温湿度，同时改进了单层院落布局的近零能耗建筑空间体系院落将建筑分为形体简单的 3 部分，气密区也分为 3 个独立部分，简化了构造难度，并用被动式太阳房和楼梯间风塔连接 3 个使用空间，实现增强冬季热辐射以及促进过渡季自然通风的作用。传统农宅由于单侧开窗往往造成室内较暗，零舍在坡屋面的木屋架上根据采光模拟设置位置恰当的天窗，室内的照度和采光均匀度都得到了大幅提升(图 13、14)。2.5 主动性：基于乡村使用的智能控制平台在主动感知层面，零舍在屋顶平台设置了气象站，收集环境的气象信息；室内物联网传感器可以收集多种分项能耗数据；光伏的发电数据也能实时感知；温湿度、PM2.5、光伏发电量，所有这些信息都在展示大屏幕实现监测可视化。同时，零舍的智能监测系统整合了乡村整体智能硬件，成为乡村数据的集成感知平台和智慧管理平台。无论是村级信息管理，还是半壁店村绿色乡村中的示范项目零舍、模块节水公厕、光伏路面停车场都被纳入了综合数据收集展示系统之中去。在主动调节层面，零舍更注重低成本与适宜技术的选择。利用可开启天窗和风塔高侧窗的开关调节自然通风；利用慢速吊扇配合环能一体机实现制冷低能耗及舒适性。1 室内面层 360mm 厚保留烧结砖墙体 水泥砂浆找平层 点框法粘贴 120mm 厚挤塑聚苯板 满粘法粘贴 120mm 厚挤塑聚苯板 抹面胶浆内置耐碱玻纤网格布 240mm 厚烧结砖墙体2 40mm140mm 规格材(木结构内填 140mm 厚岩棉 15mm 厚防火石膏板 15mm 厚 OSB 板 120mm 厚挤塑聚苯板 15mm 厚防火石膏板 15mm 厚 OSB 板 120mm 厚挤塑聚苯板 20mm 厚水泥砂浆 240mm 厚烧结砖墙体3 室内面层 2mm 厚钢板 90mm 厚气凝胶毡 60mm 厚岩棉保温板 2mm 厚钢板 60mm 厚挤塑聚苯板 木龙骨 木饰面板1329 模块装配式内景10 砖木结构改造内景8 外景透视7 三种结构体系的高性能围护体系建筑学报 2023 06特集 主动式建筑的理念与本土实践Special Issue The Concept and Local Practices of the Active House0462.6 AH 雷达图呈现零舍以能耗为核心目标，在设计中集成了主被动及可再生能源技术，形成了适应北方乡村环境的近零能耗技术体系(图 15)。从零舍主动式建筑评价的雷达图可以看出，能耗和环境荷载表现优异，空气质量、主动感知和建筑产能也能达到较高的水准，评价总体分值为 29.9 分(图 16)。3 零环中国怀来湿地博物馆3.1 低碳目标与核心策略怀来湿地博物馆坐落于北京附近的湿地之中，是 40 种留鸟的栖息地和 151 种候鸟迁徙经过之地。建筑的整体定位是实现对湿地的最小扰动并融入自然环境，包含微影响、零排放和全循环 3 个主要目标。实现目标的核心策略首先是将环状建筑架空在湿地之上漂浮起来，减少建设对湿地扰动的同时把湿地引入建筑。其次，借助雨污水自循环处理设施实现水的零排放。第三，从设计出发，实现材料、能源和水系统的全循环以区域绿电实现能源循环，以雨污水处理实现水循环，以标准化设计和装配式体系实现材料循环。怀来湿地博物馆荣获了 2018 年国际主动式建筑奖的公共建筑方案奖，入围了 2022 年国际主动式建筑奖的公共建筑建成奖(图 17、18)。3.2 环境：微影响+零排放+全循环实现对湿地生态友好湿地中环境的脆弱性要求建筑对自然的输出最小化。可持续建筑可以形象地比喻为“轻轻地接触地球”，建筑的整个“生命”过程中，对环境影响最小，碳足迹最小2。博物馆结合湿地公园的山水环境，将建筑以漂浮的圆环布置在场地之上，空间和形式考虑了对人与生物的共同重视。与自然联通的庭11 水院12 零碳花园13 热压风塔14 室内采光模拟15 零舍近零能耗技术体系16 零舍雷达图17 零环鸟瞰18 自然环境中的博物馆光伏瓦屋面光伏瓦屋面生活热水生活热水太阳能热水树林农业生活热水自然通风蒸发降温雨水收集自然采光风塔通风温室花房垂直绿化彩色薄膜光伏彩色薄膜光伏被动太阳房蒸发海绵景观下渗/过滤高性能围护体系高性能围护体系新风一体机新风一体机50043837531325018812863131714181112天然采光012345节约用水建筑产能主动产能空气质量主动调节热湿环境环境荷载建筑能耗1516047ARCHITECTURAL JOURNAL院和架空空间能让鸟类、小动物和游人全天候地进入中心庭院的雨水花园之中，使得建筑与环境共生(图 19)。雨水在场地内借助下凹绿地、雨水花园等多种形式的海绵景观技术实现了下渗、净化、收集。入口广场也没有做成大面积的硬质广场，而是用彭罗斯拼图的泰森多边形生成了仿佛湿地斑块的透水铺装，中间播种了当地草花植物(图 20、21)。根据湿地公园没有市政污水管网的现状，对污水处理自建了设备处理后结合自然过滤的净化系统，实现对湿地生态系统的污水零排放。建筑架空在场地之上的策略尽可能地减少了对湿地的占用(图 22)，并在场地内建设人工湿地等雨水自然过滤系统，实现对自然环境的微影响。博物馆在用地中特意保留了建筑周围的大槐树和油松林。与建筑占满场地相比，每年树木和湿地增加的碳汇为6.5t。除了环境友好，鸟类友好的建筑设计也是湿地博物馆生态设计的重要方面。建筑表皮选择铜板。表皮与建筑的间隙会成为鸟类筑巢的好去处。丝网印刷的玻璃幕墙印制了荷兰画家埃舍尔著名的“鱼与鸟”图案，既呼应了湿地公园的主题，更重要的是研究显示一定疏密频率的横向纹理图案可以让鸟类视觉识别从而避免误撞上玻璃(图 23)。博物馆建筑采用预制装配式钢结构体系，标准化的环形平面使得从结构框架到围护结构到装饰表皮都有大量的标准化构件，既可以实现快速建造，也能实现从工厂预制到现场安装直至拆除的建筑全寿命期材料循环，实现最小化的碳足迹。3.3 能源：因地制宜的零碳电力利用模式可持续能源设计的重心是因地制宜地根据建筑能源使用特点确定核心的能源策略。怀来湿地博物馆的能耗重点是空调采暖能耗，而当地的能源特点是区域内有大规模的风电。因此博物馆首先在降低能源需求的角度面对寒冷气候区选用体形系数较小的圆形，实现较小的外表面积。针对博物馆高大空间较大的空调负荷，二层博物馆展厅的围21 透水斑块的入口广场22 湿地景观引入架空场地23“鱼与鸟”图案玻璃幕墙19 微影响、零排放、全循环模式20 中心庭院雨水花园平面有机覆层砂土层种植土层砾石层下渗下渗下渗生物化学分解水处理设施生物滞留区生态处理蒸发蒸发蒸发地表径流雨水收集景观用水透水铺装植物根系线虫细菌污水回收水循环微影响漫游路径补偿生态屋顶修复湿地生态景观引入湿地景观底层架空微影响1 湿地建设展厅2 大厅3 休息区4 设备用房11143205 1020m19-119-220232122建筑学报 2023 06特集主动式建筑的理念与本土实践Special Issue The Concept and Local Practices of the Active House048护体系以实体墙面为主，一层则选择高性能的玻璃幕墙系统，最大限度减少能源需求。根据湿地公园唯一的能源供应电能，因地制宜地选择了高效 VRV 系统提供采暖和制冷。一方面建筑能源全面电气化，另一方面所需电力来源于湿地公园中大量的风电，通过本区域绿电实现建筑的零碳能源以及可再生能源的本地消纳。博物馆自身并未大面积采用光伏发电，只是在作为公共交往空间的二层的廊桥顶面铺设了彩色薄膜光伏，作为屋面遮阳的同时在廊桥的咖啡厅投下色彩斑斓的光影(图 24)。3.4 舒适：适合高品质博物馆的光、热空间博物馆中的公共空间需要良好的天然采光、自然通风，而展览空间则需要舒适性的温湿度环境。湿地博物馆在大厅、中庭等所有公共空间都设计了高品质天然采光，自然光与公共空间中的 8 字环形楼梯要素共同成为视觉的焦点。首层大厅和二层交流空间都借助三维采光模拟推敲高采光系数空间下的采光均匀性，并将自然光影作为室内空间塑造的重要元素。博物馆二层的环形展厅空间在各个展厅的连接处有通透的玻璃墙体朝向水库，提供了壮观的自然山水景观(图 25)。3.5 主动性：呼应气候的能源与环境品质调节博物馆的能源控制系统一方面可结合严寒地域的气候特点调节运行模式，另一方面可以根据使用情况按照不同运行策略自动运行，实现主动式的节能运行。博物馆展厅中的温湿度环境参数综合考虑游客和展品的需求，温湿度自动调节系统以多种传感器数据指导下的自动控制提供精确的室内舒适环境，保证了展品的展示环境和观众的舒适度。建筑的主动性设计与调节实现了博物馆的低碳运行效果。通过采光控制、高效能源系统、彩色薄膜光伏发电系统在运行阶段使建筑实现低能耗。污水和雨水的循环处理系统减少了水耗。通过上述运行策略每年可减少碳排放 280t。3.6 AH 雷达图呈现从湿地博物馆主动式建筑评价的雷达图可以看出，环境荷载、空气质量和天然采光表现较好，建筑产能由于有区域风电的绿电供应，因此并没有特意增加建筑可再生能源的应用。评价总体分值为 27 分(图 26)。4 结语面对建筑领域的碳排放清单，建筑的低碳技术路径一方面是通过近零能耗建筑减少运行阶段能源需求，降低运行阶段碳排放，另一方面是通过可循环建材、装配式建造等方式减少材料生产与建造过程的碳排放。零舍与零环两个案例遵循上述路径，寻找到适合所在环境的低碳技术解决方案。参考文献1 中国城市科学研究会.绿色建筑 2012M.北京:中国建筑工业出版社,2012:15.2 保拉 萨西.可持续性建筑的策略 M.徐燊,译.北京:中国建筑工业出版社,2011:8.图片来源图片均为作者提供零舍设计单位 天津市天友建筑设计股份有限公司建筑师 任军地点 北京大兴区魏善庄镇半壁店村设计/2019 年/竣工/2019 年业主 天友建筑设计团队邸扬、郭润博、孙熠文、刘冰、韩帅、刘卫基地面积 888 m2建筑面积 402 m2结构形式 砖混结构、轻木结构、轻钢结构模块摄影 心造文化(贺之涵)中国怀来湿地博物馆设计单位：天津市天友建筑设计股份有限公司建筑师：任军 地点：张家口怀来官厅湿地国家公园 设计/2017-2018 年/竣工/2020 年业主：怀来县林业局设计团队姜楠、郭润博、付英俊、王志永、蒙乐撒、刘冰、谌健、杨辉基地面积：28308 m2建筑面积：8446 m2结构形式：钢结构 摄影：心造文化(贺之涵)26 湿地博物馆雷达图25 室内大厅光环境：模拟与实景50043837531325018812863天然采光012345节约用水建筑产能主动产能空气质量主动调节热湿环境环境荷载建筑能耗24 彩色薄膜光伏廊桥049ARCHITECTURAL JOURNAL