基于“能量-碳量”视角的低碳建筑空间营建策略.pdf

广角镜|新建筑 4/2023 149作者单位浙江大学建筑工程学院（杭州，310058）*通讯作者（E-mail:）基于“能量-碳量”视角的低碳建筑空间营建策略Low-carbon Spatial Construction Strategies from an“Energy-carbon”Perspective摘要通过对双碳导向下低碳建筑减碳问题转变、目标强度转向、营建体系转型的发展态势研究，辨析低碳建筑与绿色建筑的内涵分异，厘清低碳建筑“倒逼性存量减排”与绿色建筑“预警性增量节能”之间的理念差异与目标侧重，归纳建筑从绿色到低碳的多元化概念衍生，阐明建筑中能量循环与物质代谢孤立的发展现状。因此，基于“能量-碳量”视角对低碳导向下的建筑能量系统进行多维剖析与整合，建立能量组织机制，促使低碳建筑形成由能量流维稳的动态平衡结构。最后，提出“时峰双控”“倒逼约束”“能量协同”“精准控源”和“源汇平衡”的低碳建筑营建策略路径，为逐级实现我国建筑碳排放“低零负”目标提供理论与实践的支持。关键词“双碳”目标低碳建筑绿色建筑“能量-碳量”机理能量组织机制ABSTRACTThis article studies the development of low-carbon construction and the transition to green construction.It clarifies the differences between low-carbon and green construction,and the concept and goal differences between forcing reduction of carbon emissions and preventive increase in energy efficiency.It summarizes the transformation of building from green to low-carbon and analyses the low-carbon building energy system based on the“energy-carbon”perspective,leading to the establishment of an energy organization mechanism and the formation of a dynamic balance structure in low-carbon buildings.Finally,the article proposes strategies of“peak-time control”,“forcing constraint”,“energy coordination”,“precise control of energy sources”and“source-sink balance”to support the goal of“low-zero-negative”construction in China.KEY WORDSdual carbon target;low-carbon buildings;green buildings;“energy-carbon”mechanism;energy organization mechanismDOI10.12069/j.na.202304149中图分类号TU201.5文献标志码A文章编号1000-3959（2023）04-0149-05基金项目国家自然科学基金重点项目（51238011）；国家自然科学基金面上项目（52278044）周从越王竹裘知*郭睿ZHOU CongyueWANG ZhuQIU ZhiGUO Rui0引言人类活动使得大量的碳从化石燃料中释放并进入地气系统，干扰了自然状态下的碳循环，全球变暖已成为当前人类生存面临的严峻挑战1。随着政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次气候变化评估报告（AR6）的发布，全球将全面进入“碳中和”时代，各国承诺到本世纪中叶实现碳中和。气候无国界，我国也承诺于2030年实现碳达峰，2060年前实现碳中和2。为了在较短时间内实现双碳目标，亟需对高碳足迹行业进行能源结构的深度优化与产业结构的全面调整。国际能源署（IEA）表明，建筑业全生命周期直接或间接的碳排放约占全球碳排放的37%。中国建筑能耗研究报告（2020）显示，2019年全国建筑碳排放量占全国总量的50.6%3。建筑业的减碳已引起全球各国高度重视。当前，我国有关低碳建筑的理论、技术及工程实践的研究大多聚焦于绿色建筑，关注减少能源消耗、提高能源利用效率、全过程绿色评估、建筑节能改造、利用可再生能源等内容4-5，虽置换了“低碳语汇”，却仍没有跳出“绿色语境”的窠臼，陷入“认知内卷”之中，迷失了对双碳目标路径的靶向判断，忽视了“意识觉醒”的时代需求特别是在实践中如何把握正确的路径和法则。因此，迫切需要从学理层面对低碳建筑进行认知重构，系统辨析低碳建筑与绿色建筑的不同范式，明确低碳建筑领域的目标路径与技术策略，以期为双碳目标导向下低碳建筑营建路径提供学理与法则的支持。1导向：“双碳”驱动下建筑领域的发展态势1.1问题转变：建筑减碳由正向引导转为逆向约束2009年12月，联合国气候变化框架公约第15次缔约国会议在丹麦哥本哈根通过了哥本哈根协议6，指出应尽快减少全球碳排放总量。作为建筑领域实现“低碳经济”的重要方式，“低本文引用格式：周从越，王竹，裘知，等.基于“能量-碳量”视角的低碳建筑空间营建策略J.新建筑，2023（4）：149-153.150 4/2023 新建筑|广角镜碳建筑”开始被广泛提及并发展至今，但我国始终没有对“低碳建筑”作出准确定义，对于建筑的碳排放量要降低到什么程度也没有具体的数值指标7。在“低碳经济”的概念下，早期研究认为低碳建筑是在使用过程中以低能耗、低污染、低排放为基础，最大限度地减少温室气体排放，为人们提供具有合理舒适度的使用空间的建筑模式8。大部分学者和建筑师长期将“低碳”等同于“节能”9，把运营阶段的能源使用与能耗指标控制纳入或附加于建筑的设计过程，低碳建筑在绿色节能的语境下被视为一种“引导性”要求，导致低碳建筑始终未能突破绿色建筑的范畴，缺乏明确精准的策略与路径。而“双碳”战略的提出将赋予低碳建筑在新时代下的发展目标，即在满足人们日益增长的生活需要的同时，以碳达峰、碳中和为目标逆向约束建筑用能及碳排放增长速度，将建筑控碳明确作为“强制性”要求，实现建筑“能耗总量与强度双控”向建筑“碳排放总量及强度双控”转变10，构建总量控制下建筑碳排放峰值目标的倒逼机制。1.2目标转向：碳排强度由历史评估转向控峰预测在精确的战略目标和时间节点的策动下，我国的减碳目标已经从基于历史评估的最大限度减碳转向2030年前实现精准控峰、2060年前实现稳步中和，建筑领域作为碳排大户同样需要遵循甚至承担更多的减碳责任。与发达国家相比，我国目前仍处于发展阶段，未来建筑碳排放总量及占比缺少合理的界定，因此，研究并预测不同情景下建筑领域的减碳程度已成为当下的研究热点。徐伟等11经预测发现，以现有模式发展，建筑运行碳排放将在20382040年达峰，碳排放峰值约为31.5亿吨标准煤当量（tce），到2060年碳排放量仍将有27.2亿tce，无法实现建筑领域的双碳目标；马敏达12通过动态情景分析，指出我国建筑部门将于2039年达峰，峰值24.11亿tce；袁闪闪等13在强化节能降碳情景下预测建筑领域CO2排放将在20292030年达峰，峰值排放量为28.1亿29.2亿tce，达峰后存在23年的平台期；Yang14等考虑建筑各类终端用能，指出中国建筑部门2030年排放峰值应控制在25.3亿tce。然而，当前的预测研究大多基于对静态情境下碳排因子、能效水平、建筑面积等社会变量的赋值，忽视了低碳设计与技术组合下的建筑内在减碳潜力，致使政府部门难以对建筑减碳领域进行精准把控。建立基于达峰目标预测的碳排放机理反馈机制，有助于动态调整建筑减碳机理、不断优化建筑达峰目标，形成正反馈循环促进目标收敛。1.3范式转型：营建标准由绿色节能转向碳源调控自20世纪90年代起，全球各国相继推行绿色建筑以降低建筑业的终端能耗，其中影响最大的有英国的BREEAM、美国的LEED、日本的CASBEE、我国的绿色建筑评价标准等绿建评价体系。然而，绿色节能体系是在可持续发展目标下提出的，关于建筑碳排放标准和减碳措施在上述评价体系中并未明确体现。虽然部分评价体系为适应低碳需求，增添了建筑碳排放性能指标项，但未能将碳排放计量评价标准及认定指标等明确纳入体系，因此在全球碳中和的目标下，亟需构建低碳建筑营建理论与评价体系。目标导向的转变将带来建筑范式的更新，由于缺乏对低碳建筑的认知思辨，目前尚未形成统一共识、明确适宜的低碳建筑营建体系。因此，需要进一步明确“低碳”与“绿色”在目标和路径上的异同，在绿色建筑原则的基础上，进一步揭示出建筑碳源的影响机理，根据需求善巧地组织低碳要素的时空调度，助力双碳目标如期达成。2辨析：绿色建筑与低碳建筑的内涵分异2.1增量节能与存量减排的理念解析绿色建筑强调生态优先，并在生态可持续、环境友好的前提下提升人们的居住品质15。绿色建筑重点关注空间节能，通过对空间的被动式设计和围护结构的保温隔热处理，减少建筑对环境资源的索取，倡导“开源节流”。其中，“开源”指提高可再生资源供给水平，“节流”指降低不必要的能源消耗；而低碳建筑更多强调为了实现人类的可持续发展，坚守气候变暖1.5红线，解决世界各国共同关心的能源和环境问题16。低碳建筑关注空间减碳和界面增汇，通过减少空间中的“固定碳源”“移动碳源”和“过程碳源”，以及通过界面调控碳源与碳汇的交换与中和，降低建筑对环境的伤害17，主张“开汇节源”，其中“开汇”指增加碳汇，“节源”指降低碳源。因此，在具体路径上，绿色建筑的“节能”与双碳战略下的“减碳”存在认知上的区别，前者是预警性的在增量过程中的节约，而后者是倒逼机制下的存量减排18。节能理念将不采取任何建筑节能措施作为参考情景，通过能耗模拟得到建筑物的“虚拟能耗”，并对采取节能措施的建筑物进行能耗模拟，得到节能情景下的“预测能耗”，二者差值便是通常意义上的节能量，即少增加的虚拟增量（图1）。与“节能”的正向进程不同，“减碳”是逆向运作的存量减排。碳达峰、碳中和时间的限定形成了基于总量控制的倒逼机制，相较于不采取任何建筑减碳措施的参考情景，基于预测的“达峰点”“中和点”构成了碳排放约束的逆向递推阶段（图2）。第一阶段为达峰阶段，“达峰点”促使“参考点”采取措施加速碳排放提前达到规定的峰值，与参考情景达峰点的水平向差距即为达峰时间的提前量；第二阶段为中和阶段，“中和点”倒逼“达峰点”采取相应措施进行存量减排，且该阶段须有一个约定的基准线，这一基准线是历史上某一时间节点的实际排放量，低于基准线的部分才算作减碳量，因此这一减碳量必须是实际量，具备可测量、可报告和可核查的特征，是在存量基础上的实质性减少。然而，低碳建筑并非抛开绿色建筑另起炉灶。通过参考近年来重要的规范标准，对低碳建筑和绿色建筑的目标关键词进行词频研判、归纳与解读，结果表明：两者存在以节约能耗为主的共同基础，但在此基础上又有各自的目标侧重（表1）。1建筑节能理念：预警情景性的增量节能2建筑减碳理念：倒逼机制下的存量减排能耗量参考点能耗模拟的节能量实际增加的能耗量参考情景节能情景能耗减少量时间能耗量达峰线达峰点参考点中和点达峰时间提前量参考线实际减少的碳排量参考情景低碳情景时间提前量碳排减少量时间12广角镜|新建筑 4/2023 151对能量消耗按照分类、分区、分设备类型准确反馈不同空间的负荷需求，并在应用层实现自动化的能量管理和调度（表3）25-27。但有时信息物理系统主导的能量管理容易凌驾于人的真实感知之上，逐渐漠视人与自然的相互适应与和谐互动，在一个整体板结化的高效率系统中追求局部优化，难以达到建筑系统的“整体最优”。（3）开源式“零碳建筑”是低碳建筑的最终目标。以零碳排放量为导向，零碳建筑是在不消耗煤炭、石油、电力等能源的情况下，全年能耗由场地产生的可再生能源提供的建筑。如上海世博会零碳中心采用屋顶光伏与薄膜电池提供建筑运营所需电能，通过太阳能、风能、地源热能及水源热泵的联合供能空调系统，并利用生活垃圾降解为生物质能用于发电，实现零碳排放（表4）28。但需要注意的是，全权依赖可再生能源的零碳建筑，容易落入片面的绝对零碳误区，忽视物质浓度提升将伴随更多隐性能量消耗，且零碳的设备和材料在生产端与回收端往往具有更高的碳代价和制造成本。3认知：低碳建筑中“能量-碳量”的机理诠释3.1建筑能量系统的机理一味讲究建筑能源节约、零碳结果或片面追求能源利用效率将无法获得与之相关联的、更大尺度开放系统的生态效益，低碳设备与技术的简单集成也未必能有效降低碳排放，相反可能造成偏执的、以绝对零碳为导向的营建目标，甚至刚性的、以评奖评级为目的的技术路径29，导致资源与设施的冗余，降低建筑整体能效与灵活性。建筑师须将能量循环与物质代谢一同纳入低碳建筑的考量，在能值视角下追踪能量流动、划分能量与质量，并突破各种性质的能量流、物质流、信息流等之间不可统一度量的壁垒30，厘清自然能源、物质资源、能量消耗信息等的内在关联，进一步揭示能量转换产生碳排放的过程机理。通过对低碳导向的建筑能量系统进行多维剖析，可将能量调控子系统分为能量利用、能量转化、能量生产和能量管理4个维度，建立起“物质-能量-碳量”之间的关系（图3）31。（1）能量利用指建筑为达到舒适范围最大化获取并利用环境中的可用能量。不同气候、地貌会造就不同的能量环境32，通过建筑本身的在地性设计与构造满足有效的直接能量利用、降低无效的间接能量损失；通过对日照、通风、温度等的利绿色建筑重点关注资源节约和建筑性能，目标侧重“节能、节地、节水、节材、环保”，强调全面高质量发展，存在明确技术措施并以相应技术的选用情况评判是否为绿色建筑；低碳建筑目标则侧重“提标、增效、节能、降碳”，不强调某一具体技术的选用，而是以建筑全生命周期的碳排放总量作为唯一评价指标。与低碳建筑相比，绿色建筑的涵盖面显得过于详尽或宽泛，更多关注全面的高质量发展，没有精准针对低碳导向的策略与方法，因此，不能简单套用绿色建筑的实施路径来应对当下双碳的目标需求，需要及时校准修偏，寻找到准确的减碳路径，在绿色建筑的基础上建立实现低碳目标的营建体系与技术方法。2.2低碳建筑的多元化概念衍生低碳建筑在共时轴上存在多元概念衍生。我国双碳顶层战略在建筑领域的落位可以总结为：节约能耗是实现双碳的最基础途径；构建新型电力管理体系是最有力抓手；实现建筑末端零排放是最关键环节19。因此，我国低碳建筑以“能源节约”“能量导控”和“碳量清零”为切入点，分别衍生出了在地被动式“超低能耗建筑”、柔性响应式“智慧建筑”和强化开源式“零碳建筑”，以适应我国的双碳路径。（1）被动式“超低能耗建筑”是绿色建筑进一步发展的形态，旨在通过主、被动式技术最大化调控气候环境，最大程度降低建筑供暖供冷需求20-21。如新加坡国立大学设计与环境学院4号大楼（SDE4），室内采用吊扇、通风装置和可调节窗扇等组成混合冷却系统，通过组织气流秩序和流速降低室内温度，同时室外加设挑檐遮阳板等构件，降低室内太阳得热22；清华大学超低能耗示范楼采用多达25项节能措施和可再生能源技术，承担了建筑物内70%以上用电量（表2）23。但节能设备的集成与叠加，有时并不一定能提升绿色性能，如北京万国城MOMA项目中集合了大量技术的节能型住宅，其夏季能耗反而是普通住宅能耗的14.6倍24。（2）响应式“智慧建筑”脱胎于建筑智能化，“智慧能量管理”系统利用人工智能和物联网技术赋予建筑数据化、智慧化和信息化，实现能量的精细管理和柔性响应。如山东建筑大学教学实验综合楼、法国图卢兹三世保罗萨巴蒂尔大学等，通过感知层的物联网传感器和智能终端实时采集建筑物内的用户分布、热源分布和能耗分布，在网络层表1绿色建筑指标与低碳建筑指标解读指标绿色建筑目标低碳建筑目标节约资源建筑节能建筑节地建筑节水建筑节材保护环境因地制宜全寿命周期评价提升建筑性能安全耐久健康舒适运营管理环境宜居生活便利适应环境组织利用自然环境利用自然通风利用自然采光提升室内环境品质提升建筑质量降低用能需求提高能源利用率推动可再生能源应用建立可再生能源系统近零能耗近零碳排放碳排放管理减少碳源增加碳汇优化碳排放性能注：表示高频出现；表示低频出现；空格表示未出现资料来源：作者绘制表2被动式超低能耗建筑示例案例名称国别被动式节能技术案例照片新加坡国立大学设计与环境学 院 4 号大楼新加坡外墙遮光措施；混合制凉系统；实现对流通风的多孔空间；可开启落地窗等清华大学超低能耗示范楼中国碟式太阳光收集器；光电玻璃；单元式窄通道内循 环 双 层 皮 幕墙；电动可调水平外遮阳等资料来源：作者绘制；图片分别引自https:/ 4/2023 新建筑|广角镜用，调节流转于建筑界面内外的低品位能量，降低由室内照明、通风和供热制冷等产生的碳量。（2）能量转化指将从自然界获得的初级能源转化为建筑物可以使用的能量形式。如化石能源等高热值、高品位能源的转化，其蕴含的能量易于转化为电能或热能，便于传输和使用。目前学界正在不断提高建筑系统能量层级的转化效率，增加有用能量的流动，减少使用过程中的碳排放。（3）能量生产指建筑通过可再生能源技术和设备实现自身的能源供应。江忆院士指出，建筑除了是能量的消费者，本身也具有成为能量生产者的重大潜能。建筑将成为产消融合的共同体，既消费能量，又产生能量，同时还能对能量进行储存调蓄，形成三位一体的“产消者”（Prosumer:Producer+Consumer）33。（4）能量管理指通过媒介和设备系统对建筑物中的能量流动进行控制和分配。随着分布式能源技术的发展和可再生能源的高比例渗透，终端用户对电能系统运行状态的影响越来越大，对终端用户实施有效的能量管理能够在很大程度上提高电能系统的灵活性，也推进了需求响应向着多元化、常态化快速发展34。3.2低碳建筑的能量组织机制建筑系统能量调控的4个维度均已取得快速的发展，然而由于能量系统的复杂性，各能量子系统在研究与实践中均处于相对独立的维度（图4）。在系统观念下，片面追求某一子系统的最高效率或会导致整个系统中其他子系统间冲突甚至相互抵消而无法达到整体最优，系统生态学家奥德姆（H.T.Odum）提出了整体能量系统的优化原则35。在建筑学语境下对其进行转译，以减少碳量为最终目标，突破能量子系统之间的流动壁垒，可建立系统化的建筑能量正协同组织机制。系统化的能量组织是降低能耗与碳排的基础36。建筑的能量运行是一个非线性的复杂系统，其最大效能往往发生在各能量子系统的中间效率水平。因此，须明确能量利用、转化与生产之间的相互作用关系，避免过分强调某个子系统的效率最优，导致建筑整体效能降低。同时遵循低品位能量优先原则，采用多能源互补的形式，构建清洁能源优先、常规能源梯次利用的能量系统，并在满足生活需求的基础上善巧地组织不同能量的时空路径，耦合能量利用、转化和生产系统，发挥子系统间的正协同功效，促使系统从无序向有序、从简单向复杂方向发展成为一个由能量流维持的动态平衡结构（图5）。以“能量”作为内在逻辑重新梳理各类衍生建筑间的相互关系，有助于明确双碳目标与现实路径之间最匹配的建筑类型。目前，低能耗、智慧和零碳建筑在各自领域已有较为充分的技术发展和知识储备，但追求各自领域内的“最优”不应成为建筑师实现双碳战略的目标。“低碳建筑”应在系统视角下，强调能量组织的内核，实现能量与技术协同，在不违背绿色、智慧、低碳原则的基础上，综合各部分的“次优”以实现整体的“最优”（图6）。4路径：基于能量组织机制的低碳建筑空间营建策略将低碳建筑的内在机理理解为一种空间营造的“能量组织”，并由这种组织带来“物质形态”的秩序，平衡与引导低碳建筑的形态建构与物质循环。趋向碳排放“低零负”的逐级修正目标偏表3响应式智慧建筑示例案例名称国别基础智能设施环境智能案例照片山东建筑大学教学实验综合楼中国物联网传感器；智能终端与电网协同收集室内温湿度、照度等环境参数；实现对电网跟踪，从而实现时段控制及用电管理等功能图卢兹三世保罗萨巴蒂尔大学法国协作的WiFi系统；灵活、模块化的开放数据平台；传感器组成的基础设施系统考虑室内环境及使用者行为，优化能源网络系统及建筑材料性能阿姆斯特丹EDGE大楼荷兰2.8万个传感器；手机APP环境联动系统检测动作、温度、灯光和红外线等信息，自主调节办公楼环境；可通过APP调节工位附近照明和温度资料来源：作者绘制；图片分别引自http:/ Brattrkaia挪威屋顶、立面光伏；季节性储能调配；“液体光”光源；微电网供电资料来源：作者绘制；图片分别引自https:/ 4/2023 153析J.可持续发展经济导刊，2022（3）：39-41.20 洪小春，季翔.被动式超低能耗绿色建筑节能理论的传统智慧解析J.中外建筑，2018（12）：44-46.21“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划J.安装，2022（5）：1-6.22 王高远，陈天.热带地区净零能耗建筑设计策略浅析：以新加坡国立大学SDE4教学楼为例J.世界建筑，2021（2）：110-117.23 荆子洋，刘茂灼.浅谈国内低碳建筑的技术堆砌问题J.中外建筑，2014（3）：78-80.24 王剑文，陈宏.夏热冬冷地区绿色建筑技术的适宜性利用策略研究C/中国城市科学研究会，广东省住房和城乡建设厅，等.2018国际绿色建筑与建筑节能大会论文集.北京：中国城市出版社，2018：861-865.25 王泽昆，张亮，薛鑫，等.“双碳”目标下的智慧建筑J.中国科技信息，2022（7）：51-52.26 陈立征，孙景文，彭伟.智慧建筑低碳运行应用案例分析J.电力需求侧管理，2023，25（1）：80-85.27 杜娅薇，张守仁，王碧玥，等.智慧绿色校园的研究进展及实践应用分析J.新建筑，2021（2）：47-53.28 丁建斌.中国零碳建筑的一次伟大实践：介绍2010年上海世博会伦敦案例零碳馆J.住宅科技，2010，30（11）：1-4.29 王焯瑶，钱振澜，王竹，等.长三角地区绿色建筑设计规范性文件解析：基于内容分析法J.新建筑，2020（5）：98-103.30 HERMANN W A.Quantifying global exergy resourcesJ.Energy,2006,31(12):1685-1702.31 蔡志昶.系统思维在生态建筑能量流动分析中的应用初探J.城市建筑，2008（4）：35-37.32 郑媛.基于“气候-地貌”特征的长三角地域性绿色建筑营建策略研究D.杭州：浙江大学，2020.33 江亿，胡姗.中国建筑部门实现碳中和的路径J.暖通空调，2021，51（5）：1-13.34 安佳坤，贺春光，刘洪，等.基于强化学习的建筑集群需求侧能量管理方法J.电力建设，2021，42（5）：16-26.35 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