回歸生活的新能源小住宅整合設計探索
——2021年中國國際太陽能十項全能競賽Pixel House案例

作者 | Author：夏珩 XIA Heng，徐寧 XU Ning（泛在建筑技術(深圳)有限公司 FANPOWER Building Technology CO LTD.)，李宸 LI Chen，唐沛 TANG Pei，蘇澤勇 SU zeyong，米歡 MI Huan，張朝臣 ZHANG Chaochen，范悅 FAN Yue（通訊作者 corresponding author）

一、背景介紹

第三屆國際十項全能太陽能建筑大賽SDC（中國賽區）于2020年6月啟動，2021年9月落地于冬奧賽場所在地張家口德勝村，2022年7月底-8月初進行決賽，共吸引了來自10個國家29所高校的15支參賽隊伍。，本屆大賽競賽場地占地約80畝，建筑競賽區將有15棟參賽房屋及1棟VIP智慧展示房屋（圖1）。

圖1a.競賽場地的鳥瞰圖（圖片來源：李宸拍攝）

圖1b.SRF 賽隊的X House 的夜景照片（圖片來源：張瑜拍攝）

圖1c.SRF 賽隊的X House 的全景照片（圖片來源：李宸拍攝）

二、問題與挑戰

此項賽事極具挑戰性，因其實驗性前沿特征，使建造測量的實踐競賽模式代替了傳統的圖紙競賽[1]，不但是真實建造，而且需要高度關聯建筑環境科技，通過主客觀性能的評分形成完整的研究循環。本賽事在中國賽區已經進行到第三屆，共計已有40支隊伍（55所高校）參賽，建成樣板小屋累計40棟，使用技術達數十種。如王崇杰曾對2018年賽事的被動式、主動式設計策略進行研究,重點分析了形體設計、被動式采暖、圍護結構設計、自然通風采光、遮陽、太陽能光伏系統、太陽能光熱系統及空間環境營造[2]；從教學和競賽指導的角度，孫一民教授曾指出真實的建造競賽也是“新工科”辦學思維的體現，著重培養學生的思想力、學習力與行動力[3]。

上述豐厚的積累與既有研究既給SRF賽隊的設計、競賽指導提供了極具啟發性的思考，也給我們進一步探索提出更高的挑戰。SRF聯隊由深圳大學、墨爾本皇家理工、泛在建筑科技組成。在競賽伊始，賽隊就回歸生活，將各個層次的社會現象、趨勢、問題納入整體性設計的視野，并試圖從中梳理出線索，以激發具有探索性、實驗性的優質設計提案。

從宏觀角度來看，當下社會已經出現新的變化。自2019年底以來，新冠疫情席卷全球，給各行各業帶來深刻的變化，也給住宅設計帶來新的挑戰。如何處理消毒間、獨立隔離空間、居家辦公學習、線上會議、運動等；同時，隨著電商的不斷發展，如外賣、直播、抖音等平臺的興起，因此如何在住宅設計中回應這些新的社會趨勢成為SRF賽隊思考方向。在生活耗能組成方面，重心日益從空調轉成其它家電的耗能。例如電動汽車的使用和普及，其使用后的電池如何得到有效處理，是否可以被重復利用，這些看似不相關的社會現象其實都對SRF賽隊的構思產生了重要影響。

此外，建筑環境技術也獲得了長足進步，但是面臨的技術瓶頸仍然較多。比如，光伏技術產品成本大為降低，中國的光伏產業已經增長為全球第一。光伏產品的原材料眾多，有單晶、銅銦鎵硒、銻化鎘、鈣鈦礦等等；但是，其發電效率目前存在技術瓶頸（僅在20%左右徘徊），而且提高1%的發電效率需投入極為龐大的基礎研究力量，晶硅光伏組件會因發熱而降低發電效率。此外，隨著全球和中國對于“雙碳”的共識，建筑在不久的將來會成為“建筑發電站(Buildings as Power Stations)”[4]。勒·柯布西耶（Le Corbusier）在上個世紀初提出的“住宅是居住的機器”這一說法并未被消解，而是大幅增加。設計師如何在“量”的基礎上助力光伏產業在“質”的方面帶來提升？光伏產業的高速發展，使家庭用電到底是直流電還是交流電的歷史問題被再次提出，直流電比交流電更為安全、便捷、節能。此外，類似無線動能開關產品的終端產品的出現，使得空間的可能性被解放，分割空間的隔墻不再受到電線的束縛，給建筑“空間”的設計帶來了極大的機遇。再者，住宅室內的家電品目也是日益繁多，如關于住宅室內空氣管理的設備種類就多達幾種，如風扇、新風系統、空氣凈化器、加濕器等等。那是否可以進行有效的整合呢？

圖2.柯布西耶與先進的汽車（圖片來源：https://ipekhelvaci.wordpress.com/2016/10/27/towards-an-architecturepure-creation-ofthe-mind-of-le-corbusier-vers-une-architecture-pure-creation-de-lesprit/）

圖3.張北當地的民居山墻與雕花（圖片來源：夏珩拍攝）

就具體賽事安排來看，本次賽事與往屆有如下不同點：1.本次競賽的建成房屋為永久性房屋，要求是在20m2見方的地塊上設計一個適應張北地區的“家”，總建筑面積120-200m2左右；但是具體使用者不明，功能需求并不固定與清晰。這使得設計在功能布局上需要充分的預見性，妥善考慮使用的靈活性。2.基地的氣候熱工分區屬于嚴寒地區。據資料顯示，張北當地最冷月溫度可達-40℃，雪季時長約3-4個月。因此，對于光伏發電技術應用來說，如何在雪季進行高效發電（即如何實現快速融雪）是一個很大的挑戰。采用主動式（電熱絲）固然是成熟技術，但是會消耗大量的能源。

就最為微觀的地形（Topos）學角度來看，德勝村所在的小二臺鎮區域當地民居多為一層的磚瓦房。相比于經濟條件好或者具有顯著特質的傳統村落，這些民居顯得較為簡陋。可是，即使在這種條件下，當地村民仍然在山墻上利用砌法的變化精心制作磚花。由此可見，對于體面的“家”以及美好生活的追求不會因實際經濟條件而泯滅，而是一種人的基本生活訴求。這種強烈感受是設計需要落實的（圖3）。

對于社會大眾而言，上述梳理的現象實際上是一種生活“常識”。但對于久囿于狹義建筑學專業話語的年輕學子而言，則是需要時刻提醒自身局限性的清醒劑。因而，這里的“常識”并非是因循守舊之意，而是指人類社會真實生產條件和基本生活需求：在我們看來，這即是“建造詩學”的真正立足點。例如像黃作燊先生（1915-1975）在其“構成的詩學”中提出，一個場所如何為文化生活和社會活動得以高度卷入提供可能性的條件[7]；坂本一成的“日常詩學”也具有啟發性[8]。作為建筑學專業，我們需從建筑設計的視角，即從地點（Topos）、類型（Typos）、建構（Tectonics）等三個方面進行回應，仍然回到“建筑與場地”、“材料與建造”、“形體與環境”的建筑本體層面進行回答，從而避免單純從技術的角度予以回應。

三、Pixel House -“家”的原型

賽隊作品Pixel House（作品簡稱X HOUSE），是一個緊扣競賽命題，適應地域人文環境，應對復雜生態變化的創新性多功能零能耗獨立住宅，它滿足當下疫情背景下全生命周期需求，也是一個結合技術與人文關懷的有溫度的建筑（圖4）。

圖4a.Pixel House 平面圖（圖片來源：SRF 賽隊）

圖4b.Pixel House 室內-玄關（圖片來源：張瑜拍攝）

圖4c.Pixel House室內-陽光房（圖片來源：張瑜拍攝）

圖4d.Pixel House 室內-客廳與書房（圖片來源：張瑜拍攝）

它的平面為L型，占據場地的最北側，剩余的庭院平面亦為L型，與建筑體量互成圖底關系。最終方案采用了三開間、三折坡頂的方案，東西向開間11m、南北向進深12m、建筑面積166m2（其中主體建筑面積116.64m2，其余為車庫、陽光房和門斗面積），建筑體積633.5298m3（其中主體建筑體積463.644m3）。每折坡頂為雙坡，迎坡面朝南，傾斜角為43°，綜合了冬夏兩季的最佳光伏發電傾角。最后一折坡頂向東延伸形成車庫、設備間。住宅主入口設于東側的宅間路而非南北兩側的小區路，目的是盡最大可能促進鄰里交流，同時最大限度利用南側圍墻面積進行發電，并避開陰冷北側入口在嚴寒冬季的不利影響。

對于室內空間，設計僅在中跨的客廳和餐廳位置保留了坡頂空間，以彰顯其開放性、公共性的特性；但在東西兩開間的廚房、書房、臥室和衛生間等私密的區域，則采用了平吊頂的方式，這不但與前面公共區域進行差異化處理，也縮小了空間體積，從而達到減少能耗的作用。此外，平面功能空間組織創造出滿足當代多場景的居住家園，適應多代居、直播、開會、隔離等可能場景，從持續的公共衛生事件出發，創造了滿足防疫、隔離等新需求的住宅。再者，建筑主體采用了膠合木（GLT）框架與框間填充大板的復合結構，以達到材料層級固碳效果。

概括而言，X House具有20項創新點，分別為：像素空間、被動節能、季節換能、人工地源、多能光伏、光伏直驅、光伏光熱、熱電雙儲、大板裝配、森林空氣、防疫衛生、精細構造、零能園藝、部品部件、固碳減排、梯級利用、虛擬電站。

3.1 能源設計策略

本方案的能源設計策略借鑒了瑞士蘇黎世高工凱勒（Bruno Keller）教授提出的低能耗建筑模型，核心構成包括建筑圍護結構（嚴密的絕熱層、優良的窗戶、可調節遮陽)、“空”調系統（Space Conditioning)、能源供給系統[9-10]；這一模型經過筆者的多次檢驗與當地化應用[11]。結合利用光伏的新能源建筑，可進一步解釋為開源節流，即最少程度地耗能，最大限度地產能。太陽能光伏的應用全面且多層次，從產能到蓄能、儲能的階梯級利用，從單點應用到多點應用，將BIPV概念推高到AIPV（全太陽能建筑技術整合設計，All in PV)。景觀圍墻、庭院鋪地、裝飾燈籠、戶外遮陽傘等均采用了光伏產品。整個方案的光伏裝機容量為20.53kw，全年總裝機容量達2.5萬kwh。所有家電的用電功率合計30.8kw，離網期間的用電功率合計12.7kw。從實測的發電量來看，冬季當天發電量較低的也有59.75kwh（2021年1月27日，有積雪)，夏季發電量達86kwh（2022年7月2日)。這一實測數據遠超全部室內家電使用所需（圖5）。

對于蓄電池方面，賽隊采納“梯次利用”的技術產品，回應新能源電動車電池全生命周期的問題。實際上，電動車使用的動力電池及民用建筑使用的電池在性能方面有很大的差異。電動車梯次利用后的電池可以用于民用建筑的儲能。賽隊也嘗試了多項光伏直驅的家電，如采用光伏發電直接驅動直流空調（此為格力集團在國內應用的第一個案例），SOLARPI直驅電扇也是中國第一個將盤式直流電機用于光伏直驅的嘗試。因限于篇幅，下文僅著重介紹光伏和空氣管理系統這兩項。

3.2 新型光熱光伏一體化（PV-T）產品

如前所述，通常PV光伏板的效率僅在20%左右，提高發電效率是目前的關鍵技術瓶頸，這意味著80%的光能是浪費的；因此如何利用剩余的光能，具有很大潛力。采用光伏光熱一體化（PV-T）的技術路徑，因為光熱回收利用可進一步降低光伏組件的溫度從而維持其發電效率。但是SRF賽隊并未采用傳統的太陽能熱水器和PV-T產品，即在集熱設備中走熱水的方式。因為這一方式的弊端不單會因走水增加了屋面的荷載，從而增加結構的負荷，同時也因嚴寒氣候的溫差而導致水管的爆裂。因此，SRF賽隊的PV-T產品利用了超導熱管技術，是一項由“泛在建筑實驗室”指導晶華公司全新定制研發的新產品。

在形態方面，PV-T晶硅光伏組件的最佳傾角選擇了38°，它完全和建筑主體的坡頂融為一體。這一角度不但經過對太陽高度角的計算，而且也對張北地區光伏電站實地考察以矯正計算角度。研究對比結果發現兩者幾乎是完全重合。

構想的融雪效果在2021、2022年的冬春季節得到實際驗證。在設計階段，團隊特意在建筑主體、附屬車庫、陽光房屋面分布了3種不同的光伏組件，以進行實測驗證。其中，具有嚴密絕熱的建筑主體屋面覆蓋了晶硅的PV-T組件，附屬車庫覆蓋晶硅組件，陽光房則采用透明率70%的銻化鎘薄膜組件。在2021年冬季和2022年春季，實際融雪效果得到了充分驗證。由圖可知，裝有PV-T產品的屋面在積雪覆蓋后約半天時間內實現了融雪效果。它和陽光房屋頂的融雪速度幾乎相當（陽光房屋頂因其包裹空間的“溫室效應”而迅速積累熱量從而使得頂面玻璃位置的積雪融化）。但是這兩種屋面被動式融雪的熱量來源卻完全不同。可作為鮮明比較的是，車庫屋頂則仍然被厚厚的積雪所覆蓋（圖6）。

圖5.2022 年2 月主體屋面PV-T 組件全月發電記錄（圖片來源：李宸制作）

圖6a.SRF 賽隊的X House 的雪景照片（圖片來源：李宸拍攝）

圖6b.X House 的施工照片（圖片來源：李宸拍攝）

3.2 定制室內生態空氣品質環境的智能系統（“森林空氣”）

從當今復雜的生態環境變化出發，集成空氣管理系統創造了室內富氧、安全、舒適的空氣生態環境。就應用于X House的具體技術架構來看，“森林空氣”系統是由智能主動力機和與之匹配的智能消音自凈的風管系統組成。其風管系統由一套主風管以及不和室外連通的輔助風管組成(由于客廳、餐廳和廚房聯通空間較大，故增設了促進內循環的輔助風管)。在主風管上一共布置了15個出風口、18個回風口，輔助風管上的進出風口各3個。其中，有5個風口位于離地0.20m標高處，其余風管皆分布于2.2.24-2.645m標高的位置。風口處的風速平均值約為3m/s（出風口比回風口的風速略高以形成正壓，每個風口的風速因均有感應器實時自動調節而有所不同）。粗略計算，風口數量的單位面積和單位體積分布數量分別為0.33個/m2、0.1個/m3（不含車庫、門斗、陽光房）。如此立體式的送回風口布局，可實現室內對流雙循環，新舊氣流智能交換，分布均勻，達到無明顯風速的清爽體驗效果。此系統的設計功率是360W，每天24h運行的耗電量約8.6kwh。通過實測，其空氣質量的實際效果令人滿意（圖7）。

圖7.X House 的空氣管理系統軸測圖（圖片來源：SRF 賽隊繪制）

圖表1.X House 的空氣質量檢測數據表格（圖片來源：段喆童紀錄、繪制）

在風管的材料方面，項目采用意大利生產的帶有特殊涂層的P3鋁箔復合風管，此風管尺寸極為緊湊，截面120mm見方，壁厚20mm，風口直徑110mm。其主材為雙面鋁箔內填水發泡聚氨酯，輕質高強，并實現了模塊化的快速裝配（安裝速度比鐵皮風管節約2/3，但成本略高）。此設備系統能整合住宅室內的空氣管理相關的科技設備，這是一套可依據室內立體空間體積大小，智能疊加減硬件的空氣品質管理系統。它在總機位置設置了高壓殺菌、靜電吸附微顆粒、增加負氧離子等裝置。在2021年10月開始的連續6天的實測可知，X House室內空氣質量滿足聯合國衛生組織（WHO）空氣質量環境安全標準要求。此外，通過置入芯片的方式，這套系統可以和市場上現有型號的空調冷氣機、加濕器、地暖等不同設備進行聯動匹配工作（圖表1）。

就技術策略來看，此系統實際上采用了與“空間”分布相關的技術策略以及隨之而來的一系列主動智能控制技術：它在進出風口空間做散點、多點式分布，以達到減少室內氣流死角，使得空氣流動更加均勻，減少局部過強風感等問題；不過由于散點狀布置風口需要解決管道分布過長、末端風速不足的技術問題，故其內部就要增加動力設備；由于增加了風機，勢必會增加耗能，進而設計采用實時感知風速、空氣品質的智能控制技術（IAQCELLS），實時調節風速以降低能耗。

四、競賽過程與產業璉整合

4.1 執行過程

自2020年6月SRF賽隊啟動賽事以來，精心組織了15場次的專家演講，共計100多位建筑、城市規劃、風景園林、結構、電子等專業的同學參與了不同階段的任務，并帶領核心隊員實地參觀了珠三角、長三角和華北的核心頭部企業。參加同學的年齡段覆蓋了碩士研究生、本科生五個年級。項目接納低年級同學參與的主要目的是播撒新能源建筑設計的種子，為未來賽事、學科發展作準備（圖8）。

在此后的一年時間里，項目組完成5輪建筑設計方案的甄選、優化，技術方案的整合。2021年8月30日主體開始施工（基礎于7月11日開工），使用21天如期完成了實際建造任務。在2021年10-12月、2022年2-3月分別完成三輪性能實測與客觀評價，并將在2022年8月初開展此項賽事的決賽。

圖8.賽隊成員和建筑主體施工隊照片（圖片來源：蘇澤勇拍攝）

圖9.X House 在泰州的試驗房鳥瞰圖和建筑單體實景照片（圖片來源：段喆童拍攝）

從新能源建筑產品設計研發的階段來看，在張家口落地的X House其實是Pixel House原型的2.0產品，它的1.0測試產品已經結合組委會要求的“預建造”環節在江蘇泰州“太陽里”進行了三座同樣結構的建筑單體實際建造測試。這也是將預建造與實踐項目高度銜接的良好示范。（圖9）

4.2 產業鏈的整合

項目通過對部品部件進行多維度的整合，立足于粵港澳大灣區的高新數字技術，進一步整合了長三角區域的產業鏈，輔之以華北、西南地區，進行全方位的統籌聯動，獲得資助的企業多達37家。例如，空氣調節系統來自深圳的IAQ Cells和大勝P3，智能家居產品來自深圳歐瑞博，直流光伏空調來自珠海格力，主體膠合木結構來自上海正山，門窗構件來自中南幕墻，光伏光熱組件來自晶華，其余光伏組件來自杭州龍焱、保定的英利等公司。上述產業鏈的整合過程需要強大的專業鑒別能力，并非龍頭企業就一定合適本項目的導向。SRF賽隊從自身方案的特質出發，篩選了一批行業內的隱形冠軍進行合作，以競賽為契機，建立深度合作機制，促進產教融合。

五、討論與結語

回顧這個持續近2年的設計落地過程，競賽指導教師團隊與學生、團隊內部均存在較多爭論，值得深思。比如，在競賽伊始，年輕學子大多遵循設計教學中常用的“空間”“形態”“趣味”作為設計出發點，而很難從“能量”“性能”“建造”議題中獲得形態生成的持續力量；對于教學而言，這是教師與學生教學相長的過程，因為這些議題的設計都需要在平時設計課教學中有所滲透，而對于此類高規格的競賽，教師自身的可持續設計素養必須與時俱進、終身學習。

在對建成環境相關的科技產業界的一系列實地走訪、調查過程中，我們深感機遇與危機并存。令人振奮的是，在具體技術研發、應用方面，不少企業實際上已經走在了高校的前面，其觀察、分析、解決問題的能力值得高校學習。同時，這也是我們深感危機的來源，即如何擁抱這種來自應用、制造行業一線的壓力與需求，直面社會問題，真正實現產教深度融合，使得高校與產業界齊頭并進，服務國家戰略，進而驅動我們的建筑設計教學。

X House的核心設計理念可以總結為：被動優先，主動優化，多技術高維度整合，部品化工業化，環境友好與高人居舒適設計。這一原型產品具有很強的社會價值，可實操、可復制、可延伸、可推廣。它的底層邏輯是積極回應“住宅是居住的機器”這一歷史命題，將技術與人文關懷的結合，以適應地域人文需求的可持續建筑整合設計的方式，迎接“住居”與“機器”的雙重挑戰。

當然，此方案的設計也存在諸多不足與問題，例如在建筑空間、結構與設備的高效整合、直流家電設備的使用、各設備系統之間的智能化平臺控制等方面。項目組期待通過7月底的夏季實測，進一步發現問題并提出優化策略和設計改進方向，從而形成設計迭代。雖然此次賽事將隨著8月初的決賽評比而結束，但是X House的迭代仍然將持續進行。此原型住宅將在夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和高原地區做進一步的應用、測試與優化，努力為“雙碳”目標的實現提供參考。

對于設計與技術創新議題，SRF賽隊認為不應該為了創新而創新，不應偏離人的需求這一基本常識，應該“來源于生活，高于生活”，即立足于對現有技術水平、產品特性的常識，進行精細化、優化探索，進而獲得系統性突破。

致謝

深圳大學建規學院Pixel House全體隊員和指導教師成員彭小松、曲菲、陶伊奇等，香港中文大學朱競翔教授、河北建筑工程學院林大岵老師、華南理工大學王奕程、張文豪博士研究生、杭州龍焱光伏鄒積凱先生）

注釋

1) 中國國際太陽能賽SOLAR DECATHLON CHINA(簡稱SD中國)，作為“中國—美國第七屆戰略與經濟對話”成果落戶中國，經美國能源部授權，在中國國家能源局的指導下，由中國產業海外發展協會主辦。自2011年落地中國，得到了包括中國國家能源局、住房與城鄉建設部、共青團中央、外交部、財政部、發改委等國家部委單位的支持，競賽積極服務于國家“3060“發展戰略和可再生能源利用推廣，推動城市高質量發展與產業轉型。

2) 第一屆大賽于2013年在山西省大同市舉辦，第二屆大賽于2018年在山東省德州市舉辦。

3) 行業展示區將設有150個展位，供企業進行展覽展示；會議區將設有5個會議室，最多可容納3000人，供開閉幕式、論壇、講堂等活動使用；綜合服務占地約10000平米，設有書店、咖啡廳、餐飲、文創店鋪等商業配套，為賽事提供服務。共分為建筑競賽區、行業展示區、會議區、綜合服務區四部分。

4) 德勝村在2015年曾經是貧困村，2021年入選第三批全國鄉村旅游重點村名單。年平均氣溫3.2℃，年降水量約300mm，年平均日照時數2897.8小時，年平均7級以上大風日數30天左右，冬有嚴寒，夏無酷暑。