碳中和導向的氣候適應性建筑設計關鍵要點研究

舒欣，朱金津，姜涵*

氣候通過能量交換對建筑產生最直觀的影響，積極應對氣候成為鄉土建筑的原始動機。相應的，氣候適應性便是建筑追求與環境資源能量協同的本質表現，它使得鄉土建筑對自然界的氣候因子有最為直觀有效的適應，能夠充分利用氣候調節趨利避害，創造更為適宜的人居環境[1]。千百年來，自然力作用、場所環境和建筑物的關系復雜而多變，每種解決方式都是對氣候、文化和技術的綜合回應。伴隨技術的進步，無論是在理論研究領域或是在建筑設計實踐層面，氣候適應性建筑一直都是建筑師關注的焦點和探索的前沿[2]。

另一方面，隨著減少建成環境中的碳排放成為全社會的目標，人們開始逐步意識到降低能源使用總量的重要性。習近平總書記提出“2030碳達峰、2060碳中和”的雙碳目標更是將建筑行業的深度減排提升為應對氣候變化目標中的核心議題。碳排放作為環境影響指標融入了更多跨學科的內涵，建筑師將節能、節水、節地、節材等環境友好的可持續指標與建筑設計流程有機關聯，賦予建筑學語境下的碳排放路徑，給氣候適應性建筑帶來知識領域、技術應用和設計方法的改變[3]。

1 碳中和視角下的氣候適應性建筑理念

氣候適應性一詞源自生物學領域，生物的氣候適應性（climate adaptation）是指在外界氣候條件變化的情況下，依賴自主調節能力對溫度、濕度、風、光、雨、雪等外界氣候元素的協調應對[4]。在建筑學領域，氣候適應性研究并不限于氣候因素對室內物理環境和舒適度的影響，還涉及建筑設備和使用者行為調控的可能性以及全生命周期的能耗等問題[5]。因此，建筑語境下的氣候適應性并不完全與生物學中的“climate adaptation”相對應，而是更貼近“climate response”，后者亦被譯作“氣候響應”或“氣候應答”。氣候響應意味著有能力對氣候這一刺激因素做出積極應對。氣候適應性建筑運用空間和質量作為室內外氣候環境間的介質，通過建筑形式、平面、結構、表皮、組件和材料的整體設計來響應氣候，實現能量的相互交換，并滿足人體舒適度需求[6]。

建筑碳排放在全生命周期范圍內發生，關注碳中和從時間和空間兩個緯度擴展了氣候適應性建筑的內涵，從宏觀場地環境到微觀建筑構件、從建材生產到拆除處理、從建筑設計到工程技術，均需納入考量[7]。在實踐層面，建筑師傾向從可操作的角度進行具體解析，將碳排放控制指標分解并與建筑設計指標關聯，通過碳足跡理論從建筑形體、日照朝向、通風采光、開窗遮陽、屋頂綠化，到結構材料、雨水收集、廢熱回用、能源設備等各個設計層面推進碳中和策略[8]。

2 基于碳中和的氣候適應性建筑平衡機制

氣候變化的威脅以及對于抑制氣候變化日益迫切的需要，催生出建筑新的使命，即必須在其建造和使用過程中盡可能地減少碳排放。如何通過建筑設計實現運行低碳或是碳中和，是時代賦予當代建筑師的責任[9]。氣候適應性建筑運行遵循的是一種平衡機制，即室外氣候資源和室內環境的動態平衡。自然條件下室外氣候資源與室內舒適度要求往往難以同步，這就需要額外的能源供給滿足建筑功能需求。因此，氣候適應性建筑并不回避能耗，但必須使碳排放盡量最小化，應當充分結合自然氣候資源以提供被動式策略以及可再生能源措施來優化環境控制和性能，以此對可持續環境做出貢獻[10]。

為了保證室內外氣候環境的動態平衡，建筑碳排放成為制約平衡機制的約束條件。由于氣候資源與舒適度要求之間并不總是保持一致，往往需要采取額外的碳補償策略，結合多種技術手段，通過能源節約、分配、緩沖、回收和存儲等方式實現建筑的碳平衡[11]。氣候適應性建筑的脫碳必須兼顧運行碳和隱含碳兩方面因素，同時考慮減少兩種類型的碳排放[12]。其中，成功關鍵取決于被動式設計策略與主動式策略的高效結合。氣候適應性建筑設計應當始于對選址、光照、通風的整體思考，并貫穿整個設計過程，通過一切可行的被動式氣候資源利用措施使建筑運行碳降至最低，并運用可再生能源和能源回收裝置滿足剩余的室內的加熱、冷區、通風和照明需求，最終實現零碳排放[13]。

3 碳中和導向的建筑氣候適應性設計要點

通過對碳中和導向的氣候適應性建筑理念和平衡機制的梳理，能夠發現碳中和視角的介入豐富了氣候適應性建筑的內涵。氣候適應性建筑設計必須整合各種系統和需求，采取適宜的設計策略，實現碳排放與高性能表現的動態平衡。根據世界資源研究所提出的按優先級排序的策略，氣候適應性建筑可以在3個不同層次實現脫碳：（1）通過被動式優先的整體設計策略提升能源利用效率，減少建筑運行碳；（2）運用以可再生能源、回收能源為代表的主動式設計滿足剩余的低能耗需求，進一步降低運行碳；（3）選擇本土材料和可回收材料，降低新建筑在其全生命周期內的碳隱含量（圖1）。

圖1 碳中和導向的建筑氣候適應性設計關鍵要點框架

3.1 被動式設計的關鍵要點

（1）氣候賦形

氣候條件賦予了建筑形體生成的依據。在建筑形態、體量、方位等形式要素上融入氣候適應性設計策略后，建筑形體與環境性能之間即存在著相互決定和影響的作用機理，并由此奠定了形體構成作為氣候適應性建筑被動式節能策略中最為穩定和堅實的基礎[14]（表1）。

表1氣候賦形在建筑的形態、體量和方位上的影響，朱金津繪制

形體設計具有前置性，需要在設計之初統籌各種因素展開。首先，應當控制建筑體形系數，有條件時進行可變體形系數設計，靈活調整不同季節建筑能耗，精準優化建筑能效；建筑底層架空，促進炎熱地區的通風與遮陽效果，也為寒冷地區提供開放的公共活動空間；根據太陽入射角采取合適尺度的檐廊；設置熱穩定性良好的地下或半地下空間。

根據不同地區的物理環境與氣候特點，建筑應優先選用規則的形體，盡量采用平面、豎向規則的設計方案；優化形體立面平整度，調整形體各面風壓；控制建筑進深，提高自然通風、采光效果。為應對寒冷氣候，可使建筑形體在迎風面外凸，緩解室外下沖渦流效應；形體避免過多凹凸變化，平面、空間規整緊湊；可采用圍合或半圍合的建筑形體布局，開口背離冬季主導風向，防止寒風匯聚。為應對炎熱氣候，應利用植被、場地高差以及傾斜或懸挑的建筑體量為建筑提供遮陽，減少建筑空間得熱，降低空調能耗；可在夏季主導風路上設置庭院、架空等形式的通風口，使氣流進入或穿過建筑，帶走熱量[15]。

根據氣候特征，通過形體方位布局、凹凸，能夠優化自然光利用，減少照明能耗。引入自然光可通過形體錯動、層層退臺或融入邊庭、中庭等空間；抵御自然光應利用形體傾斜或層層退臺實現自遮陽；加強自然光則需要增加采光面積、建筑構造措施及設置反光板等設備的方式。在針對風環境設計時，建筑主體方位應面向夏季主導風向，避開冬季主導風向；在春秋過渡季通過導風墻、開敞空間、中庭、通風井等手段合理組織通風，增強過渡季通風。

（2）空間調節

空間調節基于量、形、質等空間特征，對單一空間的不同性能進行利用與優化，選擇針對性的氣候應對策略進行合理的空間分區與組織，賦予空間更靈活的拓展能力和可變能耗屬性，有效降低氣候適應性建筑的整體能耗（表2）。

表2 空間調節在量、形、質等方面的體現，朱金津繪制

建筑空間根據不同功能對氣候性能的需求分為高性能、普通性能與低性能空間。性能相近空間集中布置，確保合理分區，普通性能空間宜布置在氣候適宜位置，高性能空間遠離氣候邊界處，低性能空間集中布置在朝向不佳位置作為氣候緩沖空間。普通性能空間宜通過與融入型空間、過渡型空間的綜合布局，引入庭院、天井等氣候緩沖腔體，實現冬季避風與夏季通風遮陽的需求平衡，并控制外區面積比、院落長寬比、過渡空間面積比、空間透風度等空間因素，優化能效表現[16]。

單一空間的氣候適應性設計中，“量”的控制對能耗影響巨大。可根據氣候特征，調整空間面積占比，保證適中的開間進深比，優化自然通風和采光；控制空間高度，調節空間熱舒適度；選擇合適的空間外露面積、室外傳熱面積，平衡熱量傳輸；控制中庭面積，優化中空間進深、長寬比與高寬比。“形”主要通過單元空間的集中、狹長、引導等方式，控制空間傳熱面，增強建筑的保溫、采光和通風效果。根據空間外墻洞口的位置、疏密、朝向或內部隔斷多少、隔斷通透率等參數調節室內空氣流動，規避冬季冷風滲透，增強夏季通風。“質”的設計要明確空間的性能品質需求，通常為冬季隔熱保溫、夏季通風遮陽；控制主要使用空間熱舒適時間比、換氣數等因素，營造舒適的室內環境[17]。

空間的氣候適應性設計也要求其具備相應的兼容拓展策略。建筑內部墻體等構件可以根據氣候條件與人群活動需求改變形態、位置和尺寸，從而根據動態的發展進行調整以適應變化，提高建筑壽命，節約資源。大空間通過采用開放結構體系、輕質隔墻系統，優化熱工分區，提升空間能效；實現“低能耗空間—普通能耗空間—高能耗空間”的分區間可變性，以此對應時間變化，適應氣候調節。空間宜采用靈活劃分設計，根據季節切換賦予不同功能，預留門洞和可移動輕質隔墻，從而合理調整建筑的橫向和豎向分隔量、分隔通透度和分隔走向。

（3）表皮調控

表皮作為建筑內外的界面，結合不同的氣候特征，通過對氣候的吸納、過濾、傳導、阻隔等方面進行建筑性能優化，實現具有氣候調控能力的表皮適應性設計（表3）。

表3 表皮調控在吸納、過濾、傳導、阻隔等層面的做法，朱金津繪制

表皮的“吸納”表現為對氣候環境的光能和熱能的充分利用，在保證建筑自然采光的同時降低制冷制熱負荷，實現節能目標。可通過控制窗墻比、屋頂透光部分面積比、可見光透射比來優化自然采光，結合反光板、散光板、導光管、反光裝置等適宜的增強采光方式促進對自然光的利用；采用重型墻體或相變材料等蓄能型建筑表皮，增加圍護結構的熱惰性，通過控制外墻熱惰性指標、相變溫度，減小室內熱環境的波動。

表皮的“過濾”機制能夠控制進入室內的自然風和太陽輻射的質與量，通過靈活調節的開閉系統及遮陽系統，實現對風、光、雨的調控。可根據自然通風需求，合理設置建筑洞口的位置與尺寸，優化窗墻比、有效通風面積、外窗可開啟面積比；可通過玻璃自遮陽、遮陽構件及垂直綠化等外遮陽方式，控制外窗太陽得熱系數SHGC、可調遮陽設施面積比，降低夏季太陽輻射得熱，同時兼顧冬季室內得熱；結合建筑類型及功能，在建筑屋面、主要出入口、窗口處設計挑檐或者雨篷[18]。

表皮的“傳導”以通風與散熱為原則，利用門窗洞口設置方位、大小、形狀等設計手法加強氣候對室內熱濕環境的正向影響。可通過優化通風窗與主導風向夾角、開啟扇角度、有效通風換氣面積比、可開啟外窗風壓達標面積比、自然通風換氣次數，增強室內自然通風[19]。

表皮的“阻隔”表現為對熱量、光線、潮氣的屏蔽，降低建筑的冷熱負荷，避免不舒適眩光產生。可選擇合適的門窗結構與材料，優化門窗傳熱系數、太陽得熱系數、可見光透射率、氣密性；合理控制外墻的保溫隔熱性能，采取有效的斷熱措施、隔汽防潮構造，選用有防潮性能的保溫材料，平衡表皮內部水蒸氣分壓力；采用雙層表皮融合景觀設計，通過“溫室效應”和“煙囪效應”實現冬季保溫、夏季通風；實現建筑表皮構件的遮陽、導風一體化設計，可結合太陽能光伏板產生不同的表皮形式。

3.2 主動式設計的關鍵要點

（1）可再生能源技術擴大產能

可再生能源是建筑實現碳中和的必然選擇，在所有可再生能源技術中，應重點關注太陽能的利用。在絕大多數情況下，建筑都能接收到太陽輻射，因此太陽能利用是達成零能耗目標的關鍵。光伏建筑一體化技術由于其有效提升可再生能源產出量、構造靈活多樣、提升圍護結構性能、整合建筑表現等優勢，已成為當今太陽能利用的著力發展方向。

光伏建筑一體化（BIPV）是指將光伏系統作為圍護結構的一部分集成于屋面和立面系統中。隨著光伏電板、光電薄膜等各類光伏產品的發展與探索，光伏建筑一體化由單一的產能屬性轉化為整合設計導向[20]。光伏系統可與各種建筑材料組合，形成全新的表皮采光、遮陽、和通風系統，滿足建筑的空間效果、節能產能、通風采光、保溫圍護等整合需求。尤其是薄膜光電等新型技術的引入，可以與玻璃材料整合實現調節陽光透射率的目標，也可置入雙層表皮空腔，在兼顧產能效率的同時控制室內得熱量，有效調控建筑室內溫度（圖2）。

圖2 光伏建筑一體化（BIPV）在建筑屋頂和立面的運用框架

光伏組件的轉化效率一直以來被認為是制約光伏一體化發展的因素之一。光伏電板的布置需要考慮所選區域的全年太陽輻射強度，以優化發電效率。光伏屋面系統需考慮屋面的防水、保溫以及光伏電板的維護性等問題，其中坡屋面可直接沿屋面坡度鋪設光伏發電板或光伏發電瓦，平屋頂則可采取一定傾斜角度地安裝以提升產能效率。光伏立面系統應當與建筑外觀系統協同設計，選擇合適的光伏組件類型和數量，合理地布置于建筑立面體系中，同時兼顧立面的采光、保溫、通風及防水等功能需求[21]。光伏立面系統通常包括光伏墻體、光伏幕墻、光伏遮陽等類型。同時，光伏組件與Trombe墻結合的復合系統、光伏組件與相變材料集成的混合技術系統等可以有效地提升太陽能綜合利用效率，雙重用途、靈活高效，這種混合式技術為光伏建筑一體化發展提供了重要思路。

（2）能源回收利用折減耗能

能源回收技術是將建筑運行過程中產生的空氣、廢水等余熱，以及可再生能源進行回收儲存利用，可大幅折減建筑的能耗。空氣余熱回收系統已成為零能耗建筑應用最廣的技術措施。余熱回收利用系統包括交叉式和對流式回收方法，可以進行顯熱回收與焓熱回收，在保證建筑物整體氣密性的前提下能夠實現高達85%～90%的熱回收率[22]。采暖地區由于通風換氣造成的空氣滲透熱損失率高達1/3，采用熱回收技術能夠節約能源，保持室內溫濕度；炎熱地區的能源回收技術則原理相同、作用相反，它采取冷回收技術，以有效降低室內的溫度，保持舒適度。

UBC可持續發展互動研究中心（CIRS）的加熱與冷卻源由3個不同的熱源回收系統提供。主熱源來自熱回收系統從相鄰的地球與海洋科學大樓（EOS）的通風柜收集的排氣廢熱，并轉移至CIRS的熱泵中。熱泵通過輻射地板和置換通風系統為建筑提供加熱與冷卻。第二個熱源是CIRS自身的廢熱回收，用于建筑熱水系統；最后的熱源來自場地內的地源熱泵，它是對熱交換系統的有利補充，并在運行時保證將CIRS多余的熱量返回給EOS。CIRS每年輸送給EOS的熱量為622,070kWh,而從UBC電網獲取的電量僅為613,540kWh，在實現負碳的同時也滿足了CIRS的能源平衡與碳中和目標（圖3）。

圖3 CIRS的熱回收系統，圖片來源：舒欣根據UBC提供的資料翻譯改繪

3.3 隱含碳設計的關鍵要點

建筑材料從原材料提取、加工、制造整個生產過程及運送到建筑工地進行裝配最終轉化為建筑元素所排放的CO2稱為隱含碳（Embodied Carbon）。從全生命周期的角度來看，隱含碳可以用來衡量建筑材料和相關系統對氣候環境碳排放的影響。不同類型的建筑隱含碳占全生命周期碳排放的比例存在差異，其中普通建筑占比6%～20%，低能耗建筑占比為26%～57%，碳中和建筑高達74%～100%[23]。由此可知，隱含碳在零能耗建筑的碳排放環節起著至關重要的作用，應予以足夠的重視。

（1）本土材料、可再生材料的充分利用

本土材料是由石、木、磚、瓦、植物等原生材料組成的建材，由于其就地取材便捷性、加工強度低技術性、可循環利用性等特點，往往具備較低的碳排放強度；本土材料蘊含深厚的鄉土文化內涵，對當地的氣候文化與人文歷史也有著真實的反映[24]。建筑師在設計中應充分發揮本土材料的低碳屬性與文化特性，促進建筑與人居環境的協調發展。

Eco Moyo教育中心項目充分考慮了本土材料和資源的運用，當地匠人從木麻黃森林就地取材作為木構的搭建，地基所用的珊瑚石也從臨近開采。室內空間由兩扇麻隔欄和三面當地特有的由干棕櫚葉制成的Makuti茅草墻分隔而成。這些隔欄在保證教室私密性的同時，維系了教學空間和周邊自然景觀之間的聯系；Makuti茅草墻則保護室內空間不受大雨侵襲，也為家具擺放和學生作品展示提供了實用空間。最終建筑呈現出極富當地特色的形態風貌，全部就地取材的營建過程，也進一步降低了能源資源的消耗，實現了材料的全生命周期利用（圖4）。

圖4 Eco Moyo教育中心項目的就地取材

大竹園村的文化禮堂“小村客廳”項目則充分挖掘本地材料作為建構方式表達與空間文化傳遞的物質基礎。建筑采用傳統瓦片和竹材通過疏密有致的組合排布打造遮風、擋雨、遮陽的屋頂，造型波蕩起伏意如江南水鄉遠山如黛、煙波浩渺；除此之外，建筑師發現當地農民在舊時燒制夯土加以麥秸、竹面使之更加堅固、耐用，所以沿用相同工藝的夯土材料希望能打破時間壁壘使歷史歲月感與農耕文化山鳴谷應；壘砌拼接的毛石墻、河邊的卵石以及地面的青條石完全就地取材來表達返璞歸真卻錯落有序的淳樸景觀。多元本土材料的綜合運用使項目最終的全生命周期碳排放僅為普通建筑的1/2（圖5）。

圖5 “小村客廳”的本土材料運用

可再生材料作為一種廢物回收利用的材料，由于其全生命周期時長的擴展，減少了傳統建材對自然資源的消耗，同樣擁有較低的碳排放強度[25]。通過舊材料或變廢為寶的新材料來代替一般性建材的補充性材料其性能通常不如原生材料，常作為替代品用于建筑性能要求較低的區域。因此，可再生材料如果僅僅實現“變廢為寶”，其應用領域極為有限，需要在此基礎上融合保溫隔熱、防噪通風等性能，形成一種全新的先進材料，從而更大程度發揮可再生材料的低碳能效。

英國的軟木住宅項目試圖通過單一的生物可再生材料來構筑堅固的建筑形象。膨脹軟木是一種由軟木林業的廢料制成的純生物先進材料，整個建筑的結構、隔層、外部覆層和內部裝飾均為膨脹軟木模塊，為清晰簡潔的幾何形式增添了一份溫暖的質感。同時，模塊采用的干式連接系統十分便于拆卸，整個住宅的1268塊軟木可以在建筑使用周期結束時被回收利用，或重返生物圈。經Sturgis碳分析評估表明，該住宅在建成時隱含碳值為負，是其評估過的全生命周期碳排放最低的建筑。從收集資源到壽命終止，軟木住宅體現了強大的全生命周期的可持續建造方法（圖6）。

圖6 軟木住宅采用的可再生材料——膨脹軟木，來源：https://www.gooood.cn/thecork-house-by-matthew-barnett-howlanddido-milne-oliver-wilton.htm

（2）關注建筑部品的分離度及回收利用

當建筑部品自然地完成其生命周期時，許多人傾向于直接將這些部品材料扔到廢料堆里，然后再運到垃圾填埋場。然而，極大多數情況下，這些部品可以被修理補救，回收利用，在大量不同的創意項目中被再次使用。在整個拆解或拆除過程中，處理這些部品都需要格外注意保持它的完整性，并檢查判定它們在未來被再次使用的可能性。同時，傳統的設計與建造方法，導致了建筑部品的消耗和浪費，設計初期就應當充分考慮它回收及其超出建筑壽命的使用途徑，這也對建筑設計提出了更高的要求[26]。

日本上勝町社區酒吧致力于實現零廢棄垃圾的生活理念，建筑師用從小鎮的廢棄房屋中收集到的百葉窗和窗框制作成保溫隔熱的雙層立面，它既是建筑的門面也是小鎮的明燈，照亮由于人們去城鎮里苦苦打拼而導致人口下降造成的失落。建筑外墻是用當地生產的雪松板木材回收后用天然的柿皮顏料著色，廢棄的物品做成地板，空瓶子做成燈，在城鎮中為塔臺生產的鹿角，以及報紙作為墻紙。這個建筑充滿了即興創作和發現，這些都是浪費回收的創造性組合。建筑不僅能夠提供能源和資源，而且通過回收、再利用來減少碳排放（圖7）。

圖7 上勝町社區酒吧廢棄建筑部品綜合利用，來源：https://www.archdaily.cn/cn/892887/ri-ben-la-ji-ling-fei-qi-shang-sheng-tingshe-qu-jiu-ba-hiroshi-nakamura-and-nap?ad_source=search&ad_medium=projects_tab

泰國的廢物亭展館顛覆了傳統的設計和建造方式，并提出一種替代方法。這座高6m的展館是用再生塑料磚和尼龍屏風設計而成，結構使用模塊化的構造，通過元素的重復排列創造韻律感。建筑每個組件的大小和比例都是根據活動結束后的產品化運用而量身定制的。展覽結束后，再生磚和屏風將被拆除，變成2500把椅子和1500個袋子。雖然建造時間很短，但展覽館部品組件的回收利用使其超出了建筑物的使用壽命，實現了真正意義上的碳中和（圖8）。

圖8 廢物亭展館全回收利用的部品組件

4 結語

通過國內外相關案例的分析總結可以看出，氣候適應性建筑在建筑碳排放領域起到了關鍵作用。對于建筑師而言，在今后的氣候適應性建筑設計中，基于碳中和的設計策略具體來說有3個關鍵要點：其一，建筑師應充分利用被動式優先的整體設計策略優化能效，通過氣候賦形、空間調節、表皮調控等各個層級最大程度減少運行碳；其二，主動式設計應從關注能效轉向可再生能源及能源回收的設計思路上來，以光伏建筑一體化、空氣余熱回收系統為代表的技術系統能夠有效滿足建筑的能耗需求；其三，建筑師在設計階段還應關注全生命周期的隱含碳，從對形式和空間的關注拓展到對材料的有效利用上，通過創造性的設計路徑，實現建筑的碳中和目標。□