根据联合国环境规划署公布的《2020 年全球建筑建造业现状报告》，建筑建设行业占全球能源相关二氧化碳排放总量的38%。为了实现建筑的碳减排，建筑师积极探索“零能耗建筑”。这座新建筑引起了整个行业和学术界的广泛讨论，也确立了其在未来可持续智能城市发展的重要作用。

 

LWK  +  PARTNERS设计研究总监刘少瑜教授在可持续建筑方面有很多研究和实践经验，带领该事务所的设计研究组积极研究零能源建筑的可行性。本文试图抓住一些刘教授对未来零能耗建筑发展的观点，推动相关设计模式的前进发展。

 

【什么是零能源消耗建筑】

 

零能耗建筑主张利用地面可再生能源，让建筑物自身发电，年能源与自身年耗电量相同或更高，达到零能耗。这类建筑多以被动设计为重点战略，包括从建筑形态、布局、悬挑结构、遮阳网等几个方面着手提高节能效果。

 

其他设计策略包括有效的供暖空调、物联网(IoT)系统等主动设计，与被动设计相结合，可以进一步提高建筑物的能源消耗为零的能力。

 

另一个零能耗建筑的重要组成部分是可再生能源应用。 目前，绿色建筑的地面发电主要利用太阳能，但目前太阳能面临诸多限制，因此近年来看到的绿色建筑只能实现“接近零能耗”。但是，这些先导项目仍然具有宝贵的参考价值，使建筑设计师在现有基础上进一步深化，广泛实现零能耗建筑，引领着未来城市的可持续发展。

 

【建筑形态和布局】

 

建筑的外形和座向直接影响热能的接收、采光和通风，但联合国环境规划署指出，与制冷相关的能源需求是建筑物最终用途中增长最快的。

 

传统的矩形建筑多由相互远离的一系列封闭空间组合而成，不仅阻碍自然风进入建筑，还阻碍内部空气的流动。相反，如果将建筑体量分割为多个虚拟重叠的水平面板，则可以进行对流通风，各平面为楼下提供部分遮阳。采用浅地板空间，效果更好。

 

也可以进一步调整各空间的朝向和布局，搭建通风廊道、露天平台、空中花园，为派对和社交场所创造理想的热舒适性。使用环保隔热外墙材料也有助于减少空调的需求，在外墙上安装垂直或水平翅片，可以进一步防止日晒。

 

为了减少电梯的使用，可以在建筑的主要位置增加大型楼梯，改变设计改变行为，除了省电外，还可以进一步促进使用者的健康和社区的归属感。这些开放的空间鼓励人们移动，与空间交流，加强楼层与楼层之间的视觉联系，划线更有趣的人的移动线，创造电梯难以取缔的活力体验。为了实现零能耗建筑的最佳节能效果，设计师使用各种方法防止和阻挡阳光直接照射到建筑物的空间。

 

屋顶的设计成了建筑物整体的遮阳篷，阻隔了大量的阳光直射，减少了整体的能源需求。虽然也可以在屋顶安装太阳能板进行太阳能发电，但是如果能够在白天的不同时间段根据太阳轨道调整角度面对太阳，就更为理想了。

 

刘教授在其研究中将新加坡国立大学设计与环境学院4(SDE4 )作为“接近零能耗的建筑”的成功案例。项目依赖于屋顶的1，225枚太阳能电池发电，其可再生能源产量基本可以满足该建筑自身的年能源消耗。多余的能源可以提供给附近的公共电网，在用电需求高的情况下，也可以安排电力回流。

 

在建筑中，为了相互补充，发挥最大的效果，减少太阳能的吸收，需要同时设置格栅、穿孔外壁、窗帘等悬挂结构和遮阳设备。理想的是根据日照角度、建筑高度和其他地方的特征进行计算和测试，与不同的设备进行组合，最终得到最佳的协同性能。

 

以SDE4的4层空间为例，2米悬挂的遮阳板与可以与室内窗帘部分开闭的窗户组合，节能效果最好。另外，通过使使用者能够自主控制窗户的开闭程度和风扇的风速，提高了柔软性，同时也提高了对传统温度调节设定以外的温度的体感接受度。

 

【智能传感器和响应性环境】

 

适应当地气候的设计要素一直见于各地的乡土建筑中。随着气候变化的威胁越来越严峻，世界建筑必须引入适应气候的功能。结合智能建筑系统和当地天气信息，有助于创造温度舒适的响应环境。

 

零能耗建筑物的理想运营温度为27至28，与传统高级办公楼的约23不同。这可以充分应对大多数人的活动，提供舒适的家庭体验，节约冷冻资源。

 

智能混合冷却系统是平衡能效与用户舒适性的重要战略，需要自然风、智能风扇、空调的组合，与物联网传感器结合使用。例如，如果传感器检测到有人相继开窗，这可能表示空间内所需的空调很少，所以可以自动关闭空调，启动风扇。

 

除了温度调节外，物联网传感器还可以实时监测空气质量、照度、水、空间占用模式、人员流动模式等一系列其他环境数据，为运营方提供重要的数据分析和决策基础，以改善未来的能源效率、工作流程和家庭体验这些数据可以反馈到设施管理系统，触发系统的自动响应。例如，无人区域可以自动关灯； 调节照度不仅可以节约能源，还可以根据工作、社交、运动、吃饭、冥想等现场使用者进行的活动进行环境调节，提供最舒适的环境。

 

【以人为本的建筑后评价】

 

中国在2019年公布了《近零能耗建筑技术标准》国家标准，为零能源建筑提出了“被动优先、主动优化、可再生能源最大化”的技术路径。LWK  +  PARTNERS设计研究组对此进行了改进和补充，提出了闭环的第四条技术路径——“以人为本的建筑后评价”的技术理念。

 

以人为本的建筑后评价旨在收集使用者对建筑物体验的主观感受，评价建筑物在人类体验中的表现。这些实时数据使运营方了解如何协调运营，为用户提供最舒适的环境，同时提高节能、碳减排和成本效益。建筑师也可以利用这些数据来改进未来的设计方案。

 

以刘教授的另一项合作研究为例，他的团队在热带地区的大学校园进行了调查，收集了同学们的意见，了解了不同的通风策略对学习空间热舒适性的影响。结果表明，采用混合冷却系统或自然通风可以扩大使用者接受的温度范围，降低使用者对温度的灵敏度，减少对空调的依赖，降低功耗。研究将为未来的校园设计，如气候环境下提供重要的参考。

 

【迈向清洁零碳】

 

零能耗建筑的重要性不仅在于节能效果，也在于平衡家庭感受和生态保育。减少碳排放固然是发展零能源建筑的主要目的，但通过人机工程学的设计和生态系统友好的活力公共空间，人们将享受更优质的空间体验，促进人与自然的和谐共荣。

 

建筑是实现清洁零未来的关键环节，而中零能源建筑作为未来绿色建设的趋势，不仅要对环境负责，还要在推进健康智慧城市建设中发挥积极作用，有利于人们的健康发展。除了人工智能的持续发展之外，建筑师还逐渐引进相关技术建立全面的响应式环境，使社会能够适应气候变化和人群不断变化的需求。