今年，南极的夏天气温升高到了20摄氏度，满身泥浆的企鹅在“高温”中步履蹒跚，给刚刚失去了澳洲数以亿计野生动物的人类造成了极大的冲击。然而，更令人感到可怕的是，随着大气中碳含量不断飙升，地球气候持续变暖，南极下一次高温新纪录，或许会来得更快。
南极半岛今年夏天出现了异常天气现象，导致气温不断升高。上图是乔治王岛。
摄影：alessandro dahan，getty images
满身泥浆的企鹅在“高温”中步履蹒跚
然而在感慨空气越来越差、痛心气候越来越极端的同时，城市人口却也越来越离不开冬暖夏凉的空调房。事实上，建筑行业占全球年温室气体排放的30%，并消耗了40%的全球能源。城市建筑在全球变暖的进程中发挥着重要角色。如何平衡城市发展与环境保护、减少碳排量的同时不降低建筑实用性与舒适度，是建筑师绕不开的课题。
01
世界上第一个“零碳建筑”
早在2002年，伦敦西南萨顿镇就建成了世界上第一个“零碳建筑”范例——贝丁顿零碳社区。整个小区只使用可再生资源产生的能源满足居民的生活所需，不向大气释放二氧化碳。
贝丁顿社区拥有100多栋住宅，从37m²的小户型到131m²的四居室，长期居住人口约220人。小区建立在一块曾经用于从附近污水厂排放污泥的土地上，超过一半的建材来源于当地，节省了运输成本，其中有15%是回收再利用材料。
社区内大部分的住宅向南立面开大窗，最大程度汲取太阳光照从而达到室内照明目的；而采用双层玻璃最大程度是热量不被耗散。建筑墙体厚达50厘米，中间还有一层隔热夹层减少热量流失。
屋顶上安装有一排排五颜六色的风帽，两个通道负责排出室内的污浊空气，及输送新鲜空气。在此过程中，废弃的热量还可以预热新鲜进入的空气，约减少70%的热通风损失。
尽管社区内建筑密度高，仍有80%的住宅配有阳台或屋顶花园，在实现美观需求的同时，还可以自然调节室内温度。社区还拥有独立完善的污水处理和雨水收集系统，生活废水经过净化处理后，被用于冲洗马桶和植物浇灌。太阳能是小区发电制热的主要来源，配合以周边的木材废弃物。废木材经过干燥后进入气体发生器，在加热过程中转化为含有甲烷的可燃气体。树木在成长过程中吸收二氧化碳，在燃烧时等量释放，因此它是一种零碳排放的清洁能源。
02
香港零碳天地
zero carbon building
位于香港九龙湾常悦道的零碳天地项目，斥资2.4亿港币，兴建三层，占地14700平方尺（约13700平方米），于2010年10月启动，2012年6月竣工，2013年1月正式向公众开放。这座城市绿洲，除了一座集绿色科技于一身的锥形建筑，还包括环绕其四周的全港首座原生林景区。
与寒冷地区的伦敦零碳社区不同，香港位于亚热带气候区，拥有独特的城市布局及高密度人口。零碳天地周边被高楼大厦环绕，环境密度高，气候潮湿易形成热岛效应。想要在这片土地建立通风良好而又舒适的户外环境已属不易，更别说可以能源自给自足的绿色建筑。然而建成的香港零碳天地表现优秀，减少能源消耗高达40%，每年还可以将富余的自产能源回馈城市电网。
这座三层高的建筑（含地下一层）呈东南西北走向，迎风而立。屋顶北高南低，水平仰角21度，增加了屋顶太阳能板接收面积，又阻挡了南部炙热的太阳直射。墙体采用低辐射玻璃，在保障透光性的同时，还能减少热量传递。
盛行风向示意图
建筑物料的生命周期从提炼开始，经历制造、运输、安装、建造工序，以及拆卸及分解过程，当中各阶段都会消耗能源。建筑物的生命周期一般为50年，期间会不断耗用能源，并释放出二氧化碳。就传统建筑物而言，运作期间的碳排放比例较建筑过程的碳排放高，前者占达八成，后者则占两成。
在前期建造过程中，为秉承环保再利用的宗旨，零碳天地的结构混凝土粉煤灰含量25-35%，多处使用清水混凝土以及裸露的金属网架，以减少油漆或是其它装饰面对环境的影响。建筑废料后期被制作成石笼花池墙，用于园林造景。
此外，零碳天地还拥有香港唯一一个“城市森林”，绿化率超过50%。在这个寸土寸金的城市，约2000平方米的土地被用于种植各种本地树木，每棵树一年吸收约23kg的二氧化碳。树木高矮错落，树冠紧密相连，在夏季提供了新鲜的氧气和凉荫，使得零碳天地比周边温度低1-2摄氏度。这片“森林”也为城市里的鸟雀昆虫提供庇护所。
城市森林调节气候
零碳天地采用了多项首次在香港引入的环保建筑技术，被动式设计因地制宜，最大限度使用自然资源，力求从源头降低降低建筑对能源的依赖：
通风
对流通风布局
零碳天地主立面朝向东南，可有效利用夏季盛行风，减低香港潮湿天气带来的影响，为建筑使用者打造更舒适的环境。室内则采用高净空开放式布局，避免阻塞主要风径。为更有效地借助风力保持室内清凉，通风口在两面相对而设，并在关键地点配以凹槽设计，促进空气流动。与传统建筑比较，零碳天地所采用的对流通风布局，将空调使用时间缩短约34%。
对流示意图
捕风器
建筑屋顶中心设有两个“捕风器”，形状仿如小型烟囱，用以提升空气流通性。由于风速差异，捕风器会将屋顶上的新鲜空气聚集和引流至室内，令室内保持凉爽；而污浊空气亦可在捕风器的另一面排出大厦外，并以闸门控制新鲜空气的流量。捕风器使得远离窗户位置的自然空气流通得到改善，增强了局部的空气速度约25%
地中预冷管
地中预冷管能将新鲜空气预先冷却约5°c。空气由零碳天地东北面的园景区引入，经较凉的地底管道冷却后，通往风柜。在炎热的月份，当制冷机启动时，地中预冷管即可提供自然预冷的空气，减少制冷时的能源负荷和使用量。
采光
北向玻璃幕墙
零碳天地外形设计窄长，形状似锥体。东南立面倾斜渐变为屋顶，西北面则采用部分玻璃墙的设计，面向相对无阻挡的天空，但又不会受到太阳直接照射。建筑外另设有垂直遮阳鳍遮挡眩光。空间几何布局丶向北玻璃窗和浅色室内设计，能改善日光亮度约100 lux。
反光板
零碳天地天花无梁柱突出，于东南和西北里面安装太阳反光板。西北部反光板约20°倾斜，将光源反射至建筑物的中心地带，为远离窗户的地方带来日光。从上而下的光源分布方式，令室内日光平均散射。而东南立面，反光板的镜面系统将阳光反射至天花，映照室内四周，避免了太阳直射引起的眩光。
反光板平面示意图
导光管
导光管安装在建筑物中心的屋顶，透过圆顶采集日光，用作照明室内较暗的位置。导光管的高度反射内层，能将光线引入远离窗户的位置，在日间作照明之用，可避免眩光，亦不耗电。
导光管和捕风器
遮阳
隔热屋顶
混凝土屋顶上覆盖着一层厚厚的泡沫玻璃隔热层、批荡和保护膜，并有太阳能光伏板覆盖其85%表面面积，馀下15％则属绿化范围。太阳能光伏板除了吸收太阳能作发电之用外，还可以保护屋顶免受阳光直射。此外，太阳能光伏板和屋顶之间保留了良好的通风空间，而绿化屋顶亦是良好的清凉物料，能有效隔热。屋顶受太阳辐射的影响最大，而隔热屋顶估计能降低外墙的吸热量约18%。
室外遮阳
零碳天地两面的玻璃外墙各设有不同类型的室外遮阳设施，以配合建筑物不同方向的日照情况。东南立面深长的屋檐能为玻璃幕墙遮挡高角度阳光，同时保留了良好的视野景观。而吊棚的设置，亦能为建筑物提供额外的遮阳效果。设于西北立面的垂直遮阳鳍片则有助遮挡低角度阳光。
除被动式设计外，零碳天地还配备有高能源效益的动态系统，如高风量低转速风扇、高温空调系统、和智能照明管理系统等。其智能楼宇设备管理系统会根据感应器收集的室内温度丶二氧化碳含量丶风流量及湿度等相关环境数据，控制闸门开关。此外，使用者也可选择以人手操作，在特殊需求下凌驾于楼宇设备管理系统的设定。
零碳天地的可再生能源利用也是其自给自足的重要因素。建筑主屋顶采用斜面设计，其斜度为17至20度，屋顶上的多晶硅太阳能光伏板得以接收更多的直接辐射，发挥最佳效能。为确定放置太阳能光伏板的可行性和适合的位置，零碳天地于兴建前进行了详细的调研，以评估场内不同区域的太阳辐射水平。最终选用了3种不同类型的太阳能光伏板，分别应用于不同区域。主屋顶安装多晶硅太阳能光伏板，观景台选用光伏建筑一体化系统，园景区内的空气树则引入了高效能圆筒形铜铟镓硒（cigs）太阳能光伏板，在收集直射阳光之余，还能收集散射和反射的阳光用以发电，这是普通平面太阳能板不能做到的。
屋顶太阳能板示意图
生物柴油三联供系统是另一大可再生能源来源，生物柴油燃烧后产生的二氧化碳比传统燃料少很多。位于主建筑地下一层的生物柴油发电装置，从本地连锁餐厅废弃食油中提炼生物柴油，节省运输耗能，同时产电供热。其热能也可以用于制冷和除湿，形成发电、制冷、制热三联供，能源利用率高达70%。
利用太阳能和生物柴油，零碳天地每年发电230万度，除去自身消耗的131万度电，还可以回馈公共电网99度。据估算，零碳天地未来50年可减少温室气体排放量高达8250吨。这相当于1000名香港市民一年的排放量。
与伦敦的零碳社区不同，香港的零碳天地基本只有展览与教育用途，相对于2.4亿的造价不免有些奢侈。如此低的建筑容积率，在高密度的现代城市又能放下几个？与其说它是一个建筑，不如说是一项绿色科技实验。实验是成功的，但代价也是昂贵的，其推广还需进一步的改善与探索。
03
零碳建筑新理念
净零碳 net zero carbon
根据世界绿色建筑委员会（world green building council）的定义，“净零碳排放建筑”（net zero carbon buildings）是指具有高能效，且完全使用就地产生或别处产生的可再生能源的建筑。
2018年9 月 5 日，包括巴黎、纽约、伦敦、东京在内的全球 19 座超大城市在伦敦签署了一份《净零碳建筑宣言》，承诺到 2030 年，自己城市中所有新建筑将实现净零碳排放，到 2050 年，争取所有建筑实现净零碳排放。该宣言意在促进实现2015年“巴黎协定”提出的目标，即将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内，并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5摄氏度以内。目前全世界有超过60个国家响应此召，这些国家以小国和岛国为主，但也不乏英国、法国和德国等主要经济体。
零碳的生活方式并不一定要以牺牲舒适度为代价。随着建筑科技的发展，全球已有越来越多的成熟绿色建筑，既能保证实用与美观，又能兼顾环保和创新。而对于已有的建筑，更好的方法也许是改造而非推到重建。
建筑除了服务当下，也应当创造长远价值。既然我们有已经了成功的零碳建筑，相信零碳城市的明天不会太远。
原创：建道archidogs
文章来源：建道筑格archidogs微信公众号
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