专栏简介

“气候变化与环境可持续性”专栏由 Buildings、Sustainability 期刊编委何宝杰研究员 (重庆大学) 主持，专注于气候变化缓解适应、气候韧性以及低碳城市等领域的前沿进展。

专栏编辑

何宝杰 研究员

重庆大学

博士，重庆大学建筑与城市规划学院研究员、博士生导师，气候韧性与低碳城市中心负责人，日本广岛大学可持续发展与和平教育研究院荣誉研究员。于澳大利亚新南威尔士大学建筑环境学院获博士学位，并曾担任副研究员。主要研究方向为全球/局部气候变化下的城市高温缓解适应、零能耗建筑和被动式住宅设计等。在高级别 SCI、SSCI 期刊发表同行评审论文百余篇，并在多个重大会议上作口头报告。曾参与中国及澳大利亚能源和建筑环境研究项目10余项，受邀担任多个国际知名期刊和会议的专题主编、首席客座编辑、副主编、编委、会议主席、分会主席、科学委员会、特约审稿人等。获得2022年科睿唯安全球高被引科学家、2022年可持续青年科学家奖、2021年获绿色人才奖 (德国) 和2019年获国家优秀留学生奖学金 (中国)。于2020、2021、2022年连续入围 Mendeley 全球顶尖2%科学家。

引言

国际太阳能十项全能竞赛 (Solar Decathlon，简称十项全能竞赛) 由美国能源部于2002年发起，是目前最著名的建筑科技竞技赛事。十项全能竞赛创新性地将“十项全能”概念引入建筑学竞赛，统筹建筑空间形式、物理环境调控与能源自给系统进行一体化设计综合评比。

十项全能竞赛作为建筑行业应对能源与气候问题的前沿阵地，致力于促进传统能源向新能源转型升级，倡导集约化生活方式，推动建筑行业绿色可持续发展。作为建筑学第一个对能源、环境、气候问题公开回馈的“智囊平台”，十项全能竞赛通过一场引人注目的大学竞赛的形式，让人们注意到太阳能和零能源家庭的前景和趋势。截至2022年，十项全能竞赛已成功举办21届，在世界各地担任起政府-高校-企业交流合作平台的重要角色，同时也为设计类学生和科研工作者参与碳中和战略、遏制气候变化提供了机遇。

表1. 2002年至2022年国际太阳能十项全能竞赛举办时间及地点。

世界环境保护与气候缓解踏入碳中和行动阶段，这是一场广泛而深刻的系统性变革，其目标导向性 (减碳) 和学科综合性明显。目前，众多广泛实施的建筑设计策略和技术均需在新的评估框架下重新确定其效益。然而，十项全能竞赛、台达杯竞赛等综合性建筑技术竞赛由于创办背景、赞助商、甚至历史情怀等多方面原因，其考核系统往往滞后于国际前沿标准。

以十项全能竞赛为例，“工程与施工”是必要项目。每个团队工程与施工方案必须考虑太阳能电力系统集成以及规定建造时间，因此作品主要为预制式结构。然而“工程与施工”测试评估由各竞赛作品的施工系统评委负责，过于主观。有必要开发一种方案，用于量化评估预制结构系统生命周期各阶段的隐含能源和二氧化碳排放。

图1. 国际太阳能十项全能竞赛 (美国2023年，设计挑战+建造挑战) 十项考核要求。

研究内容

本篇发表在 Energies 期刊的论文以欧洲 (2014)、美国 (2015) 和拉丁美洲 (2015) 版本的太阳能十项全能竞赛中的8个典型作品为例，配合相关分析软件，展示了一种适用于竞赛作品的生命周期评估方法。评估分为三个方面 (流程)，包括：

(1) 进行初步生命周期分析。配合建筑生命周期分析软件进行初步生命周期分析，基于碳排放清单量化材料、产品或建筑过程的关键生命阶段环境影响。

(2) 进行一次隐含能源和碳排放足迹横向对比。计算每个项目的建筑可用面积以及每个作品单位面积 (1 m2) 的隐含能源和碳排放，对作品进行横向比较。

(3) 进行隐含能源碳排放水平评级。根据作品单位面积的隐含能源和碳排放最高值，取最高值1/4构建评级标尺，分为1~4类，级别越高一次隐含能源和碳排放足迹越低。

图2. 欧洲 (2014)、美国 (2015) 和拉丁美洲 (2015) 版本太阳能十项全能竞赛中的8个作品。

上述8个作品的隐含能源强度为1060.0~5147.7 MJ/year，碳排放强度为46.50~361.64 kg CO2/year。CASA 的作品为钢结构，无论是否考虑其钢材的回收过程，其隐含能和碳排放最高。CASA FÉNIX 为装配式轻木结构体系，其隐含能和碳排放最低。本研究对隐含能和碳排放足迹的横向对比发现，CASA 是影响最高的项目 (66.26 MJ/year, 4.54 kg CO2/year)，CASA FÉNIX 是影响最低的项目 (18.00 MJ/year，碳排放为0.79 kg CO2/year)。对作品隐含能源和碳排放进行评级得出，CASA 和 CASA del Sol 为1级，是隐含能和碳排放最高的作品，其以钢结构为主体，未考虑本土材料，建筑可用面积小。仅 CASA FÉNIX 为4级，高度预制的轻木构件，优化的生活空间设计，使其成为隐含能源和碳排放水平最低的方案。

表2. 竞赛作品生命周期隐含能源和碳排放评估结果。

通过上述十项全能竞赛作品的简化生命周期分析，可以得出，基于地方性建材来预制和工业化生产结构元素，有助于实现更低能源消耗和二氧化碳排放。具体体现在以下几个方面：

(1) 地方性与工业化发挥了工业生产在资源、能源调配上的优势；

(2) 预制式在运输、安装、运行、维护、拆除等建筑后续生命周期阶段中与传统建筑结构相比展现出更好的能源潜力，例如运输、安装和拆除便利，运行和维护的统一性和规范化；

(3) 预制式还有利于建筑结构和材料回收利用，有望打破了常规的提取-制造-使用和维护-废物处理的建筑线性生命周期，形成循环-制造-新用途-再循环的建筑循环生命周期。

研究总结

综上，通过展示一种适用于十项全能竞赛作品隐含能和碳排放定量核算的竞赛评估方案和典型作品试评估，本研究指出了碳中和战略下国际重点建筑技术赛事碳评估审核的不完善和主观性问题。鉴于当前碳中和行动要求，以及国际性建筑科技赛事在建筑技术研发、落地、推广和应用上的重要引导作用，作者呼吁对竞赛考核系统及时更新以适配建筑前沿理论，更好的发挥其行业引领作用。

原文出自 Energies 期刊

Luna-Tintos, J.F.; Cobreros, C.; López-Escamilla, Á.; Herrera-Limones, R.; Torres-García, M. Methodology to Evaluate the Embodied Primary Energy and CO2 Production at Each Stage of the Life Cycle of Prefabricated Structural Systems: The Case of the Solar Decathlon Competition. Energies 2020, 13, 4311. 

拓展阅读

[1] Li, B.; Guo, W.; Liu, X.; Zhang, Y.; Caneparo, L. The Third Solar Decathlon China Buildings for Achieving Carbon Neutrality. Buildings 2022, 12, 1094

[2] Romero, R. L., Young, M., Stershic, J., & Ryan, T. (2022, August). The Future of Building Science Education with the US Department of Energy Solar Decathlon. In 2022 ASEE Annual Conference & Exposition.

[3] Ma, Z.; Ren, H.; Lin, W. A review of heating, ventilation and air conditioning technologies and innovations used in solar-powered net zero energy Solar Decathlon houses. Journal of Cleaner Production 2019, 240, 118158.

撰稿人：何宝杰