基于碳中和及气候适应性原则的被动式建筑应用潜力研究——以重庆市为例

赵俊刚 董鑫 尹名强 何宝杰，3，4，5

（1.重庆建工集团股份有限公司，重庆 404100；2.重庆大学建筑城规学院／气候韧性与低碳城市研究中心，重庆 400045；3.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045；4.重庆大学溧阳智慧城市研究院，江苏溧阳 213300；5.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510641）

引言

人类活动与温室气体排放加速全球气候变化。与工业化前相比，2019年1—10月全球平均温度上升了约1.1℃，导致热浪、干旱、洪水、暴雨和山火等气象灾害频发［1］。按当前变暖速率，预计到2030—2040年，全球将变暖约1.5℃，届时气象灾害将超出环境和社会承载能力［2］。中国同国际社会一道积极应对气候变化，倡导并实施碳中和战略，制定了“力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和”的目标［3］。碳中和是一场广泛而深刻的系统性变革。首先，碳中和是从传统“节能、能效”向全面“减碳、脱碳”的巨大观念转变。其次，碳中和是全社会各行业的共同目标，需要建筑、工业、交通、电力、农业和林业等各领域的共同参与。第三，碳中和要求在当前高碳排放强度的前提下，通过生产、生活方式的巨大变化，降低碳排放强度，实现零碳。

建筑业是能耗量和碳排放均较高的领域之一。2019年，建筑业能耗和碳排放分别占全球总能耗和总碳排放量的35%和38%［4］，因此建筑行业应是全球减碳和推动碳中和目标实现的重点领域。虽然随着节能减排工作的推进，建筑能耗和碳排放强度呈下降趋势，但是在城市化和生活水平同步提升的背景下，建筑能耗和碳排放总量仍然处于上升状态。据统计［5］，在推动2050—2060年碳中和目标实现的同时，全球新建建筑需求量为2.30×1010m2，预示着建筑能耗和碳排放的大幅提升。建筑材料年平均CO2排放量也将由2020年的3.5 Gt上升至2060年的4.6 Gt。伴随气候变暖和热岛效应的增加，空调制冷能耗也将大幅提升。研究表明［6］，至2100年，全球气候变暖将导致世界采暖能耗降低34%，但空调制冷能耗将上升72%，用于居住建筑采暖／制冷年平均CO2排放量也将从2000年的0.8 Gt上升至2100年的2.2 Gt。此外，由于建筑老化，到2060年大部分既有建筑将达到设计使用年限，建筑拆除、改造或修缮也将增大建筑材料使用与碳排放量。

提升建筑脱碳技术，完善建筑碳排放策略，加强政策支持与管控，全面削减建筑业碳排放，成为达成“双碳”目标的关键。建筑碳排放主要包括运行碳和隐含碳两个部分，碳汇也具有重要影响。在设计、施工及使用过程中，考虑如何最大化地降低运行碳、隐含碳，并增强碳汇，成为建筑业脱碳的重中之重。减少能源使用、发展可再生能源电网、建筑行业电气化、开发低碳燃料、推广碳捕获和碳封存技术是综合实现运行碳、隐含碳和碳汇调控的五大关键策略。然而，我国建筑业在推动“双碳”目标过程中，仍以降低运行碳为主，忽视了建材生产、运输、建设、维护等阶段产生的隐含碳，尚未关注碳汇对建筑全生命周期碳排放的影响。

被动式建筑技术与潜力已受到社会各界广泛认可，也是建筑业减少碳排放的主要研究方向。一方面，被动式建筑具有良好的气候适应性［7-8］，能够综合利用地域资源、能源优势，在降低甚至消除运行碳的前提下，营造良好的室内物理环境。另一方面，被动式建筑运行能够规避对室外环境反向影响，规避城市环境负担［9］。但被动式建筑技术缺少对隐含碳和碳汇的关注。例如，被动式建筑要求高保温隔热效果的围护结构，导致建筑隐含碳增加［10］，这在很大程度上会增加建筑全生命周期碳排放。植被遮阳防风是被动式技术的主要辅助策略，也是重要的碳汇来源，但其碳汇降碳方面的潜力并未充分考虑。被动式技术性能还受地域气候主导，处于中国不同热工分区的被动式建筑节能表现存在很大差异［11］。

在“双碳”背景下，被动式建筑技术的地域及气候适应性、被动策略的选用原则以及技术革新方向，均需要在地域性与全生命周期碳核算的双重视角下进行综合讨论。本文针对重庆市气候特点，分析被动式建筑技术应用，遵循全寿命周期碳评估原则，识别被动式建筑技术碳源、碳汇特征，探讨重庆市湿热、湿冷、弱风气候特征下，应用被动式节能策略降低建筑碳排放的潜力。

1 建筑领域的碳中和理论框架体系

1.1 全生命周期评估

全生命周期碳排放评估对于调控运行碳和隐含碳相对关系，统筹建筑碳排放总量尤为重要。建筑领域实现碳中和目标在于如何减少建筑整个生命周期内的碳排放（运行碳＋隐含碳）。通过逐步收紧建筑法规、提高能源效率和能源供应的脱碳，运行碳排放正在减少，特别是被动式等高性能建筑，运行碳与隐含碳所占比例大不相同（图1）。当前，随着被动式等高性能建筑的普及，降低各个过程产生的隐含碳成为聚焦点。考虑到不同的社会背景与建筑类型，隐含碳减排规划可以滞后，但需要与运行碳同步考虑，不能忽视或转移。

图1 普通建筑（a）和被动式建筑（b）（高性能建筑）全生命周期内运行碳与隐含碳占比Fig.1 Proportion of operational carbon and embodied carbon in the whole life cycle of ordinary buildings and passive buildings（high-performance buildings）

生命周期评估是评估产品生产、使用及其他相关环节对环境影响的方法，国际标准化组织（ISO）和欧洲标准化委员会（CEN）已经先后制定了具体的标准［13-16］。生命周期评估步骤包括评估范围界定、清单分析、影响分析和结果解释4个阶段。如图2所示，CEN标准（EN 15978）［15］在ISO标准［13-14］基础上将建筑构件的生命周期划分为以下阶段和模块，不同国家、地区或者行业可根据自身需求或者可操作性确定评估范围。目前有从摇篮到大门／场地／坟墓等不同的评估范围，完整的碳足迹评估应至少以“从摇篮到坟墓”为评估范围。全生命周期隐含碳评估依赖建筑构件和建材的碳排清单数据库的支持，其涵盖了建筑材料和构件提取、加工、运输、修缮、处置等各项操作的碳排放因子。影响分析和结果解释为评估的后处理阶段，旨在从“中点”和“终点”两种角度及其对应的影响类别讨论评估结果和做出解释。

图2 基于EN 15978［15］提供的生命周期阶段与模块绘制的建筑全生命周期阶段及评估范围Fig.2 Building life cycle stages and assessment scope based on the life cycle stages and modules provided by EN 15978［15］

1.2 建筑气候适应理论

气候对人类栖居场所具有重要影响，建筑空间营造策略与技术需要紧密结合气候及环境特点［17］。建筑气候适应性理论不仅是“气候适应”的概念，在英文语境中，“气候适应”更多被称为“气候响应”。实际上，完整的气候适应理论包含了“缓解—适应”机制，以优化气候资源获取途径和以低能耗模式运行为基本原则，通过利用、缓冲、调节、储蓄控释等气候操作方法，在建筑的材料、结构和空间设计上做出反馈，使建筑自身成为自然气候的调节器和能源管理的媒介，形成既满足服务主体居住舒适性又将环境影响最小化的人居环境建设理念。

气候适应性设计以建筑区域气候状况为基础。建筑外部气候在宏观（地域、城市）和微观（局地、场域）等不同尺度上作用于建筑，并由风、热、光等基本参数描述。不同的描述参数有其不同的存在和运动方式，并受地理、地表形态和人类活动的干预而相互作用。如图3所示，中国国土面积较大，建筑气候与气候资源多样且复杂，建筑物理环境的设计要求各异，对场地气候资源选择适用技术产生了巨大挑战［17］。

图3 中国建筑气候热工分区（a）、城市规划风向分区（b）和中国气候资源分布光气候分区（c）、湿度分布（d）Fig.3 Thermal design division of China's building（a），wind division for urban planning（b），distributions of light and climate division（c），and humidity（d）of China's climate resource

1.3 城市气候学理论

城市建设中大量采用人工建筑材料，改变了原本地表覆盖，加之人为热的影响，致使近地层大气动力和热力结构变化，形成城市气候。城市能量平衡方程式（1）和式（2）阐释了城市气候形成机制［9］。

式（1）～式（2）中，Q*表示太阳辐射，包括短波辐射K*和长波辐射L*（短波辐射包括城市表面入射太阳短波辐射K↓和反射的短波辐射K↑，长波辐射包括大气长波能量通量L↓和地表及建筑物表面发射的长波辐射L↑）；QF为人为热；QH为显热；QE为潜热；QS为储存在建筑物或道路系统中的热量；ΔQA为气流作用下的净水平热传递。

如图4所示，太阳辐射（Q*）是建筑区域最重要的热量输入源。与自然景观类似，入射短波辐射（K↓）和长波能量通量（L↓）始终是常数，而材料反照率下降导致城市短波辐射（K↑）远小于自然景观。虽然建筑材料导致更高城市表面长波辐射（L↑），但大部分发出的长波辐射被街谷捕获，仅少量散溢。

图4 城市气候模型与能量传递过程Fig.4 Urban climate model and energy transfer process

城市能量平衡在时空上均不同于乡村或郊区等自然状态下的能量平衡，导致一系列的负面环境影响。针对城市化后地区局地气候，城市气候学应运而生。现行城市气候学主要关注热岛效应、空气污染、城市能耗、环境热舒适性、生态质量等一系列问题。因此，除宏观和中观气候特点外，建筑气候适应性设计应重视适应局地气候和微气候特点，例如热岛效应、城市通风潜力下降、空气污染。

1.4 城市形态学理论

有关城市形态对建筑环境、能源使用和热舒适的影响，主要集中于城市和街区（邻里）两个层面。在城市尺度上，城市复杂度、紧凑性和布局特征是表征城市形态的主要指标。复杂度代表地块不规则程度，紧凑性反映建筑密度或用地强度，而布局特征表明城市开发模式（如单核、多核）。通常情况下，紧凑城市交通效率较高，碳排放量较低。然而其容易诱发热岛效应、自然通风潜力下降、环境污染等问题，致使建筑能耗增加。多中心城市发展模式能够优化城市物理环境，但分散和多中心城市形态可能会增加出行距离，导致交通碳排放显著提升［18］。在微气候调节上，多核发展模式有助于缓解热岛效应，易连接城区与郊区形成空气引导通道（图5），利于城市热消散并降低建筑热负荷［19］。

图5 多核发展模式下的城市通风Fig.5 Urban ventilation under the multicore development mode

在街区（邻里）尺度上，街区形式、位置以及街道走向、形态对物理环境有着决定性影响［20］，进而影响街区建筑能耗。一方面，街道形态（如高宽比、植被配置、立面形态）不但影响太阳辐射，而且影响气流模式和风速（图6a）。相比于南北向高深街道，东西向高深街道在一天中更易受到太阳辐射，温度较高且舒适度较差。另一方面，场地内建筑物的位置和土地使用模式强烈影响微气候（图6b）。相比于低层街区，紧凑高层街区的风热及空气质量较差，限制了被动策略使用。另外，街区位置决定被动策略潜力，如滨水、临海、临近大型绿地或森林的街区受局地环流影响，夏季通风降温效果更好。

图6 城市街道形态（a）与街区形态（b）示意图Fig.6 Schematic diagram of the urban street form（a）and block form（b）

2 被动式建筑设计原则

2.1 碳中和原则

基于气候特征和可以利用的气候资源，选择合适的被动建筑技术能够有效调控室内物理环境，降低建筑能耗［21］。因气候特征不同，实施被动式建筑技术策略的节能效益（运行碳）和实施成本（隐含碳）存在地区差异。例如，中国严寒或寒冷地区，通常通过增加墙体厚度提升保温／隔热性能，达到提高建筑能效的目的。这虽然有助于降低运行碳，但是极大地增加了建筑材料消耗和隐含碳。“夏热冬暖”地区的运行碳和隐含碳关系更为复杂：围护结构需要同时重视夏季日间隔热和夜间通风散热，但是仅通过墙体厚度来调节，难以兼顾隔热与散热。如果围护结构未达到隔热和散热要求，辅以空调制冷，将导致运行碳大幅度增加。因此，被动式建筑技术应用潜力评估需要“制衡”运行碳和隐含碳，实现碳中和目标。所谓的“制衡”并不意味着被动式技术策略所带来的运行碳节约能够大幅度抵消隐含碳，而是对建筑全生命周期各个阶段的碳排放予以充分考虑（图7），以最大化地降低、甚至消除建筑全生命周期碳排放。此外，与植被相关的被动式策略，在调控运行碳和隐含碳的同时，能够引入碳汇效益，对建筑全生命周期碳排放产生抵消作用。因此，被动式建筑技术节能减碳潜力评估首先需要明确运行碳降低潜力，隐含碳增加范畴以及碳汇引入途径及可能。

图7 被动式建筑设计原则Fig.7 Passive building design principles

2.2 气候适应性原则

被动式建筑节能效果不但受到气候背景的制约，而且受到与城市形态、街区形态、建筑形态密切相关的局地气候或微气候影响。因此，使用被动式建筑技术策略的前提条件是充分分析气候背景和局地气候条件，明确城市建筑物理环境问题，挖掘被动式气候环境潜力，进而达到室内物理环境调控、资源节约和能耗降低的目的。如图7所示，针对重庆市被动式建筑技术应用潜力需要考虑：①针对夏季高温高湿、冬季湿冷的气候特点，进行夏季降温除湿、冬季保温防潮。②耦合局地热岛效应及自然通风效果，精细分析自然通风和围护结构保温隔热设计潜力。③重视重庆市光能、风力、水力资源以及局地城市形态，分析自然采光与各种可再生能源的利用潜力。④结合气候背景、局地气候和微气候特点，进行立体绿化、建筑遮阳、反射涂料等其他被动式技术选用与设计，兼顾保温隔热和微气候调控。在此基础上，进行建筑组团、单体建筑形式及局部构件调整和优化，并结合建筑功能，实现被动式节能最大化。

3 重庆市气候资源与局地气候条件

3.1 气候资源

重庆市年平均气温约18℃，7—8月气温最高，多在27～38℃（极端气温可达43.8℃）；最冷月为1月，月平均气温为7℃（极端气温-3.8℃）［22］。重庆市三面环山，全年少风，雨雾天气多，是中国日照时间较少的城市之一。年平均日照时数为1259.5 h，其中，7—8月略高，约为230 h，其他月份一般不高于150 h［23］。

充分利用可再生能源是降低建筑能耗、减轻环境污染的重要途径。通常情况下，可利用的再生能源包括风能、水能、地热能和太阳能等［24］。图8为中国上述4类能源的空间分布，从图8可以看出，重庆市各可再生能源的应用潜力不同：①重庆市风能资源不足，年平均风速仅为1.12 m·s-1；但春季风力资源较为集中并伴有强风天气，因此可针对性地利用；山区地形风（山谷风）、水陆风盛行，可采用自然通风、夜间通风等方式改善建筑室内热湿环境。②重庆市河流多且地势变化大，水力发电潜力高。多年平均地下水资源约占水资源总量的18%（100.50 m3），临江建筑可考虑采用江水源热泵作为冷热源［25］。③重庆市地质坚硬，地基主要是岩石层，钻井成本较高，是华东地区的4～5倍，所以地源热泵虽可采用，但成本较高。④重庆市属于太阳辐射总量匮乏区，全年各月总太阳辐射量分布极不均衡。传统观念认为，重庆市受气候资源条件的限制，太阳能利用规模较小，但与世界上太阳能利用较好的城市（如东京、伦敦、巴黎和莫斯科等）相比，其太阳年辐射量相当［27］。综上所述，应遵循因地制宜、多能互补、综合利用、安全可靠、讲求效益的原则，对适合当地经济和资源条件的可再生技术措施加以利用。

图8 中国风能（a）、水能（b）、地热能（c）和太阳能（d）资源空间分布［26］Fig.8 Spatial distribution of wind（a），hydro（b），geothermal（c），and solar（d）resources in China［26］

3.2 局地气候条件

在城市中，局地气候受到气象条件、城市形态和人为条件等影响，与重庆市背景气候特征具有显著差异。这种差异主要体现在：①城市密度不同导致建成区地表形态改变和人为热致使热量分布不均，诱发热岛效应（夏季重庆市中心城区热岛效应最大已达7℃［22］）。②因建设用地限制，重庆市各区县建成区密度高、高层多，影响城市局地通风以及建筑自然通风潜力。

图9是利用MODIS遥感数据计算得到的重庆市中心城区2004—2017年夏季平均地表温度分布和剖面曲线。分析发现，重庆市中心城区的高温区主要位于中西部，温度最高超过39.7℃；中心城区温度呈现明显的带状分布，东部为低值区；相比于中心城区，东部温度差值可达到10℃。对中心城区2004—2017年夏季热岛效应演变的研究发现，热岛效应范围逐年扩大并呈现出以渝中区为中心，沿东北—西南方向逐渐向外扩散。中心城区的最高温度及平均温度呈现提升趋势，且热岛效应强度也呈现出逐年加强趋势。

图9 2004—2017年重庆市中心城区多年夏季平均陆面温度空间分布（a）和温度—经纬度剖面（b）Fig.9 Spatial distribution of surface air temperature（a）and the temperature-latitude-longitude variations in the central urban area of Chongqing averaged in summer from 2004 to 2017

以通风量作为描述城市通风性能的指标，根据国家标准《大气自净能力等级》（GB／T 34299—2017）［28］提供的计算方法，通过WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式模拟计算了2018年1月的日平均、日间平均和夜间平均通风量（图10a、图10b和图10c）发现，1月中心城区通风量整体适中，渝北区、北碚区北部通风量较大，巴南区、渝中区周边通风量较小。重庆市为山地城市，地形差异导致中心城区日间和夜晚通风量分布不均。日间不同海拔的通风量也有一定差异，夜间高海拔地区通风量较日间更大，低海拔地区通风量较日间更小。图10 d是1月中心城区各区逐时平均通风量，各区通风量日变化较为一致，每日通风量最小值出现在清晨，最大值出现在20时左右。总的来说，重庆市局地通风潜力较弱，夏季城市积热问题严重，污染物自然扩散能力弱。

图10 2018年重庆市日平均通风量（a）、2018年1月日间（b）和夜间（c）平均通风量空间分布以及1月中心城区通风量空间分布逐小时平均值（d）变化Fig.10 Spatial distriloution mean ventilation volume in Chongqing in 2018（a），daytime（b）and nighttime（c）mean ventilation volume in Chongqing in January 2018，and diurnal variation of ventilation volume in a central urban area in Chongqing in January 2018（d）

4 基于重庆市气候的被动式设计碳源／汇情景识别

4.1 场域与气候

重庆市地形复杂、空间结构和布局多样影响城市风热环境，导致城市局地气流分布及结构不同。高强度（建筑高度、建筑密度）土地利用模式直接影响局地空间的绿地率、太阳辐射获得量、局地通风量等，致使局地气候条件发生改变。因此，被动式建筑外部空间的“场域被动性”应受到充分关注［20］。场域降温技术是提高建筑外部空间的“场域被动性”的重要措施（图11），主要包括场地遮阳、喷淋降温、透水路面等。针对重庆市高温高湿的气候条件，规模化地使用遮阳策略、冷却材料以及通风策略等有助于缓解夏季室外高温闷热问题。合理的场域布局和建筑形体也有助于提升建筑周围气体流动，增强建筑的散热。

图11 重庆市城市空间结构及场地降温技术Fig.11 Urban spatial structure and site cooling technology in Chongqing

场域形态特征对隐含碳亦有很大影响，综合表现在材料运输、生活交通、资源配给与利用率等方面。紧凑型城市布局可表征更低的隐含碳排放强度。通过对高密度社区之间的日常交通和家庭能耗评估发现，低密度社区的人均碳排放强度是高密度社区的2.0～2.5倍［19］，但是高密度空间的建筑“被动性”往往较低，例如夏季自然通风差、冬季日照少等。重庆市建筑素以高密度著称，这对被动式建筑技术的应用造成挑战，如何设计立体城市以降低或抵消高密度用地对建筑“被动性”的影响，同时营造较低隐含碳场域是值得思考的问题。

场域生态环境对建筑减碳起到不可或缺的作用。场域生态环境一般具有两种“纯”碳汇路径：一是通过植物和土壤的碳封存和储存；二是通过环境降温降低空调制冷能耗。两种碳汇方式可以作为补偿措施并辅助被动式建筑实现净零碳目标。通过规范城市公共绿地、建筑附属绿地规划建设管理，可在场域范围内产生碳汇效益。

对场域与气候层面的碳源／汇情景识别：

（1）运行碳。场域（局地、微）气候条件决定建筑“被动性”潜力，进一步影响建筑冷热负荷与运行碳；场域布局与建筑形态影响场域物理环境与建筑能耗，进而影响建筑运行碳排；场域植被通过环境降温降低空调制冷负荷，间接降低建筑运行碳。

（2）隐含碳。场域形态特征（如城市密度、紧凑程度）导致材料运输、生活交通、资源配置与利用率的差异，使被动式建筑建造及使用阶段的隐含碳排放不同，可依托重庆市山地特征设计立体城市缓解高密度空间对运行碳的影响。

（3）碳汇。通过植物和土壤的碳封存和储存可达到直接碳汇效果，作为补偿措施，辅助被动式建筑实现净零碳。

此外，结合场域布局和建筑形态，利用场域可再生资源（光能、风能）补偿建筑耗能，是降低建筑运行碳的另一重要措施，但这对建筑和场地的设计要求很高。

4.2 建筑类型

中国商业建筑以大型商业综合体为主，是建筑能耗和碳排放的主要建筑类型［29］。受“双城战略”影响，重庆市城乡分化严重，商业建筑以大型商业综合体为主。大型商业综合体的“被动式”潜力较低，尤其在重庆市中心城区内，极差的“场域被动性”使得大型商业综合体极难被动运行。然而，大部分未经被动式设计的商场在过渡季通常采用间歇式机械通风或自然通风，建筑体量的减小有助于机械和自然通风效果，降低过渡季运行碳［3］。一些对室内物理环境要求更高的建筑类型则可以实现局部被动运行，如医疗建筑可以在疗养病房、无污染门诊科室等小空间布局、实施被动式设计。

建筑隐含碳也随着建筑类型存在较大差异，包括材料、结构选择和设计、施工工艺及方式等。图12对比不同类型建筑全生命周期内各阶段的总体碳足迹变化（以30 a使用寿命周期计算所得），发现不同类型建筑碳足迹均匀度差异很大。目前，缺乏有关不同类型建筑隐含碳的基础性研究，建立可以根据地区特征进行调整，且能够反映建筑类型、结构选型、材料选择等参数的碳排放数据库是当前的重要任务。

图12 以30 a寿命周期计算的不同类型建筑各生命周期阶段对总体碳足迹的影响［12］Fig.12 Impact of different types of buildings on overall carbon footprint at each stage of life cycle calculated within a 30-year life cycle

对建筑类型层面的碳源／汇情景识别：

（1）运行碳。建筑类型与功能差异会导致截然不同的运行碳强度。重庆市中心城区的建筑“被动性”潜力较差，大型商业综合体很难实现被动式运行；小型商业建筑在过渡季有可能实现被动式运行，继而大幅度降低运行碳；展览类公共建筑和住宅建筑在合理的被动式设计与季节条件下可实现被动式运行。

（2）隐含碳。建筑类型与功能差异影响建筑隐含碳。需加强有关木结构设计、施工与改造技术水平，突破其强度与体量限制，以大幅度削减新建建筑与改造建筑的隐含碳水平。

4.3 围护结构

研究指出，夏热冬冷地区由外墙造成的建筑能耗占比为17%～18%，屋顶约占4%，外窗约占23%～27%［25］，因此外围护结构热工性能的节能设计潜力巨大。有关结构构造、建筑材料等的研究和实践是节能领域的重点，国内外节能设计标准亦对外围护结构的热工性能提出了相关要求［30］。

围护结构是进行隐含碳评估的重点。墙体大量使用的保温材料是主要碳源情景之一。当前墙体保温材料主要分为传统型和环保型。重庆市广泛采用包括膨胀聚苯板、挤塑聚苯板等在内的有机保温材料和以岩棉为代表的无机保温材料，但这些传统型保温材料的全生命周期环境影响很大。一方面生产制造此类保温材料的碳排放强度很高，且需要定期维护更换；另一方面，这些保温材料在拆除后，作为建筑垃圾处置过程中，易产生不利环境影响。另一方面，研究发现热阻相对较低的墙体在制冷地区更具成本效益，但热阻较高的墙体在供暖地区更具成本效益［31］。重庆市冬季供暖必要性低［32］，墙体加设保温材料的隐含碳与其节能潜力的相对关系需要重点关注，这进一步决定了重庆市气候条件下采用被动式策略的脱碳潜力。装配式是未来被动式建筑发展的重要方向之一。装配式建筑采用工业化的方式将部分或全部建筑构件通过工厂生产加工，运输至现场，并通过可靠连接进行机械装配。与传统建造方式相比，装配式建筑具有工期较短、材料节约、节能环保的优势，可降低建筑隐含碳。

对围护结构层面的碳源／汇情景识别：

（1）运行碳。夏热冬冷地区由围护结构造成的建筑能耗的比例约为40%，被动式建筑围护结构热工性能对降低建筑运行碳至关重要。高性能的围护结构能够有效减少夏季室外高温渗入，降低建筑制冷负荷；减少冬季室内热量散失，降低建筑供暖负荷。

（2）隐含碳。墙体构造精细化与大量使用高碳排保温材料是被动式建筑隐含碳的主要来源之一。重庆市冬季不供暖，设置被动式墙体可会增加隐含碳。装配式建筑的低隐含碳建造过程，能够推动装配式被动式建筑发展。重庆木材资源丰富，建造木构被动式建筑是降低隐含碳的有效方式。

4.4 通风

建筑通风策略主要有三种：风压通风、热压（烟囱）通风和夜间被动式冷却通风。受背景风场与场地风温影响，重庆市中心城区采用风压通风的可行性较低，而且夏季重庆中心城区热岛强度达到7℃，日间风压通风不合适。

夜间场域风温下降，利用夜间通风冷却是重庆市被动式设计的普遍方式。夜间通风降温的高热质需求与被动式建筑的高蓄热建材需求一致。近年来，随着相变蓄热材料（PCM，Phase Change Material）的发展，基于相变蓄热体的夜间被动式通风策略研究与实践也越来越多［33］。总体而言，独立自然通风系统可实现20%～50%的能源节约［34］，但取决于通风系统设计和外部气候条件［35］。

设置高热质墙体或相变蓄热体可以进行夜间蓄冷，降低昼间室内空调制冷需求，但昼间高热质墙体设置不合理也会导致空调的制冷效率降低［36］。因此，需要合理地设置高热质墙体或相变蓄热体的位置，保证夜间蓄冷的同时不增加日间制冷负荷。近年来，城市热岛效应与热浪问题愈发严重，夜间通风的蓄冷潜力不断降低，加上高热质墙体对空调制冷的影响，未来重庆市被动式设计是否仍有必要采用夜间通风需根据局地气候条件与场地实况而论。冬季阳光间也可采用相变蓄热体，然而对比研究［37］发现，添加了相变材料的房间，夏季建筑运行能耗降低约16%，冬季因无法达到PCM相变温度而无节能效果。因此，一般的相变蓄热材料无法兼顾夏季蓄冷和冬季蓄热。相变蓄热材料还存在耐久性问题，其生产过程的碳排放也有待研究。另外，通风打破了室内外气候边界，在重庆市湿热湿冷的气候特征下，长时间的夜间通风使得室内更易受到结露、飘雨等自然侵蚀，损害围护结构寿命。较高的相对湿度也会降低被动冷却系统的效能，从而使其转变为碳源。

对通风层面的碳源／汇情景识别：

①运行碳。独立的自然通风系统具有20%～50%的能源节约潜力，但重庆市中心城区以软轻风为主，且风场温度高，自然通风节能效果受到影响。重庆市适合设计基于相变蓄热体的夜间被动式通风策略，但存在两个问题：一是建筑围护结构热质、相变蓄热体的增加可能导致昼间过热问题；二是设置相变蓄热体可降低夏季建筑运行能耗，但冬季效果不明显，故全年节能率因重庆市冬季供暖能耗而异，并决定其节能潜力。

②隐含碳。夜间通风降温的隐含碳来源主要与PCM等材料生产过程有关。重庆市湿冷湿热气候特征，使得围护结构容易受到霉变、结露等自然侵蚀，导致使用寿命降低，进而增加碳排放量。

4.5 采光层面

根据国际能源署（IEA）的数据，人工照明占欧盟电力总消耗14%、全球的19%。传统办公建筑的电力照明能耗高达总电力负荷的35%，居住建筑照明能耗占总能耗的25%～35%，因此自然采光是提高室内光舒适度和减少照明能耗的有效途径［38］。自然采光控制系统或引导策略形式多样，基本可以分为侧采光和顶采光两类。重庆市城区建筑密度较高，低间距多楼层的特点均限制这两类自然采光策略的运用［23］。此外，用于照明的能量最终会转化为热量，导致建筑额外制冷系统负荷，按照总能源消耗比例，电力照明可使制冷能耗增加16%。在总能耗基本由电力和化石燃料能源构成的前提下，仅依靠自然采光就可将降低25%～30%的能耗量，表现出能源节约和碳排放量降低的巨大潜力［26］。另外，在采光节能设计时，需要考虑采光节能和供热节能的矛盾，大面积窗口和幕墙具有增强采光的作用，但其导致夏季空调制冷能耗增加、冬季热损过大。

对采光层面的碳源／汇情景识别：

①运行碳。充分利用自然采光可有效降低建筑能耗，然而照明系统发热可能增加建筑制冷系统能耗。在重庆市高密度建筑城区，低间距多楼层的特点导致建筑自然采光受限，过多的门窗洞口增加夏季空调制冷能耗、加重冬季热量损失。

②隐含碳。门窗洞口的增加在一定程度上能够节约建材，但当前被动式建筑因保温防热的需求，往往采用高性能门窗玻璃（如Low-E玻璃），而这些高性能建筑材料的隐含碳特征尚不明确。

4.6 可再生能源利用层面

重庆市的建筑可再生能源利用技术包括水源热泵、地源热泵、空气源热泵及光电／光热技术等［24］。可再生能源的优先级顺序：首先通过节能措施减少能源需求，其次最大化现场可再生（低碳）能源供应，最后通过场外可再生（低碳）能源供应满足剩余能源需求。

重庆市太阳辐射总量匮乏，但4—9月太阳辐射资源集中（占比72.3%）［23］，可在4—9月考虑利用太阳能发电，例如使用建筑光伏一体化系统（BIPV）。BIPV的有效性取决于建筑位置、方向、建筑形式、周围建筑遮挡、屋顶空间或可安装空间的立面面积以及光伏技术的效率等众多因素，因此需要针对性的设计。大多数中小型住宅楼和乡村住宅，由于屋顶面积较大，有能力消减甚至抵消建筑运行所需能耗。对于占地面积大、能源需求高的建筑来说，现场发电难以抵消建筑物能耗需求，需要考虑区域级可再生能源。重庆市水能资源丰富，是区域级可再生能源发电的第一选择；分布式储能系统可以储存现场可再生能源，是调整现场可再生能源量的有效途径。

对可再生能源利用层面的碳源／汇情景识别：

（1）运行碳。重庆市在4—9月可以考虑太阳能作为场内可再生能源供给；重庆水能资源丰富，是区域级可再生能源发电的第一选择；水源热泵、地源热泵、空气源热泵等技术因成本、品质限制，需要针对性地优化设计方可利用。

（2）隐含碳。可再生能源分为场内直接利用和场外输送，场外输送会增加基础设施建设成本（隐含碳）。

4.7 其他被动式技术

4.7.1 构件遮阳

虽然重庆市位于V类光气候区，但光照资源季节分布集中，夏季日照较强，仍需要灵活方便的遮阳系统。总体而言，建筑构件遮阳成本低，生产、设置构件遮阳的隐含碳成本低，无运行能耗或少运行能耗，是值得普遍推广的被动式技术。

①运行碳。通过灵活的构件遮阳调整太阳辐射获取，调控室内热环境及光环境，降低建筑运行能耗。

②隐含碳。生产及设置遮阳构件产生少量隐含碳。

4.7.2 立体绿化

重庆市湿热气候为立体绿化带来了巨大机遇。立体绿化主要以3种方式影响建成环境碳循环。首先，立体绿化产生隐含碳。建设立体绿化原材料的提取、生产和运输以及建设、运行、维护等会带来环境和经济负担。其次，立体绿化有碳汇效应。绿色植物可通过光合作用吸收CO2或将CO2封存到土壤基质中，规模化的立体绿化将成为重庆市绿色基础设施的重要组成。第三，立体绿化通过调控微气候，降低室内温度，减少城市能耗。

①运行碳。立体绿化可增加围护结构热工性能，并有利于场地微气候降温，综合降低建筑运行能耗。

②隐含碳。立体绿化的建造、运行、维护和处置，造成隐含碳排放。

③碳汇。通过植物和土壤的碳封存达到直接碳汇效果。

4.7.3 涂层材料

在夏季，具有高发射率、高反射率的材料可在最大程度上向环境“释放”能量（增加对外红外辐射和日光反射），降低建筑表面温度，降低建筑制冷负荷。在冬季，具有低发射率、低反射率的材料可在最大程度上“保存”能量（减少对外红外辐射和日光反射），保持表面温度，降低建筑供暖负荷。

①运行碳。涂层材料通过降低建筑冷热负荷，降低建筑运行能耗。

②隐含碳。关于涂层材料生产和维护的隐含碳情况目前尚不明确。

5 基于重庆市气候的被动式建筑技术应用潜力探讨

5.1 被动式建筑全生命周期减碳潜力

被动式建筑可在建筑使用阶段，通过一系列被动式策略减少建筑供暖和制冷需求，降低建筑运行碳排放。更重要的是，区别于空调等主动式设备，其运行向城市空间排放大量废热，造成室外环境压力，被动式建筑在进行室内空间降温，营造舒适室内环境的同时，不增加城市环境负担［39］。然而，被动式建筑提高了建筑材料要求和需求，随着节能技术提升，运行碳强度大幅度下降，但是隐含碳比例大幅度提升，被动式建筑的隐含碳排放普遍被忽略。因此，建筑运行碳和隐含碳的平衡成为碳中和背景下被动式建筑应用潜力的主要制约因素。

重庆市城市密度高、通风差、温度高、热岛效应强，被动式建筑在严寒地区的巨大保温节能优势被严重削减。在碳中和背景下，重庆市的被动式建筑推行，更应重点考虑运行碳与隐含碳的平衡，建立基于全生命周期碳中和原则和气候适应性原则的被动式建筑评估方法。被动式建筑降低碳排放的过程还具有高度复杂性，需要从场域与气候、建筑类型、围护结构、通风、采光、可再生能源利用等多个方面识别和分析碳源／汇情景，作为建立被动式建筑全生命周期碳源／汇量化评估的基础。

系统的碳足迹评估至关重要。目前，全球范围内已经开发实施的碳足迹评估平台、工具包括Gabi、SimaPro等；2019年，中国实施《建筑碳排放计算标准》（GB／T 51366—2019），明确生命周期评估方法，并为评估计算提供基础数据。针对特定建筑产品，需要加强碳效益回收期这一量化指标，综合评估其在全生命周期过程中的适用性。图13以太阳能光伏板为例，分析了被动式策略在全生命周期内的碳效益回收期及其减碳潜力。总之，必须以全生命周期为视角嵌入对隐含碳、运行碳的全方位、深层次思考，形成并完善被动式建筑策略减碳潜力评估框架。

图13 实施被动式策略的碳回收期Fig.13 Carbon payback period for implementing passive strategies

5.2 被动式建筑与重庆市净零碳城市建设

自2012年以来，中国启动了三批共87个试点低碳省区和低碳城市。在我国“双碳”战略进程中，这些示范项目扮演着重要角色。一些城市已经明确提出了碳达峰时间表，甚至部分城市正在以特定的方式探索深度脱碳路径，为迈向“净零碳城市”打下基础。《中国净零碳城市发展报告（2021）》从多个维度对以上试点中的22个主要城市的净零碳发展水平进行评价，评价结果中深圳高居首位，成都居第5位，重庆市居第17位。从地域分布来看，东部沿海城市占绝对优势，中西部城市整体排名靠后。在新建民用建筑中绿色建筑的比例方面，苏州和济南的目标均是100%，为22个城市中最高，而重庆市未公布目标计划，可能存在对绿色建筑不够重视的情况。随着《2030年前碳达峰行动方案》等顶层设计的出台，各城市需要根据自身的城市类型加快出台城市碳达峰行动方案，明确减排降耗目标。重庆市作为西南主要城市，应加强地方相关指南和规定，指导行业脱碳，引领西南地区净零碳城市建设。性”与应用潜力。综上，基于碳中和及气候适应性原则，识别被动式建筑技术碳源／汇特征，探讨重庆市湿热、湿冷、弱风气候特征下应用被动式节能策略的脱碳潜力，将成为重庆市被动式建筑接续发展的基础。

6 结语

被动式建筑是建筑业进行节能减碳，推动净零碳建成环境，实现碳中和目标的重要途径之一。在碳中和背景下，被动式建筑应用潜力评估需要综合评估其节能效益（运行碳）和实施成本（隐含碳），并实现运行碳和隐含碳的动态“制衡”，实现建筑全生命周期内的碳排放量最小化。被动式建筑应用潜力受气候条件制约，因此重庆市被动式建筑技术需要充分结合并适应其地域气候条件。此外，因城市形态、街区形态、建筑形态不同，城市局地气候和微气候异质性尽显，造成风热光等场地物理环境特征各异，也会极大影响被动式建筑外部空间的“场域被动

（致谢：感谢重庆市气象局智慧气象技术创新团队项目“面向通风廊道规划的重庆主城区通风环境评估预研究（ZHCXTD-201913）”提供部分资料。）