▲ LWK + PARTNERS 在一個辦公樓設計競賽項目中，加入層層可穿透空間，拓出明亮開闊的中庭空間，擡頭是豐富的綠化景觀和體驗式場所。
根據聯合國環境規劃署發布的《2020 年全球建築建造業現狀報告》，建築建造行業占全球能源相關的二氧化碳排放總量的 38%。爲實現建築減碳，建築師正積極探索 “零能耗建築” ，這種新型建築引起了整體行業及學術界廣泛討論，也確立了它在未來可持續智能城市發展的關鍵角色。
LWK + PARTNERS 設計研究總監劉少瑜教授在可持續建築方面擁有大量研究及實踐經驗，正率領該事務所的設計研究組，並積極研究零能耗建築帶來的可能性。本文摘取了一些劉教授對未來零能耗建築發展的觀點，期望推動相關設計模式的前進發展。
▲ LWK + PARTNERS 設計研究總監劉少瑜教授
什麽是零能耗建築？
零能耗建築主張利用在地可再生能源，讓建築物自身發電，年産能等于或大于自身全年的用電量，以此達到淨零能耗。
此類建築多以被動式設計爲重點策略，包括從建築形態、布局、懸挑結構和遮陽裝置等幾方面著手提升節能效果。
其他設計策略包括主動式設計，例如高效的暖通空調、物聯網（IoT）系統等設置，與被動式設計相輔相成，進一步提高建築實現零能耗的能力。
另一個零能耗建築的重要構成元素就是可再生能源應用。現時綠色建築的在地發電主要利用太陽能，然而目前太陽能面對不少限制，因此近年看到的綠色建築最多只能實現 “近零能耗” ，但這些先導項目依然具有寶貴的參考價值，讓建築設計同業在現有基礎上進一步深化，廣泛實現零能耗建築，引領未來城市的可持續發展。
▲ LWK + PARTNERS 的辦公樓設計競賽方案允許自然光和夏季強風通過建築的開口流入中庭空間，並將共享設施和公共空間集中布置在中庭，辦公空間則分布在大樓的外圈。
建築形態及布局
建築的外型和座向直接影響熱能接收、采光和通風，而聯合國環境規劃署就指出，制冷相關的能源需求是建築物最終用途之中增長最快的。
傳統的矩形建築多由一系列彼此分離的封閉空間組合而成，不但阻礙天然風進入建築，也妨礙內部空氣流動。相反，如將建築體量分拆爲多個虛疏疊起的水平面板塊，便可産生對流通風，同時每個平面也爲下面的樓層提供局部遮陽。如采用較淺的樓板空間，則效果更佳。
▲ 以新加坡國立大學設計與環境學院 4 作爲案例，展示建築體量的發展策略。（圖片來源：新加坡國立大學）
每處空間的面向和配置還可以進一步調整，建構通風廊道、露天平台和空中花園，爲聚會及社交場所營造理想的熱舒適度。利用環保隔熱外牆物料也有助于降低空調需求，更可在外牆安裝垂直或水平翅片，進一步阻擋日曬。
爲減少使用電梯，可在建築主要位置加入大型樓梯，以設計改變行爲，除了省電之外，更同時促進用家健康和社區歸屬感。這些開放空間鼓勵人們走動，與空間互動，加強樓層之間的視覺連接，刻劃更有趣的人流動線，營造電梯難以取締的活力體驗。
▲ 由 LWK + PARTNERS 設計的中國香港荃灣體育館透過階梯韻律，創造豐富視覺體驗。
懸挑結構與遮陽裝置
爲達至零能耗建築的最佳節能效果，設計師會利用不同手法，避免或阻擋陽光直接照射到建築空間之中。
大屋頂設計能爲整幢建築遮陽，阻擋大量陽光直射，減少了整體能源需求。屋頂更可加設光伏板以做到太陽能發電，如能在日間不同時段隨太陽軌道而調整角度以面向太陽，就更爲理想。
劉教授在其研究中以新加坡國立大學設計與環境學院 4（SDE4）爲 “近零能耗建築” 的一個成功案例。項目依賴屋頂的 1,225 塊太陽能光伏電池發電，其可再生能源産量基本足以應付該建築自身的全年能源消耗。剩余的能源可供給到附近的公用電網，而在用電需求較高的情況下，也可以安排電力回流。
▲ LWK + PARTNERS 在一個辦公樓設計競賽項目中設計出空中社交空間，環境開揚舒適。
建築需要同時設置懸挑結構和遮陽設備，例如格柵、穿孔外牆和窗簾，才能互相補足，發揮最大效用，減少吸收太陽熱力。最理想的是根據日照角度、建築高度和其他場地特點，進行計算和測試，搭配不同設備，最終取得最佳協同效能。
以 SDE4 一個四樓空間爲例，采用兩米懸挑遮陽板搭配室內窗簾和可局部開合的窗戶，節能效果最好。另外，讓使用者自主控制窗戶開合程度和風扇風速也能提高靈活性，同時增加人們對傳統溫控設置以外溫度的體感接受程度。
智慧傳感器與響應式環境
適應當地氣候的設計元素一直見于各地鄉土建築。隨著氣候變化的威脅日益嚴峻，全球建築都必須引入適應氣候的功能。結合智能建築系統和當地天氣信息，有助創造溫度舒適的響應式環境。
▲ LWK + PARTNERS 于中國廣州南天名苑二期因應嶺南氣候加入半開放空間，引入陽光及自然風。
零能耗建築的理想運營溫度爲 27-28℃，有別于傳統高等級辦公建築的大約 23℃。這已足夠應付大多數人們的活動，提供舒適的用家體驗之余，能節約制冷資源。
智能混合冷卻系統是平衡能源效益和用戶舒適度的一個重要策略，結合自然風、智能風扇和空調，並需與物聯網傳感器配合使用。例如，若傳感器探測到有人陸續打開窗戶，這可能表示空間內需要較少空調，故可以自動關掉空調，並啓動風扇。
除了溫度調節，物聯網傳感器還可實時監測一系列其他環境數據，如空氣質素、光照度、用水、空間占用模式、人員流動模式等，爲運營方提供重要的數據分析和決策基礎，改善未來的能源效益、工作流程和用家體驗。這些數據更可以反饋到設施管理系統，觸發系統自動回應。例如，無人區域可以自動關燈；調整光照度不僅可以節約能源，還可以根據現場使用者進行的活動，例如工作、社交、運動、用餐或冥想，以作出環境調節，提供最舒適的環境。
▲ 新加坡國立大學設計與環境學院 4 結合遮陽裝置和混合冷卻系統。（圖片來源：Transsolar KlimaEngineering）
以人爲本的建築後評估
中國已在 2019 年頒布《近零能耗建築技術標准》國家標准，爲邁向零能耗建築提出了 “被動優先、主動優化、可再生能源最大化” 的技術路徑。LWK + PARTNERS 設計研究組對此作出提升和補充，提出閉環的第四個技術路徑： “以人爲本的建築後評估” 技術理念。
以人爲本的建築後評估意在收集使用者對建築物體驗的主觀感受，評估建築物在人性化體驗方面的表現。這些實時數據讓運營方了解如何調整他們的操作，爲用戶提供最舒適的環境，同時提升節能、減碳和成本效益。建築師也可以善用這些數據來完善未來設計方案。
▲ LWK + PARTNERS 景觀團隊設計的中國珠海天恒 ‧ 灣景，項目的公共空間特意將自然風引進地下空間，提升空間感。
以劉教授另一個合作研究爲例，他的團隊在一所熱帶地區的大學校園進行調查，采集同學們的意見，了解不同通風策略對學習空間熱舒適度的影響。結果顯示，采用混合冷卻系統或自然通風能夠擴大使用者所接受的溫度範圍，並降低使用者對溫度的敏感度，減少依賴空調，降低用電量。研究爲類似氣候環境下的未來校園設計提供重要參考。
邁向淨零碳
零能耗建築的重要性不僅在其節能效益，更在于平衡用家感受和生態保育。減少碳排放固然是發展零能耗建築的主要目的，但透過人體工學設計和生態友好的活力公共空間，人們也因而享受到更優質的空間體驗，促進人與自然和諧共榮。
建築是實現淨零未來的關鍵一環，而當中零能耗建築作爲未來綠建趨勢，不僅對環境負責，更對推動健康、智慧的城市建設發揮積極作用，有利人們健康發展。加上人工智能持續發展，建築師將逐步引入相關科技以建立全面響應式環境，助社會應對氣候變化和人群不斷轉變的需求。