导语

建筑领域作为高能耗和碳排放大户，是实现碳中和的关键部门之一。从全球来看，建筑部门的减排在很大程度上取决于现有建筑能耗与排放问题的改进，而全球的建筑改造率及节能改造深度目前不足以满足建筑面向零碳的减排转型需求。

今天，落基山研究所发布《工业4.0背景下既有建筑的零碳改造技术：欧美市场评估报告》中文版。报告通过调研全球先进技术，识别出以欧洲为代表的一套全球领先的一体化解决方案，方案应用工业4.0技术，包括无人机测绘、3D成像、能源模块集成等多种先进数字技术，结合创新商业模式，在欧洲市场成功探索了面向零碳的建筑改造路径。通过对比欧洲市场与美国市场，报告探讨了美国市场引进欧洲措施的技术障碍和市场挑战，并针对跨国引进技术给出政策、技术、市场与研发等方面的建议。

工业4.0背景下的零碳建筑改造是建筑部门脱碳的关键创新点，也是城市更新和建筑市场的又一增长极，代表了市场未来的发展方向。上述方向与方案均可为中国的城市更新及“旧改”工程涉及的既有建筑改造的零碳转型发展提供参考。

全球领先的建筑零碳改造一体化技术方案

《工业4.0背景下既有建筑的零碳改造技术：欧美市场评估报告》介绍了欧洲既有建筑零碳改造的一体化技术方案。这个方案简化了原本复杂的建筑改造过程，将其综合为一套成熟的产品服务。该方案主要包含如下两套系统：

1. 智能化制造的装配式外墙系统

装配式外墙系统是一种预制的组合式建筑幕墙，通过降低热负荷能耗来促进建筑的零碳转型。此类外墙系统已通过工业4.0手段预先做好了所有的结构框架、保温层、门窗、气密性装置和表面处理，可直接包裹在现有建筑结构的外墙。

改造前（左）改造后（右）

欧洲制造商们在定制此类外墙系统的过程中应用了大量智能化的制造手段，以确保所制作的外墙系统与既有建筑现状完全契合。首先用无人机测绘技术和3D成像技术对改造前的建筑进行激光扫描，将收集到的点云数据和三角剖分图片转换为建筑信息模型（BIM）。在此基础上，通过设计使建筑改造外墙系统适应现有情况，然后再将设计结果转化为CAD/CAM输入制造设备。根据输入的数据，计算机数控（CNC）机床会将外墙系统的各部件切割成正确的大小，并由机器臂进行组装。

机器臂外墙包层应用（左）和计算机数控机床制造（右）

 

智能化制造的装配式外墙系统主要从两个方面助力零碳目标的实现：

    首先是降低建筑供暖/制冷的能耗占比。对处于炎热或寒冷气候条件下的建筑来说，其大部分能耗都集中在热负荷上，实现净零碳建筑的首要任务就是降低热负荷。组合式的装配式外墙系统包含三层玻璃窗、保温层和气密性装置，包裹在现有结构的外墙后可以大幅提升建筑外墙的热工性能，从而减少对供暖和制冷的消耗。

    其次是采用环保可持续建筑材料。装配式外墙系统在材料的选择上考虑了建筑的全生命周期，其使用的木材、纤维素、再生纸、矿物棉和砖包层等材料都具有可持续性，不会在生产过程中产生额外的碳排放，使用寿命结束后也可以被自然降解或回收再利用。

除了节能减排上的优势，这种外墙系统还能大幅缩短建筑改造周期。只需要通过一套挂钩装置将外墙系统安装在建筑外立面，再将保温材料注入现有外墙和新外墙之间的缝隙中即可，有效将建筑改造对住户的影响降到了最低。

2. 全电气化的一体式建筑设备系统

一体式建筑设备系统可以同时提供供暖、制冷、通风、热水和除湿等多种建筑用能服务，其全电气化的特点使建筑的零碳用能成为可能。该系统一般包括一台用于家用热水和空间调节的热泵（空气源/水源/地源）、一台热能回收通风机（HRV）或能源回收通风机（ERV）、一个热水箱、太阳能板、一台光伏逆变器和印刷电路板控制系统。

产品示例图解

 

这种一体式建筑设备系统的最大优势在于全电气化使建筑零碳用能成为可能。部分老旧住宅的供暖、热水、炊事等生活用能仍在使用一次能源，不利于建筑的脱碳。而一体式建筑设备系统可以只用电能供给这些服务，随着更多可再生能源发电装机上网，在清洁化的电网下建筑用能就有可能实现零碳。

在实际应用方面，该系统将各个设备部件都集中在统一能源模块中，体积小且降低了安装复杂程度，使得产品可根据安装环境和需求进行调整；同时，由于优化了系统的控制和运行模式，全电气化的操作使用户不再需要为燃气进行通风，且利用感应电炉等技术能够实现更好的灶台控制。

   全球领先的建筑零碳改造市场化创新商业模式

除了上述技术解决方案，欧洲案例中使用的一系列市场化手段也有效推动了零碳建筑改造项目的落地，在组织市场过程中实施的行业调研、标准化服务、支持性融资机制和多方合作模式，都是值得学习的关键战略性做法。

1. 需求整合

大量且稳定的订单需求可更好地支撑研发投入及规模化生产，提升项目的经济性，因此对需求的有效整合是零碳建筑改造项目成败的关键。欧洲案例中，首先通过严谨的调研识别出住房市场当中最有代表性的公益性中低层联排式多户住宅，作为最具规模化部署的试点目标建筑类型。之后，通过对该类住宅的所有权结构、几何结构、用能特点等方面的深入研究，着手制定统一的节能改造目标和其他相关的建筑性能要求，并设计初步改造方案。最后，与工程建造方与制造商共同开展技术研发，制定规模化生产方案，并通过与建筑业主和开发商协调，建立了可持续的订单需求，为技术创新提供了保障。

2. 创新融资机制

资金问题是阻碍开放商和业主支持改造行动的一大主要原因，而合理的融资机制能激励零碳建筑改造的全面部署。为了解决这一问题，欧洲案例中规定租户直接向业主而不是能源公司支付用能产生的费用，以此解决业主可能面临的投资效益分离问题。这样建筑业主虽然承担了零碳建筑改造的前期增量成本，但这部分投资也能通过节能收益抵消，并通过运营成本节约完全回收。在这样的机制下，住户（租户）的能源账单更低，业主的零碳改造投资得到了合理回报，实现了风险与利益的平衡，通过多方共赢的方式开拓了零碳建筑改造市场。

融资模型图解

   美国市场引入上述欧洲技术的机遇与挑战

通过落基山研究所的调研，美国市场的装配式节能技术普遍应用于新建建筑市场，在既有建筑改造市场上尚未有一体化的零碳建筑改造供应商，整体水平落后于欧洲市场。美国市场对于零碳建筑改造需求巨大，亟需一种简单快捷的改造方案。报告指出，在引进上述欧洲先进技术时，美国市场应关注以下几个关键问题：

• 本地化改造：与欧洲市场常见的中低层住宅不同，美国市场的典型住宅类型多为中层或高层，在外墙安装措施和设备系统上有着明显的区别，引进欧洲技术时需关注外墙施工做法、结构加固及集中式设备系统的探索，开展技术的本地化改造。
• 气候适应性：美国地域宽广，气候类型丰富，引进欧洲技术时应考虑气候适应性，例如充分考虑R值的变化及设备系统的配置，特别关注除湿、制冷等需求及电气系统兼容性，在满足当地气候特征的同时实现产品的标准化。
• 抗震设计优化：在抗震设防烈度较高的地区，引进欧洲技术时应考虑抗震设计的优化，根据不同建筑结构类型重新进行设计调整，并按照当地规范开展抗震测试

 

美国市场对于既有建筑零碳改造的需求正快速增长，地方政府也在通过政策鼓励和推广零碳改造解决方案，例如，纽约州能源研究与发展管理局开展的3000 万美元的Retrofit NY 计划，以及加利福尼亚能源委员会为开发市场促进平台提供的约700 万美元资金和在加州各地低收入社区开发的示范项目。波士顿等城市也开始组织和开展有利于市场的活动，在其所有建筑存量中部署零排放改造。零碳改造是美国既有建筑改造市场的下一个增长点，市场推动者可以利用这个极好的机会，将这种趋势转化为市场行动，助力美国建筑部门脱碳。

   上述方案可为我国城市更新及老旧小区建筑改造提供参考

我国在城市更新和既有居住建筑节能改造方面取得了良好成绩，截至2018年底改造面积超过14亿平方米，惠及2100万户居民；在节能改造方面，城镇既有建筑中高能耗建筑的占比也从2006年的99%降低至如今的60%左右。为更好地支撑“旧改”工程，以下几个问题尤为值得关注：

• 我国既有建筑的节能改造主要针对建筑的保温隔热性能，主要措施有建筑外围护结构增加保温层、安装被动式节能门窗、气密性设施加固等，对电、水等其他领域涉足较少，应加强不同系统的整合，形成一体化的解决方案；
• 我国建筑节能改造中装配式技术和智能制造技术的应用也较为有限，多以传统建造方式为主，施工管理及效率有待提高；
• 我国“旧改”项目周期一般为6-10个月，部分项目需居民暂时搬离，对居民日常生活造成了一定影响，应利用新技术新措施缩短项目周期，降低对居民的影响。

上文中介绍的欧洲案例对我国城市更新及老旧小区建筑改造有着一定的参考价值和借鉴意义。一方面，在碳中和的战略背景下，既有建筑节能改造的目标应逐渐从低碳节能向欧洲案例中提到的近零碳、零碳目标转变；另一方面，在“旧改”项目中积极推进建筑电气化的普及，可以为实现零碳目标打好基础。

我国既有建筑改造领域还有很大的减排空间，政府、企业、研究机构和投资者应继续推进合作，借鉴国际领先经验，开发出更多适用于我国建筑特点和政策环境的零碳建筑改造技术及市场推广手段。类比美国市场引入欧洲技术时的机遇与挑战，我国市场在引入上述欧洲技术时也应积极解决可能存在的障碍，进行技术的本地化改造，在气候适应性、抗震设计、系统设计等方面进行优化，并通过规模效应降低造价，运用市场化手段挖掘既有建筑改造市场的潜力，降低财政压力，通过撬动社会资本使突破性技术得到规模化推广。

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作者：

郝一涵，落基山研究所董事

周吴雪涵，落基山研究所分析师

周芸，北京市市政工程设计研究总院高工建筑师