任军是天津大学建筑学院教授，天津市天友建筑设计首席建筑师，国务院特殊津贴专家。研究及设计实践聚焦于低碳城市规划和绿色建筑，涵盖超低能耗建筑、近零能耗建筑、零碳建筑、被动房、绿色校园、绿色乡村、绿色改造等领域。荣获亚洲建协可持续建筑金奖、亚洲新兴建筑师奖、全国绿色建筑创新奖一等奖、中国建筑创作奖、国际主动式建筑奖、华夏科学技术奖、世界华人建筑师协会奖等绿色设计奖项。中国建筑文化中心相关研究人员拜访了任军教授。

问：低碳生态乡村建筑实践方面，任教授带领设计和研究团队进行了卓有成效的探索和实践。您能介绍一下相关的情况吗？

任军：我们低碳生态乡村的建筑实践，主要包含低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑和零碳建筑等类型。

在低能耗的农宅改造方面，我们在北京大兴区设计建成了半壁店村零煤耗乡村项目。这个项目是大兴区科委绿色乡村关键技术集成示范项目。我们做这个项目的时候有两个考虑：一个是从绿色乡村的角度，希望能够把乡村空间打造得更绿色生态；第二个是从整体能源体系的角度，希望探讨零煤耗的乡村改造。出发点也是当时北方冬季雾霾比较严重，煤耗方面的农村散煤是雾霾的重要成因之一，所以我们希望把农村的能源结构从散煤燃烧转化成非化石燃料的一种模式。在主动式技术上，能源系统采用了三种能源方式，一是太阳能采暖，二是空气源热泵，三是发热电缆。在建成后几年的运营过程中也逐渐总结出，空气源热泵是较适合北方农村的能源体系，所以后来北方寒冷气候区乡村煤改电基本上都采用了空气源热泵体系。当时我们也是在实践当中才发现太阳能采暖有两方面的问题，一是北方冬季其实白天需要更多的太阳辐射来采暖，但是北方的冬季从早上9点到下午4点左右之后太阳能就不足以支撑太阳能采暖了。第二个方面就是由于北方冬季经常有雾霾天气，造成连续阴天，或没有太阳，也造成太阳能采暖设备的能源供应不足。所以在这个基础上空气源热泵是一个比较好的解决方案。这个项目的技术体系采用了北方非常有效的被动式太阳房，而且被动式太阳房采用聚碳酸酯实心板，用亚克力板来做，隔热性能非常好，透明性也非常好。而且太阳房里边做了垂直农业，还利用入口设计了彩色光伏的走廊。

图1：零舍项目外景（图片来源：任军老师提供）

房屋保留了原有的砖木结构，整个屋面都是保留原有的结构体系，而且利用了很多乡土材料来回应整个北方农村的传统风貌。利用聚碳酸酯窗和夹芯保温墙体作为蓄热墙体，还有透明的维护结构隔在被动式太阳房当中，零煤耗被动式太阳房可以使温度在冬季没有供暖的情况下，大概在上午10点能达到25°C。零煤耗乡村整体的技术体系，包括了木屋架的体系、太阳能热水、彩色薄膜光伏，还有维护体系以及乡土材料、聚碳酸酯的被动式太阳房、垂直农业、天窗采光等。

近零能耗建筑方面，我们在北京设计建成了大兴天友·零舍项目，总建筑面积398m2，是北京市科技计划课题《绿色智慧乡村关键技术集成应用研究》的子课题《绿色乡居建筑技术集成研究与示范》项目。我们把这个房子作为近零能耗建筑，不仅仅是从能耗出发，而是希望把生活和近零能耗的建筑融合在一起，形成不同的生活场景。比如说像冬天的阳光房，是一个非常温暖的生活场景。比如说夏天的零碳花园，是完全用废弃物回收来建造、营造景观，形成一个零碳花园。

图2：零舍项目日照分析图（图片来源：任军老师提供）

零舍是按照国标近零能耗建筑技术标准建成并且获得标识的一座农宅。实现近零能耗的途径是被动式超低能耗的建筑，加上可再生能源，再加上装配式的建造方式。被动式超低能耗可以实现需求减量，利用超高能效的设备以及可再生能源的能源替代来减少运行碳，利用工业化建造的方式来减少隐含碳。3个房子采用了3种结构体系。最左侧的是轻木结构，中间的房子保留原有建筑结构，改造的部分是砖木结构，最右侧的是一个轻钢结构的体系。它是完全在工厂预制在现场吊装。3个部分组成一个居住单元。

零舍整体的近零能耗路径，包含了被动式超低能耗体系，加上可再生能源技术，加上主动式能源。一是主动式的能源。其实近零能耗并不是不采用主动式的空调和供暖系统，而是采用了环能新风一体机体系，把新风冷暖融合在一起，但它的前提是要有一个非常好的维护体系。农宅能源需求非常小，新风一体机可以用很小的能源供给就可以满足整个房屋的能源供应。二是被动式超低能耗。主要是被动式技术结合性能化的设计。性能化的设计体现在维护结构的优化上，它的气密性、无热桥设计、体形系数、窗墙比设计都是通过性能化的方式来形体生成的。其他的被动式技术包含自然采光、自然通风、被动式太阳房等，三是结合主动式的可再生能源的体系，太阳能光伏、太阳能光热，最终实现70%的能耗都可以由可再生能源来供应，实现近零能耗目标。

图3：零舍项目绿色建筑技术（图片来源：任军老师提供）

问：我国南方地区，针对其气候特点，低碳生态乡村建筑的设计原则是什么样的？

任军：2022年我们设计了海南省三亚市抱前村零碳活动中心项目。这个项目建设规模2500m2，是生态环境部零碳零废乡村示范项目。抱前村的产业是以水稻种植为主，也包含了香蕉种植、槟榔种植等农林业。我们在这个乡村产业区域和建筑区域以及休闲科普区要实现整体的零碳零废目标。

整体零碳零废生态乡村的建设内容包含七个方面：一是自然农法的种植区，主要指是农业，有机蔬菜高效种植以及稻鸭鱼共作生态种植等。二是农业基础设施，农田的灌溉，田埂基础设施等。三是林业生态，包括生态沟渠修复、混合经济林建设、生态廊道、复合种养区。四是休闲科普，包括零碳建筑、未来学校与零舍民宿，科普培训、展示文旅等。五是废弃物资源化利用，六是双碳管理平台，七是农林物联网系统，共同实现整体乡村的零碳零废目标。

零碳建筑的功能类型是一个村民活动中心，我们希望在乡村中实现零碳的示范。在夏热冬暖气候区，首次在乡村应用零碳的建筑体系，而且我们是把零碳建筑和整体乡村的循环模式融合在一起，使建筑融在山水林田湖草整个的一个生态体系当中，和农业林业融合在一起，包括把垃圾的处理还有生态雨水的海绵体系结合在一起。

在建筑层面，夏热冬暖气候区零碳建筑的核心策略是隔热、通风、遮阳这三个核心技术。在这个核心策略的基础上，我们又扩展出不同的技术体系，比如针对遮阳，可以是大的挑檐形体自遮阳，用分散的庭院来形成相互遮阳，利用立体绿化实现建筑立面遮阳等。通风采用底层架空、通风廊道等方式。

它的形体生成过程，是在原有的有高差的地形上形成了比较分散的体量，而且结合建筑风向，还有景观通廊，形成不同的风廊。而且把建筑以庭院的方式围合，相互遮挡，形成更小的体量，同时在庭院当中设置水院、景观庭院等公共空间，而且采用架空的方式，把建筑底层打空，形成一个非功能的公共空间，再在屋顶形成可以遮阳的挑檐屋顶，布置光伏，最终形成整体的建筑形态。在这个基础上形成整体的被动式技术集成。还是针对它的三个核心策略隔热、遮阳和通风进行设计。在遮阳方面，形成了遮阳挑檐，活动式的外遮阳，立体绿化遮阳，气候缓冲区等。在隔热方面，利用当地的蚝壳墙来做它的隔热蓄热墙，利用隔热变色玻璃来形成透明的屋顶天窗隔热。在通风方面，通过底层架空、通风屋面还有连廊来实现建筑自然通风。

图4：抱前村零碳活动中心项目零碳技术（图片来源：任军老师提供）

此外还采用了一些具体的技术策略，比如说遮阳和隔热，这就是利用分散的庭院布局来形成建筑形体的自遮阳。设置合理的气候缓冲区。气候缓冲区就是非供能的空间，针对三亚的气候，我们把外廊一些室外架空的空间作为气候缓冲区，它既可以有比较良好的自然通风和遮阳效果，同时又不需要提供空调这样的能源。还设置了水院等过渡空间，作为气候缓冲区。

在西向的外墙山墙利用当地的蚝壳来做隔热的蓄热墙，这也是借鉴了南方传统民居的建筑智慧。大量采用了底层架空，所有的一层大部分是架空的，这个空间给村民活动提供了公共空间，同时这也是一个气候缓冲的非功能的空间。通风方面，在建筑之间设置了一些通风廊道，通风廊道会通过水院，通过自然冷却的方式来降低气流温度，实现比较凉爽的通风。在不同高差的室外空间设置水院，结合三亚的气候特点和植物生长特点，设置了大量的立体绿化，在它的外廊上有下垂的立体绿化来实现生态和遮阳。包括绿化遮阳，垂直绿化，绿化隔栅，用遮阳挑檐来实现形体遮阳。还有灵活开启的木格栅体系，还有活动的外遮阳。整个建筑采用的是利于反射的浅色来减少炎热气候太阳辐射。

主动式技术主要分成两部分，一是高效的能源系统，比如高效VRV空调系统，新风热回收系统，还有那个节能照明的控制系统，另一部分就是为了实现零碳的可再生能源体系，主要是屋顶光伏，结合太阳能热水形成了可再生能源的应用。

问：能介绍一下在低碳生态乡村建筑方面一些实验性的、概念性的先进设计吗？

任军：我们设计了一个产能建筑，也可以叫做碳中和建筑，它是天津大学建筑学院参加国际太阳能十项全能竞赛获得冠军的作品的项目，叫R-cells（产能）小屋。也就是参考了细胞的一些自适应、自组织的模式形成了一个模块式的建筑。它最大的特色就是南向的巨大屋顶挑檐，挑檐上布满了太阳能光伏，其建筑产能是建筑耗能的3倍。整个结构体系是一个胶合木的体系。在工厂预制，在现场由15个模块安装，用了21天建成的这座建筑，大部分是由学生参与建造的。

从这座建筑的节能剖面来看，超低能耗建筑和近零能耗建筑核心的技术都体现在剖面当中。例如南侧的被动式太阳房，南侧挑檐对冬夏季太阳高度角的控制，屋顶天窗的天然采光，还有高侧窗自然通风以及大的挑檐，可以实现产能的光伏屋面利用。

图5：R-cells（产能）小屋建筑（图片来源：任军老师提供）

设计过程中最有意思的一个故事在于这个大挑檐。在设计完之后，结构工程师提出，项目所在地张家口的气候在冬季西北风的时候会形成非常大的倾覆力，对大挑檐结构非常不利，建筑师在设计优化过程中首先想到如何来解决这个问题。首先是把它面上开一些洞口来过滤掉风载。第二步就想到既然有非常大的风载，而且开了洞口，我们就把垂直轴的风力发电机设置在屋面上，形成了非常好的风光一体的艺术化设计。这个在实际应用过程中风力发电也非常有效，确实会在北侧形成非常大的风力。把不利因素转化为建筑产能的有利因素。这就是南侧的太阳房和北侧的大挑檐下，檐下的空间也可以看到风力发电机。从室内效果和建成效果来看，整个屋面光伏完全能够满足建筑的用能，而且实现了较高的产能，可以给电动汽车充电，而且在这个项目中电动汽车和房屋实现了车网互动的充电和反充，就是电动汽车也可以给房屋来充电。

图6：R-cells（产能）小屋绿色建筑技术（图片来源：任军老师提供）

总的来说，绿色低碳生态乡村建筑设计，碳中和背景下的乡村建筑领域更突出生态和自然特色。近零能耗建筑、零能耗建筑、零碳建筑、产能建筑等一系列新设计领域，需要建筑师把技术理性转化为量化的可持续生态价值。绿色技术、建筑艺术和自然生态的结合是乡村低碳建筑的发展趋势。被动式的自然要素可以通过设计转化为有表现力的建筑时空；主动式的绿色建筑技术可以通过创意转化为具有艺术性的建筑要素。最后绿色乡村的设计是从理想出发，但更多的是脚踏实地的来解决现实的问题。

撰稿：张竹村