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麻省理工学院
摘要
建筑物的温室气体排放量比任何其他社会领域都要多，此外，近年来建筑施工和运转造成的排放也在不断增加。这些排放主要由采暖、制冷和照明所产生，而且材料的气体排放也很可观。新倡议的提出主要针对减少建筑所消耗的能量，但是仍存在大量技术、经济和政策上的限制。本文总结了美国在设计和执行未来低碳建筑方面的一些主要挑战，并指出了工程专业所面临的机遇。更高效的建筑设计代表了在全国甚至全球范围内，二氧化碳大量减排的最节省成本的方法之一。重视建筑设计在其整个使用周期内的一体化能够极大地提高建筑性能。最后，一系列最新项目展示了低碳建筑的成功生命周期设计。
简介
本文概述了低碳建筑工程所面临的一些挑战，尽管建筑在用水、原料消耗和其他自然资源消耗方面对环境有着重要影响，但是由于建筑物在减缓气候变化中的核心作用，致力于温室气体排放是很有帮助的。尤其是二氧化碳当量（CO2e）为建筑环境性能提供了简单的标准。作为美国最大的二氧化碳排放来源，建筑也展示了重大的机遇（图1）。政府间气候变化专门委员会（IPCC）明确了建筑是二氧化碳减排的最有潜力部分（IPCC，2007）。同样，世界可持续发展工商理事会（WBCSD）也指出如果采用现有技术，至2050年，全球建筑的能源使用可以减少60%（WBCSD，2009）。麦肯锡咨询公司也说明了建筑业可以作为最节省成本的减碳战略，大多数建筑的改善项目能够使减碳变为负成本（麦肯锡咨询，2007）。简而言之，建筑业存在大量能够节省成本的战略，并达到碳减排的目的。显而易见，尽管存在许多挑战，建筑工程仍在帮助现有建筑和新建筑在减少碳排放方面发挥着重要作用。
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图1 美国不同行业的能源消耗 来源：美国DOE，2010
目前在美国有一些新倡议为改善建筑物的碳性能提供了目标。2030年挑战提出了新建筑的碳减排目标，在接下来的二十年中标准不断提高（2030年建筑，2011）。当前的目标是设计出比平均建筑类型减少60%的能源利用量的建筑，减量目标每五年增加10%（例如，至2015年能源利用量减少到70%），直至零碳建筑成为2030年的目标。有三个主要方法来达到这些设计目标：（1）改善设计战略，（2）采用更为有效的技术和系统，以及（3）利用非现场可再生能源（最高达到20%）。然而目前2030年挑战是志愿性的，许多主要的工程公司已承诺要达到这些目标，并且有不少建筑公司则根据2030年挑战的目标，已在记录他们新建筑的能源消耗。世界上其他国家为完成未来十年新建筑的大量减碳目标，也制定了相关法规和要求。而美国最新的法规是加州的全球气候变暖解决方案法案（即AB 32法案），规定至2020年的碳排放应减至1990年的水平（AB 32法案，2011）。这些政策，以及更为严格的建筑法规，更加能够激励工程师和建筑师们。
低碳建筑面临的挑战
虽然工程师们在设计更具可持续性的建筑中发挥着至关重要的作用，但是他们进入设计流程的时间太晚。许多重大决定都是在设计阶段最早期做出的，例如建筑定位、窗墙比（玻璃面积与墙面积的比例）、建筑的整体形式等。这些关键性决策一旦做出，工程师就能够试着优化一个不好的设计，但如果工程师不参与初始设计，则很难达到低碳设计的目的。所面临的挑战就是整合工程分析，在设计早期为建筑师和其他设计成员提供迅捷的反馈，这就要求工程师们在进行设计培训时就能够为开放式问题提出多种解决方案。简而言之，高性能建筑要求在方案设计的最初概念阶段就提出一体化的系统思路。
建筑科学和可持续设计领域需要训练更多的工程师，特别是由于可持续建筑设计领域更多存在于机械工程、土木工程和建筑等专业，大多工程学校并不直接教授建筑的设计和运转。尽管建筑工程专业有少量的项目，但全国建筑工程毕业生的数量大大少于传统的工程专业，未来需要更多这一领域的工程师。尽管建筑对经济和环境有着巨大影响，但美国大多工程学校并没有关于可持续建筑工程的科目。
最后，对可持续建筑的研究和开发投入也严重不足。与其他领域相比，如汽车或电子产业，建筑工业对于研发的投入并不多。据估计，在美国仅有0.25%的建筑销售总额用于研发（Gould和Lemer，1994）。此外，仅有0.2%的联邦研究基金用于绿色建筑相关的课题（USGBC，2008）。研究资金的短缺意味着，尽管气候变化带来的压力很紧迫，通过改良建筑的碳排放能带来可观的经济效益，但是研究可持续建筑科技这一重大课题的人仍然较少。
低碳建筑带来的机遇
提高建筑性能的关键在于一体化设计，在方案概念设计阶段即整合各系统理念。建筑定位、幕墙系统、采暖和制冷方法、窗墙比等方面的决策在最终建筑能源性能中发挥着决定性的作用。建筑设计必须考虑气候因素，根据地域气候特点量身打造。材料的选择在任何建筑的碳含量中都起着核心作用，同时还通过热质，在建筑的运行过程中对碳排放量产生影响。然而，大多传统的建筑设计软件并没有分析能量或环境性能的能力。在过去十年，人们开发了一些工具在早期设计阶段为建筑师和工程师提供帮助，其中一个实例就是麻省理工学院设计顾问软件，可以根据质量、定位、气候、窗墙比及其他各方面对建筑能源使用量进行快速估算（MIT，2011）。最近以来，人们开发了DIVA平台，能够让建筑师在设计早期阶段在现有建筑设计软件内运行基本的性能模拟（www.diva-for-rhino.com），为了影响设计早期阶段，这些程序为建筑师提供了快速的反馈。尽管这些程序开发很快，但是在更高级的设计软件、更多能够进行系统级建筑设计的工程师方面仍然有着迫切需求。
着眼于可持续设计的跨专业教育能够吸引新一代工程师学习这个专业。除了热传递、热力学、材料工程及其他传统建筑科学专业的工程专业知识，可持续建筑还要求设计思路和创意解决方案方面的专业知识。此外，市场对严格的可持续发展指标理解的增加、对建筑使用周期内的环境和经济性能方面的专业知识有着一定要求。建成环境一体化的本科教育，如哥伦比亚通过设计项目解决城市化挑战，将工程、建筑、规划合为一体，能够为可持续建筑设计师和研究人员提供所需的广泛教育（IGERT，2011）。
为了增加可持续建筑的研发资金，工业、学术界和政府之间需要建立新的伙伴关系，麻省理工的混凝土强化研究中心就是这种伙伴关系的一个实例，通过对建筑碳排放严格的生命周期评估，提升了我们对建筑环境性能的认识。从联邦来源来看，国家科学基金会（NSF）尤其是可持续建筑方面更多研究资金的一个合适来源，大量国家科学基金会毕业生研究奖金可以提供给建筑科学方面的学生，这样能够吸引更多研究人员加入这一领域。
个案研究
近年来修建了许多重要的低碳建筑，可以为工程师和建筑师提供灵感，不同建筑类型的一些值得注意的实例包括
·住宅建筑：英国贝丁顿的BedZED；
·学校：肯塔基州理查兹维尔的理查兹维尔小学；
·写字楼：科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源实验室；
·文化建筑：南非的马蓬古布韦展览中心。
在这些及其他大部分可持续建筑中，关键性设计战略是由建筑师和工程师合作组在早期设计阶段共同开发的。通过设定清晰的能源消耗目标，它们的成本与传统建筑相差无几，由于运转能源量的要求降低，还带来了可观的使用周期经济效益。这些项目及其他项目证明在如今零碳建筑技术是存在的。
结论
建筑在美国乃至全球被广泛认可为节约成本的、碳减排方面的最大机遇，工程师们在将已建成环境转变为未来的低碳环境中发挥着关键性作用，并且在很多方面都有提升的空间，特别是对于方案设计、使用周期思路和创意研究伙伴关系的新关注能够提升这一领域、减少碳排放、训练新一代的工程师。
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