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作者 | Author：夏珩 XIA Heng，徐宁 XU Ning（泛在建筑技术(深圳)有限公司 FANPOWER Building Technology CO LTD.)，李宸 LI Chen，唐沛 TANG Pei，苏泽勇 SU zeyong，米欢 MI Huan，张朝臣 ZHANG Chaochen，范悦 FAN Yue（通讯作者 corresponding author）
第三届国际十项全能太阳能建筑大赛SDC（中国赛区）于2020年6月启动，2021年9月落地于冬奥赛场所在地张家口德胜村，2022年7月底-8月初进行决赛，共吸引了来自10个国家29所高校的15支参赛队伍。，本届大赛竞赛场地占地约80亩，建筑竞赛区将有15栋参赛房屋及1栋VIP智慧展示房屋（图1）。
图1a.竞赛场地的鸟瞰图（图片来源：李宸拍摄）
图1b.SRF 赛队的X House 的夜景照片（图片来源：张瑜拍摄）
图1c.SRF 赛队的X House 的全景照片（图片来源：李宸拍摄）
此项赛事极具挑战性，因其实验性前沿特征，使建造测量的实践竞赛模式代替了传统的图纸竞赛[1]，不但是真实建造，而且需要高度关联建筑环境科技，通过主客观性能的评分形成完整的研究循环。本赛事在中国赛区已经进行到第三届，共计已有40支队伍（55所高校）参赛，建成样板小屋累计40栋，使用技术达数十种。如王崇杰曾对2018年赛事的被动式、主动式设计策略进行研究,重点分析了形体设计、被动式采暖、围护结构设计、自然通风采光、遮阳、太阳能光伏系统、太阳能光热系统及空间环境营造[2]；
从教学和竞赛指导的角度，孙一民教授曾指出真实的建造竞赛也是“新工科”办学思维的体现，着重培养学生的思想力、学习力与行动力[3]。
上述丰厚的积累与既有研究既给SRF赛队的设计、竞赛指导提供了极具启发性的思考，也给我们进一步探索提出更高的挑战。SRF联队由深圳大学、墨尔本皇家理工、泛在建筑科技组成。在竞赛伊始，赛队就回归生活，将各个层次的社会现象、趋势、问题纳入整体性设计的视野，并试图从中梳理出线索，以激发具有探索性、实验性的优质设计提案。
从宏观角度来看，当下社会已经出现新的变化。自2019年底以来，新冠疫情席卷全球，给各行各业带来深刻的变化，也给住宅设计带来新的挑战。如何处理消毒间、独立隔离空间、居家办公学习、线上会议、运动等；
同时，随着电商的不断发展，如外卖、直播、抖音等平台的兴起，因此如何在住宅设计中回应这些新的社会趋势成为SRF赛队思考方向。在生活耗能组成方面，重心日益从空调转成其它家电的耗能。例如电动汽车的使用和普及，其使用后的电池如何得到有效处理，是否可以被重复利用，这些看似不相关的社会现象其实都对SRF赛队的构思产生了重要影响。
此外，建筑环境技术也获得了长足进步，但是面临的技术瓶颈仍然较多。比如，光伏技术产品成本大为降低，中国的光伏产业已经增长为全球第一。光伏产品的原材料众多，有单晶、铜铟镓硒、锑化镉、钙钛矿等等；
但是，其发电效率目前存在技术瓶颈（仅在20%左右徘徊），而且提高1%的发电效率需投入极为庞大的基础研究力量，晶硅光伏组件会因发热而降低发电效率。此外，随着全球和中国对于“双碳”的共识，建筑在不久的将来会成为“建筑发电站(Buildings as Power Stations)”[4]。勒·柯布西耶（Le Corbusier）在上个世纪初提出的“住宅是居住的机器”这一说法并未被消解，而是大幅增加。设计师如何在“量”的基础上助力光伏产业在“质”的方面带来提升？光伏产业的高速发展，使家庭用电到底是直流电还是交流电的历史问题被再次提出，直流电比交流电更为安全、便捷、节能。此外，类似无线动能开关产品的终端产品的出现，使得空间的可能性被解放，分割空间的隔墙不再受到电线的束缚，给建筑“空间”的设计带来了极大的机遇。再者，住宅室内的家电品目也是日益繁多，如关于住宅室内空气管理的设备种类就多达几种，如风扇、新风系统、空气净化器、加湿器等等。那是否可以进行有效的整合呢？
图2.柯布西耶与先进的汽车（图片来源：https://ipekhelvaci.wordpress.com/2016/10/27/towards-an-architecturepure-creation-ofthe-mind-of-le-corbusier-vers-une-architecture-pure-creation-de-lesprit/）
图3.张北当地的民居山墙与雕花（图片来源：夏珩拍摄）
就具体赛事安排来看，本次赛事与往届有如下不同点：1.本次竞赛的建成房屋为永久性房屋，要求是在20m2见方的地块上设计一个适应张北地区的“家”，总建筑面积120-200m2左右；
但是具体使用者不明，功能需求并不固定与清晰。这使得设计在功能布局上需要充分的预见性，妥善考虑使用的灵活性。2.基地的气候热工分区属于严寒地区。据资料显示，张北当地最冷月温度可达-40℃，雪季时长约3-4个月。因此，对于光伏发电技术应用来说，如何在雪季进行高效发电（即如何实现快速融雪）是一个很大的挑战。采用主动式（电热丝）固然是成熟技术，但是会消耗大量的能源。
就最为微观的地形（Topos）学角度来看，德胜村所在的小二台镇区域当地民居多为一层的砖瓦房。相比于经济条件好或者具有显著特质的传统村落，这些民居显得较为简陋。可是，即使在这种条件下，当地村民仍然在山墙上利用砌法的变化精心制作砖花。由此可见，对于体面的“家”以及美好生活的追求不会因实际经济条件而泯灭，而是一种人的基本生活诉求。这种强烈感受是设计需要落实的（图3）。
对于社会大众而言，上述梳理的现象实际上是一种生活“常识”。但对于久囿于狭义建筑学专业话语的年轻学子而言，则是需要时刻提醒自身局限性的清醒剂。因而，这里的“常识”并非是因循守旧之意，而是指人类社会真实生产条件和基本生活需求：在我们看来，这即是“建造诗学”的真正立足点。例如像黄作燊先生（1915-1975）在其“构成的诗学”中提出，一个场所如何为文化生活和社会活动得以高度卷入提供可能性的条件[7]；
坂本一成的“日常诗学”也具有启发性[8]。作为建筑学专业，我们需从建筑设计的视角，即从地点（Topos）、类型（Typos）、建构（Tectonics）等三个方面进行回应，仍然回到“建筑与场地”、“材料与建造”、“形体与环境”的建筑本体层面进行回答，从而避免单纯从技术的角度予以回应。
赛队作品Pixel House（作品简称X HOUSE），是一个紧扣竞赛命题，适应地域人文环境，应对复杂生态变化的创新性多功能零能耗独立住宅，它满足当下疫情背景下全生命周期需求，也是一个结合技术与人文关怀的有温度的建筑（图4）。
图4a.Pixel House 平面图（图片来源：SRF 赛队）
图4b.Pixel House 室内-玄关（图片来源：张瑜拍摄）
图4c.Pixel House室内-阳光房（图片来源：张瑜拍摄）
图4d.Pixel House 室内-客厅与书房（图片来源：张瑜拍摄）
它的平面为L型，占据场地的最北侧，剩余的庭院平面亦为L型，与建筑体量互成图底关系。最终方案采用了三开间、三折坡顶的方案，东西向开间11m、南北向进深12m、建筑面积166m2（其中主体建筑面积116.64m2，其余为车库、阳光房和门斗面积），建筑体积633.5298m3（其中主体建筑体积463.644m3）。每折坡顶为双坡，迎坡面朝南，倾斜角为43°，综合了冬夏两季的最佳光伏发电倾角。最后一折坡顶向东延伸形成车库、设备间。住宅主入口设于东侧的宅间路而非南北两侧的小区路，目的是尽最大可能促进邻里交流，同时最大限度利用南侧围墙面积进行发电，并避开阴冷北侧入口在严寒冬季的不利影响。
对于室内空间，设计仅在中跨的客厅和餐厅位置保留了坡顶空间，以彰显其开放性、公共性的特性；
但在东西两开间的厨房、书房、卧室和卫生间等私密的区域，则采用了平吊顶的方式，这不但与前面公共区域进行差异化处理，也缩小了空间体积，从而达到减少能耗的作用。此外，平面功能空间组织创造出满足当代多场景的居住家园，适应多代居、直播、开会、隔离等可能场景，从持续的公共卫生事件出发，创造了满足防疫、隔离等新需求的住宅。再者，建筑主体采用了胶合木（GLT）框架与框间填充大板的复合结构，以达到材料层级固碳效果。
概括而言，X House具有20项创新点，分别为：像素空间、被动节能、季节换能、人工地源、多能光伏、光伏直驱、光伏光热、热电双储、大板装配、森林空气、防疫卫生、精细构造、零能园艺、部品部件、固碳减排、梯级利用、虚拟电站。
3.1 能源设计策略
本方案的能源设计策略借鉴了瑞士苏黎世高工凯勒（Bruno Keller）教授提出的低能耗建筑模型，核心构成包括建筑围护结构（严密的绝热层、优良的窗户、可调节遮阳)、“空”调系统（Space Conditioning)、能源供给系统[9-10]；
这一模型经过笔者的多次检验与当地化应用[11]。结合利用光伏的新能源建筑，可进一步解释为开源节流，即最少程度地耗能，最大限度地产能。太阳能光伏的应用全面且多层次，从产能到蓄能、储能的阶梯级利用，从单点应用到多点应用，将BIPV概念推高到AIPV（全太阳能建筑技术整合设计，All in PV)。景观围墙、庭院铺地、装饰灯笼、户外遮阳伞等均采用了光伏产品。整个方案的光伏装机容量为20.53kw，全年总装机容量达2.5万kwh。所有家电的用电功率合计30.8kw，离网期间的用电功率合计12.7kw。从实测的发电量来看，冬季当天发电量较低的也有59.75kwh（2021年1月27日，有积雪)，夏季发电量达86kwh（2022年7月2日)。这一实测数据远超全部室内家电使用所需（图5）。
对于蓄电池方面，赛队采纳“梯次利用”的技术产品，回应新能源电动车电池全生命周期的问题。实际上，电动车使用的动力电池及民用建筑使用的电池在性能方面有很大的差异。电动车梯次利用后的电池可以用于民用建筑的储能。赛队也尝试了多项光伏直驱的家电，如采用光伏发电直接驱动直流空调（此为格力集团在国内应用的第一个案例），SOLARPI直驱电扇也是中国第一个将盘式直流电机用于光伏直驱的尝试。因限于篇幅，下文仅着重介绍光伏和空气管理系统这两项。
3.2 新型光热光伏一体化（PV-T）产品
如前所述，通常PV光伏板的效率仅在20%左右，提高发电效率是目前的关键技术瓶颈，这意味着80%的光能是浪费的；
因此如何利用剩余的光能，具有很大潜力。采用光伏光热一体化（PV-T）的技术路径，因为光热回收利用可进一步降低光伏组件的温度从而维持其发电效率。但是SRF赛队并未采用传统的太阳能热水器和PV-T产品，即在集热设备中走热水的方式。因为这一方式的弊端不单会因走水增加了屋面的荷载，从而增加结构的负荷，同时也因严寒气候的温差而导致水管的爆裂。因此，SRF赛队的PV-T产品利用了超导热管技术，是一项由“泛在建筑实验室”指导晶华公司全新定制研发的新产品。
在形态方面，PV-T晶硅光伏组件的最佳倾角选择了38°，它完全和建筑主体的坡顶融为一体。这一角度不但经过对太阳高度角的计算，而且也对张北地区光伏电站实地考察以矫正计算角度。研究对比结果发现两者几乎是完全重合。
构想的融雪效果在2021、2022年的冬春季节得到实际验证。在设计阶段，团队特意在建筑主体、附属车库、阳光房屋面分布了3种不同的光伏组件，以进行实测验证。其中，具有严密绝热的建筑主体屋面覆盖了晶硅的PV-T组件，附属车库覆盖晶硅组件，阳光房则采用透明率70%的锑化镉薄膜组件。在2021年冬季和2022年春季，实际融雪效果得到了充分验证。由图可知，装有PV-T产品的屋面在积雪覆盖后约半天时间内实现了融雪效果。它和阳光房屋顶的融雪速度几乎相当（阳光房屋顶因其包裹空间的“温室效应”而迅速积累热量从而使得顶面玻璃位置的积雪融化）。但是这两种屋面被动式融雪的热量来源却完全不同。可作为鲜明比较的是，车库屋顶则仍然被厚厚的积雪所覆盖（图6）。
图5.2022 年2 月主体屋面PV-T 组件全月发电记录（图片来源：李宸制作）
图6a.SRF 赛队的X House 的雪景照片（图片来源：李宸拍摄）
图6b.X House 的施工照片（图片来源：李宸拍摄）
3.2 定制室内生态空气品质环境的智能系统（“森林空气”）
从当今复杂的生态环境变化出发，集成空气管理系统创造了室内富氧、安全、舒适的空气生态环境。就应用于X House的具体技术架构来看，“森林空气”系统是由智能主动力机和与之匹配的智能消音自净的风管系统组成。其风管系统由一套主风管以及不和室外连通的辅助风管组成(由于客厅、餐厅和厨房联通空间较大，故增设了促进内循环的辅助风管)。在主风管上一共布置了15个出风口、18个回风口，辅助风管上的进出风口各3个。其中，有5个风口位于离地0.20m标高处，其余风管皆分布于2.2.24-2.645m标高的位置。风口处的风速平均值约为3m/s（出风口比回风口的风速略高以形成正压，每个风口的风速因均有感应器实时自动调节而有所不同）。粗略计算，风口数量的单位面积和单位体积分布数量分别为0.33个/m2、0.1个/m3（不含车库、门斗、阳光房）。如此立体式的送回风口布局，可实现室内对流双循环，新旧气流智能交换，分布均匀，达到无明显风速的清爽体验效果。此系统的设计功率是360W，每天24h运行的耗电量约8.6kwh。通过实测，其空气质量的实际效果令人满意（图7）。
图7.X House 的空气管理系统轴测图（图片来源：SRF 赛队绘制）
图表1.X House 的空气质量检测数据表格（图片来源：段喆童纪录、绘制）
在风管的材料方面，项目采用意大利生产的带有特殊涂层的P3铝箔复合风管，此风管尺寸极为紧凑，截面120mm见方，壁厚20mm，风口直径110mm。其主材为双面铝箔内填水发泡聚氨酯，轻质高强，并实现了模块化的快速装配（安装速度比铁皮风管节约2/3，但成本略高）。此设备系统能整合住宅室内的空气管理相关的科技设备，这是一套可依据室内立体空间体积大小，智能叠加减硬件的空气品质管理系统。它在总机位置设置了高压杀菌、静电吸附微颗粒、增加负氧离子等装置。在2021年10月开始的连续6天的实测可知，X House室内空气质量满足联合国卫生组织（WHO）空气质量环境安全标准要求。此外，通过置入芯片的方式，这套系统可以和市场上现有型号的空调冷气机、加湿器、地暖等不同设备进行联动匹配工作（图表1）。
就技术策略来看，此系统实际上采用了与“空间”分布相关的技术策略以及随之而来的一系列主动智能控制技术：它在进出风口空间做散点、多点式分布，以达到减少室内气流死角，使得空气流动更加均匀，减少局部过强风感等问题；
不过由于散点状布置风口需要解决管道分布过长、末端风速不足的技术问题，故其内部就要增加动力设备；
由于增加了风机，势必会增加耗能，进而设计采用实时感知风速、空气品质的智能控制技术（IAQCELLS），实时调节风速以降低能耗。
4.1 执行过程
自2020年6月SRF赛队启动赛事以来，精心组织了15场次的专家演讲，共计100多位建筑、城市规划、风景园林、结构、电子等专业的同学参与了不同阶段的任务，并带领核心队员实地参观了珠三角、长三角和华北的核心头部企业。参加同学的年龄段覆盖了硕士研究生、本科生五个年级。项目接纳低年级同学参与的主要目的是播撒新能源建筑设计的种子，为未来赛事、学科发展作准备（图8）。
在此后的一年时间里，项目组完成5轮建筑设计方案的甄选、优化，技术方案的整合。2021年8月30日主体开始施工（基础于7月11日开工），使用21天如期完成了实际建造任务。在2021年10-12月、2022年2-3月分别完成三轮性能实测与客观评价，并将在2022年8月初开展此项赛事的决赛。
图8.赛队成员和建筑主体施工队照片（图片来源：苏泽勇拍摄）
图9.X House 在泰州的试验房鸟瞰图和建筑单体实景照片（图片来源：段喆童拍摄）
从新能源建筑产品设计研发的阶段来看，在张家口落地的X House其实是Pixel House原型的2.0产品，它的1.0测试产品已经结合组委会要求的“预建造”环节在江苏泰州“太阳里”进行了三座同样结构的建筑单体实际建造测试。这也是将预建造与实践项目高度衔接的良好示范。（图9）
4.2 产业链的整合
项目通过对部品部件进行多维度的整合，立足于粤港澳大湾区的高新数字技术，进一步整合了长三角区域的产业链，辅之以华北、西南地区，进行全方位的统筹联动，获得资助的企业多达37家。例如，空气调节系统来自深圳的IAQ Cells和大胜P3，智能家居产品来自深圳欧瑞博，直流光伏空调来自珠海格力，主体胶合木结构来自上海正山，门窗构件来自中南幕墙，光伏光热组件来自晶华，其余光伏组件来自杭州龙焱、保定的英利等公司。上述产业链的整合过程需要强大的专业鉴别能力，并非龙头企业就一定合适本项目的导向。SRF赛队从自身方案的特质出发，筛选了一批行业内的隐形冠军进行合作，以竞赛为契机，建立深度合作机制，促进产教融合。
回顾这个持续近2年的设计落地过程，竞赛指导教师团队与学生、团队内部均存在较多争论，值得深思。比如，在竞赛伊始，年轻学子大多遵循设计教学中常用的“空间”“形态”“趣味”作为设计出发点，而很难从“能量”“性能”“建造”议题中获得形态生成的持续力量；
对于教学而言，这是教师与学生教学相长的过程，因为这些议题的设计都需要在平时设计课教学中有所渗透，而对于此类高规格的竞赛，教师自身的可持续设计素养必须与时俱进、终身学习。
在对建成环境相关的科技产业界的一系列实地走访、调查过程中，我们深感机遇与危机并存。令人振奋的是，在具体技术研发、应用方面，不少企业实际上已经走在了高校的前面，其观察、分析、解决问题的能力值得高校学习。同时，这也是我们深感危机的来源，即如何拥抱这种来自应用、制造行业一线的压力与需求，直面社会问题，真正实现产教深度融合，使得高校与产业界齐头并进，服务国家战略，进而驱动我们的建筑设计教学。
X House的核心设计理念可以总结为：被动优先，主动优化，多技术高维度整合，部品化工业化，环境友好与高人居舒适设计。这一原型产品具有很强的社会价值，可实操、可复制、可延伸、可推广。它的底层逻辑是积极回应“住宅是居住的机器”这一历史命题，将技术与人文关怀的结合，以适应地域人文需求的可持续建筑整合设计的方式，迎接“住居”与“机器”的双重挑战。
当然，此方案的设计也存在诸多不足与问题，例如在建筑空间、结构与设备的高效整合、直流家电设备的使用、各设备系统之间的智能化平台控制等方面。项目组期待通过7月底的夏季实测，进一步发现问题并提出优化策略和设计改进方向，从而形成设计迭代。虽然此次赛事将随着8月初的决赛评比而结束，但是X House的迭代仍然将持续进行。此原型住宅将在夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和高原地区做进一步的应用、测试与优化，努力为“双碳”目标的实现提供参考。
对于设计与技术创新议题，SRF赛队认为不应该为了创新而创新，不应偏离人的需求这一基本常识，应该“来源于生活，高于生活”，即立足于对现有技术水平、产品特性的常识，进行精细化、优化探索，进而获得系统性突破。
致谢
深圳大学建规学院Pixel House全体队员和指导教师成员彭小松、曲菲、陶伊奇等，香港中文大学朱竞翔教授、河北建筑工程学院林大岵老师、华南理工大学王奕程、张文豪博士研究生、杭州龙焱光伏邹积凯先生）
注释
1) 中国国际太阳能赛SOLAR DECATHLON CHINA(简称SD中国)，作为“中国—美国第七届战略与经济对话”成果落户中国，经美国能源部授权，在中国国家能源局的指导下，由中国产业海外发展协会主办。自2011年落地中国，得到了包括中国国家能源局、住房与城乡建设部、共青团中央、外交部、财政部、发改委等国家部委单位的支持，竞赛积极服务于国家“3060“发展战略和可再生能源利用推广，推动城市高质量发展与产业转型。
2) 第一届大赛于2013年在山西省大同市举办，第二届大赛于2018年在山东省德州市举办。
3) 行业展示区将设有150个展位，供企业进行展览展示；
会议区将设有5个会议室，最多可容纳3000人，供开闭幕式、论坛、讲堂等活动使用；
综合服务占地约10000平米，设有书店、咖啡厅、餐饮、文创店铺等商业配套，为赛事提供服务。共分为建筑竞赛区、行业展示区、会议区、综合服务区四部分。
4) 德胜村在2015年曾经是贫困村，2021年入选第三批全国乡村旅游重点村名单。年平均气温3.2℃，年降水量约300mm，年平均日照时数2897.8小时，年平均7级以上大风日数30天左右，冬有严寒，夏无酷暑。
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