應對氣候變化是全球面臨的重大挑戰，世界各國都在積極採取行動減少碳排放。中國在2020年9月宣佈，2030年之前實現二氧化碳排放峯值，2060年實現碳中和。在“雙碳”目標的背景下，積極尋找碳減排路徑成爲實現該目標的重要手段。值得注意的是，從住宅建築每平米用能強度的角度分析，農村住宅建築用能強度比城市住宅建築的用能強度高，給區域建築節能環保帶來巨大挑戰。因此，農村建築是提高國家建築能源效率的機遇，考慮農村住宅建築的節能潛力，實施減少農村住宅碳排放的策略，對實現“雙碳”目標和鄉村振興戰略顯得尤爲重要。
01.
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農村低碳住宅發展政策
引入市場激勵措施以及更好的決策和建築法規，是減少農村住宅碳排放的最相關因素。構建農村住宅碳排放全生命週期體系是制定節能措施的依據。
材料及運輸、建造階段是農村低碳住宅最傳統的低碳優化方向。建築師還可通過地理優勢、建築形狀係數、住宅功能分區等對住宅進行建築規劃和設計，達到低碳節能的目的。同時政府能對綠色農房給予政策扶持，推動綠色金融和綠色建築協同發展。
運營階段即維持農村居民生活所產生的碳排放，農村生活碳排放主要集中在供冷、供熱與照明系統。由於國內氣候條件複雜，政府需要結合當地的材料和資源來推廣低碳能源技術。例如太陽能資源豐富地區，太陽能熱水器、光伏等可作爲節能主要措施。風能、地熱能和生物質能也將合理利用在各個地區。
在農村低碳住宅背景下，居民的參與和社區溝通對可持續住宅也十分重要，居民需要接受低碳概念並引入低碳替代品，並將其融入日常生活中的各種情形，從而有利於“政策-認知-行爲”協同的低碳治理環境。
由於城鎮化、老齡化、人口外流等原因，農村出現許多空房或常年未維護的危房。爲促進資源循環利用及生態環境保護，政府鼓勵優先考慮保留和改造既有建築，減少不必要的拆除，通過源頭控制有效減少拆除過程中產生的垃圾量。同時建立回收激勵機制。
因此，我們的研究將從住宅的全生命週期節能進行展開，系統梳理農村低碳住宅相關的研究現狀，以期提供積極有效的低碳住宅措施建議，從而更好地推動低碳發展相關研究工作。基本內容如圖1所示。
圖1 農村低碳住宅相關研究框架
02.
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農村住宅材料與建造階段
農村住宅全生命週期的前2個階段是住宅的材料與建造，即材料生產運輸與住宅建造過程。由於氣候、人口密度、土地規劃等原因，中國農村住宅結構通常是一二層樓房且帶庭院的獨棟，實心磚牆、單層玻璃窗、瓷磚是最常用的外圍結構材料。因此農村住宅普遍存在缺乏隔熱層，氣密性差、保溫隔熱效率低下等問題，尋找低碳節能材料以及對住宅進行合理的規劃和佈局是改善農村住宅高碳排的關鍵途徑。
從農村住宅建築材料角度分析，竹子由於其可再生性、低能耗等特點，被認爲是一種可持續原材料，研究發現用工程竹建造的農村住宅全生命週期碳排放量比鋼筋混凝土建築低30.4%。利用薄混凝土殼系統作爲樓板和梁的低碳替代品，在生產階段的碳排放量減少了53%~58%。除生產階段外，材料運輸階段也能降低隱含碳排放，即通過優化鋼結構截面，節省1/3的鋼材重量，從而實現運輸階段的隱含碳減排。同時，在建設低碳農村住宅時需要將成本作爲考量標準之一，研究人員發現樑上雙向板和空心板可以同時降低成本和碳排放。對於已建住宅，在維護結構中添加隔熱材料，並將單層玻璃換成雙層玻璃，不僅每年採暖能耗可節省60% 左右，還減少了重建成本。裝配式建築在減少建築全生命週期碳排放具有巨大潛力，其中裝配式鋼結構建築發展迅速，因此有研究嘗試將裝配式冷彎薄壁型鋼房屋應用在農村住宅建築中，該結構達到雙保溫技術，減少了熱傳遞，提高了保溫效率。還有研究結合木結構和裝配式結構提出了一種新型裝配式木結構牆板，通過數值模擬發現在牆板內部填充聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）可滿足寒冷地區住宅節能標準，熱工性能也滿足要求。
有研究基於“數字”“智能”等技術，收集夏熱冬冷氣候地區的農村住宅建築平面圖，利用遺傳算法實現農村低碳住宅設計的自動生成，建立了一個算法類範式來提高設計建築的總體節能潛力。然而範式只提供了節能理論，其生成的“技術最優解”往往依賴高成本的改造技術。因此對於經濟水平不高的農村居民來說，成本成爲了農村住宅節能改造的首要障礙。ECC（energy consumption, carbon emission and cost）模型即能源消耗、碳排放和成本模型，實現了將成本集成在低碳評價中的需求。研究表明，降低能耗和成本最合適的策略是提高建築氣密性，且可以根據氣候條件和經濟實力，爲不同農村地區設計最佳建築配置。有學者對當地農村住宅進行測算發現，農村住宅長度12.6 m，寬7.8 m，層高2.7 m爲熱舒適度的最佳優化策略，該策略使冬季生理等效溫度（PET）提高了4.17℃，夏季PET降低0.66℃。
另一種增加住宅熱舒適性，提高保溫隔熱效率的方法是合理利用太陽能。即通過改變住宅朝向或增加透光度等提高住宅供暖效率和照明效率，如採用Trombr牆、相變材料（PCM）以及改善空間以期合理利用太陽能。由於農村經濟實力低，因此需要低成本的能源改造來降低能源使用，利用雙層玻璃代替單層玻璃，由於滲透氣流和透射值的降低，能夠使供暖能源使用量降低6%。
03.
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農村住宅運營階段
由於農村和城鎮生活狀態不同，農村住宅運營階段的碳排放集中在熱舒適度差造成的高碳排，即供冷、供熱和照明階段。多數農村住宅與生態系統不兼容，且質量、功能和能源效率無法得到保障，不合理的家庭能源結構將不可避免地導致農村住宅內能源效率低、能源消耗大幅增加。農村地區的污染物排放越來越嚴重。因此，在夏季和冬季的農村住宅建築設計中，需要考慮開發節能潛力，以實現“鄉村振興”戰略和“雙碳”目標。
在過去幾十年，農村地區大多在冬季使用木材和煤炭進行供暖，從而導致農村居民面臨室內和室外的空氣污染，同時也導致了大量的二氧化碳排放。有研究提出了結合光伏熱模的新式地面源熱泵，解決了傳統光伏和熱泵效率低的問題，其總髮電量大於機組功耗，實現了低能耗住房概念。爲節約成本，提高農村低碳投資，生物質能源作爲促進生產生物燃料作物的農村經濟，適合與再生資源太陽能進行耦合，還可利用太陽能集熱器和附加太陽空間進行耦合。該方法不僅降低了能源成本，也降低了節能改造難度。
由於農村地區缺乏健全的基礎能源設備，因此與城市建築相比有更多的節能激勵措施。爲了讓農村居民在經濟上能負擔低碳能源，有學者構建了具有容量分配和運營優化的兩層模型。從運營戰略上分析，由太陽能和空氣能源組成的分散式綜合能源系統雙目標運營優化模型，將光伏剩餘電力分配給儲能電池和市政電網，旨在儘量減少經濟和污染物。除運營層外，在規劃層，如何量化系統升級的可持續性也需進一步分析，有研究引入4E（能源、能量、經濟、環境）綜合評價模型，評估太陽能—生物質能系統性能，以經濟、供應潛力、環境和社會決策框架確定最佳的區域可再生能源系統。
04.
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農村居民的低碳行爲
實現低碳住宅的主要方向有更新低碳材料、調整住宅設計、增加能源效率、能源結構轉型等，這些方法很大程度上能減少農村住宅碳排量。但是除了政府自上而下的政策指導和支持外，還需要居民和社區自下而上的轉換生活習慣和提升低碳意識，調動節能積極性。
居民被動低碳行爲即受外部因素影響從而改變自身的行爲。通過農民參與式評估方法，總結出家庭規模、經濟、居住環境都是影響農民節能行爲的關鍵外部因素。家庭人口中小孩比老人的比例越大，能源使用頻率越高；家庭經濟越好，對節能產品和現代能源的購買力越好；農民居住的海拔越高，能源的可獲得性就越差，從而越不容易有節能行爲。還有研究發現，高質量的庭院環境可以吸引居民減少室內空間的使用和建築能源消耗。除家庭特徵外，村委會在採用低碳替代品的決策中也發揮了關鍵作用。政府的運營補貼和設備補貼在一定程度上減少了家庭經濟對低碳行爲的影響。宣傳和指導構成了採用新技術的基礎，研究表明，宣傳可能幫助決策，有價值的信息會自主傳播，居民越瞭解，就越有使用新能源的可能。
有研究從心理因素和節能行爲之間的相互作用進行研究，結果表明，農民的信仰、價值觀、態度會在個人層面影響能源消費。感知行爲控制是節能意圖的決定性因素，社會規範和環境責任感更有可能激勵節能行爲，社會信任對使用清潔能源的意願產生了負面影響，而羣體心態、感知有用性、感知易用性能對使用清潔能源產生積極影響。除了感知行爲外，面子意識和權利意識也會對農村居民使用可再生能源產生影響。另外，政策認知可以最大程度減少意識和行爲偏差，當農村居民對新能源瞭解得越多，越能產生使用新能源的積極性。居民對氣候變化的適應性也會影響節能製冷設備的購買意向與實際行動，應對氣候的經驗性縮小了行爲和意識的偏差。
05.
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農村住宅的拆除和回收
在低碳背景下，爲保證住宅拆除和回收過程的低碳化，需要綜合考慮拆除方法的環保性、材料的循環利用以及整個流程的能源效率。爲保證建材的二次利用，在初始設計時需考慮材料的選擇及構件節點設計。因此，優先選用具有高耐久性和高適應性的多功能材料，提升工業化裝配程度，能夠有效增強建築拆除的可行性，並提高構件的回收與再利用率。除拆除施工及建材回收利用外，廢舊建材運輸也會造成一定的碳排放，主要包括運輸距離、裝載效率、運輸工具能源類型。優化運輸路線、採用清潔能源運輸工具等，都可以直接減少運輸過程中的碳足跡。
06.
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結論
我們以住宅全壽命週期爲框架，以相應的低碳政策爲指導，分析了農村低碳住宅的相關研究，包括規劃與決策階段、建造階段、材料生產及運輸階段、運營階段、拆除和回收階段。與傳統全壽命週期研究的不同之處在於，我們對農村居民低碳行爲進行了分析，旨在通過政策的自上而下驅動及居民自下而上的影響，健全和完善農村住宅低碳機制。分析框架如圖2所示。
圖2 農村低碳住宅研究內容
在政策層面，引入市場激勵和完善建築法規被認爲是減少農村住宅碳排放的關鍵。在運營階段，基礎設施的薄弱和技術的推廣難度，仍是農村低碳住宅發展的主要障礙。政策引導和社區參與，能夠有效提升農村居民的低碳意識與行爲。在農村住宅的拆除和回收過程中，對環保性、材料循環利用和能源效率的綜合考量至關重要。
07.
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展望
從建築全壽命週期的角度，在規劃、設計、施工、運營、拆除及回收5個階段都有相應的農村住宅低碳研究，但大多數研究都以單棟平面圖或建築結構相對單一的房屋案例進行研究，由於地域廣闊，農村房屋存在地區和季節性差異。因此，之後的研究可擴大數據收集樣本及收集時間，增加結果的可概括性，從而有助於完善相關標準和建設指南。
在進行農村低碳住宅改造時，可以進一步研究在減少能源消耗的同時優化農村房屋的室內環境的其他因素。
關於農村居民的低碳行爲，多數研究都是通過問卷調查進行實證分析，這種方法主要反映了樣本的平均結構，但無法觀察到某些特定現象。在數字化的背景下，未來的研究可以利用神經工程等方法對農村居民進行深入研究，從而充分了解其低碳行爲及意願。
目前關於農村住宅的拆除和回收階段的研究較少，現有研究對拆除和回收階段的碳排放都是以估算爲準，在嚴密性和準確性上稍有欠缺。之後的研究將出現更多適宜的案例，爲相關研究提供實證分析的基礎。
農村住宅建築是提高國家建築能源效率的重要機會，同時也是實現“雙碳”、提高農村居民生活水平的重要途徑。在未來的研究中，可擴展研究廣度、加強數字化研究方法、加深研究精度，以探索住宅建築全壽命週期及其他的影響因素，從而構建高質量、低能耗的農村住宅環境。
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《科技導報》創刊於1980年，中國科協學術會刊，主要刊登科學前沿和技術熱點領域突破性的成果報道、權威性的科學評論、引領性的高端綜述，發表促進經濟社會發展、完善科技管理、優化科研環境、培育科學文化、促進科技創新和科技成果轉化的決策諮詢建議。常設欄目有院士卷首語、智庫觀點、科技評論、熱點專題、綜述、論文、學術聚焦、科學人文等。
