1、工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術歐美市場評估報告2 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 作者與鳴謝作者 落基山研究所 REALIZE 團隊：Amy Egerter,Martha Campbell*REALIZE 是落基山研究所發起的一個項目，旨在與市場推動者合作，在美國促進零碳建筑改造技術的開發。建議引用格式Amy Egerter，Martha Campbell，工業 4.0 背景下既有建筑的零碳改造技術，落基山研究所，2020.鳴謝 感謝以下個人及單位為本報告做出的貢獻：Jasper van den Munckhof,Energiesprong/Factory Zero Loic

2、Chappoz,New York State Research and Development Authority:RetrofitNY Jordan Dentz,The Levy Partnership Shilpa Sankaran,Alpha Group Carlos Klein,RC Panels Folkert Linnemans,Bouwgroep Dijkstra Draisma Jan Willem Sloof,Renolution Avril Levasseur,Point Energy Innovations.特別鳴謝美國能源部能效與可再生能源辦公室建筑技術辦公室對本報告提

3、供的資金支持。www.rmi.org/3執行摘要本報告介紹了荷蘭的一個政府和社會資本合作（PPP）項目 Energiesprong 開發的建筑改造綜合解決方案，探討了該項目所展示的建筑改造技術現狀和市場缺口，并為美國既有建筑改造市場的發展提供了關鍵建議。荷蘭 PPP 項目的解決方案首次應用了多種先進數字技術，智能化的制造使其成為工業 4.0 背景下凈零碳建筑改造服務領域的先驅者。至今該項目已完成了大約 5 千套中低層多戶住宅建筑的改造項目，并在歐洲各地還有另外 10 萬套計劃項目有待開展。i該報告討論了荷蘭 PPP 項目為多戶住宅凈零碳改造開發的裝配式外墻板和一體化建筑設備系統這兩種創新技術解

4、決方案，以及在美國應用這些產品所需要解決的技術難題。此類技術能夠簡化原本復雜的建筑改造過程，將其整合為一套完整的產品服務，從而釋放建筑改造市場的潛力。雖然這些技術也可以應用于獨戶住房的改造，但本報告關注的重點仍是多戶住宅市場的開發與應用。裝配式外墻板是一種預制的組合式建筑幕墻，可以直接裝配在既有建筑的外墻上。此類外墻板已經預先做好了所有的門窗和表面處理，一旦抵達項目現場就可以直接進行安裝。荷蘭大部分的建筑改造外墻板由六家主要制造商提供，本文會介紹其中三家最大的公司，簡稱 A、B、C 公司。這些外墻板制造商都生產裝配式外墻板，但生產能力和制造手段各不相同。而美國的外墻板制造商大多只著眼于新建建筑

5、項目，并沒有專門針對既有建筑改造而開發的技術。實際上，美國市場對于中高層建筑的定制化改造有很大需求。如果美國制造商們能夠學習荷蘭制造商的經驗，在同一生產線上生產新建項目外墻板和改造用外墻板，那么其業務范圍和市場競爭力都將得到提升。一體化建筑設備系統主要指較小規模的全電氣化組合系統。和裝配式外墻板一樣，該系統也能實現快速的現場安裝，把對住戶造成的影響降到最低。此類技術在歐洲市場應用廣泛，而在美國市場卻并沒有普及。一些大型的全球性制造商認為這種技術在美國的需求具有不確定性，且在產品引入環節將面臨各種問題。如果國際制造商不把他們的產品引入美國，則需要對美國現有的建筑設備系統進行重新設計組合，針對不同

6、氣候地區的特點，將供暖、制冷、家用熱水、通風、除濕、控制甚至是電池儲能等功能進行集合?？傮w而言，裝配式外墻板和一體化建筑設備系統在美國市場的發展仍處于初級階段。隨著各城市對于建筑能效規范的日益重視，建筑改造領域將面臨巨大的市場需求，甚至可能超過新建建筑市場。本報告討論了供應商、政府、研究機構和市場推動者為進一步促進美國建筑改造市場發展可以采取的行動，包括提高對高性能改造產品開發的關注、為此類產品的研發提供更多資金支持，以及通過整合市場需求來確保為供應商提供穩定的銷路。i“多戶住宅建筑”指包含 5 套以上住房的建筑，“低層建筑”指 4 層或以下建筑，“中層建筑”指 5-9 層建筑，“高層建筑”指

7、 10 層或更高的建筑。4 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 目錄執行摘要31.背景與目標 51.1 荷蘭 PPP 項目介紹 72.裝配式外墻板 92.1 荷蘭市場概述 102.1.1 外墻板制造商市場開發 112.1.2 外墻板制造商案例 112.1.3 應用于美國的技術轉型障礙 142.2 美國市場概述 152.2.1 市場開發建議 163.一體化建筑設備系統 173.1 荷蘭市場概述 183.1.1 建筑設備產品案例 183.1.2 應用于美國的技術轉型障礙 203.2 美國市場概述 213.2.1 市場開發建議 224.對美國市場的建議 234.1 市場研究與指導 244.2 創

8、新研發 244.3 整合需求 244.4 政策與市場信號 254.5 專業人才培養 254.6 結論 25參考文獻 26www.rmi.org/51.背景與目標6 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 建筑部門是美國碳排放最多的部門，貢獻了全美 39%的排放量和 74%的用電量1。有研究預測，北美 70%的既有建筑將在 2050 年依然存在2。因此，建筑部門的減排在很大程度上取決于現有建筑能耗問題的改進。在美國，多戶住宅建筑約占所有建筑存量的 18%，而當前大約每年 1%的改造率將不足以滿足該建筑類型的減排轉型需求3。荷蘭一個名為 Energiesprong 的政府和社會資本合作項目（Pub

9、lic-Private Partnership，PPP）開發了一種提高多戶住宅建筑改造率的解決方案模型。該項目以市場開發團隊的角色整合市場需求和供應鏈，部署了大規模的裝配式改造項目。目前，該項目已促成了 5 千多套多戶住宅的建筑改造項目，在歐盟各地還有另外 10 萬套計劃項目有待開展。雖然該項目對建筑能耗改造的最大貢獻是組織市場整合需求，但本報告的重點在于介紹其開發的技術，即安裝簡便、對住圖 1：荷蘭 PPP 項目改造前（左）和改造后（右）對比圖照片由項目組（左）和落基山研究所（右）提供戶干擾最小，并能夠規?；瘧玫慕ㄖ脑旖鉀Q方案。政策激勵手段也同樣在市場建立中發揮了重要作用，但不在本報告討

10、論范圍內。荷蘭開發的建筑改造解決方案由兩類技術構成：可安裝于建筑外圍護結構的裝配式外墻板和全電氣化的一體化建筑設備系統。我們認為此類解決方案能夠釋放美國建筑改造市場的潛力，簡化原本復雜的建筑改造過程，將其綜合為一套成熟的產品服務。落基山研究所的零碳住宅工作組（REALIZE）也計劃在美國組織一個類似的建筑改造平臺，初步目標是以平價多戶住房（經濟適用房）為起點，在常見的高密度多戶住房建筑區快速規?；赝茝V這種改造手段。在下一階段，零碳住宅工作組希望通過新技術和商業模式的開發，將這一改造手段推廣至更大范圍的多戶住房市場、獨戶住房市場，乃至中小規模的商業建筑市場。本報告的主要目的是指出美國建筑改造領

11、域要應用荷蘭 PPP 項目解決方案而必須解決的技術難題。報告討論了技術解決方案（裝配式外墻板和建筑設備系統）在荷蘭建筑改造項目中的應用現狀，以及其對美國市場的適用性，并基于上述分析提出了在美國快速部署類似改造產品的建議。www.rmi.org/7荷蘭住房市場的規?？偭渴?50萬套住房。其中，240 萬套是政府補助的公益性住房（公租房），60 萬套是市場租賃住房，剩下的是自住房。為了確定最適合改造的建筑類型，項目組進行了全國范圍內的調研。研究發現，公益性聯排式住房是一類大規模、同種類的建筑存量，其供暖用能占住宅部門總量的 80%，是最具規?；渴饾摿陀绊懥Φ哪繕祟愋?。因此，這圖 2：荷蘭常見的

12、聯排式住房改造前（右側）和改造后（左側）對比圖照片由 Energiesprong 項目組提供1.1 荷蘭 PPP 項目介紹名為 Energiesprong 的 PPP 項目由荷蘭政府提供5 千萬歐元（5500 萬美元ii）資金用于研發，其中的 4千萬歐元（4400 萬美元）被用于促進獨戶與多戶住房的發展。該項目首先評估了荷蘭現有建筑存量，最終決定將解決方案的實施對象定位在能源用量最高、數量最多的建筑類型上，并制定了一項融資機制來激勵建筑業主參與改造行動。ii 假設匯率為 1:1.1種建于 20 世紀 70 年代的公益性聯排式住房成為了初步建筑改造方案的理想實施對象（見圖 2）。一方面，這些聯排

13、住房擁有相似的所有權結構、幾何結構和用能特點，便于改造工程的開展；另一方面，此類建筑的使用壽命大約是40年，目前正處于需要改造的階段。選定建筑類型后，項目與荷蘭的一些外墻板和建筑設備系統制造商合作，開始著手設計初步改造方案。項目為建筑改造設計制定了節能目標和其他建筑性能要求，并與制造商共同參與技術開發和規?；a。該項目的最終目標是覆蓋 240 萬套公益性住房（公租房）的所有主要建筑類型。為了實現這一目標，近年來，項目團隊對聯排式住房類型改造的初步模型進行了調整，目前已能應用于中層建筑。荷蘭在組織市場過程中實施的行業調研、規范性服務、支持性融資機制和多方合作模式，都是值得學習的關鍵戰略性做法。

14、8 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 進一步研究發現，資金問題是阻礙需求側業主支持改造行動的一大主要原因。為了解決這一問題，項目組提出了一項新的規定，要求租戶直接向業主而不是能源公司支付用能產生的費用，以此解決業主可能面臨的投資效益分離問題。在這種融資機制下，建筑業主雖然承擔了建筑的改造成本，但這部分投資也能從租戶節約的用能費里得到回收。如圖 3 所示，凈零碳（NZE）投資指的是為了將凈能源用量降低至零而對租賃住房做出的資本投資。該項目的最終目標是將改造增量成本（業主為高性能/高能效建筑部件支付的額外成本）降低至能夠通過運營成本節約完全回收的水平。圖 3：荷蘭 PPP 項目融資模型圖解w

15、ww.rmi.org/92.裝配式外墻板10 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 Energiesprong（荷蘭 PPP 項目）建筑改造方案的標志性創新之一在于，用組合式的裝配式外墻板包裹現有結構的外墻，從而大幅提升建筑外墻的熱工性能。這種技術手段對處于炎熱或寒冷氣候條件下的建筑尤其重要，因為這些地區的建筑大部分能耗都集中在熱負荷上，實現凈零碳建筑的首要任務就是降低熱負荷。這些按照被動式房屋標準設計的外墻面還有一個優勢，就是能夠較好地抵御高溫或低溫極端天氣帶來的影響。此外，組合式的外墻板還是完全獨立的，包括了所有的結構框架、保溫層、門窗和氣密性裝置，且全部部件都在其運輸到項目現場前就已經

16、組裝完畢。接下來，我們將依次介紹荷蘭部分外墻板制造商的情況，并評估將類似產品應用在美國的可行性。2.1 荷蘭市場概述荷蘭目前共有大約 25 家針對各個應用領域的建筑外墻板制造商，其中有六家制造商提供了荷蘭 PPP 項目中的大部分外墻板。本節將提到其中最大的三家供應商的設施、做法與外墻板設計，簡稱 A、B、C 公司。這三家供應商都在項目成立前就已存在，不過是在與該項目合作后才得以建成了工廠和標準化改造產品。以上提到的三家制造商都提供集成化的裝配式外墻板解決方案，即在送至項目現場之前就已經安裝好門窗和并做好表面處理。荷蘭 PPP 項目建筑改造技術的另一個標志性創新點在于改造過程開始時首先對建筑進行

17、掃描，制作一個改造前現狀的數字化模型。這一過程運用了 3D 成像技術和測光掃描技術，前者使用激光建立點云數據，而后者則使用圖片和三角剖分算法。這些點云數據和三角剖分過的圖片隨后將被轉換為建筑信息模型（Building Information Modelling，BIM），用來展示建筑現狀。在此基礎上，通過設計使建筑改造外墻板適應現有情況，然后再將設計結果轉化為 CAD/CAM 輸入制造設備。根據從點云輸入的原始幾何圖形，計算機數控（CNC）機床會將改造外墻板的各部件切割成正確的大小。這一流程在各個公司互有差別，并取決于外墻板的結構材料與包層。表 1 對比了三家主要制造商的制作手段及背景信息。表

18、 1：三大主要供應商的外墻板制造設施對比*制造商結構材料加入項目時間工廠自動化水平年產量產品保修期A公司木制框架2013中每年至少350戶住房25年B公司結構隔熱板2016高每年500-600戶住房10年C公司輕鋼結構2015低每年約200戶住房*此表僅展示荷蘭市場使用的一般類型外墻板。www.rmi.org/112.1.1 外墻板制造商市場開發外墻板制造商們最初開始接觸非現場安裝技術，主要是由于以下幾個原因：荷蘭勞動力市場的萎縮，住房存量升級需求的增長，以及項目組提供的指導與需求。而荷蘭 PPP 項目通過以下做法為制造商降低風險：建立改造項目清單來確保長期的產品需求；對主要參與者公開建筑改造

19、市場信息；發放必要的資金補助。A 公司作為一家早期項目參與者，曾獨立進行了市場研究，發現如果不投資工廠自動化，改造建筑的成本將成倍增長。對自動化的投資使 A 公司從一家典型的總承包公司轉變成了一家設計建造公司，從而能夠在設計、制造和安裝過程方面保持領先地位。另一方面，B 公司很早就看到了荷蘭 PPP 項目帶來的需求和一些初始項目案例，于是決定先將一種現有產品應用于建筑改造，同時以較慢的速度推進生產線的自動化。在荷蘭 PPP 項目組對 A 公司的改造方案提出設計指導后，后者還投入資金進行了更深入的研究。A 公司僅在一塊外墻板的初步假定設計和實地測試上就花費了四個月的時間。而 B 公司由于同意在提

20、供外墻板產品的同時進行開發設計工作，其時間線進展更快，僅用了三個月的時間就制造出了一整個項目所用的外墻板。兩家公司都認為項目最困難的并不是生產技術，而是如何保持生產的經濟可行性，要想讓工廠持續運轉，就必須依賴于穩定的項目需求量。此外，三家制造商都能做到在同一生產線上既生產改造用外墻板，又生產新建項目外墻板，這一方面能夠有效將市場擴大一倍，另一方面也為投資更先進的制造技術創造了商業條件。2.1.2 外墻板制造商案例2.1.2.1 A 公司A 公司是一家設計與建造公司，最初成立于 1904年。其最近成立的建筑改造部門利用加強型機器臂制造工藝提供建筑外部裝配式構件解決方案。A 公司是首批加入荷蘭 P

21、PP 項目改造計劃的外墻板供應商之一，其在荷蘭北部 Dokkum 設立了一家工廠（見圖 4），能夠快速地為改造和新建項目生產組合式外墻板。該公司還針對新建項目開發了便于安裝的裝配式模塊化廚房與浴室。A 公司的員工透露，他們新工廠的目標是每天生產八塊外墻板，如果生產設備 100%負荷運轉，最快可以每 45 分鐘生產一塊4。該工廠由 A 公司與某木制家具廠商合作建造，使用“Robi-One”機器臂設計木制框架生產線。荷蘭北部地區的經濟刺激政策也為該工廠的發展提供了資金方面的幫助。圖 4：A 公司位于 Dokkum 的工廠車間照片由 A 公司提供12 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 該工廠使

22、用無人機測繪技術來構建 BIM，進而向計算機數控機床提供尺寸信息來切割和組裝木制框架和剛性絕緣（圖 5）。首先由工廠工人手工在木制框架構件間安裝三層玻璃窗戶和保溫層，然后再由機器臂進行立面表面處理并將各組件釘牢在一體。窗戶玻璃對材料的選擇考慮了使用壽命結束后的處置。A 公司在其外墻板中使用了木材、纖維素、再生紙、礦物棉和磚包層，因為這些材料的生產更具可持續性，并可在使用壽命結束后回收再利用。根據設計，外墻板先通過一套掛鉤裝置緊貼建筑外立面進行安裝，再將保溫材料注入現有外墻和新外墻之間的縫隙中。公司目前不向其他安裝公司提供他們的外墻板，因為這需要對不同細節進行定制化設計，涉及巨大的工作量。公司在

23、之前的一個項目中曾經有過嘗試，但發現這會大大降低制造過程中可應用的自動化工藝。2.1.2.2 B 公司B 公司利用專利粘合技術生產一種結構隔熱外墻板。該公司過去為冷鏈運輸卡車和模塊化住房生產外板，但自從在 2016 年與荷蘭 PPP 項目簽約并獲得大圖 5：機器臂外墻包層應用（左）和計算機數控機床（右）制造的木制框架照片由 A 公司提供批量生產需求，該公司便開始制造建筑改造外墻板。認識到凈零建筑改造市場的情況后，他們認為其生產能力可以很好地適應新的應用領域。通過應用自動化生產，B 公司已經成功將生產成本縮減了 30%，并希望在下一代外墻板制造過程中成本可以再減少 10%。由于獲得了預計每年 1

24、000 組的規?；a訂單，該公司在生產自動化方面投資了大約 5 百萬歐元（548 萬美元）iii，從而節約了大量人力成本。B 公司與建筑師合作設計、制造外墻板，并將產品提供給承包商進行安裝。他們的外墻板由一塊剛性玻璃纖維、定向刨花板、注入石墨的膨脹聚苯乙烯和另一塊剛性玻璃纖維組成，先用真空密封法將這些夾層材料粘合在一起，再用計算機數控機床將其切割成建筑的相應尺寸。B 公司還使用 3D 成像技術制作BIM，并將其輸入計算機數控機床。該公司使用機器臂在外墻板上貼上磚鑲面，并制作木制或藤條包層。門窗也是在工廠內完成安裝的，首先在泡沫墻板上按設計設置木枕，之后在木枕上安裝門窗。墻板的縫隙通過墊圈或密

25、封劑產品密封，可以將整個建筑的氣密水平保持在 0.4 ACH 以下。iii 假設匯率為 1:1.1www.rmi.org/13B 公司最高性能的外墻板 R 值為 39.8，厚度為 5.5英寸（14 厘米），并在他們的外墻板中使用了 3 層玻璃窗。該公司稱他們的產品是市場上最薄的，能通過懸掛在建筑外墻上的兩個壁架進行安裝。由于質量很輕（7.2-8.2 磅/平方英尺；35-40 千克/平方米），安裝這些外墻板不需要對建筑進行任何結構性加固。一般來說，外墻板需要下沉至地下 1 英尺（30 厘米）的深度以保證建筑地下部分的隔熱。B 公司目前正在計劃與某建材供應商合作推出一種自帶集成式太陽能光伏板的屋頂

26、及外墻板。圖 6：B 公司位于荷蘭 Lemelerveld 的生產設施照片由落基山零碳住宅工作組在工廠參觀時拍攝圖 8：B 公司產品安裝流程照片由落基山零碳住宅工作組在現場參觀時拍攝圖 7：B 公司工廠內的外墻包層產品照片由落基山零碳住宅工作組在工廠參觀時拍攝14 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 2.1.2.3 C 公司C 公司生產了一種集供暖和通風管道為一體的輕鋼結構外墻板，具有較強的抗震性。該公司創立時是一家裝配式整體房屋建造商，在荷蘭 PPP 項目的需求下開始涉及凈零碳改造相關的業務。C 公司與其長期合作的分包商一起，在 2015 年完成了首個建筑改造項目。該公司的外墻板重量一般

27、為 6.1-10.2 磅/平方英尺（30-50 千克/平方米），并且不需要對建筑進行地基加固等結構改良措施。圖 9：C 公司外墻板生產照片由 C 公司提供圖 10：C 公司外墻板中的集成管道照片由 C 公司提供圖 11：C 公司外墻板項目案例照片由落基山零碳住宅工作組團隊在現場參觀時拍攝C 公司還使用 3D 掃描技術開發了一套 BIM，為產品制造過程提供支持。其外墻板使用三層玻璃窗和保2.1.3 應用于美國的技術轉型障礙面對荷蘭 PPP 項目提供的用戶需求，荷蘭供應商們做出快速響應，擴大了組合式建筑改造外墻板的生產規模。該項目在建筑業主和供應商之間搭建了溝通橋梁，先從業主那里確定承諾改造的建筑

28、數量，然后溫層，并裝有用于熱回收的通風設備或空氣源熱泵的集成管道。將其與建筑能耗要求和驗證協議相結合。這種方式能夠明確目標需求產品和建筑業主的支付意愿，從而確定供應商在研發和生產上的投資規模。這種模式在荷蘭獲得了極大的成功，美國市場面對類似的凈零建筑改造需求也應采用這種模式。www.rmi.org/15如果要將荷蘭的建筑改造技術運用到美國的類似建筑上，技術方面還需要解決以下問題：中層（5-9 層）和高層（10 層以上）建筑解決方案。在美國，多戶住宅建筑一般層高都超過 5 層。而在荷蘭，從未有 5 層以上的建筑安裝過此類外墻板。目前外墻板主要安裝在非結構立面構件或底層結構磚石上，具體情況取決于外

29、墻板的重量。除非能夠制造出質量非常輕的外墻板，否則對于中高層建筑來說可能只能豎向堆疊外墻板，或對建筑進行結構加固，這種情況下則還需要對堆疊外墻板結構完整性和結構加固限制進行研究?？拐鹪O計?？紤]到外墻板未來在美國高震區的應用，還需要在設計時考慮抗震性。C 公司開發了一種符合最小抗震設計標準的外墻板，但目前還不清楚其是否符合加州等地區的抗震標準。此外，這些外墻板尚未經過高層建筑抗震標準的測試，需要根據不同的建筑結構進行重新設計考慮。建筑設備一體化。外墻板制造商需要與建筑設備設備制造商合作，根據美國不同的建筑幾何形狀設計一套完整的安裝方案。荷蘭制造商已經整合了他們的系統設計，尤其是管道系統。但是在美

30、國可能會面臨更多的設計開發需求，如將建筑設備整合到墻面內部，以避免占用建筑內部或屋頂的空間?？紤]特定氣候因素。荷蘭全國的氣候都比較一致，所以在外墻板設計中并沒有過多地考慮氣候因素差異。而美國各地的氣候差異較大，需要開發不同解決方案以適應不同的氣候區域（例如 R 值的變化、建筑設備系統尺寸的變化等)。2.2 美國市場概述經過初步調研和訪談發現，美國市場上目前還沒有生產組合式外墻板的制造商。多方面因素限制了這種高能效解決方案在美國規?；a的潛力：預加工組合技術的欠缺。通過采訪和現場調研得知，大多數美國制造商都沒有使用高科技的智能先進制造技術，很少在生產過程中應用機器臂或自動化技術，這意味著調整產

31、品設計的成本很高，不利于在一條生產線上同時生產新建和改造項目外墻板。這種預先組裝好的外墻板可以在現場快速安裝，并能減小濕氣侵入門窗連接處的風險，然而美國制造商們卻很少提供這樣的產品?，F有外墻板不適用于較高的建筑結構。美國制造的多數外墻板都使用開放型木制框架或鋼框架，出于結構和防火考慮，可能都不能很好地應用于較高的現有建筑結構。而開發輕質、防火的外墻板則需要制造商更換使用的結構材料，這就可能改變其商業模式，帶來更大的風險和成本消耗?，F有外墻板只針對新建建筑。當前美國市場中的外墻板多為模塊化建筑（完全在場外建成，并通過堆疊或其他快速連接方式安裝的建筑或房間）和獨立外墻組件（沒有安裝門窗的裝配式墻面

32、）。荷蘭開發的建筑改造外墻板介于這二者之間，墻板外部已完全竣工，而在內部還留有未完成的部分用來與原有建筑連接。有些美國制造商的產品已經比較接近裝配式外墻板，這些產品包含了其中一些重要功能，但沒有把這些功能整合起來形成一個一體化的建筑改造系統。雖然目前這些公司開發的外墻板是為新建建筑設計的，但通過一些技術調整，未來也可以成為規?；占暗母吣苄獠扛脑焱鈮Π?。表 2 總結了一些有潛力發展為建筑改造外墻板的產品。16 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 表 2：美國市場裝配式外墻板概況*制造商外墻板類型*應用對象包含部件X1非組合式木制外墻板新建獨戶住房墻體，包括窗戶；現場安裝外包層X2非組合式

33、木制外墻板新建獨戶住房墻體，包括窗戶；現場安裝外包層X3非組合式木制外墻板新建獨戶住房結構框架；現場安裝窗戶、保溫層和外包層X4金屬結構保溫外墻板商業新建建筑與改造項目完整墻體，窗戶和外包層在工廠已安裝完畢X5裝配式保溫混凝土新建多戶住宅和商業建筑外墻板，窗戶和保溫層在工廠已安裝完畢；內部未完工X6非組合式木制外墻板新建獨戶住房結構框架；現場安裝窗戶、保溫層和外包層X7組合式金屬外墻板新建中高層建筑*雨幕墻，窗戶和外包層在工廠已安裝完畢X8組合式木制外墻板新建多戶住房與商業建筑完整墻體，已裝配窗戶、電線和防火層X9金屬結構保溫外墻板新建商業建筑帶外包層的保溫外墻板；現場安裝窗戶X10纖維復合材

34、料新建商業建筑建筑外包層系統*此表僅展示目前市場存在的一般類型產品。*組合式的外墻板在工廠內已安裝所有門窗和表面材料。非組合式外墻板在項目現場交付時不包括以上一種或多種部件。*中層指 5-9 層建筑，高層指 10 層及以上建筑。2.2.1 市場開發建議目前美國市場對建筑改造外墻板的需求與供應都很欠缺，可以通過以下幾項措施鼓勵制造商開發裝配式外墻板：1.識別建筑存量。制造商需要知道他們應該為哪些建筑類型開發產品，包括每種建筑類型的普及程度和特征，以便評估其開發產品的市場規模和需求。此外，如果能夠將建筑特征的識別細化到建筑結構、屋頂結構和結構完整性，則更加有助于建筑改造外墻板的開發。2.整合需求。

35、裝配式外墻板市場分散化程度很高，通常由小型的本地制造商組成。有些制造商依托一家總承包商經營，而另一些則是規模稍大的區域性經營。由于裝配式外墻板的制造成本高且訂單需求不穩定，制造商們在開發此類新業務時面臨較大風險。為了讓制造商放心將研發資源投入到建筑改造技術上，必須建立一個長久有效的建筑改造需求鏈。市場促進者、政府和大型建筑組合投資者應該發揮的作用是整合需求并向制造商展示這種需求，通過一系列有針對性的措施來挖掘潛在的需求量，從而吸引行業創新者并降低市場采用的成本。3.為創新研發提供資金支持。即使是大型的創新制造商，其研發預算可能也需要資金補貼。這些資金的發放形式可以包括公用事業研發資金和激勵措施

36、、國家實驗室研究資金、政府機構撥款、設施擴建的激勵措施或其他創新型融資模式，還可以為一些潛在創新技術提供資源，關注不同方法的收益、成本和風險。此外，也應該對新進入市場的獨角獸企業進行投資，因為它們的資源需求將與現有企業的研發需求略有不同。4.開發適用于中高層建筑的裝配件。許多城市多戶住宅建筑的消防規范都不允許使用木制框架外墻板，在這種情況下就需要考慮注重結構和消防安全的輕質外墻板。www.rmi.org/173.一體化建筑設備系統18 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 荷蘭 PPP 項目 Energiesprong 建筑改造方案的第二項關鍵技術是一體化建筑設備系統，該技術使用全電氣化手段

37、實現建筑的凈零碳排放。電氣化是能源轉型的大趨勢，荷蘭已經出臺了一項目標性指令，計劃在 2050 年前逐步停止使用天然氣。雖然美國在國家層面還不存在類似的指令，但許多州市都在考慮用這種手段來實現各自的氣候目標。落基山零碳住宅工作組（REALIZE）發現，隨著更多可再生能源發電裝機上網，電網已經變得更加清潔，所以應用全電氣化系統能夠實現建筑的脫碳。此外，全電氣化系統還有其他優勢，例如不再需要為燃氣進行通風，以及利用感應電爐等技術實現更好的灶臺控制。本章將依次介紹目前荷蘭和歐洲建筑設備系統市場的情況，并將其與美國市場進行對比并提出建議。3.1 荷蘭市場概述從 2013 年起，荷蘭 PPP 項目就開始

38、在歐洲市場開發一種既能滿足項目目標要求，又能綜合性大規模部署的暖通空調（HVAC）和監控解決方案。該項目中使用的建筑設備系統一般包括一臺用于家用熱水和空間調節的熱泵、一臺熱能回收通風機（HRV）或能源回收通風機（ERV）、一個熱水箱、太陽能板、一臺光伏逆變器和印刷電路板控制系統。大多數改造項目使用的建筑設備部件和系統采購自不同的制造商，并都在項目現場完成安裝。然而，也有一些項目使用一體化的建筑設備系統，將供暖、制冷、家用熱水、熱能或能源回收通風機和控制器全部安裝在裝配式模塊之中。這種系統的優勢在于集成度更高，可規?；茝V，且改造項目和新建項目都可以使用，其潛在效益還包括降低安裝復雜程度、優化圖

39、 12：D 公司產品圖解圖片由 D 公司提供系統控制與運行，以及熱能捕集協同效應。在荷蘭及歐洲其他國家，一些建筑設備制造商已經開始開發可以在一套住房（一般為一室或兩室公寓）中提供多種服務的一體化建筑設備系統。荷蘭 PPP 項目主要使用了三家制造商提供的產品，本報告中簡稱D、E、F公司，下文將分別對這些產品進行詳細介紹。3.1.1 建筑設備產品案例3.1.1.1 D 公司D 公司的產品使用了一臺空氣-水熱泵裝置來提供熱水和供暖服務，這種裝置具備多種配置方案，可根據系統安裝環境和需求進行調整。除此之外，系統還包括了一臺 HRV 和一臺光伏逆變器。該系統的尺寸為 2.5 英 尺 x4.7 英 尺 x

40、7.7 英 尺（0.770 米 x1.435 米x2.350 米）。www.rmi.org/193.1.1.2 E 公司E 公司也是荷蘭 PPP 項目的一家供應商。該公司提供了一系列用途廣泛的“百寶箱”解決方案，可以利用一臺 HRV 提供供暖、制冷、熱水和通風服務。E公司產品包括電熱鍋爐、空氣源熱泵和地源熱泵，可通過地暖或暖氣片提供熱水和供暖服務。E 公司過去曾在北美銷售過該系列中的產品，但在 2015 年退出了美國市場。該系統的尺寸為2英尺x3英尺x6.8英尺（0.610米 x0.900 米 x2.065 米）。圖 13：E 公司產品圖解圖片由 E 公司提供圖 14：F 公司產品圖解圖片由

41、F 公司提供3.1.1.3 F 公司德國制造商 F 公司提供的是一款與 E 公司相似的產品。該產品使用空氣源、水源或地源熱泵，利用地暖或散熱板中的熱水或冷水來提供家用熱水和空間供暖或制冷。各種配置的系統還都包括一臺用于通風的HRV。該系統的尺寸為 2.8 英尺 x2.1 英尺 x6.8 英尺（0.850 米 x0.650 米 x2.073 米）。許多在美國和歐洲經營熱泵業務的制造商也都在歐洲提供一體化建筑設備系統。表 3 總結了歐洲市場現有的各種產品和相應功能。表 3：歐洲現有建筑設備系統*產品家用熱水供暖制冷*通風除濕其他功能/備注Y1空氣-水熱泵-ERV-能源模塊Y2空氣-水熱泵或地源水-

42、水熱泵可逆冷卻回路，可以將供氣溫度冷卻到10攝氏度左右，但并不像空調系統那樣工作HRV-能源模塊Y3空氣-水熱泵可逆冷卻回路-Y4空氣-水熱泵、水-水熱泵或地源水-水熱泵-HRV-能源模塊Y5空氣-水熱泵-Y6空氣-水熱泵-20 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 3.1.2 應用于美國的技術轉型障礙雖然歐洲的一體化建筑設備系統已經初見規模，但市場仍在開發便于安裝在多數住房的小型建筑設備系統。為了把類似產品引入美國市場，以下關鍵技術缺口必須得到填補：1.除濕。由于荷蘭氣候較干燥，荷蘭 PPP 項目中的建筑設備系統不包括除濕裝置。而在美國的許多地區，建筑設備系統都需要提供這項功能。2.制冷。

43、雖然荷蘭開發的系統都可以提供制冷服務（因為它們一般都使用熱泵），但系統的制冷模式常常從未被使用，制冷能力也不在系統設計的考慮范疇之內。使用散熱板的空氣-水熱泵配置也許并不是在美國一些濕熱地區提供制冷服務的最佳選項，因為與加壓氣流系統不同，散熱板無法提供潛制冷能力。3.中高層建筑解決方案。到目前為止，在荷蘭應用的這些系統尚未包括針對五層以上大型多戶住宅建筑的設計。但考慮到集成系統的實際尺寸，美國可能需要為較高的建筑開發一種集中Y7地源水-水熱泵-ERV-Y8空氣-水熱泵-Y9空氣-水熱泵-需要定制化改動來提供空間供暖熱水Y10空氣-水熱泵-HRV-Y11-空氣-水熱泵-可選擇與建筑的屋頂、墻面和

44、煙囪集成在一起Y12空氣-水熱泵-ERV-NIBE與威能產品與R&R系統的整合產品Y13空氣-水熱泵ERV-Y14過熱降溫器空氣-水熱泵ERV有-Y15過熱降溫器空氣-水熱泵ERV-*此表僅展示當前市場現有的一般類型產品。*雖然熱泵系統在理論上可以用于制冷，但由于荷蘭氣候條件溫和，除表中專門指出外，在設計中并不提供制冷服務。*能源模塊將所有系統部件集成在一個中央柜機或外殼中。式的系統選項。應用一種標準化的獨戶系統或標準化的集中式系統將是提高市場占有率的關鍵。4.電氣系統不兼容。歐洲產品的供電電壓與美國通用電壓不同。例如，E 公司產品的輸入電壓和頻率是 230 伏和 50/60 赫茲，如果要應用

45、于美國的改造項目，首先要將其改變為美國標準的 120 伏和 60 赫茲。要評估與電氣兼容性相關的特定挑戰和確定必需的修改，還有更多的研究工作需要進行。5.UL 認證和其他認證。歐洲引入的產品必須經過測試和 UL 認證，需要投入一定的時間和成本，很多制造商因此不愿將產品印入美國。但如果市場需求明確，制造商也許會愿意在時間與成本上妥協，具體情況還需要進行進一步的深入研究。6.缺乏專業維護人員。制造商們擔心如果將產品投入美國市場，可能會缺少經過培訓的維護人員為他們的產品提供后續保障。www.rmi.org/213.2 美國市場概述與外墻板的情況類似，目前還沒有建筑設備制造商向美國市場供應荷蘭正在應用

46、的一體化、全電氣化建筑設備系統。美國有多家公司都開發了更高效且體積更小的熱泵產品，但都沒有組合成一個一體化的建筑設備解決方案。目前，美國市場還沒有任何一款產品可以在一個系統中集成供暖、制冷、熱水、除濕和熱回收循環的功能。不過，有一些產品集成了這些功能的其中幾項。以下是三種最常見的功能組合：提供供暖和制冷的能源回收通風系統 ERV 提供供暖、制冷和通風的空氣-空氣熱泵系統 提供熱水供暖、制冷和家用熱水的空氣-水熱泵系統下表總結了一些美國大型制造商的主要產品和功能：表 4：美國市場現有建筑設備系統*產品家用熱水供熱制冷通風除濕其他功能/備注Z1-空氣-空氣熱泵ERV通過熱泵提供-Z2空氣-水熱泵-

47、Z3-空氣-空氣熱泵HRV通過熱泵提供獨立設備Z4二氧化碳氣源熱泵熱水器空氣-空氣熱泵HRV通過熱泵提供與其他制造商合作，可提供所有想要的功能Z5地熱源水-空氣熱泵僅提供通風但不提供熱能回收-獨立設備，利用風扇提供通風Z6空氣-水熱泵-獨立設備Z7空氣-水熱泵僅提供通風但不提供熱能回收利用線圈提供動態濕度控制內部無管道擴散器Z8-空氣-空氣熱泵ERV-正在開發中，尚未實現商業化；獨立設備，配備帶有能源回收功能的空氣-空氣熱泵*此表僅展示當前市場現有的一般類型產品。22 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 3.2.1 市場開發建議一直以來，阻礙美國開發生產荷蘭項目類似多系統組合的主要原因有兩

48、個：缺乏此類產品的大規模市場和缺乏內部開發資金。與前文對美國外墻板制造商的建議類似，為了克服這些障礙，工作的重點應更多地專注于需求整合和研發支持。刺激產品開發的另一種方法是將目光轉向低負荷的新建項目市場，這一龐大市場也有對于此類系統的需求。此外，想要此類建筑設備系統在美國市場得到推廣，還有以下幾個技術障礙需要得到解決：1.組合現有產品。美國市場上的許多現有產品可以提供滿足落基山研究所零碳住宅工作組標準所需的幾乎所有功能，但是沒有任何產品可以同時提供能源回收通風和家用熱水。一些廠家已經展開合作，通過在一個一體化的裝置內集成他們原有的 HVAC 和家用熱水系統來滿足不斷提高的市場需求（見表 4）。

49、另外一些大規模的企業可以提供所有需要的獨立產品，但沒有將它們集成在一個系統中。對于美國市場來說，在一套系統中聯合打包各種設備有著顯著的商業機遇。2.為多戶住宅建筑開發較小規格的系統。大部分熱泵供暖和制冷系統的規格都不小于 24,000 Btu/小時（2 噸），遠遠超過了普通多戶住宅建筑公寓需要的系統規格。在落基山研究所零碳住宅工作組的零碳準備程度分析報告5中，如果在建筑改造中使用被動房屋建筑技術，空氣-空氣熱泵系統的規格可以縮小至 11,000 Btu/小時，并仍能夠滿足通風負荷需求。隨著越來越多的城市開始采用更嚴格的建筑能耗規范，對建筑外墻保溫性能和氣密性的要求越來越高，進而造成用能負荷的顯

50、著降低，各制造商們也應更新各自提供的產品規格來響應這種需求變化。3.用系統設計代替大規模電氣系統改造?，F有建筑改造模式需要實現終端用戶全面電氣化，這可能需要進行大規模的電氣系統升級。理想情況下，建筑用能負荷的下降會大于終端用戶因電氣化而增加的額外電力消耗。應優先考慮高效的系統設計，以減少所需的電力容量。如果確實需要電氣系統升級，也應與其他系統升級同步，從而降低增量成本，如安裝太陽能系統和電動汽車充電基礎設施。4.開發標準化的中央系統。建筑改造設計過程中往往面臨兩種選擇，要么繼續使用現有集中式HVAC 或家用熱水系統，要么放棄整個系統或其中的一部分。不管是哪種選擇，都應該開發相應的標準化產品。w

51、ww.rmi.org/234.對美國市場的建議24 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 如前文所述，裝配式外墻板和一體化建筑設備系統在美國還沒有得到推廣和普及，然而市場對于這種降低建筑能耗的改造方案的需求是巨大的。據估計，僅住房管理部門就有約 260 億美元的建筑改造需求沒有得到滿足6。而對于建筑業主來說，他們需要一種簡單快捷的改造方案，來將有限的資金發揮出最大化效用。本報告中提到的技術可以大規模滿足上述住房保障機構以及多戶住宅和獨棟住宅的需求。在提高建筑改造率的過程中，除了要用到本文提到的技術手段和商業模式，還需要改變采購和安裝改造設備的整體模式。在這方面，荷蘭 PPP 項目Energi

52、esprong 充分利用了自身作為市場組織者的優勢，發現并解決規?；ㄖ脑焓袌龅耐袋c，起到了總體調控和規劃的作用。美國也應該采取類似的市場促進方式，以便有效協調不同規模和類型的市場。荷蘭 PPP 項目的成功離不開供應商、當地政府、研究機構、金融機構和標準制定機構的多方參與，這些主體各自發揮職能，共同支持建筑改造市場的轉型。本章將從多個方面提出有助于推動美國市場發展的建議。4.1 市場研究與指導調研建筑類型。落基山研究所零碳住宅工作組已經通過一些調研確定了美國東北部地區的典型建筑，但美國其他地區建筑的所有權結構、使用年限、暖通空調系統和能源使用情況還需要進一步的確認。各地政府可以收集更多建筑存

53、量的相關信息，為建筑類型研究提供進一步的支持。了解各類建筑外墻系統的潛在需求。利用建筑類型調研的結果，計算各種外墻板解決方案的潛在市場需求，并將研究成果在相關領域內公開。落基山研究所零碳住宅工作組已對建筑設備系統完成了這些工作，希望通過本報告繼續促進制造商研發團隊和產品開發團隊之間的交流?？紤]區域氣候特點。與荷蘭不同，美國地域寬廣，氣候類型豐富，制造商需要想辦法在確保滿足區域氣候特點的同時實現產品標準化。支持制造商開展工作。建立一個信息資源庫，為制造商提供培訓手冊、流程概述和設計指南來支持項目的落地實施。4.2 創新研發改造性價比高的區域。當出現聚集性的需求時，只關注個別相似的氣候區域，最好是

54、建筑存量大且建筑類型豐富的區域。用資助示范和技術實地研究來證明技術可行性。要想完全說服建筑業主和租戶，就必須公開現場檢測的結果。開發和部署多種解決方案。建筑改造領域不存在適用于所有情況的方案，所以應該鼓勵在一個地區或氣候區域內開發多種不同的解決方案。每個氣候區域都需要通過多個改造項目的實踐來了解區域差異，并構建該區域的市場知識體系。投資內部研發。企業應學習荷蘭制造商的做法，引導研究團隊針對建筑改造市場的需求進行創新研發。鼓勵知識共享。制造商們通過參加市場創新會議論壇和建立工作小組的方式來分享行業信息、創辦合資企業或合作開發示范項目。www.rmi.org/254.3 整合需求舉辦建筑業主和開發

55、商會議。地方政府可以通過組織和指導研討會的方式向業主推廣高度標準化的深度能源改造，從而增加業主對裝配式一體化且高度標準化的改造產品的需求。與大客戶合作挖掘需求。利用已開發的性能規格，整合大型建筑項目所有者對于招標的軟性和硬性要求，調動承包商和制造商生產滿足這些需求的產品。4.4 政策與市場信號制定挑戰性的目標。地方政府可以通過設定建筑規范或其他政策機制，對新建和現有建筑的性能和改造率提出積極大膽的目標，以此創造更多的市場需求。支持業主參與行動。建立項目流程信息資源庫，在項目實施過程中為建筑業主提供支持。此外，各個城市還可以組織能夠讓建筑業主群體參與其中的項目，比如這種項目可能需要準備好的凈零/

56、近凈零改造套裝，以便獲得許可和驗收的快速跟蹤。與金融機構合作。金融機構提供的優惠條款和費率可以極大地增強建筑業主承擔此類項目的能力。例如，在申請低收入住房稅收抵免時，賓夕法尼亞房屋管理局對被動式設計的房屋有特殊優惠，這類規定就是在向業主表明對于高性能建筑改造升級的鼓勵和支持。多方尋求資金支持。在行業的學習曲線結合需求量規模能夠實現與傳統建筑系統的成本平價前，都需要與公共機構和其他利益相關者的合作來填補資金短缺。4.5 專業人才培養增強服務供應商的能力。需要培養大量經驗豐富的服務供應商和安裝商，來應對市場規模的日益擴大，其中關于安裝和維護高性能技術系統的培訓將是確保服務質量和推廣持續性的關鍵。4

57、.6 結論總體來說，美國市場已經從很多方面逐漸展露出對于荷蘭這類建筑改造方式的需求，如在落基山零碳住宅工作組試點項目的投標請求中，大部分業主對建筑改造方案表示很感興趣。此外，地方和州政府也在通過部署資源來在市場中推廣這種方式。例如，紐約州能源研究與發展管理局開展的 3000 萬美元的Retrofit NY 計劃，以及加利福尼亞能源委員會為開發市場促進平臺提供的約 700 萬美元資金和在加州各地低收入社區開發的示范項目。波士頓等城市也開始組織和開展有利于市場的活動，在其所有建筑存量中部署零排放改造。市場推動者可以利用這個極好的機會，將這種趨勢轉化為市場行動。如上文所說，荷蘭 PPP項目為美國的建

58、筑改造指明了方向，但也必須對其進行調整以滿足美國市場的需求。這一過程需要所有利益相關方共同的努力，一同推動行業向前發展，改造現有的多戶住宅建筑存量，最終實現整個建筑部門的轉型。26 工業4.0背景下既有建筑的零碳改造技術 參考文獻1.U.S.Energy Information Administration.2017.International Energy Outlook 2017.2.Abergel,Thibaut,Brian Dean,and John Dulac.2017.Global Status Report 2017.See Figure 3:“Floor area additi

59、ons to 2060 by key areas.”United Nations Environment Programme.3.IEA.2017.“Energy Technology Perspectives 2017.”4.Doodeman,Marc.2018.“Biense Dijkstra,the builder with a never-ending drive for innovation.”Energisprong.org.5.Egerter,Amy,Martha Campbell,Jamie Mandel,Avril Levasseur,Kimberly Llewellyn,G

60、alen Staengl,and Graham Wright.2018.“Next-Generation Building Mechanical Systems:How Manufacturers Can Capture Value Through Innovation in Multifunctional Systems.”Rocky Mountain Institute.6.Finkel,Meryl,Ken Lam,Christopher Blaine,R.J.de la Cruz,Donna DeMarco,Melissa Vandawalker,Michelle Woodford,Craig Torres,and David Kaiser.2010.“Capital Needs in the Public Housing Program.”Abt Associates Inc.Prepared for U.S.Department of Housing and Urban Development.*文中部分信息和數據來自作者對制造商的現場調查及員工采訪。