環境建筑的進展趨勢

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本文作者：劉培宏 單位：上海復旦規劃建筑設計研究院

面向新世紀，環境問題是關系人類生存之大事，已引起人們的普遍關注和重視，并著手研究污染的解決方法。酸雨，二氧化碳等高污染沙漠化的排放，嚴重破壞了地球的臭氧保護層。地球溫暖化，氣候失常化，為此，先進的發達國家和發展中的國家都在為極力治理環境問題尋求途徑而加倍努力。

目前，不管是歐洲還是美國，人們對生態住宅的認識還處于探索和研究的階段。已經根據現實情況制定出很多的標準（見圖1）。其中提出，生態環境住宅必須盡量使用污染小、可循環利用的綠色建材。所謂綠色建材是指采用清潔衛生的生產技術；少用天然資源和能源；大量使用工業或城市固態廢棄物生產的無毒害、無污染、無放射性、有利于環境保護和人體健康的建筑材料。早在1989年，瑞典、丹麥、芬蘭、冰島、挪威等北歐五國實施了統一的北歐“環境標志”，包括生態環境住宅在內的環保產品都須經過專項認證。北歐國家在建材方面制定了比較嚴格的標準，例如：北歐國家已在各地建了許多生態住宅示范項目。瑞典最大的住宅銀行更是于1995年宣布，只向生態住宅開發商貸款。丹麥是國際上較早實施生態環境住宅工程的國家之一。早在1984年底，就在奧胡斯市建成了“非過敏住宅建筑”示范工程。1992年，丹麥首都哥本哈根建成了斯科特帕肯低能耗住宅，曾獲得1993年的世界人居獎。這種住宅最顯著的特征就是親自然性，即在住宅建筑的規劃設計、施工建造、使用運行、維護管理、拆除改建等一切活動中都自始至終地做到尊重自然，愛護自然，盡可能地把對自然環境的負面影響控制在最小范圍內，實現住區與環境的和諧共存（見圖2）。太陽是我們居住在地球上唯一的偉大能源。自古以來，受到人們的崇拜和敬仰，它的力量可稱之為“神”，即人們所稱的太陽神。

太陽的直徑為140萬km，表面溫度可達6000K。所得的太陽能便是以電磁波放射的形態輸送。它的能量相當于173×1013kw。地球可接受的是200萬分之一。如果按照40分之一的條件來分割的話，可使全球免費消費一年。但實際上非理想條件,太陽光到達地球時約三分之一受大氣層的影響；反射、輻射的分散再加上臭氧層，二氧化碳，水蒸氣，微粒子等的吸收；在地球上空80km的大氣層接受的太陽光稱為太陽常數（其值是1164kcal/m2•h）；太陽光通過大氣層又損耗了大部分的能量；所以真正能順利到達地球的也僅有74%的太陽光；其值約860kcal/m2•h(1kw/m2•h)。太陽能的特點：①無限量能源。與人類的發展歷史比較，一顆恒久遠，能量永留存。②能源浩大。到達地球上的太陽能為40兆cal。③無公害，清潔。與煤炭，化學燃料等一氧化碳有毒有害氣體比較是較為干凈的，沒有NOx和CO2等公害物質的排放。④無放射性。與放射性元素物質完全沒有關系。⑤系統智能。控制運轉的系統全部自動化，系統的維護保養容易方便。

世界各國已經采用了許多獎勵的政策、措施和辦法，鼓勵、支持、促進太陽能的普及、利用和推廣。不妨列表說明如表1：我們的生活環境和太陽能的利用。我們所說的環境建筑是指什么呢？對建筑物來說保持優良的室內環境是建筑必不可少的。但對于地球環境和室外環境來說為了竭力抑制酸雨、二氧化碳和地球溫暖化等不良影響，強化建筑采用節省能源，加大自然能源的利用力度。戶外的環境建筑是人們居住，生活，休憩和工作的重要場所之一。日本提出與環境共生的理念，并且在全球做了一個調查。將環境住宅在地圖上做了標志。中國是最少的，僅有兩個點，一是福建客家的圓樓；二是西部陜北的窯洞。日本人認為與生態環境建筑共生，必須對能量需要很少；盡量少向大自然索取；盡量少污染外界環境。我們搞綠色的，健康的，生態的，可持續發展的住宅，都要體現人類可持續發展的精神和態度（見圖3）。國內有些環境不錯，也注意了“生態健康、環境綠化”的理念。但將來在裝修方面，應該控制材料的使用，目前對居住威脅最嚴重的就是室內裝修材料污染的大問題。順便說一下，我們的建筑師也需要了解自己的環境地理現狀（氣候、地形、地貌、風向、植被等），學習和繼承祖國傳統建筑中蘊涵的生態智慧。采用低成本、低造價的技術組合與工程材料。這種方法具有經濟節約、易于普及的明顯優勢。

目前容易推廣與廣泛應用，尤其是在發展中國家與地區，更加具有現實意義和科學的合理性。（見圖4）環境建筑（綠色住宅）在功能上更趨于原始狀態與自然狀態，最大限度地回歸自然。其必須具備良好的日照、通風、采光，這三者是住宅其舒適性（衛生、健康）與否的重要因素。環境建筑以可持續發展的思想為指導，意在尋求自然、建筑和人三者之間的和諧統一，即在“以人為本”的基礎上，利用自然條件和人工手段來創造一個有利于人們舒適、健康的生活環境，同時又要控制對于自然資源的使用，實現向自然索取與回報之間的平衡。

目前世界各國學術界對于這種從本國本地經濟狀況出發，盡量采用低耗能的適用技術甚至“低技術”，實現建筑的可持續性與生態化給予了相當的肯定。有些建筑師沿著這條道路已經做出了令人鼓舞的實踐。例如印度建筑大師查爾斯•柯里亞注重對當地氣候的研究，提出了“形式追隨氣候”的口號。其吸收了印度傳統建筑技術中符合生態思想的合理內核，將之運用到現代建筑設計中，較好地解決了干燥氣候下建筑的遮陽和通風。馬來西亞楊經文博士運用生物氣候學原理，針對熱帶氣候條件，適當采用新技術與新材料，在高層建筑設計上嘗試利用了自然能源并構建良好的“微氣候”，減輕所在地區的熱島效應。“綠色的”“、生態的”“、環保的“”可持續發展的住宅”等字樣的環境建筑住宅，如同一個個令人欣喜的跳動音符，給普通百姓帶來對美好生活的憧憬和遐想，也成為世界各國發展商推廣項目的新賣點。（見圖5）現在我們有個叫法也許要統一一下，即：“綠色的”、“生態的”、“環保的”“可持續發展的”等環境建筑住宅，名目繁多，意思重疊。

但是，在被冠以這些名稱的同時，其核心內容是否有變呢？應該不會，也許有過之而不及吧。歸納一下其應該是盡可能減少對自然環境的負面影響，如減少有害氣體、二氧化碳、固體垃圾等污染物的排放，減少對生物圈的破壞。高效是生態住宅的核心內容。就是指盡可能最大限度地利用資源和能源，特別是不可再生的資源和能源。以最低的能源、資源成本去獲取最高的效益。其包括四項內容：第一是住宅本身，包括平面設計、熱環境質量、聲環境質量、空氣環境質量、聲光環境質量等；第二是和環境的親和性，利用現狀條件充分使住戶享受到陽光、空氣、水；第三就是環境保護，包括廢棄物的處理和重復利用等；第四屬于健康配套，如體育設施、醫療、保健設施等。

我們認為住宅使用的能源主要有兩種：煤和電。有些區域也使用壓縮煤氣等。家庭用電分類主要有照明，冰箱，小家電，空調，吸塵器，洗浴等。太陽能發電需要太陽電池。太陽電池的發電原理和現有火力，水力，核電（原子力）發電原理是截然不同的。完全是采用新型光電原理，具體來說是用復合半導體的光電效應進行能量轉換而產生電能的。那么，太陽能電池有什么性能特征呢？主要分兩種：光感度特性和照度特性。光波的長短可以支配發變電的大小比例。其發電的原理簡言之：太陽電池是由電氣性質不同的N型半導體和P型半導體相結合而構成的。這2個半導體的相交處稱為PN結。太陽電池在太陽出現時，太陽光被太陽電池所吸入。這時，在太陽電池的光晶體板上已經吸收了光能源中帶有+和-電級的粒子（正離子和電子）產生，并且在太陽電池里各自無約束地自由循環運動。電子（-）朝N型半導體方向聚集，正離子（+）朝P型半導體聚集，由此在正面和反面的電極板上電流開始流動。如同電燈和馬達的原理一樣。綜上所述，我們不難得出以上相關的一些特征和結論。太陽能電池發電和普通的發電系統相比是不是有以下5個卓越的特征呢？①太陽能電池可以直接從光能變換成電能。②作為能源而言，太陽能是取之不盡、用之不竭的。③是非常潔凈的能源。④發電規模可視發電成本而變，可大可小，不會因為它的規模而影響發電效率。⑤對風水，景觀，園林，綠化無影響，不需要空中走廊、地下通道和輸電線。當然，為了更好地利用太陽能電池，我們應該注意以下兩點：①雖然太陽的能源是取之不盡的，但是因能源密度比較小，需用大電力時要占用較大的面積。②太陽能的能源受天氣的影響，例如和晴天發電量相比，陰天的發電量還不到晴天的一半，夜間就更少了。

日常生活的經驗告訴我們，根據能量守恒定律，電不能儲藏和預發。所以，只有太陽出來時才能發電和使用。夜間使用時就要采用其它的方法來處理。例如配合和蓄電池一起使用。太陽能發電的發電量經常被氣候所左右，雨天，陰天，多云，太陽光均被擋著，發電能力降低。在晴天，太陽光的直射可發電130w/m2（太陽能電池的工作效率為13%。再之，現在的太陽能發電大多數帶有蓄電池保護裝置），考慮到溫度的上升而形成的反比例曲線等。實際上能得到的太陽能電量，較多為100w/m2。（見圖6）讓我們再來看一下太陽能電池材料的分類和用途吧。（表2）民居住宅使用太陽能發電，可以大大促進住宅的太陽能發展，是一件保護環境，造福于民的大好事。就目前的技術等問題而言，成本還比較高，但對老的建筑來說，可利用屋頂的優勢或者地面托架的方法安裝；對新的建筑則一般要求在規劃、設計時就應考慮如何安裝的問題了（見圖7）。就此，我們不妨提出一些方法，供大家參考。

1.住宅系統應用的太陽能電池可以優化設計低成本化。一般而言，3kW的系統計算作為標準家庭配置。例如：2003年，標準家庭配置的住宅太陽能電池系統約為250萬日元（其中稅金除外，含日本國內的全部施工費用。按現行匯率折合人民幣約20萬元）。也就是說，每1kw約80萬日元。

2.住宅面積標準型分割的計算實際上，住宅的設計圖紙都是標準型的話，給計算、施工、安裝帶來方便。標準型以外的住宅，也就是非標的，則需要實地測量之后，才能概預算電氣及其材料。因為屋頂和屋檐的尺寸變化不規則都會影響太陽能電池系統的安裝和使用效率。太陽能電池的模板，一塊的發電量最高可達150w。按此計算，安裝20塊模板就可發電3000w。例如：模板的外形尺寸為正方形1mx1m，屋頂的形狀不同，模板的塊數也不同。則其的尺寸，電線和發電配置都不同，這樣的太陽能電池裝置必須系統變更，重新匹配調試。每塊模板的重量約20kg/m2。特別值得一提的是：太陽能電池系統的安裝和太陽能熱水器是兩碼事；前者安裝時，東西南北的綜合平衡，傾斜角度的計算、調試技術都要求很高，不然會影響發電和節電的。后者即使在舊住宅也可以方便安裝，因為采用的是重量分散性技術。

太陽能電池系統模板日射量的計算。求投射到一傾斜面日射量的值，其計算方法是：定義邊界條件1.接受日射面的斜角分別為0°-水平面，30°，60°，90°垂直面。任意方向的面所接受的日射，即為垂直面和傾斜面。定義邊界條件2.1m2的建筑面積1小時所接受的日射量單位為kcal/m2•h。即全天日射量值=太陽直接射入的直達日射量與太陽日射在大氣中分散或折射到達的分散日射量之和。它的計算公式如下：It=Ibt+Idt其中：It：射入傾斜面全天日射量（kcal/m2•h）Ibt：射入傾斜面直達日射量（kcal/m2•h）Idt：射入傾斜面分散日射量（kcal/m2•h）在公式中Ⅰbt，Ⅰdt的大氣透過率為P。太陽能電池系統的經濟效應與將來的發展預測:①從日本的初創時來看，成本比較高（雖然由國家給予一定的經濟補助支持）。94年每度電約125~140日元（換算成人民幣約7~8元）。96年每度電約70~90日元（人民幣約4~5元）。②日本政府加大力度鼓勵用戶將多余的電向外出售。也就是說使用太陽能發電的住戶可將多余的電轉售給別人或電力公司。家庭經濟負擔減輕，省錢，節約電費，燃氣費等。③由于當今科學技術的迅速發展，太陽能發電所需的成本大大降低。現在已經普及化，大眾化。它最終將比火力發電，水力發電等更加經濟實惠，并且逐步取而代之。④由于是清潔能源，因此太陽能發電的普及將大大減少有害氣體、二氧化碳、固體垃圾等污染物的排出，能使住宅內外物質能源系統良性循環，無廢、無污。盡可能減少對自然環境的負面影響，減少對生物圈的破壞。⑤對居住生活的環境起到保護和促進的作用。節省能源，不浪費資源。⑥利用太陽能進行宇宙太陽發電（SPS）和微波發電。這樣，今后的電視機，手機的電源都是綠色能源了。⑦目前正在研發的世界最高效率的薄膜太陽能電池。它已經是透過美麗光射且半透明的太陽電池了，能將采光與調光集成于一體。（見圖8）

結束本文前，再順便談一下當今發達國家已經將環境建筑和智能住宅，太陽能電池系統發電有機的、和諧地結合起來了。簡單的描述如下：其住宅內部完全實現了電子化和網絡化。電話、電腦、家用電器等所有單元設備都聯網，形成一個統一的通訊操作平臺，其信息網與因特網相聯。不僅縮短了人們物理上的距離，而且給用戶帶來了許多方便。通過網絡，社區向其住戶提供國內外新聞、社區內新聞以及住戶自己感興趣的新聞。另外，還有交通信息、天氣形式、地區性活動、商業區地圖。而社區最重要的是服務，這些社區提供了如醫療、嬰兒看護、寵物照顧、病人監護、電子圖書館、網上學校、預訂旅店、飯館、酒吧、看電影、逛公園等項目，住戶可以根據自己的愛好進行選擇。住戶可以在任何地方通過計算機或手機來遙控家電以及各種設備，如提前打開空調、開關燈、收發傳真等一系列內部事務。監控住宅情況，如指示洗衣機工作“查看冰箱中食品存儲情況”監視家里是否有人闖入等。住宅內的所有家電都具有聯想和交換信息功能，并自動執行操作程序，如下雨時會自動關窗，陽光暴曬時卷簾會自動下落；家里沒人時暖氣會自動調低；太陽能電池系統自動工作；出現緊急情況還會自動報警。這一切向人們揭示了未來住宅的美好前景和廣泛應用新計算機信息技術的發展趨勢。