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环境建筑的进展趋势

本文作者:刘培宏 单位:上海复旦规划建筑设计研究院

面向新世纪,环境问题是关系人类生存之大事,已引起人们的普遍关注和重视,并着手研究污染的解决方法。酸雨,二氧化碳等高污染沙漠化的排放,严重破坏了地球的臭氧保护层。地球温暖化,气候失常化,为此,先进的发达国家和发展中的国家都在为极力治理环境问题寻求途径而加倍努力。

目前,不管是欧洲还是美国,人们对生态住宅的认识还处于探索和研究的阶段。已经根据现实情况制定出很多的标准(见图1)。其中提出,生态环境住宅必须尽量使用污染小、可循环利用的绿色建材。所谓绿色建材是指采用清洁卫生的生产技术;少用天然资源和能源;大量使用工业或城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑材料。早在1989年,瑞典、丹麦、芬兰、冰岛、挪威等北欧五国实施了统一的北欧“环境标志”,包括生态环境住宅在内的环保产品都须经过专项认证。北欧国家在建材方面制定了比较严格的标准,例如:北欧国家已在各地建了许多生态住宅示范项目。瑞典最大的住宅银行更是于1995年宣布,只向生态住宅开发商贷款。丹麦是国际上较早实施生态环境住宅工程的国家之一。早在1984年底,就在奥胡斯市建成了“非过敏住宅建筑”示范工程。1992年,丹麦首都哥本哈根建成了斯科特帕肯低能耗住宅,曾获得1993年的世界人居奖。这种住宅最显著的特征就是亲自然性,即在住宅建筑的规划设计、施工建造、使用运行、维护管理、拆除改建等一切活动中都自始至终地做到尊重自然,爱护自然,尽可能地把对自然环境的负面影响控制在最小范围内,实现住区与环境的和谐共存(见图2)。太阳是我们居住在地球上唯一的伟大能源。自古以来,受到人们的崇拜和敬仰,它的力量可称之为“神”,即人们所称的太阳神。

太阳的直径为140万km,表面温度可达6000K。所得的太阳能便是以电磁波放射的形态输送。它的能量相当于173×1013kw。地球可接受的是200万分之一。如果按照40分之一的条件来分割的话,可使全球免费消费一年。但实际上非理想条件,太阳光到达地球时约三分之一受大气层的影响;反射、辐射的分散再加上臭氧层,二氧化碳,水蒸气,微粒子等的吸收;在地球上空80km的大气层接受的太阳光称为太阳常数(其值是1164kcal/m2•h);太阳光通过大气层又损耗了大部分的能量;所以真正能顺利到达地球的也仅有74%的太阳光;其值约860kcal/m2•h(1kw/m2•h)。太阳能的特点:①无限量能源。与人类的发展历史比较,一颗恒久远,能量永留存。②能源浩大。到达地球上的太阳能为40兆cal。③无公害,清洁。与煤炭,化学燃料等一氧化碳有毒有害气体比较是较为干净的,没有NOx和CO2等公害物质的排放。④无放射性。与放射性元素物质完全没有关系。⑤系统智能。控制运转的系统全部自动化,系统的维护保养容易方便。

世界各国已经采用了许多奖励的政策、措施和办法,鼓励、支持、促进太阳能的普及、利用和推广。不妨列表说明如表1:我们的生活环境和太阳能的利用。我们所说的环境建筑是指什么呢?对建筑物来说保持优良的室内环境是建筑必不可少的。但对于地球环境和室外环境来说为了竭力抑制酸雨、二氧化碳和地球温暖化等不良影响,强化建筑采用节省能源,加大自然能源的利用力度。户外的环境建筑是人们居住,生活,休憩和工作的重要场所之一。日本提出与环境共生的理念,并且在全球做了一个调查。将环境住宅在地图上做了标志。中国是最少的,仅有两个点,一是福建客家的圆楼;二是西部陕北的窑洞。日本人认为与生态环境建筑共生,必须对能量需要很少;尽量少向大自然索取;尽量少污染外界环境。我们搞绿色的,健康的,生态的,可持续发展的住宅,都要体现人类可持续发展的精神和态度(见图3)。国内有些环境不错,也注意了“生态健康、环境绿化”的理念。但将来在装修方面,应该控制材料的使用,目前对居住威胁最严重的就是室内装修材料污染的大问题。顺便说一下,我们的建筑师也需要了解自己的环境地理现状(气候、地形、地貌、风向、植被等),学习和继承祖国传统建筑中蕴涵的生态智慧。采用低成本、低造价的技术组合与工程材料。这种方法具有经济节约、易于普及的明显优势。

目前容易推广与广泛应用,尤其是在发展中国家与地区,更加具有现实意义和科学的合理性。(见图4)环境建筑(绿色住宅)在功能上更趋于原始状态与自然状态,最大限度地回归自然。其必须具备良好的日照、通风、采光,这三者是住宅其舒适性(卫生、健康)与否的重要因素。环境建筑以可持续发展的思想为指导,意在寻求自然、建筑和人三者之间的和谐统一,即在“以人为本”的基础上,利用自然条件和人工手段来创造一个有利于人们舒适、健康的生活环境,同时又要控制对于自然资源的使用,实现向自然索取与回报之间的平衡。

目前世界各国学术界对于这种从本国本地经济状况出发,尽量采用低耗能的适用技术甚至“低技术”,实现建筑的可持续性与生态化给予了相当的肯定。有些建筑师沿着这条道路已经做出了令人鼓舞的实践。例如印度建筑大师查尔斯•柯里亚注重对当地气候的研究,提出了“形式追随气候”的口号。其吸收了印度传统建筑技术中符合生态思想的合理内核,将之运用到现代建筑设计中,较好地解决了干燥气候下建筑的遮阳和通风。马来西亚杨经文博士运用生物气候学原理,针对热带气候条件,适当采用新技术与新材料,在高层建筑设计上尝试利用了自然能源并构建良好的“微气候”,减轻所在地区的热岛效应。“绿色的”“、生态的”“、环保的“”可持续发展的住宅”等字样的环境建筑住宅,如同一个个令人欣喜的跳动音符,给普通百姓带来对美好生活的憧憬和遐想,也成为世界各国发展商推广项目的新卖点。(见图5)现在我们有个叫法也许要统一一下,即:“绿色的”、“生态的”、“环保的”“可持续发展的”等环境建筑住宅,名目繁多,意思重叠。

但是,在被冠以这些名称的同时,其核心内容是否有变呢?应该不会,也许有过之而不及吧。归纳一下其应该是尽可能减少对自然环境的负面影响,如减少有害气体、二氧化碳、固体垃圾等污染物的排放,减少对生物圈的破坏。高效是生态住宅的核心内容。就是指尽可能最大限度地利用资源和能源,特别是不可再生的资源和能源。以最低的能源、资源成本去获取最高的效益。其包括四项内容:第一是住宅本身,包括平面设计、热环境质量、声环境质量、空气环境质量、声光环境质量等;第二是和环境的亲和性,利用现状条件充分使住户享受到阳光、空气、水;第三就是环境保护,包括废弃物的处理和重复利用等;第四属于健康配套,如体育设施、医疗、保健设施等。

我们认为住宅使用的能源主要有两种:煤和电。有些区域也使用压缩煤气等。家庭用电分类主要有照明,冰箱,小家电,空调,吸尘器,洗浴等。太阳能发电需要太阳电池。太阳电池的发电原理和现有火力,水力,核电(原子力)发电原理是截然不同的。完全是采用新型光电原理,具体来说是用复合半导体的光电效应进行能量转换而产生电能的。那么,太阳能电池有什么性能特征呢?主要分两种:光感度特性和照度特性。光波的长短可以支配发变电的大小比例。其发电的原理简言之:太阳电池是由电气性质不同的N型半导体和P型半导体相结合而构成的。这2个半导体的相交处称为PN结。太阳电池在太阳出现时,太阳光被太阳电池所吸入。这时,在太阳电池的光晶体板上已经吸收了光能源中带有+和-电级的粒子(正离子和电子)产生,并且在太阳电池里各自无约束地自由循环运动。电子(-)朝N型半导体方向聚集,正离子(+)朝P型半导体聚集,由此在正面和反面的电极板上电流开始流动。如同电灯和马达的原理一样。综上所述,我们不难得出以上相关的一些特征和结论。太阳能电池发电和普通的发电系统相比是不是有以下5个卓越的特征呢?①太阳能电池可以直接从光能变换成电能。②作为能源而言,太阳能是取之不尽、用之不竭的。③是非常洁净的能源。④发电规模可视发电成本而变,可大可小,不会因为它的规模而影响发电效率。⑤对风水,景观,园林,绿化无影响,不需要空中走廊、地下通道和输电线。当然,为了更好地利用太阳能电池,我们应该注意以下两点:①虽然太阳的能源是取之不尽的,但是因能源密度比较小,需用大电力时要占用较大的面积。②太阳能的能源受天气的影响,例如和晴天发电量相比,阴天的发电量还不到晴天的一半,夜间就更少了。

日常生活的经验告诉我们,根据能量守恒定律,电不能储藏和预发。所以,只有太阳出来时才能发电和使用。夜间使用时就要采用其它的方法来处理。例如配合和蓄电池一起使用。太阳能发电的发电量经常被气候所左右,雨天,阴天,多云,太阳光均被挡着,发电能力降低。在晴天,太阳光的直射可发电130w/m2(太阳能电池的工作效率为13%。再之,现在的太阳能发电大多数带有蓄电池保护装置),考虑到温度的上升而形成的反比例曲线等。实际上能得到的太阳能电量,较多为100w/m2。(见图6)让我们再来看一下太阳能电池材料的分类和用途吧。(表2)民居住宅使用太阳能发电,可以大大促进住宅的太阳能发展,是一件保护环境,造福于民的大好事。就目前的技术等问题而言,成本还比较高,但对老的建筑来说,可利用屋顶的优势或者地面托架的方法安装;对新的建筑则一般要求在规划、设计时就应考虑如何安装的问题了(见图7)。就此,我们不妨提出一些方法,供大家参考。

1.住宅系统应用的太阳能电池可以优化设计低成本化。一般而言,3kW的系统计算作为标准家庭配置。例如:2003年,标准家庭配置的住宅太阳能电池系统约为250万日元(其中税金除外,含日本国内的全部施工费用。按现行汇率折合人民币约20万元)。也就是说,每1kw约80万日元。

2.住宅面积标准型分割的计算实际上,住宅的设计图纸都是标准型的话,给计算、施工、安装带来方便。标准型以外的住宅,也就是非标的,则需要实地测量之后,才能概预算电气及其材料。因为屋顶和屋檐的尺寸变化不规则都会影响太阳能电池系统的安装和使用效率。太阳能电池的模板,一块的发电量最高可达150w。按此计算,安装20块模板就可发电3000w。例如:模板的外形尺寸为正方形1mx1m,屋顶的形状不同,模板的块数也不同。则其的尺寸,电线和发电配置都不同,这样的太阳能电池装置必须系统变更,重新匹配调试。每块模板的重量约20kg/m2。特别值得一提的是:太阳能电池系统的安装和太阳能热水器是两码事;前者安装时,东西南北的综合平衡,倾斜角度的计算、调试技术都要求很高,不然会影响发电和节电的。后者即使在旧住宅也可以方便安装,因为采用的是重量分散性技术。

太阳能电池系统模板日射量的计算。求投射到一倾斜面日射量的值,其计算方法是:定义边界条件1.接受日射面的斜角分别为0°-水平面,30°,60°,90°垂直面。任意方向的面所接受的日射,即为垂直面和倾斜面。定义边界条件2.1m2的建筑面积1小时所接受的日射量单位为kcal/m2•h。即全天日射量值=太阳直接射入的直达日射量与太阳日射在大气中分散或折射到达的分散日射量之和。它的计算公式如下:It=Ibt+Idt其中:It:射入倾斜面全天日射量(kcal/m2•h)Ibt:射入倾斜面直达日射量(kcal/m2•h)Idt:射入倾斜面分散日射量(kcal/m2•h)在公式中Ⅰbt,Ⅰdt的大气透过率为P。太阳能电池系统的经济效应与将来的发展预测:①从日本的初创时来看,成本比较高(虽然由国家给予一定的经济补助支持)。94年每度电约125~140日元(换算成人民币约7~8元)。96年每度电约70~90日元(人民币约4~5元)。②日本政府加大力度鼓励用户将多余的电向外出售。也就是说使用太阳能发电的住户可将多余的电转售给别人或电力公司。家庭经济负担减轻,省钱,节约电费,燃气费等。③由于当今科学技术的迅速发展,太阳能发电所需的成本大大降低。现在已经普及化,大众化。它最终将比火力发电,水力发电等更加经济实惠,并且逐步取而代之。④由于是清洁能源,因此太阳能发电的普及将大大减少有害气体、二氧化碳、固体垃圾等污染物的排出,能使住宅内外物质能源系统良性循环,无废、无污。尽可能减少对自然环境的负面影响,减少对生物圈的破坏。⑤对居住生活的环境起到保护和促进的作用。节省能源,不浪费资源。⑥利用太阳能进行宇宙太阳发电(SPS)和微波发电。这样,今后的电视机,手机的电源都是绿色能源了。⑦目前正在研发的世界最高效率的薄膜太阳能电池。它已经是透过美丽光射且半透明的太阳电池了,能将采光与调光集成于一体。(见图8)

结束本文前,再顺便谈一下当今发达国家已经将环境建筑和智能住宅,太阳能电池系统发电有机的、和谐地结合起来了。简单的描述如下:其住宅内部完全实现了电子化和网络化。电话、电脑、家用电器等所有单元设备都联网,形成一个统一的通讯操作平台,其信息网与因特网相联。不仅缩短了人们物理上的距离,而且给用户带来了许多方便。通过网络,社区向其住户提供国内外新闻、社区内新闻以及住户自己感兴趣的新闻。另外,还有交通信息、天气形式、地区性活动、商业区地图。而社区最重要的是服务,这些社区提供了如医疗、婴儿看护、宠物照顾、病人监护、电子图书馆、网上学校、预订旅店、饭馆、酒吧、看电影、逛公园等项目,住户可以根据自己的爱好进行选择。住户可以在任何地方通过计算机或手机来遥控家电以及各种设备,如提前打开空调、开关灯、收发传真等一系列内部事务。监控住宅情况,如指示洗衣机工作“查看冰箱中食品存储情况”监视家里是否有人闯入等。住宅内的所有家电都具有联想和交换信息功能,并自动执行操作程序,如下雨时会自动关窗,阳光暴晒时卷帘会自动下落;家里没人时暖气会自动调低;太阳能电池系统自动工作;出现紧急情况还会自动报警。这一切向人们揭示了未来住宅的美好前景和广泛应用新计算机信息技术的发展趋势。

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