環(huán)境建筑的進(jìn)展趨勢

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本文作者：劉培宏 單位：上海復(fù)旦規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院

面向新世紀(jì)，環(huán)境問題是關(guān)系人類生存之大事，已引起人們的普遍關(guān)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(yán)重破壞了地球的臭氧保護(hù)層。地球溫暖化，氣候失?；?，為此，先進(jìn)的發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中的國家都在為極力治理環(huán)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(duì)生態(tài)住宅的認(rèn)識(shí)還處于探索和研究的階段。已經(jīng)根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況制定出很多的標(biāo)準(zhǔn)（見圖1）。其中提出，生態(tài)環(huán)境住宅必須盡量使用污染小、可循環(huán)利用的綠色建材。所謂綠色建材是指采用清潔衛(wèi)生的生產(chǎn)技術(shù)；少用天然資源和能源；大量使用工業(yè)或城市固態(tài)廢棄物生產(chǎn)的無毒害、無污染、無放射性、有利于環(huán)境保護(hù)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(shí)施了統(tǒng)一的北歐“環(huán)境標(biāo)志”，包括生態(tài)環(huán)境住宅在內(nèi)的環(huán)保產(chǎn)品都須經(jīng)過專項(xiàng)認(rèn)證。北歐國家在建材方面制定了比較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，例如：北歐國家已在各地建了許多生態(tài)住宅示范項(xiàng)目。瑞典最大的住宅銀行更是于1995年宣布，只向生態(tài)住宅開發(fā)商貸款。丹麥?zhǔn)菄H上較早實(shí)施生態(tài)環(huán)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?zhǔn)锥几绫竟ǔ闪怂箍铺嘏量系湍芎淖≌?，曾獲得1993年的世界人居獎(jiǎng)。這種住宅最顯著的特征就是親自然性，即在住宅建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建造、使用運(yùn)行、維護(hù)管理、拆除改建等一切活動(dòng)中都自始至終地做到尊重自然，愛護(hù)自然，盡可能地把對(duì)自然環(huán)境的負(fù)面影響控制在最小范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)住區(qū)與環(huán)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(dá)6000K。所得的太陽能便是以電磁波放射的形態(tài)輸送。它的能量相當(dāng)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(fèi)消費(fèi)一年。但實(shí)際上非理想條件,太陽光到達(dá)地球時(shí)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(shù)（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(dá)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(diǎn)：①無限量能源。與人類的發(fā)展歷史比較，一顆恒久遠(yuǎn)，能量永留存。②能源浩大。到達(dá)地球上的太陽能為40兆cal。③無公害，清潔。與煤炭，化學(xué)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(zhì)的排放。④無放射性。與放射性元素物質(zhì)完全沒有關(guān)系。⑤系統(tǒng)智能?？刂七\(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)全部自動(dòng)化，系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)容易方便。

世界各國已經(jīng)采用了許多獎(jiǎng)勵(lì)的政策、措施和辦法，鼓勵(lì)、支持、促進(jìn)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(huán)境和太陽能的利用。我們所說的環(huán)境建筑是指什么呢？對(duì)建筑物來說保持優(yōu)良的室內(nèi)環(huán)境是建筑必不可少的。但對(duì)于地球環(huán)境和室外環(huán)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(qiáng)化建筑采用節(jié)省能源，加大自然能源的利用力度。戶外的環(huán)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(huán)境共生的理念，并且在全球做了一個(gè)調(diào)查。將環(huán)境住宅在地圖上做了標(biāo)志。中國是最少的，僅有兩個(gè)點(diǎn)，一是福建客家的圓樓；二是西部陜北的窯洞。日本人認(rèn)為與生態(tài)環(huán)境建筑共生，必須對(duì)能量需要很少；盡量少向大自然索??；盡量少污染外界環(huán)境。我們搞綠色的，健康的，生態(tài)的，可持續(xù)發(fā)展的住宅，都要體現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的精神和態(tài)度（見圖3）。國內(nèi)有些環(huán)境不錯(cuò)，也注意了“生態(tài)健康、環(huán)境綠化”的理念。但將來在裝修方面，應(yīng)該控制材料的使用，目前對(duì)居住威脅最嚴(yán)重的就是室內(nèi)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(huán)境地理現(xiàn)狀（氣候、地形、地貌、風(fēng)向、植被等），學(xué)習(xí)和繼承祖國傳統(tǒng)建筑中蘊(yùn)涵的生態(tài)智慧。采用低成本、低造價(jià)的技術(shù)組合與工程材料。這種方法具有經(jīng)濟(jì)節(jié)約、易于普及的明顯優(yōu)勢。

目前容易推廣與廣泛應(yīng)用，尤其是在發(fā)展中國家與地區(qū)，更加具有現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)的合理性。（見圖4）環(huán)境建筑（綠色住宅）在功能上更趨于原始狀態(tài)與自然狀態(tài)，最大限度地回歸自然。其必須具備良好的日照、通風(fēng)、采光，這三者是住宅其舒適性（衛(wèi)生、健康）與否的重要因素。環(huán)境建筑以可持續(xù)發(fā)展的思想為指導(dǎo)，意在尋求自然、建筑和人三者之間的和諧統(tǒng)一，即在“以人為本”的基礎(chǔ)上，利用自然條件和人工手段來創(chuàng)造一個(gè)有利于人們舒適、健康的生活環(huán)境，同時(shí)又要控制對(duì)于自然資源的使用，實(shí)現(xiàn)向自然索取與回報(bào)之間的平衡。

目前世界各國學(xué)術(shù)界對(duì)于這種從本國本地經(jīng)濟(jì)狀況出發(fā)，盡量采用低耗能的適用技術(shù)甚至“低技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)性與生態(tài)化給予了相當(dāng)?shù)目隙?。有些建筑師沿著這條道路已經(jīng)做出了令人鼓舞的實(shí)踐。例如印度建筑大師查爾斯•柯里亞注重對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻难芯?，提出了“形式追隨氣候”的口號(hào)。其吸收了印度傳統(tǒng)建筑技術(shù)中符合生態(tài)思想的合理內(nèi)核，將之運(yùn)用到現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，較好地解決了干燥氣候下建筑的遮陽和通風(fēng)。馬來西亞楊經(jīng)文博士運(yùn)用生物氣候?qū)W原理，針對(duì)熱帶氣候條件，適當(dāng)采用新技術(shù)與新材料，在高層建筑設(shè)計(jì)上嘗試?yán)昧俗匀荒茉床?gòu)建良好的“微氣候”，減輕所在地區(qū)的熱島效應(yīng)?！熬G色的”“、生態(tài)的”“、環(huán)保的“”可持續(xù)發(fā)展的住宅”等字樣的環(huán)境建筑住宅，如同一個(gè)個(gè)令人欣喜的跳動(dòng)音符，給普通百姓帶來對(duì)美好生活的憧憬和遐想，也成為世界各國發(fā)展商推廣項(xiàng)目的新賣點(diǎn)。（見圖5）現(xiàn)在我們有個(gè)叫法也許要統(tǒng)一一下，即：“綠色的”、“生態(tài)的”、“環(huán)保的”“可持續(xù)發(fā)展的”等環(huán)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(shí)，其核心內(nèi)容是否有變呢？應(yīng)該不會(huì)，也許有過之而不及吧。歸納一下其應(yīng)該是盡可能減少對(duì)自然環(huán)境的負(fù)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(duì)生物圈的破壞。高效是生態(tài)住宅的核心內(nèi)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(xiàng)內(nèi)容：第一是住宅本身，包括平面設(shè)計(jì)、熱環(huán)境質(zhì)量、聲環(huán)境質(zhì)量、空氣環(huán)境質(zhì)量、聲光環(huán)境質(zhì)量等；第二是和環(huán)境的親和性，利用現(xiàn)狀條件充分使住戶享受到陽光、空氣、水；第三就是環(huán)境保護(hù)，包括廢棄物的處理和重復(fù)利用等；第四屬于健康配套，如體育設(shè)施、醫(yī)療、保健設(shè)施等。

我們認(rèn)為住宅使用的能源主要有兩種：煤和電。有些區(qū)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(diào)，吸塵器，洗浴等。太陽能發(fā)電需要太陽電池。太陽電池的發(fā)電原理和現(xiàn)有火力，水力，核電（原子力）發(fā)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(fù)合半導(dǎo)體的光電效應(yīng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換而產(chǎn)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(fā)變電的大小比例。其發(fā)電的原理簡言之：太陽電池是由電氣性質(zhì)不同的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體相結(jié)合而構(gòu)成的。這2個(gè)半導(dǎo)體的相交處稱為PN結(jié)。太陽電池在太陽出現(xiàn)時(shí)，太陽光被太陽電池所吸入。這時(shí)，在太陽電池的光晶體板上已經(jīng)吸收了光能源中帶有+和-電級(jí)的粒子（正離子和電子）產(chǎn)生，并且在太陽電池里各自無約束地自由循環(huán)運(yùn)動(dòng)。電子（-）朝N型半導(dǎo)體方向聚集，正離子（+）朝P型半導(dǎo)體聚集，由此在正面和反面的電極板上電流開始流動(dòng)。如同電燈和馬達(dá)的原理一樣。綜上所述，我們不難得出以上相關(guān)的一些特征和結(jié)論。太陽能電池發(fā)電和普通的發(fā)電系統(tǒng)相比是不是有以下5個(gè)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(fā)電規(guī)?？梢暟l(fā)電成本而變，可大可小，不會(huì)因?yàn)樗囊?guī)模而影響發(fā)電效率。⑤對(duì)風(fēng)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(dāng)然，為了更好地利用太陽能電池，我們應(yīng)該注意以下兩點(diǎn)：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(shí)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(fā)電量相比，陰天的發(fā)電量還不到晴天的一半，夜間就更少了。

日常生活的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，根據(jù)能量守恒定律，電不能儲(chǔ)藏和預(yù)發(fā)。所以，只有太陽出來時(shí)才能發(fā)電和使用。夜間使用時(shí)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(fā)電的發(fā)電量經(jīng)常被氣候所左右，雨天，陰天，多云，太陽光均被擋著，發(fā)電能力降低。在晴天，太陽光的直射可發(fā)電130w/m2（太陽能電池的工作效率為13%。再之，現(xiàn)在的太陽能發(fā)電大多數(shù)帶有蓄電池保護(hù)裝置），考慮到溫度的上升而形成的反比例曲線等。實(shí)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(fā)電，可以大大促進(jìn)住宅的太陽能發(fā)展，是一件保護(hù)環(huán)境，造福于民的大好事。就目前的技術(shù)等問題而言，成本還比較高，但對(duì)老的建筑來說，可利用屋頂?shù)膬?yōu)勢或者地面托架的方法安裝；對(duì)新的建筑則一般要求在規(guī)劃、設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)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(tǒng)應(yīng)用的太陽能電池可以優(yōu)化設(shè)計(jì)低成本化。一般而言，3kW的系統(tǒng)計(jì)算作為標(biāo)準(zhǔn)家庭配置。例如：2003年，標(biāo)準(zhǔn)家庭配置的住宅太陽能電池系統(tǒng)約為250萬日元（其中稅金除外，含日本國內(nèi)的全部施工費(fèi)用。按現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)型分割的計(jì)算實(shí)際上，住宅的設(shè)計(jì)圖紙都是標(biāo)準(zhǔn)型的話，給計(jì)算、施工、安裝帶來方便。標(biāo)準(zhǔn)型以外的住宅，也就是非標(biāo)的，則需要實(shí)地測量之后，才能概預(yù)算電氣及其材料。因?yàn)槲蓓敽臀蓍艿某叽缱兓灰?guī)則都會(huì)影響太陽能電池系統(tǒng)的安裝和使用效率。太陽能電池的模板，一塊的發(fā)電量最高可達(dá)150w。按此計(jì)算，安裝20塊模板就可發(fā)電3000w。例如：模板的外形尺寸為正方形1mx1m，屋頂?shù)男螤畈煌?，模板的塊數(shù)也不同。則其的尺寸，電線和發(fā)電配置都不同，這樣的太陽能電池裝置必須系統(tǒng)變更，重新匹配調(diào)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(tǒng)的安裝和太陽能熱水器是兩碼事；前者安裝時(shí)，東西南北的綜合平衡，傾斜角度的計(jì)算、調(diào)試技術(shù)都要求很高，不然會(huì)影響發(fā)電和節(jié)電的。后者即使在舊住宅也可以方便安裝，因?yàn)椴捎玫氖侵亓糠稚⑿约夹g(shù)。

太陽能電池系統(tǒng)模板日射量的計(jì)算。求投射到一傾斜面日射量的值，其計(jì)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(shí)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(dá)日射量與太陽日射在大氣中分散或折射到達(dá)的分散日射量之和。它的計(jì)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(dá)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(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與將來的發(fā)展預(yù)測:①從日本的初創(chuàng)時(shí)來看，成本比較高（雖然由國家給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)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(lì)用戶將多余的電向外出售。也就是說使用太陽能發(fā)電的住戶可將多余的電轉(zhuǎn)售給別人或電力公司。家庭經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)減輕，省錢，節(jié)約電費(fèi)，燃?xì)赓M(fèi)等。③由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，太陽能發(fā)電所需的成本大大降低?，F(xiàn)在已經(jīng)普及化，大眾化。它最終將比火力發(fā)電，水力發(fā)電等更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，并且逐步取而代之。④由于是清潔能源，因此太陽能發(fā)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(nèi)外物質(zhì)能源系統(tǒng)良性循環(huán)，無廢、無污。盡可能減少對(duì)自然環(huán)境的負(fù)面影響，減少對(duì)生物圈的破壞。⑤對(duì)居住生活的環(huán)境起到保護(hù)和促進(jìn)的作用。節(jié)省能源，不浪費(fèi)資源。⑥利用太陽能進(jìn)行宇宙太陽發(fā)電（SPS）和微波發(fā)電。這樣，今后的電視機(jī)，手機(jī)的電源都是綠色能源了。⑦目前正在研發(fā)的世界最高效率的薄膜太陽能電池。它已經(jīng)是透過美麗光射且半透明的太陽電池了，能將采光與調(diào)光集成于一體。（見圖8）

結(jié)束本文前，再順便談一下當(dāng)今發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將環(huán)境建筑和智能住宅，太陽能電池系統(tǒng)發(fā)電有機(jī)的、和諧地結(jié)合起來了。簡單的描述如下：其住宅內(nèi)部完全實(shí)現(xiàn)了電子化和網(wǎng)絡(luò)化。電話、電腦、家用電器等所有單元設(shè)備都聯(lián)網(wǎng)，形成一個(gè)統(tǒng)一的通訊操作平臺(tái)，其信息網(wǎng)與因特網(wǎng)相聯(lián)。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(wǎng)絡(luò)，社區(qū)向其住戶提供國內(nèi)外新聞、社區(qū)內(nèi)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(qū)性活動(dòng)、商業(yè)區(qū)地圖。而社區(qū)最重要的是服務(wù)，這些社區(qū)提供了如醫(yī)療、嬰兒看護(hù)、寵物照顧、病人監(jiān)護(hù)、電子圖書館、網(wǎng)上學(xué)校、預(yù)訂旅店、飯館、酒吧、看電影、逛公園等項(xiàng)目，住戶可以根據(jù)自己的愛好進(jìn)行選擇。住戶可以在任何地方通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)來遙控家電以及各種設(shè)備，如提前打開空調(diào)、開關(guān)燈、收發(fā)傳真等一系列內(nèi)部事務(wù)。監(jiān)控住宅情況，如指示洗衣機(jī)工作“查看冰箱中食品存儲(chǔ)情況”監(jiān)視家里是否有人闖入等。住宅內(nèi)的所有家電都具有聯(lián)想和交換信息功能，并自動(dòng)執(zhí)行操作程序，如下雨時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)窗，陽光暴曬時(shí)卷簾會(huì)自動(dòng)下落；家里沒人時(shí)暖氣會(huì)自動(dòng)調(diào)低；太陽能電池系統(tǒng)自動(dòng)工作；出現(xiàn)緊急情況還會(huì)自動(dòng)報(bào)警。這一切向人們揭示了未來住宅的美好前景和廣泛應(yīng)用新計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展趨勢。