生态技术在建筑中的应用研究

2015-12-13伊若辰

绿色科技 2015年7期

伊若辰

（海南大学，海南儋州571737）

1 引言

在中国城市经济持续保持高增长的态势下，长期高投入、高消耗、高排放的粗放生产模式给资源配置和城市环境的治理带来了沉重压力。不可再生资源如石油、天然气和煤炭的最长使用年限分别不超过100年、200年和400年[1]，现在正在逐渐枯竭。空气污染、用水紧张、噪声扰民、垃圾围城、温室效应等一系列问题直接影响着人们的生活质量，使人类生存的生态环境面临日益严重的威胁，加剧了社会矛盾。因此，要走出当前面临的生态困境，必须由征服、掠夺自然转为保护、建设自然，寻求人与自然的和谐统一。

在建筑的建设过程中，从建材生产、建筑施工到建筑后期使用，无时不刻不在消耗着大量能源。在寻求资源节约和建筑发展的双重压力下，如何将新型技术与新能源应用于建筑设计中，使两者协调发展，是每个设计师的责任所在。

2 新兴生态技术的发展

2.1 生态技术的概念

生态技术由生态学原理衍生而出，是指既可以满足人们的生态需要，减少能量损耗，节约资源和能源，又能保护环境以促进生态平衡的一切方法和手段。其中，替代技术是指开发新资源、新材料、新产品来替代原有资源、材料和产品，提高资源有效利用率，减轻生产过程中给环境带来的压力。减量技术是指在生产源头节约资源、减少污染。再利用技术是指延长原料或产品的使用周期，通过反复使用来减少资源消耗。资源化技术是指将生产过程中产生的废料变为有用的资源或产品。

不同于传统生产技术以不可再生资源为能源基础的高耗能生产方式，生态技术建立在生态学、生物学、信息学等新型科学的发展基础之上，以生态学原理为理论依据，以太阳能、生物能等可再生资源为能源基础，以高新技术为中心，辅之以低耗能的常规技术，形成整体性的复合型技术体系。它不以生产单一产品的最优化为目标，而是高效地回收利用废弃材料和副产品，使之变为另一个生产过程的资源，力求做到输出产品多样化和能源消耗最小化，不造成或少造成环境污染与资源浪费，创造低消耗、高产出、自循环、无公害的新型生产技术，实现生产优化。

2.2 新型生态技术与材料的涌现

近年来，由于环境压力的增大，生态技术产生的可观社会效益和经济效益得到了社会广泛关注，在其开发和科研方面的投入也日益增加，新型生态技术开始涌现。伴随着来源广、利用率高、技术易推广的特点，新型生态材料也相继出现并得到利用。尽管某些技术存在一定风险，但会因其可观的价值和生态效益而弱化。

2.2.1 新技术

（1）墙体节能技术。通过改变传统墙体的结构、材料以及施工工艺来提高墙体的保温隔热效果和耐久性。

（2）建筑表皮水幕太阳能技术。其原理与太阳能技术基本一致，利用太阳能产生电能和热能，与水相结合达到控制和调节建筑温度的效果。即利用水比热容大、流动性好的特点作为太阳能的载体在建筑的表皮进行循环。该技术可对建筑表皮进行温度控制，增加居住舒适度，节省电能。

（3）外墙绿化技术。利用爬墙类植物特性，通过控制植物的生长状态如疏密程度、覆盖率等达到隔热遮阳的作用。该技术充分利用“剩余资源”即建筑的垂直空间，隔热效果优于传统的建筑遮阳和隔热构建。

（4）通风节能技术。利用空气动力学原理，通过改造建筑结构来改善通风效果，与一些新技术和新材料结合后，可增加其通风散热效果和稳定性，使建筑本身的属性和性能得到综合提高。

2.2.2 新能源与新材料

新能源是以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，取之不尽、周而复始。目前太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能等新能源已经被重点开发和广泛利用。对于在建筑中的应用，重点在于将新能源转化为建筑常用的电能和热能。

新材料指与传统材料相比具有更良好性能或新特性的一类材料。新材料技术指运用现代科学技术经过一系列研究和测试创造出具有特定性质的新型材料的技术。生态建材属于新材料中的一类，它具有新材料性能优异、针对性强的基本特征，同时可再生，生产过程污染小，使用过程中能产生环境效益。

2.3 新型生态技术的现状与发展趋势

生态技术的理念决定了其可以完美契合人类的发展趋势，在资源环境约束力增强和人类生态需求不断增加的双重压力下，生态技术创新日益重要。除去为技术化生产与开发提供必要前提，生态技术同样给经济和社会发展带来了极大的好处。因此生态技术的发展具有巨大的潜力和广阔的前景。

新型生态技术的不断涌现给社会各行各业的繁荣发展提供了有力支持，也给人们的生活带来了便利。但在生态技术不断创新的过程中，风险是必定存在的。首先，产品研发中技术的不确定性与复杂程度是创新成功与否的重要影响因素，一旦开发出的新技术无法转化为实际生产力，会受到市场限制。再者，高速发展的市场导致较高的经济费用和较慢的效益速度，消费者的需求在很大程度上决定了研发方向。而产品在投入市场前无法对其市场占有率作出准确判断，投入后无法获得市场的长久青睐便是失败的标志。最后，随着人们环保意识的不断提高，人们更为关注该技术的实用效果和对生态环境造成的影响。以破坏环境、造成污染为前提的新兴技术已不能被广泛接受[3]。

吴良镛先生在《北京宪章》中指出：“21世纪必将是多种技术并存的时代。”那么生态建筑所涵盖的技术也应当是多层次的。这其中，由于造价低、重民俗、好寻找等特点，低技术受到发展中国家的广泛关注。但系统化、规模化和产业化才是建筑发展，甚至社会发展的必然趋势，也因此，源自于高技术的生态技术将是未来建筑的发展方向。

3 生态技术在建筑中的应用

3.1 生态建筑的概念

生态建筑又称绿色建筑或可持续建筑，是根据当地的自然生态环境，运用生态学、建筑技术科学的基本原理和现代科学技术手段等，合理安排并组织建筑与其他相关因素之间的关系，使建筑和环境成为有机结合体，使能源在建筑及其所处环境之中有序而高效地循环使用。遵循尊重自然和以人为本的设计原则，形成人、建筑与自然生态之间的平衡环境，达到自然、经济和人文三大生态目标。生态建筑的提出，使人们的视野扩展到人与自然关系协调发展的可持续思想，这也是科学和社会发展的必然[2]。

建筑使用耗能是指建筑物在使用过程中用于采暖、降温、热水供应、家电、炊事等方面的能耗。在建筑的使用中主要消耗电能和热能。电能由政府提供，热能为采暖所需的暖气和炊事中所需的煤炭、石油、天然气等。达到建筑节能，须提高能源使用效率以减少损耗和浪费现象，同时开发、利用可再生新能源以降低污染，保护生态环境[4]。

中国建筑发展正处在由数量型向质量型转变的关键时刻，建设生态建筑是中国建筑业转向可继续发展道路的一个重要切入点[2]。而生态问题在城市居住建筑建设中表现为片面追求高建筑密度、高容积率，造成新的环境恶化。因此，将节能而环保的新型生态技术引入建筑，建设生态型建筑是中国建筑发展的必然趋势。预计在2010～2020年间，全国范围内将有步骤地实施节能率为65%的建筑节能标准，2015年后，部分城市率先完成节能率为75%的建筑节能标准。

3.2 生态建筑的现状

一些经济发达国家比如德国、美国、日本等，从20世纪60年代就开始了生态建筑的理论研究和设计实践。德国积极使用高科技手段在各类公共建筑民用建筑中采用生态的建造方法；美国大力研发计算机软件，运用高科技实现耗能计算与建筑设计的实施互动；在日本，中水利给排水技术已得到广泛运用。

2015年3月，众多代表将绿色建筑议案带上两会，中国建筑节能协会会长郑坤生就如何推进建筑节能工作发表独到见解。公开数据显示，目前我国每年新建房屋的建筑能源消耗占全球总能源消耗的41%，同时建筑用电带来的间接排放加上建筑使用初期能源带来的直接排放共占21%左右，仅次于工业排放。近年来，我国不断重视生态建筑研究，颁布了一系列评估标准，使生态建筑研究不断制度化、规范化。但与发达国家对比来看，我国的建筑生态化研究起步较晚，对于生态建筑设计的理论研究和设计实践都处在初级阶段，多为理论框架、设计原则及生态理论对于建筑设计的指导。

3.3 新型生态建筑技术的应用

（1）外墙节能技术——以北京锦绣大地公寓为例。北京锦绣大地公寓居住小区中，建筑利用干挂技术将大块砖幕墙作为外饰面，改善墙体保温隔热效果。结构方面，外饰面与保温层间设置空气层，同时保温层深入地下1.5m，确保地下室的保温能力。材料方面，选择断桥型滤材合金窗和Low－E玻璃，巩固外墙保温效果。细节方面，窗体安装外遮阳设施，灵活控制阳光照射强度。供水系统，通风系统等的联合使用，使建筑的控温和空气循环能力更为出色。以上方式全面提高了建筑的保温隔热能力，使建筑内部的温度控制在理想状态，同时保障了室内空气流动[3]。

（2）新能源技术——以多个著名生态建筑设计为例。建筑使用中需要的能量主要为电能和热能。对于新能源技术而言，就是将太阳能，风能，潮汐能，地热能等高效地转化为可使用的能源形式。太阳能的利用：德国建筑师待多.特霍利设计的旋转太阳能房，能跟随太阳位置的变化而转动，最大程度地吸收太阳能并转化为电能，使太阳能的利用率提高了2倍，成为欧洲第一座由计算机控制的生态住宅。风能的利用：日本在九州市建成首幢环境生态住宅，利用风车发电来供应公共照明系统的能源消耗。一旦这种住宅得到推广，形成风力发电公共系统，将极大减缓资源短缺的日本在能源方面的压力。地热能的利用：现阶段地热能的利用因技术难和地域局限性还没有得到广泛推广，但其生态性和发展前景良好。美国福特汽车公司在瑞典北部汽车展销厅利用地热能大幅降低了冬季能耗。

新能源技术在建筑上的应用减少了能耗，完善了能源系统，与生态技术的理念相契合并能带来可观的社会经济效益。

4 案例分析

4.1 上海世博会场馆英国馆

展馆面积约为2500m2，原型取自世界上第一个零二氧化碳排放的BedZED社区，所有建筑材料都可循环利用。馆内设零碳报告厅、餐厅、展示厅和6套零碳样板房。室内的家具、电器、内饰等都采用最环保的产品。

该展馆建筑顶部有众多随风转动的五彩“风帽”，能够将新鲜空气送入室内，并利用太阳能和“江水源”系统对室空气进行除湿和降温。墙体表面附着特殊荧光涂料，白天储存的太阳能量将在夜间释放荧光，减少照明能耗。通过“生物能热电联产系统”对零碳餐厅内各种有机废弃物、一次性餐具等进行降解获得所需电能和热能。降解之后的剩余物，还可用来做“生物肥”[5]。

4.2 上海世博会场馆马德里馆

展馆面积3000m2，竹屋总建筑面积2923m2，是一座完全被竹子覆盖的建筑。原型为马德里当地的公共廉租房，馆内竹屋按照1∶1布置，保留了各种户型的居住单元，并配有家具。建筑外表面竹质表皮的开启变化使得静态的建筑外立面处于不断变换换之中，配以光影带来的曼妙感给人以奇妙的视觉享受。

“竹屋”外部用薄竹片串联而成，材料全部来自于我国，实现就近取材。竹制百叶窗能有效避免太阳直射，减少建筑内部的空调能耗。每个单元可根据气温状况开启或关闭竹幕墙：日照强度高时关闭竹幕墙避免太阳直射，降低建筑内部的空调能耗；在清晨和傍晚时开启以实现通风及热交换。“空气树”是一座直径为12m的钢结构建筑，紧挨竹屋而建。内部安装的可自动开启的百叶窗和引风机，顶部安装太阳能板，实现能源自给。

4.3 温州城市新区

温州滨江桃花岛居住区位于该市沿江路以东、浦州河以北，地理位置优越、交通便利。用地范围内地势平坦，水资源较为丰富。年平均温度17.9℃，阳光资源较充沛，地处瓯江下游南岸，易受台风暴雨袭击造成洪涝灾害。

该区位于我国夏热冬冷地区，为解决住宅冬夏季的室内热环境问题，夏季空调冬季采暖成为一种普遍现象，电耗能较大；温州地区夏季气候湿热，潮湿为该区气候的一大特点，细菌繁殖速度比干燥的北方快，要达到适当的室内卫生条件，该地区居住建筑的通风换气量须多于北方。

通风设计：建筑周围种植适宜树木，以降低夏季阳光透射率。建筑侧窗、天窗、气楼形成室内良好自然通风。利用建筑竖向交通区、夹层区及室内外温差、空气压差进行自然通风，有效进行室内降温。采光设计：利用南北向窗设计，减少北向窗墙比，增大南向窗墙比，有效利用自然通风和日照。根据建筑形体、大小、开间、进深、层高等设置采光口。设置锯齿形天窗将自然采光与太阳能光电板相结合。噪声设计：用种植墙作为建筑围墙，利用树木吸声作用阻挡噪音。室内分户墙与室外东墙采用隔声材料。雨水收集：建立中水循环系统收集屋顶雨水，进行植物灌溉等。雨水先经屋顶绿化系统过滤处理，其余在住宅临近路面两侧设置开放式排水道收集，过滤后用作家庭用水。保温隔热生态技术：外墙围护结构采用轻质、保温、隔热、吸音、无害复合墙体材料，既减轻建筑自重，又降低能耗[1]。

4.4 英国BedZED零能耗生态村

BedZED零能耗生态村位于英国伦敦南部萨，占地面积1.7hm2，住宅82套，拥有2500m2工作场所、商店及其他社区服务设施，总共244户，限高三层。生态村以“自给自足”为主要原则，充分利用周边区域内的能源和废弃材料以减少运输对环境的影响。节能为该村最大亮点。

生态村通过利用当地可再生能源、降低能源需求这两种生态策略立建筑零能耗综合体系，在建筑布置、建筑材料及采暖制冷设备等方面尽量降低能源消耗。建筑设计过程中，通过优化建筑剖面，最大限度地利用太阳能。将大面积三层玻璃天窗设置在建筑北立面，房间朝南，使建筑南立面更好地吸收南向阳光。工作场所置于阴影区后减少了建筑过度受热，降低了使用人工机械通风和空调系统消耗的能源。为保证空气流通和室内通风，每个住宅中都安置有双层玻璃的阳光屋，设置大面积可开启窗。

建筑细部设计方面，采用节能材料提高建筑蓄能能力。在住宅屋顶、墙壁和地面上设置厚达30mm的超隔板层，保持室内温暖；通过太阳光、人的活动及灯光、器具辐射的热量达到室内供暖需求。屋顶种有多种花草或者蔬菜以代替隔温层，夏天形成丰富景观，冬天有助于防止室内热量的散失。将高蓄热性能混凝土作为住宅室内天花板、墙壁和地面内表面，将其直接暴露室外以调节室温。此外屋顶还有大面积的太阳能电池板，可以将白天的太阳能转化为电能。

室内外水资源利用方面，在建筑的屋顶和地面设有雨水回收系统，可以收集露台、道路和地面雨水，一部分集中于蓄水池用来浇灌花草、蔬菜等，另一部分排入生态村北面的沟渠以构造极具野趣的宜人水景。对于家用废水和污水，使用被称为“生活机器”的小型生物处理设备，生活污水沉淀后，再经机器处理使其达到一定标准，送回埋于生态村地下的集中水箱，与收集的雨水共同用于厕所冲洗[6]。