喻晓洁 谢倩

摘要：以2013国际太阳十项全能竞赛作品sunbloc为例，分析建筑技术及材料对于建筑能耗的影响。通过建筑本身的朝向、内部平面布局、使得主动式与被动式技术相结合，从而最大化地利用太阳能。同时，在外围护结构、材料等方面积极尝试新的可能性，达到在不利用常规能源的前提下，也能根据自己本身的构造特性实现被动式节能。在实践与实验的同时也为低能耗建筑技术和材料的运用提供了新市场。

关键词：主动式 被动式 EPS材料

2013年8月在中国山西省大同市举办了太阳十项全能竞赛，国际太阳能十项全能竞赛 （Solar Decathlon，SD）是由美国能源部发起并主办的，以全球高校为参赛单位的太阳能建筑科技竞赛，参赛的建筑作品将完全依靠太阳能进行运转，同时接受十项激烈竞赛标准的考核，其中最美观、宜居、节能、创新的建筑作品将获得竞赛冠军。这不仅仅对传统意义上的建筑设计有一定的要求，而且在能耗方面也是非常具有挑战性的一项任务。本文对参赛作品Sunbloc从建筑构造和建筑节能方面来进行解读。

1建筑立意及空间布局

Sunbloc 是世界上第一座泡沫房子，这种泡沫中运用了发泡聚苯乙烯的热性能、低密度、可压缩空间、易塑形和性价比高的特点成为新型房屋的典型代表。是一个新型建筑体系。

1.1建筑形态

整体的建筑结构造型的不仅出于外观的新颖和独特性，而且结合了山西大同的气候状况，经过周密的热工软件所计算而成（图1-1）。最终形成了集美观和实用性为一体的建筑体量。为了达到太阳能的最大化吸收，放置太阳能板的屋面为一天之中热量最多的地方，并采用了与室内平面倾斜的15°角。

此外，建筑的屋顶可以根据建筑不同的朝向进行参数化设计，根据平面布局入口的方向而做出相应的变化，使得建筑无论处于什么样的方位都能够保证太阳能最大化的收集与利用。这也是设计的主要出发点之一，希望成为一个移动的居所，能够满足世界各地人们的需求。

图1-1 Sunbloc建筑表皮受热情况

1.2功能空间分隔

整个场地的用地范围为24m×24m，为了能在足够的居住空间与建筑能耗最小化之间找到一个最佳的平衡点，最终将建筑的使用面积定位在65.7㎡（图1-2）。其中包括卧室、洗漱间、厨房、餐厅和起居室，四个主要空间都围绕中间的呼吸中庭而依次展开，形成了一个围绕中间核心筒的围合空间，组成了整个建筑（图1-3）。同时室内的家居设计中增加了一些可收缩的空间，大大增加了空间的灵活度，卧室中可伸缩的床、餐桌以及茶几。这些都使空间得到了足够的放大（图1-4）。

图1-2 室内平面图 图1-3 室内实景图 图1-4 可收缩家具

此外为了扩展建筑的室内外的联系，在南面起居室的外围，设置了一个室外party区，当白天参观人数众多的时候这里可以成为大家等待的休息区，当夜晚降临的时候可作为与各个团队一起探讨的场所。

2被动式太阳能设计策略

2.1防水阻燃

EPS泡沫的防火性能并不是很理想，因此在制作EPS原材料时，在EPS里添加了防火剂，让Sunbloc达到了B+的防火等级。并且在室内的墙与景观墙之间用速干水泥做了一个防火层，经过试验的检测也同样可以达到B+防火等级。（图2-1）

图2-1 速干水泥涂层加上EPS泡沫的防火试验

在室内的地面材料中，在原有的EPS上增加一层欧松板，并在欧松板之上贴上软磁饰面（图2-2），软磁属于国家A级防火柔性材料，经过国家建材检测中心检测，它的耐老化性能达到3500h以上，相当于50年，因为材料属于柔性因此它的表现力也极强，非常符合Sunbloc的异形，它是经过原生态的形式合成天然石材、面砖、金属、皮纹既透气又防水，能够让建筑自然呼吸，这也是Sunbloc低能耗原生态的宗旨之一。

图2-2 软磁饰面与EPS结合的试验

2.2建筑的肺——中庭

在室内的核心筒区域作为整个建筑最主要的支撑也是整个建筑呼吸的肺，当晴天时，建筑外部的绿化墙吸收部分太阳的热量之后将热量折射出建筑之外，降低了太阳直接照射墙面的温度，这时面对太阳的屋顶气温温度高气体膨胀上升，在高空形成高气压，在室外近地面形成低气压。于是空气从高压的室外流向室内低压，再经由室内中庭流入到屋顶的高压区。这样即使在热量比较高的晴朗天气也能依然保持室内的清凉（图2-3）。

图2-3晴天 图2-4阴天

当阴雨天气来临的时候室内温度较高为低压区，室外温度较低为高压区，这时建筑室内的热量向室外扩散，由于EPS具有非常好的保温性能，使得室内的热量得以很好的保存，避免了能量的损耗。雨水降落在屋顶和绿化墙上，当满足了植物生长的需要之后，多余的水资源会汇集到雨水收集系统进行二次利用（图2-4）。

2.3 天然空调——屏风

经过建筑屋顶热量模拟分析得知南边为太阳能充足的区域，因此可以将屋顶的太阳能板设置在屋面上，利用热量模拟山西大同每个季节最典型的阴影成形，再根据模拟出来的一系列数据的分析找到一年当中在当地夏季光照投影最小但是在冬季光照投影最长的最优化几何图形，这样就好像是树荫下夏天的太阳，各种角度使得不同程度的光能扩散到室内（图2-5）。

图2-5 屏风几何形設计以及热量对比分析

图2-6 屏风对整个建筑的热量模拟以及实景照片

经过优化设计的屏风在当夏季室外温度较高时，可将太阳辐射挡在室外，风经由几何形的小门洞吹入室内；当冬季室内温度较低时，太阳会经由屏风上的几何形最大程度的进入到室内（图2-6），同时设备间的热量循环系统也将给室内提供热量，这时候的Sunbloc成了被动式的保温房。

3主动式太阳能设计

在Sunbloc中除了能够最大程度利用被动式设计使得建筑能耗降低到最小之外，为了让建筑达到零能耗的目的，还充分利用太阳能作为光电和光热系统，来保证建筑的日常使用。 Sunbloc的全部能源都由屋顶太阳能光伏电板获得，并由陶瓷集热器热水系统，智能灯光控制系统，中水处理系统，雨水收集和外墙绿化灌溉系统集一身的一体化智能能源循环系统。

3.1 太阳能光电系统

整个建筑的太阳能系统由26块太阳能板所组成，用串并联的方式总共连成17组来供应建筑的日常所需，太阳能板是用钢架所支撑的通风系统， 也是为了管线能够更好地排布，主要提供室内的智能灯光系统、厨房的烹饪用电（图3-1）。经过2013中国国际太阳能十项全能竞赛期间对Sunbloc太阳能应用，热水供应，家庭用电，家庭娱乐等测试，电能产生量与房屋能源消耗量相益为零。

图3-1 太阳能能耗示意图

3.2 陶瓷太阳能集热系统

陶瓷太阳能集热器主要有陶瓷太阳能板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。当陶瓷太阳能集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在陶瓷太阳能板上，被陶瓷太阳能板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使得它的温度升高，作为集热器的有用能量输出。

Sunbloc的陶瓷太阳能板主要是提供室内的日常生活用水的热量，以及在冬天的时候作为一个热源，保持室内的温度。陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体，立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体。其整体为瓷质材料，不透水、强度高、不腐蚀、不退色，无毒，阳光吸收率不会衰减，具有长期较高的光热转换效率。

4建造优势与市场前景

4.1 质轻

普通混泥土重量为2400kg每立方。普通泡沫重量为15kg每立方。Sunbloc重量为35kg每立方米。根据不同的需求Sunbloc泡沫密度可以做到75kg每立方米甚至更高，但它还是很轻，而且热质量很高。因此，未来的Sunbloc有可能是梦想的“移动城堡”。

4.2 易塑形

通过计算机建模，可以根据造型做出一套电子模板，并利用激光切割出实体模板，接着将模板固定于高密度泡沫上，由两人手持长距离电热丝工具切割，以简单的二维模板现场制作。Sunbloc造型可千变万化。

4.3 易搭建

普通单体房子建设周期为1-4个月不等，而一块3米长的EPS块预制完成只需一个小时左右，也就是说，Sunbloc建设周期只需3-5個星期。将预制好的Sunbloc泡沫体块运至工地现场进行拼装。并利用预应力系统将Sunbloc结构做得更加坚实。整个过程方便快捷，一群非技术人员就可以轻松地对Sunbloc的简单单体进行组装。

4.5 抗风、抗压、抗震

可能大多数人会担心，这么轻质量的房子，是否大风就能轻易吹跑？其实不然，Sunbloc被预应力系统紧紧地箍在地基上，并与地球连在一起。经过山西大同9级风力的暴风雨天测试，Sunbloc完全能够过轻松应付。

抗压是泡沫的天然属性。混泥土受压碎裂，高密度泡沫受压只会变形。在地震时，普通房子易碎裂倒塌造成大量人员伤亡。而Sunbloc只会变形，就算是体块爆裂，轻软的泡沫体块也不会致人重伤或死亡。

4.6 造价低廉、可回收利用

在中国一线城市，天价的房子让大多数人沦落为房奴。而全新的Sunbloc，圆了大部分人的梦想。它能轻松适应不同环境场地，对于不同家庭条件和经济上的考虑能够进行，定制，扩张或重新配置。而这一切，只需要30万起。

任何建筑都有寿命。Sunbloc也不例外，当某一天它不再年少，你可以让专业人员将它一块一块拆卸下来回收，运至泡沫制造厂回炉重熔，并生产一块块全新高密度泡沫，便可重新加工出一个全新Sunbloc。

5.结论

综上所述，国际太阳十项全能竞赛低碳、环保、可循环利用、可持续发展的理念，以革命性的技术和前瞻性的创意，成为保护地球生态环境，节约资源能源和改善人类居住环境的一股强大力量。

参考文献

[1]尖端可持续性：低端耗能建筑的新兴技术.北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]吕亚军，高辉，陈铖.零耗能的途径——SED2012竞赛作品解析[J].新建筑， 2013（04）

[3]王崇杰，丁玎.2013年国际太阳十项全能竞赛[J].建筑学报，2013（11）