可持续发展的生态建筑设计

　　摘要：可持续发展的生态建筑设计已成为建筑设计的热点问题之一。本文介绍了建筑利用资源的4R原则、可持续能源与非可持续能源，并分析了太阳能、沼气在建筑中的应用以及利用土壤或岩石热工特性的覆土建筑。
　　关键词：可持续发展，生态建筑，太阳能，沼气，覆土建筑
　　
　　
　　在我国，建筑能耗占能源总消费量的比例已由上世纪70年代末的10%上升到目前的26.7%，接近世界建筑能耗占能源消费量30%的平均水平。如若加上建造房屋生产环节的间接能耗，建筑能耗的总量已占到社会总能耗的46.7%，因此，建筑节能是重中之重[1]。可持续发展的生态建筑是实现建筑节能的重要途径之一。“可持续发展（Sustainabledevelopment）”的概念最先是在1972年在斯德哥尔摩举行的联合国人类环境研讨会上正式讨论。1981年，美国布朗（LesterR.Brown）出版《建设一个可持续发展的社会》，提出以控制人口增长、保护资源基础和开发再生能源来实现可持续发展。可持续发展的生态建筑是指采用可持续的、可再生能源的建筑[2]。
　　1. 建筑利用资源的“4R”原则
　　在目前资源匮乏的现状下，可持续发展的建筑设计尤其注重考虑建筑对于自然环境的适应和影响，以及建筑与自然环境之间的物质、能量交换。在建筑对于资源的利用方面，特别强调经济性原则，所谓的“4R”原则，即：Revalue、Renew、Reduce、Reuse／Recycle[3]。
　　Revalue意为“再评价”，引申为“再思考”、“再认识”。长期以来，人类已习惯了对自然的索取，从而导致了人类自身生存环境的破坏，直到这种破坏开始威胁到人类的生存，人们才意识到问题的严重性。人们不得不重新审视自己过去的行为，重新评价传统的价值观念。
　　Renew有“更新”、“改造”之意。主要是指对旧建筑的更新、改造、重新利用。充分利用现有质量较好的建筑，通过一定程度的改造后加以利用，满足新的需求，将可以大大减少资源和能量的消耗，有利于环境的保护，值得提倡。
　　Reduce原意为“减少”、“降低”，减少对资源的消耗、减少对环境的破坏和对人体的不良影响。
　　Reuse或Recycle有“重新使用”、“再利用”、“回收利用”等含义。指重新利用一切可以利用的旧材料、构配件、旧设备、旧家具等，以做到物尽其用、减少资源消耗，保护生态环境。有智者言：世界上本没有垃圾，只有放错了地方的东西。
　　2. 可持续能源与非可持续能源
　　2.1. 可持续能源
　　可持续能源的基本特征是：洁净、安全、永久性，包括太阳能、氢能、水动力能（间接太阳能）、风能（间接太阳能）、沼气、核聚变能、潮汐能、洋流、海浪、地热以及绿色植物能等。其中，潮汐、洋流、海浪、植物能等又属于可再生能源。需要一提的是，可持续能源与可再生能源是两个不同的概念。可持续能源未必是可再生能源，而可再生能源也未必是可持续能源。如太阳能、氢能、核聚变能是永久的、洁净的、安全的，是可持续能源，但不是可再生能源；而柴草是可再生能源，但它对环境产生污染，并非可持续能源。
　　2.2. 非可持续能源
　　非可持续能源的基本特征是：污染性、不安全、有限性（会枯竭）。煤、石油、天然气、液化石油气、煤气、柴草等均为非可持续能源。
　　从治本来缓解能源危机，必须积极开发并有效利用可持续能源，以可持续能源取代传统的非可持续能源。在我国，最值得广泛发展利用的可持续能源是太阳能和沼气，这两种能源分布最广，可在不同规模的建筑上加以应用。
　　3. 太阳能建筑
　　所谓太阳能建筑，即建筑物通过设计，能够高效、优化地对太阳能加以利用。根据建筑物捕获、利用太阳能的系统不同分为主动式太阳能建筑和被动式太阳能建筑。
　　有机械循环动力作为重要组成环节参与的太阳能建筑是主动式太阳能建筑，反之，在建筑物捕获、利用太阳能的过程中，没有机械动力作为主要环节参与的则称之为被动式太阳能建筑。特朗伯集热墙、水墙是被动式太阳能建筑中重要的两种类型，在此加以分析介绍：
　　（1）特朗伯集热墙
　　特朗伯集热墙是一种依靠墙体独特的构造设计，无机械动力、无传统能源消耗、仅仅依靠被动式收集太阳能为建筑供暖的集热墙体。它由法国太阳能实验室主任FelixTrombe教授及其合作者首先提出并实验成功的，故通称为Trombewall（特朗伯墙）。特朗伯墙在冬、夏两季以及白天、夜晚的工作运行原理及要求均有所差别。
　　图2~图5为特朗伯墙在冬、夏季节白天、夜晚的工作原理。
　　冬季白天，有太阳时，在集热墙与外层玻璃之间出现温室效应，薄片间层的空气被加热，通过集热墙顶部与底部的通风孔可以向室内对流供暖。夜间依靠墙体本身的储热则可向室内辐射供暖。在晚上，特朗伯墙上下两处的通风孔要关闭，玻璃和墙体之间最好设置绝热窗帘或百叶，以防止墙体向室内辐射传热的同时也向室外辐射散热。墙体向室内辐射的热量加热靠近墙面的空气，被加热的气流同室内气流通过对流得以向室内供暖。在夏季的白天，在集热墙和玻璃之间设置绝热窗帘或百叶等绝热层，绝热层外表面用浅色或铝箔以尽可能地反射太阳辐射。玻璃窗的顶部和底部的通风孔均开启，玻璃与绝热层之间的空气受太阳辐射加热上升，由顶部通风孔流出，冷空气则由底部通风孔进来，在此空气间层保持空气流动，避免温室效应造成的热空气在间层处聚积。夜间，玻璃上的上下两个通风孔依然保持开启，但此时，将墙体外挂的活动绝热窗帘等绝热层移开，使特朗伯墙的墙体向室外辐射散热，得到冷却。墙体冷却以后可继续从室内吸收热量。同时打开集热墙的上下两个开口，室外的冷空气从下口进入室内，室内热空气从上口排出，室夜间室外的冷空气同室内交换[3]。
　　
　　图2特朗伯墙冬季白天工作原理
　　
　　图3特朗伯墙冬季夜间工作原理
　　
　　图4特朗伯墙夏季白天工作原理
　　
　　图5特朗伯墙夏季夜间工作原理
　　（2）水墙
　　所谓“水墙”即以钢桶或薄壁塑料管盛水作为储热物质的墙体。水的比热是1kcal。其他一般建筑材料如砖、混凝土、土坯等的比热都在水的比热1/5左右，所以，用同质量的水贮热比用其他材料的贮热量要多得多，反过来要贮存一定的热量，使用水则比使用其他材料的重量要小，这就是引起人们研究、发展水墙的主要原因。图6是早年美国某住房试验的太阳能水墙。水盛于钢桶内，外表有黑色吸热层，放在向阳单层玻璃窗后。玻璃窗外设有绝热盖板，冬季白天打开放平可作为反射板，将太阳辐射能反射到钢桶水墙上去，增加吸收热，冬夜则关上，减少热损失。夏季则相反，白天关上，以减少进热，晚上打开，以便向外辐射降温。
　　
　　图6水墙的工作原理
　　4. 沼气在建筑中的应用
　　沼气是—种以甲烷（CH4）为主的混合气体，在沼泽、粪池污水池和各种有机污泥中都极丰富。是一种方便、清洁的高品位气体燃料，可用于果品保鲜、制取化工原料，发酵后的剩余物质是具有改良土壤功能的优质肥料；对改善卫生也大有好处，不仅使垃圾、粪便等有效利用，还能杀死病虫。沼气的普及生产和使用曾经是我国60～70年代乡村建设的一项很重要成就。今天，在发展中国家推广沼气技术仍然是联合国有关组织的既定政策，而且已经成为不少发达国家生态建筑组合技术中的一个重要组成。生产和生活中使用沼气可以节约大量的煤气或天然气，是以可持续能源取代非可持续能源不容忽视的重要措施。
　　沼气的产生和利用不仅仅可以在我国的农村推广普及，经过设计也可引入城市居民的生活。在城市居住小区的建设实践中，沼气罐可设在绿地之下，与管道煤气及中水系统相连接，以沼气这一可持续能源替代传统非可持续能源的生态住区。如果将一座普通多层住宅楼的居民粪便收集起来生产沼气，则所需的地下沼气发生罐约9m3。生产沼气的初始时间约一周左右，产生的沼气量基本能够维持该住宅楼居民的日常炊事用气。自产的沼气几乎可以完全替代管道天然气或液化煤气，不仅每户居民每年节约人民币约300元，同时，还将节约大量的燃气资源。
　　5. 覆土建筑
　　所谓的覆土建筑即指：有部分或全部被土层或岩石所覆盖的建筑。也有称掩土建筑。从旧石器时代人们就已经住着天然洞穴和人工地下建筑。中国北部的窑洞和地下村落已存在了几千年。在非洲北部也有许多建在低洼地带和斜坡地带的地下村落。最著名的有玛突玛塔和突尼斯的地下村落，有的村落在半山腰凿石而成，依仗山势，一些建筑群落甚至高达8～10层[4]。覆土建筑的特点即有土层或岩石覆盖，它的优势主要来自土壤或岩石的热工性质，总能保持建筑内部冬暖夏凉。
　　覆土建筑的选址必须对现场进行广泛而仔细的研究。仔细研究建筑物的使用性能，建房现场的气候、环境（是否有河流通过，地下水位等等），尽量避免山体滑坡、塌方事故，或防止因地下水位过高而使房屋受到浸蚀危害等。
　　6. 结论
　　可持续发展的生态建筑设计包括诸多方面的内容，真正全面实现建筑设计的可持续发展是一个长远的、非常困难的理想目标。随着人类生产、生活水平的发展，更多问题的不断涌现以及人类能力、手段的不断提高，可持续发展建筑的概念也必将随之发展、变化。从这一角度而言，可持续发展的生态建筑设计也是一项不断发展、永无止境的设计科学。
　　参考文献
　　[1]宋春华.广义建筑节能与综合节能措施[J].住宅科技,2005,(11):5-10.
　　[2]帕高•阿森西奥(西班牙).侯正华宋晔皓译.EcologicalArchitecture生态建筑[M].南京：江苏科学技术出版社，2001.
　　[3]夏云等.生态与可持续建筑[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.
　　[4]周浩明，张晓东.生态建筑——面向未来的建筑[M].南京：东南大学出版社，2002.