欧洲低碳建筑设计

104欧洲低碳建筑设计LowCarbonBuildingDesign:EuropeanExperience撰文肖晓丽中国建筑设计研究院PhilJones英国卡迪夫大学摘要关键词建筑环境是营造可持续发展的未来的关键。本文论述了可持续发展的动因以及影响建筑环境的相关因素，通过研究欧洲的一些实例，分析探讨了设计中的主要问题，如高能效设计，可再生能源利用，灰色能源，造价及现代建造方法等。在英国乃至欧洲，建筑业正在积极的满足日益增长的绿色建筑的要求。气候变化可持续性低碳建筑设计引言CO2被普遍认为是造成全球气候变暖的主要的温室气体，过量的温室气体正是引发极端的天气现象的原因。地球目前30到40年时间内的气候变化取决于过去的温室气体排放，而我们不得不接受这个事实，正视这一问题。世界人口将持续增长导致更多的物质需求，从而引发能源、水和材料的稀缺。然而，这些资源并不是取之不尽用之不竭，正在减少，如果我们仍不采取措施采用可持续发展的生活方式，而是仍然不加控制地使用资源、能源、材料，不加控制地产生垃圾和制造污染，环境灾难将不可避免。可见，可持续发展观念必须进入人类的意识之中。建筑在营造更加可持续的未来中扮演着重要的角色，从全球范围来看，建筑消耗着近50%的能源、水和材料，并在建造及使用过程中产生成堆的垃圾。建筑使用能源以供给舒适生活所需的采暖、制冷以及照明。目前，这些能源绝大部分来自于矿物燃料的燃烧，并释放CO2。即使科技发展提高了能源使用效率，但总消耗量仍持续增长。原因是持续增加的建筑数量和规模，以及建筑中使用的设备与建筑环境规划相关的交通量仍在增长。被动式设计提倡借助自然的力量来利用可再生能源，减少传统能源以及水资源的使用，鼓励“低碳”生活方式，改变人们的思维和行为方式，从而能大大提升建筑和城市设计的效果。其实，营造“低碳”的建筑环境在技术上并不复杂，甚至有些技术更为简单易行，但它的前提是需要对我们常规的设计和规划以及我们生活、工作、娱乐的方式稍做改变。1可持续发展的动力“可持续发展”这个名词已经不是一个新鲜事物了，我们已经谈论了30多年了，然而却做得甚少。很多时候人们都对它持望而生畏的态度，不知道该如何去实践，意欲等待所有的未知和不确定因素全部明了之后再去做。环境因素、社会因素和经济因素是“可持续性设计”三个基点，每一点都能够拓展到很大的范围，于是环境道德、社会公正、文化价值改变以及思维习惯、生活习惯、可持续发展的教育、政治以及经济等都被涵括进来，这使得可持续发展这一系统变得更为复杂。另图1105欧洲低碳建筑设计LowCarbonBuildingDesign:EuropeanExperience外，建筑工业在技术变革进程中一般较为迟缓和滞后，而一个工程项目的设计建设周期又不长，这为可持续在建筑中的应用增加了难度。低碳建筑设计的宗旨是通过建筑设计达到尽量低的二氧化碳排放量，这是可持续发展建筑设计最好的动力，通过它可以引进其它有关可持续发展的因素如材料、能源的应用、健康生态的室内外环境等（图1-3）。“低碳建筑设计”比较容易理解，并有着较为成熟发展的知识和技术支持。推行可持续发展建筑与采取措施同样都可以有效地消除偏见，获取自信；实践经验更增强了人们理解可持续发展建筑获得自信的信心。欧洲制定了一系列国际和国内的建筑规范、法规和条例来应对气候变化，同时还制定了环境评估体系来进行评估，为建筑的完成度打分，如Ecoprofile(挪威);ESCALE(法国);Eco-Effect(瑞典);Eco-Quantum(荷兰);Protocollo(意大利);LCAHouse(芬兰);Built-It(德国);BEAT(丹麦)和BREEAM(英国)。在英国，鉴于住宅的二氧化碳排放量占全国总二氧化碳排放量的27%，英国的《可持续发展住宅规范》制定了走向零碳住宅的三个步骤：到2010年二氧化碳排放减少25%，到2013年减少44%，到2016年达到零碳排放。威尔士议会制定的目标是到2011年所有的新建建筑都应该是零碳排放，所有新建筑必须达到BREEAM评估优秀级。英国和欧洲的能源利用认证促进了高能效建筑的设计并鼓励对已有建筑进行优化改造来达到评估要求。在未来，如果一个建筑不是“绿色”的，那么投资修建它很可能是个冒险，因为它将会很难被出售或者出租。2案例研究在欧洲近10年内所有的新建建筑都会逐渐实现“零碳”。目前零碳建筑并不多，但已建成了一些比较好的低碳建筑。这里就欧洲几个较早进入低碳甚至零碳建筑的项目作为案例进行研究。2.1概念住宅（建筑设计：卡迪夫大学威尔士建筑学院）威尔士建筑学院为威尔士格瓦列住宅委员会设计的概念住宅（图4）以下三个主要因素作为可持续性建筑设计的出发点，即：①达到近乎于“零碳”的排放量。②建造方式和材料使用上的改革。③使用可替代和可再生的能源。建筑的建造使用可持续性的建筑材料，包括两个方面：“再利用(reuse)”或可以“再循环使用(recycle)”，建造尽量减少现场施工，更多采用工厂预制，采用“现代建造方法”。此设计的热损失约为1千瓦，所以冬季采暖基本上只靠太阳辐射，利用被动式太阳房，太阳能集热器提供热水供热，再加上室内人体和图2图3图4106设备的散热即可实现。通风系统，利用带有“热恢复”性能的通风设备，在冬季利用排风和新风的温差加热新风。主要的起居空间布置在南向，在冬天利用南向双层玻璃幕墙来加热新风供风，排风从北向服务空间机械排出。屋顶上布置太阳能光电板和太阳能集热器。需要说明的是，英国采暖期比较长，冬季采暖要往往消耗大量能源，而夏季气候较凉爽无需考虑空调系统，所以解决好被动供热问题可以大大节约传统能源，减少二氧化碳排放量。2.2巴格兰生态工厂（基地：威尔士巴格兰；建筑设计：卡迪夫大学威尔士建筑学院；业主：尼斯塔尔伯特港政府；建成时间：2000年）建筑中使用了一系列可持续策略，最终使这个生态工厂（图5）率先达到了BREEAM优秀级。建筑的设计原理是被动式设计，本项目充分利用自然采光、自然通风和太阳能控制合理解决了能源和资源问题以及视觉感受和室内热环境舒适度问题。同时，建筑的外围护结构高质高效，具有高气密性，这是建筑达到高能效的前提。太阳能光电板用来供电的同时还兼作遮阳板，在夏季能够有效减少南向过分的热辐射。良好的室内热环境舒适度和视觉环境，以及对于良好工作环境的自豪感大大激发了员工的工作效率。此建筑还赢得了2002年的RIBA地域建筑设计奖，是可持续性设计巧妙融入建筑设计的典范。2.3普拉兹摩老人疗养院（位于巴瑞港，建筑师：PCKO，完成：2003年）巴瑞港的普拉兹摩老人疗养院（图6）有一居室和两居室公寓共38套，由英国威尔士各瓦列住宅委员会、卡马森郡政府以及威尔士议会联合开发。此建筑中应用的可持续发展设计策略如下：①全部使用节能灯具；②利用生物燃料进行区域供暖；③200平方米的太阳能光电板发电；④30平方米的太阳能热水器来供给家用热水；⑤太阳能集热器供给的热水的热能和光电板发电的电能与生物燃料燃烧供暖相结合的供暖系统；⑥能源管理系统。此建筑的特点是“绿色”技术很好地融入建筑设计，而不是建筑的附加物。整体设计的手法使得疗养院造价和运营成本并不高，即使普通大众也可以负担的起，使生态建筑并不是奢华的代名词。此建筑每平方米720英镑的造价在同类建筑中相比是较低的。2.4EMPAEawag低碳办公楼（位于瑞士苏黎世，建筑师：BobGysin+合伙人BGP企业负责人，完成：2006年9月）EMPA是一栋五层的办公楼（图7—图9），中间有一个通高的中厅，开放的楼梯设置其中，开放式楼梯的设置是鼓励人们尽量多地使用楼梯而少用电梯。这个建筑的特点是既不采用传统供暖也不采用传统的制冷系统。中厅的作用是个缓冲区，提供自然通风同时将充足的自然光线引进建筑。夏天的晚上，当室外凉爽下来的时候，建筑外围的窗户自动开启将冷空气抽进室内，进行空气交换后空气温度升高，热空气因浮力上升，从中厅的天窗排出室外——这是建筑的夜间冷却策略。暴露的钢筋混凝土框架结构用来储热和蓄冷，陶土和石膏墙体用来调节湿度。夏天时，埋于地下的管道系统利用地下恒定的温度来预冷室内新风。冬天时，这个系统用于预热供给室内的新风。竖向的漫射玻璃遮阳板可以调节图5-1107角度，夏季时遮挡阳光，冬季时利用太阳能引入阳光。建筑外围护结构的保温隔热性能良好，窗户的U值是0.5W/m2k，墙和屋顶的U值是0.12W/m2k。在大部分时间里办公楼内人体产生的热量，办公设备、照明和太阳辐射产生的热量对于营造一个舒适的热环境已经很充足了。三分之一的屋面铺设了太阳能光电板来发电为建筑供给电能。因为能源效率高的设备往往发热量也比较低，所以高能效的照明灯具和设备不仅有效的减少了用电负荷而且还降低了制冷负荷。屋顶种植绿化，雨水被收集到花园的景观水池中，调节小气候并灌溉植物，利用中水冲马桶。3低碳建筑要点3.1低能耗建筑设计和低碳建筑设计“低能耗建筑设计”基于减少对于能源的需求。“低碳”甚至“零碳”建筑设计不仅建立在降低能源需求的基础上，更值得一提的是要充分利用场地可得到的可再生能源。零碳建筑的电能通常可以在建筑内部和城市电网之间双向流动，自身产生的电量充足时可以补给城市用电量，不足时可以从城市电网获取，之间相互平衡和抵消从而达到零碳排放。设计中需要权衡通过“低能耗设计”把能源的需求降低到一个适宜的程度和如何使用可再生能源这两者之间的关系和比重。例如一个指导原则是降低供暖或制冷的能源需求量使之可以用通风系统来弥补，新风率应该足以满足维系室内环境的良好空气质量，另外同时考虑借助围护结构的蓄热性能来吸收和释放热量。3.2减少能源需求总的来讲，降低能源需求最有效的方法是“被动式设计”，例如：根据太阳、风向和基地环境来调整建筑的朝向；最大限度地利用自然采光以减少使用人工照明；提高建筑的保温隔热性能来减少冬季热损失和夏季多余得热；利用蓄热性能好的墙体或楼板以获得建筑内部空间的热稳定性；利用遮阳设施来控制太阳辐射；合理利用自然通风来净化室内空气并降低建筑温度；利用具有热回收性能的机械通风装置。3.3灰色能源制造和运输建筑材料的过程中会消耗大量能源，建造过程也同样消耗大量能源，我们称之为灰色能源，比起建筑中使用的供热制冷能源来讲它是隐性的消耗，当上述显性能源消耗降低时，隐性能源的消耗比例自然升高。灰色能源消耗占有相当的比重，所以要想真正地实现可持续发展便不能忽视这部分能源消耗。在一些生态建筑中，例如EMPA，在整个生命周期中，它的灰色能源消耗近乎于占总能源消耗的一半。所以，尽量使用当地材料，减少运输过程中的能源消耗；减少对于建筑材料的消费在生态建筑中也相当重要。3.4可替代能源和可再生能源太阳能可以用来产生热能和电能。太阳能光电板技术发展迅速，如今其成本已经大大降低，而且日趋高效。在住宅中使用太阳能集热器是一种有效利用利用太阳能的途径，目前主要用来为用户提供热水。地热能也是一种不容忽视的能源，由于其温度相对恒定，所以既能够在冬季供热也可在夏季制冷，如在EMPA中便有效利用了地热来预热和预冷进入室内的新风。此外，如在普拉兹摩老人疗养院使用的生物燃料，能够替代传统的矿物燃料来降低二氧化碳排放量。图5-2图6-11083.5整体设计生态设计不是建筑设计的附加物，不应把它割裂看待。目前普遍的一个误区是建筑设计完成后把生态设计作为一个组件安装上去。事实上，从建筑设计之初就应该考虑生态的因素使之与设计整合，并使得一种手段能够达到多种功效。例如班格兰生态工厂使用太阳能光电板作为遮阳板来阻挡过多的太阳辐射。减少能源需求的同时能够缩小供热和制冷系统的设备规模，甚至能够完全摈弃传统的供热制冷系统，如EMPA低碳办公楼——无需采用传统系统，仅利用地热以及人体散热及办公设备等产生的热量并采用热回收设备便可满足冬季供热。在普拉兹摩老人疗养院中，入口的玻璃门厅同时充当了被动式阳光房来供热并进行空气流通。3.6现代建造方法现代建造方法旨在尽可能地采用非现场的施工手段来完成建筑的建造，旨在减少湿作业，提高施工效率，提高施工质量，达到更高的客户满意度，它是环