生態建筑能源利用技術的探討★

李 琪 楊衛波*

(1.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇揚州 225127;2.揚州大學能源與動力工程學院，江蘇揚州 225127)

0 引言

伴隨著社會進步及經濟發展所帶來的生態平衡的嚴重破壞，人類在滿足自身發展的同時力求尋找到一種人、自然與社會和諧共生的可持續性生存環境。建筑業作為人類對自然資源、生態環境影響最大的活動之一，同樣面臨著可持續發展的問題，由此而引發的將可持續發展思想融入建筑設計中的生態建筑漸成為社會各界人士共同關心的一個熱點。

本文擬從能源利用技術的角度對生態建筑進行探討，以為其實際應用起到拋磚引玉之功效。

1 生態建筑

生態建筑是從生態學的角度來考慮建筑設計，是生態學與建筑學兩大學科相結合的產物。生態建筑就是用生態學原理和方法，以人、建筑、自然和社會協調發展為目標，有節制地利用和改造自然，尋求最適合人類生存與發展的生態建筑環境，將建筑環境作為一個有機的、具有結構和功能的整體系統來看待［1］。生態建筑設計的最終目標就是要實現資源的有效利用、舒適健康的生存環境及建筑的可持續性。

2 生態建筑與能源

能源是人類賴以生存與發展最重要的物質基礎，而建筑能耗是能源消費構成的重要部分，占相當大的比重。因此，在能源如此短缺的今天，在能耗占社會總能耗比例如此之大、能源消耗帶來環境污染問題如此嚴重的建筑領域必須重視建筑節能技術，并大力提倡以綠色、生態及可持續性為標志的生態建筑能源利用技術，以實現建筑、能源、環境及社會的可持續發展。能源系統設計作為生態建筑研究中的重要組成部分，其能源利用的可持續性既是生態建筑從理論走向實踐的必經之路，也是生態建筑要實現的主要目標之一。

3 生態建筑中的能源利用技術

3.1 生態建筑能源利用技術的層次性

生態建筑能源利用系統是在綜合運用各種能源技術后形成的一個綜合能源技術集成體，其品質的好壞在很大程度上取決于所選用的各種能源利用技術的層次性。根據復雜難易程度，可以將生態建筑能源利用技術分為以使用簡單與常規技術為主的低技術與采用最新科技與高新技術的高技術兩個層次。前者屬普及型的生態建筑能源技術，如各種形式的被動太陽能利用技術及地熱能直接利用技術等;后者多屬研發型能源技術，如以太陽能作為能源的太陽能熱泵、制冷、空調及發電技術與地源熱泵等。生態建筑能源利用技術層次性的選擇應根據當地的具體情況，綜合考慮經濟與社會效益來決定，其選擇的原則是要尋求經濟增長與生態環境效益的綜合平衡。

3.2 生態建筑中可利用的能源形式

3.2.1 太陽能

太陽能是目前生態建筑中應用最成熟的一種能源形式，主要可分為被動式與主動式利用兩種形式，其中前者是指不需要輔助動力及能源轉換裝置直接對太陽能加以利用的方式。后者主要是指需要各種動力或能源轉換設備的太陽能利用系統。被動利用技術多屬于成熟的低技術，但因其簡單、造價低及效果明顯而在當今生態建筑領域得到廣泛應用。主動利用技術多屬高技術形態，需要復雜的技術與設備作為支持，但其對于開發利用不能直接使用的太陽能資源及轉換太陽能形式以拓寬其應用領域等方面均具有重大的意義，因此具有很好的發展前景，目前在高技術生態建筑中應用廣泛。

3.2.2 地熱能

地熱能主要是指來自深層地殼內部的可開采的中高溫可再生熱能和源自吸收太陽輻射能的溫度較低的地表熱能。根據是否需輔助耗能設備對能源品位進行提升或轉換，地熱能在生態建筑中的應用可分為直接與間接利用兩種形式，前者主要包括利用地溫恒溫特性的覆土建筑、利用地下風道對室外新風進行降溫加熱的地下空調、利用地下水直接進行采暖與降溫的地下水空調、利用地下土壤(或巖石)進行(太陽能)季節性儲能技術等;后者主要包括利用地表土壤(或水)中能量的各種形式地源熱泵及利用地下深層中高溫地熱水(或蒸汽)的地熱發電技術等。直接利用形式多屬于低技術層次，而間接利用形式中的地源熱泵技術是伴隨著能源危機而在近期才出現的，屬于高技術層次，正處于研究與推廣階段。

3.2.3 風能

風能是太陽輻射造成地球各部分受熱不均勻而引起各地溫差和氣壓不同導致空氣流動而產生的能量。利用風力機械可將風能轉換成電能、機械能和熱能等。風能利用的主要形式有風力發電、風力提水、風力致熱及風帆助航等，其中風力發電是目前應用最廣泛、近年來發展最快的新能源和可再生能源利用形式，許多國家都制定了相應的發展規劃與激勵政策。風能在建筑能源中的應用是有待進一步研究的建筑節能技術。

除了風能發電外，如何將風能轉換成熱能并用于建筑物采暖與降溫等是一項嶄新的生態建筑能源利用技術的研究課題，有許多難題有待于解決。

3.2.4 生物質能

生物質能是綠色植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能而儲存在生物質內部的一種能量。其利用方式主要有直接燃、熱化學轉換和生物—化學轉化三種，其中直接燃燒法在今后相當長時期內仍將是我國農村生物質能利用的主要方式。生物質能一直是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居世界能源消費總量第四位的能源。

3.2.5 海洋能

海洋能是指蘊藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、海水溫差能及海水鹽度差能等不同的能源形態。海洋能按儲存的能源形式可分為機械能、熱能和化學能，其中潮汐能、波浪能、潮流能、海流能為機械能，海水溫差為熱能利用，鹽度差為化學能。海洋能技術是指將海洋能轉換成為電能或機械能的技術，對于靠海地區，大力開發海洋能具有重要的意義。

3.3 生態建筑中常用的節能與生態元素

3.3.1 太陽能強化通風構件

太陽能強化通風構件是最為經典的被動式太陽能利用技術，且因其設計簡單、造價低及效果明顯等優點而頗受建筑設計者的青睞，近年來已成為生態建筑能源系統設計中一個必備的節能與生態元素。目前比較流行的太陽能強化通風構件有特朗伯墻、太陽能煙囪及屋頂式太陽能集熱器。其中前者發展最早，后兩者都是在前者的基礎之上發展起來的。其原理都一樣，均是利用太陽能加熱夾層空氣而產生熱壓來驅動空氣的流動，從而起到強化通風(夏季)或給室內供暖(冬季)的效果。

3.3.2 生態幕墻系統

生態幕墻系統是當今生態建筑中普遍采用的一項先進技術，并被譽為建筑“可呼吸的皮膚”或“生物氣候緩沖層”。它主要是針對以往玻璃幕墻能耗高、室內空氣質量差等問題，采用雙層體系作為建筑圍護結構，提供自然通風、采光、增加室內空氣舒適度及降低能耗，從而較好地解決了自然采光和節能之間的矛盾。生態幕墻的主要功能是在滿足室內采光要求的前提下達到節能、通風、改善室內空氣品質、隔音及建筑美學要求。

3.3.3 建筑中庭

建筑中庭是指建筑的一面或多面采用玻璃與室外隔斷的半室內半室外建筑空間，在某種程度上也可以將其理解為一種擴大了的“雙層皮”幕墻體系。它作為一種廣受歡迎的集休閑、娛樂、購物、交通及餐飲等于一體的多功能公共建筑空間，在當今高技術生態建筑中得到廣泛應用。中庭空間在吸收太陽輻射、改善自然采光、促進室內通風及緩沖室外氣候的影響等方面的生態效應也逐漸被人們所認識。中庭往往被設計成一個被動式太陽能的調節空間，把它作為溫室，成為室內生態區的一部分。中庭空間不僅是現代建筑室內的精彩演繹，也是生態建筑中重要的生態與節能設計策略。

4 生態建筑綜合能源利用系統設計的原則與目標

生態建筑綜合能源利用系統是依據各地具體情況，綜合采用各種能源技術與形式的集成體。其設計宜采用被動與主動技術、低技術與高技術相結合，以優先采用被動與低技術為主，并在此基礎上考慮主動與高技術層次能源技術的設計原則。在能源技術層次的選擇上，還要考慮生態建筑本身的定位，如屬低技術的生態建筑，則宜以低層次的能源技術為主，如屬高技術則有必要采用一些當代高技術層次的能源技術手段。在能源形式與種類的選擇上，要因地制宜，以選取當地最適宜的能源形式為宗旨。

生態建筑綜合能源利用系統的最終目標是在保證與環境和諧共處的前提下，用最少的常規能源消耗來為人們提供一個適宜的生存空間。

5 生態建筑能源利用技術的評價

生態建筑能源利用技術的評價大致可以從以下四個方面來對生態建筑能源利用技術進行評價:

1)建筑節能狀況。

重點應放在圍護結構的保溫、隔熱及其相應的自動控制上，使建筑節能滿足國家現行的有關標準，具體實施與評價嚴格按照建設部發布的《民用建筑節能管理規定》(建設部第76號令)執行。節能指標對于北方采暖地區為50%，其他節能措施要達到節能5%。

2)常規能源系統的優化。

在使用常規能源時，應對能源系統進行優化，應合理地選擇確定整個系統中各設備系統的能源供應方案，優化設備系統的設計與運行，避免因多種能源結構形式的重復建設而造成浪費，在滿足功能與健康要求的基礎上，減少對常規能源的需求量和因使用常規能源對環境造成污染。

3)新能源的利用。

新能源的利用程度是生態建筑能源利用技術評價中的一項重要參考指標，是生態建筑是否符合“生態”原則的直接體現與標志。其重點應放在太陽能、地熱能、風能、廢熱資源等綠色能源的開發與利用上。新能源的利用要因地制宜，宜選擇適合本地特點、性能價格比優良的技術與產品。

4)環境效益。

環境效益作為生態建筑最重要的目標之一，是其是否生態的直接體現，是評判建筑是否生態的主要指標，而能源利用技術在很大程度上決定了其對環境的影響。因此，生態建筑中應盡量使用綠色能源，減少環境污染。

6 結語

生態建筑能源系統的設計作為生態建筑研究中的重要組成部分，是一項涉及多專業領域交叉的復雜系統工程，需要建筑、能源及動力設備等學科的密切配合，其具體實施過程要因地制宜。生態建筑能源利用技術的研究將有助于促進建筑與能源動力等學科的結合，并為其相互融合發展提供一個好的平臺。

［1］李華東，魯英男，陳 慧，等.高技術生態建筑［M］.天津:天津大學出版社，2002.

［2］中華人民共和國建設部建筑節能辦公室.夏熱冬冷地區建筑節能技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［3］王如竹，代彥軍，吳靜怡.太陽能熱集成技術在全國首座生態建筑示范樓的應用［J］.太陽能，2005(1):24-26.

［4］江 億，薛志峰.超低能耗建筑技術及應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［5］王長貴，鄭瑞澄.新能源在建筑中的應用［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［6］周浩明，張曉東.生態建筑——面向未來的建筑［M］.南京:東南大學出版社，2001.

［7］建設部住宅產業化促進中心.綠色生態住宅小區建設要點與技術導則［J］.住宅科技，2001(6):3-10.

［8］聶梅生，秦佑國，江 億.中國生態住宅技術評估手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2002.