生態技術在建筑中的應用研究

伊若辰

（海南大學，海南 儋州571737）

1 引言

在中國城市經濟持續保持高增長的態勢下，長期高投入、高消耗、高排放的粗放生產模式給資源配置和城市環境的治理帶來了沉重壓力。不可再生資源如石油、天然氣和煤炭的最長使用年限分別不超過100年、200年和400年[1]，現在正在逐漸枯竭?？諝馕廴?、用水緊張、噪聲擾民、垃圾圍城、溫室效應等一系列問題直接影響著人們的生活質量，使人類生存的生態環境面臨日益嚴重的威脅，加劇了社會矛盾。因此，要走出當前面臨的生態困境，必須由征服、掠奪自然轉為保護、建設自然，尋求人與自然的和諧統一。

在建筑的建設過程中，從建材生產、建筑施工到建筑后期使用，無時不刻不在消耗著大量能源。在尋求資源節約和建筑發展的雙重壓力下，如何將新型技術與新能源應用于建筑設計中，使兩者協調發展，是每個設計師的責任所在。

2 新興生態技術的發展

2.1 生態技術的概念

生態技術由生態學原理衍生而出，是指既可以滿足人們的生態需要，減少能量損耗，節約資源和能源，又能保護環境以促進生態平衡的一切方法和手段。其中，替代技術是指開發新資源、新材料、新產品來替代原有資源、材料和產品，提高資源有效利用率，減輕生產過程中給環境帶來的壓力。減量技術是指在生產源頭節約資源、減少污染。再利用技術是指延長原料或產品的使用周期，通過反復使用來減少資源消耗。資源化技術是指將生產過程中產生的廢料變為有用的資源或產品。

不同于傳統生產技術以不可再生資源為能源基礎的高耗能生產方式，生態技術建立在生態學、生物學、信息學等新型科學的發展基礎之上，以生態學原理為理論依據，以太陽能、生物能等可再生資源為能源基礎，以高新技術為中心，輔之以低耗能的常規技術，形成整體性的復合型技術體系。它不以生產單一產品的最優化為目標，而是高效地回收利用廢棄材料和副產品，使之變為另一個生產過程的資源，力求做到輸出產品多樣化和能源消耗最小化，不造成或少造成環境污染與資源浪費，創造低消耗、高產出、自循環、無公害的新型生產技術，實現生產優化。

2.2 新型生態技術與材料的涌現

近年來，由于環境壓力的增大，生態技術產生的可觀社會效益和經濟效益得到了社會廣泛關注，在其開發和科研方面的投入也日益增加，新型生態技術開始涌現。伴隨著來源廣、利用率高、技術易推廣的特點，新型生態材料也相繼出現并得到利用。盡管某些技術存在一定風險，但會因其可觀的價值和生態效益而弱化。

2.2.1 新技術

（1）墻體節能技術。通過改變傳統墻體的結構、材料以及施工工藝來提高墻體的保溫隔熱效果和耐久性。

（2）建筑表皮水幕太陽能技術。其原理與太陽能技術基本一致，利用太陽能產生電能和熱能，與水相結合達到控制和調節建筑溫度的效果。即利用水比熱容大、流動性好的特點作為太陽能的載體在建筑的表皮進行循環。該技術可對建筑表皮進行溫度控制，增加居住舒適度，節省電能。

（3）外墻綠化技術。利用爬墻類植物特性，通過控制植物的生長狀態如疏密程度、覆蓋率等達到隔熱遮陽的作用。該技術充分利用“剩余資源”即建筑的垂直空間，隔熱效果優于傳統的建筑遮陽和隔熱構建。

（4）通風節能技術。利用空氣動力學原理，通過改造建筑結構來改善通風效果，與一些新技術和新材料結合后，可增加其通風散熱效果和穩定性，使建筑本身的屬性和性能得到綜合提高。

2.2.2 新能源與新材料

新能源是以新技術和新材料為基礎，使傳統的可再生能源得到現代化的開發和利用，取之不盡、周而復始。目前太陽能、風能、生物質能、潮汐能、地熱能、氫能和核能等新能源已經被重點開發和廣泛利用。對于在建筑中的應用，重點在于將新能源轉化為建筑常用的電能和熱能。

新材料指與傳統材料相比具有更良好性能或新特性的一類材料。新材料技術指運用現代科學技術經過一系列研究和測試創造出具有特定性質的新型材料的技術。生態建材屬于新材料中的一類，它具有新材料性能優異、針對性強的基本特征，同時可再生，生產過程污染小，使用過程中能產生環境效益。

2.3 新型生態技術的現狀與發展趨勢

生態技術的理念決定了其可以完美契合人類的發展趨勢，在資源環境約束力增強和人類生態需求不斷增加的雙重壓力下，生態技術創新日益重要。除去為技術化生產與開發提供必要前提，生態技術同樣給經濟和社會發展帶來了極大的好處。因此生態技術的發展具有巨大的潛力和廣闊的前景。

新型生態技術的不斷涌現給社會各行各業的繁榮發展提供了有力支持，也給人們的生活帶來了便利。但在生態技術不斷創新的過程中，風險是必定存在的。首先，產品研發中技術的不確定性與復雜程度是創新成功與否的重要影響因素，一旦開發出的新技術無法轉化為實際生產力，會受到市場限制。再者，高速發展的市場導致較高的經濟費用和較慢的效益速度，消費者的需求在很大程度上決定了研發方向。而產品在投入市場前無法對其市場占有率作出準確判斷，投入后無法獲得市場的長久青睞便是失敗的標志。最后，隨著人們環保意識的不斷提高，人們更為關注該技術的實用效果和對生態環境造成的影響。以破壞環境、造成污染為前提的新興技術已不能被廣泛接受[3]。

吳良鏞先生在《北京憲章》中指出：“21世紀必將是多種技術并存的時代?！蹦敲瓷鷳B建筑所涵蓋的技術也應當是多層次的。這其中，由于造價低、重民俗、好尋找等特點，低技術受到發展中國家的廣泛關注。但系統化、規?；彤a業化才是建筑發展，甚至社會發展的必然趨勢，也因此，源自于高技術的生態技術將是未來建筑的發展方向。

3 生態技術在建筑中的應用

3.1 生態建筑的概念

生態建筑又稱綠色建筑或可持續建筑，是根據當地的自然生態環境，運用生態學、建筑技術科學的基本原理和現代科學技術手段等，合理安排并組織建筑與其他相關因素之間的關系，使建筑和環境成為有機結合體，使能源在建筑及其所處環境之中有序而高效地循環使用。遵循尊重自然和以人為本的設計原則，形成人、建筑與自然生態之間的平衡環境，達到自然、經濟和人文三大生態目標。生態建筑的提出，使人們的視野擴展到人與自然關系協調發展的可持續思想，這也是科學和社會發展的必然[2]。

建筑使用耗能是指建筑物在使用過程中用于采暖、降溫、熱水供應、家電、炊事等方面的能耗。在建筑的使用中主要消耗電能和熱能。電能由政府提供，熱能為采暖所需的暖氣和炊事中所需的煤炭、石油、天然氣等。達到建筑節能，須提高能源使用效率以減少損耗和浪費現象，同時開發、利用可再生新能源以降低污染，保護生態環境[4]。

中國建筑發展正處在由數量型向質量型轉變的關鍵時刻，建設生態建筑是中國建筑業轉向可繼續發展道路的一個重要切入點[2]。而生態問題在城市居住建筑建設中表現為片面追求高建筑密度、高容積率，造成新的環境惡化。因此，將節能而環保的新型生態技術引入建筑，建設生態型建筑是中國建筑發展的必然趨勢。預計在2010～2020年間，全國范圍內將有步驟地實施節能率為65%的建筑節能標準，2015年后，部分城市率先完成節能率為75%的建筑節能標準。

3.2 生態建筑的現狀

一些經濟發達國家比如德國、美國、日本等，從20世紀60年代就開始了生態建筑的理論研究和設計實踐。德國積極使用高科技手段在各類公共建筑民用建筑中采用生態的建造方法；美國大力研發計算機軟件，運用高科技實現耗能計算與建筑設計的實施互動；在日本，中水利給排水技術已得到廣泛運用。

2015年3月，眾多代表將綠色建筑議案帶上兩會，中國建筑節能協會會長鄭坤生就如何推進建筑節能工作發表獨到見解。公開數據顯示，目前我國每年新建房屋的建筑能源消耗占全球總能源消耗的41%，同時建筑用電帶來的間接排放加上建筑使用初期能源帶來的直接排放共占21%左右，僅次于工業排放。近年來，我國不斷重視生態建筑研究，頒布了一系列評估標準，使生態建筑研究不斷制度化、規范化。但與發達國家對比來看，我國的建筑生態化研究起步較晚，對于生態建筑設計的理論研究和設計實踐都處在初級階段，多為理論框架、設計原則及生態理論對于建筑設計的指導。

3.3 新型生態建筑技術的應用

（1）外墻節能技術——以北京錦繡大地公寓為例。北京錦繡大地公寓居住小區中，建筑利用干掛技術將大塊磚幕墻作為外飾面，改善墻體保溫隔熱效果。結構方面，外飾面與保溫層間設置空氣層，同時保溫層深入地下1.5m，確保地下室的保溫能力。材料方面，選擇斷橋型濾材合金窗和Low－E玻璃，鞏固外墻保溫效果。細節方面，窗體安裝外遮陽設施，靈活控制陽光照射強度。供水系統，通風系統等的聯合使用，使建筑的控溫和空氣循環能力更為出色。以上方式全面提高了建筑的保溫隔熱能力，使建筑內部的溫度控制在理想狀態，同時保障了室內空氣流動[3]。

（2）新能源技術——以多個著名生態建筑設計為例。建筑使用中需要的能量主要為電能和熱能。對于新能源技術而言，就是將太陽能，風能，潮汐能，地熱能等高效地轉化為可使用的能源形式。太陽能的利用：德國建筑師待多.特霍利設計的旋轉太陽能房，能跟隨太陽位置的變化而轉動，最大程度地吸收太陽能并轉化為電能，使太陽能的利用率提高了2倍，成為歐洲第一座由計算機控制的生態住宅。風能的利用：日本在九州市建成首幢環境生態住宅，利用風車發電來供應公共照明系統的能源消耗。一旦這種住宅得到推廣，形成風力發電公共系統，將極大減緩資源短缺的日本在能源方面的壓力。地熱能的利用：現階段地熱能的利用因技術難和地域局限性還沒有得到廣泛推廣，但其生態性和發展前景良好。美國福特汽車公司在瑞典北部汽車展銷廳利用地熱能大幅降低了冬季能耗。

新能源技術在建筑上的應用減少了能耗，完善了能源系統，與生態技術的理念相契合并能帶來可觀的社會經濟效益。

4 案例分析

4.1 上海世博會場館英國館

展館面積約為2500m2，原型取自世界上第一個零二氧化碳排放的BedZED社區，所有建筑材料都可循環利用。館內設零碳報告廳、餐廳、展示廳和6套零碳樣板房。室內的家具、電器、內飾等都采用最環保的產品。

該展館建筑頂部有眾多隨風轉動的五彩“風帽”，能夠將新鮮空氣送入室內，并利用太陽能和“江水源”系統對室空氣進行除濕和降溫。墻體表面附著特殊熒光涂料，白天儲存的太陽能量將在夜間釋放熒光，減少照明能耗。通過“生物能熱電聯產系統”對零碳餐廳內各種有機廢棄物、一次性餐具等進行降解獲得所需電能和熱能。降解之后的剩余物，還可用來做“生物肥”[5]。

4.2 上海世博會場館馬德里館

展館面積3000m2，竹屋總建筑面積2923m2，是一座完全被竹子覆蓋的建筑。原型為馬德里當地的公共廉租房，館內竹屋按照1∶1布置，保留了各種戶型的居住單元，并配有家具。建筑外表面竹質表皮的開啟變化使得靜態的建筑外立面處于不斷變換換之中，配以光影帶來的曼妙感給人以奇妙的視覺享受。

“竹屋”外部用薄竹片串聯而成，材料全部來自于我國，實現就近取材。竹制百葉窗能有效避免太陽直射，減少建筑內部的空調能耗。每個單元可根據氣溫狀況開啟或關閉竹幕墻：日照強度高時關閉竹幕墻避免太陽直射，降低建筑內部的空調能耗；在清晨和傍晚時開啟以實現通風及熱交換。“空氣樹”是一座直徑為12m的鋼結構建筑，緊挨竹屋而建。內部安裝的可自動開啟的百葉窗和引風機，頂部安裝太陽能板，實現能源自給。

4.3 溫州城市新區

溫州濱江桃花島居住區位于該市沿江路以東、浦州河以北，地理位置優越、交通便利。用地范圍內地勢平坦，水資源較為豐富。年平均溫度17.9℃，陽光資源較充沛，地處甌江下游南岸，易受臺風暴雨襲擊造成洪澇災害。

該區位于我國夏熱冬冷地區，為解決住宅冬夏季的室內熱環境問題，夏季空調冬季采暖成為一種普遍現象，電耗能較大；溫州地區夏季氣候濕熱，潮濕為該區氣候的一大特點，細菌繁殖速度比干燥的北方快，要達到適當的室內衛生條件，該地區居住建筑的通風換氣量須多于北方。

通風設計：建筑周圍種植適宜樹木，以降低夏季陽光透射率。建筑側窗、天窗、氣樓形成室內良好自然通風。利用建筑豎向交通區、夾層區及室內外溫差、空氣壓差進行自然通風，有效進行室內降溫。采光設計：利用南北向窗設計，減少北向窗墻比，增大南向窗墻比，有效利用自然通風和日照。根據建筑形體、大小、開間、進深、層高等設置采光口。設置鋸齒形天窗將自然采光與太陽能光電板相結合。噪聲設計：用種植墻作為建筑圍墻，利用樹木吸聲作用阻擋噪音。室內分戶墻與室外東墻采用隔聲材料。雨水收集：建立中水循環系統收集屋頂雨水，進行植物灌溉等。雨水先經屋頂綠化系統過濾處理，其余在住宅臨近路面兩側設置開放式排水道收集，過濾后用作家庭用水。保溫隔熱生態技術：外墻圍護結構采用輕質、保溫、隔熱、吸音、無害復合墻體材料，既減輕建筑自重，又降低能耗[1]。

4.4 英國BedZED零能耗生態村

BedZED零能耗生態村位于英國倫敦南部薩，占地面積1.7hm2，住宅82套，擁有2500m2工作場所、商店及其他社區服務設施，總共244戶，限高三層。生態村以“自給自足”為主要原則，充分利用周邊區域內的能源和廢棄材料以減少運輸對環境的影響。節能為該村最大亮點。

生態村通過利用當地可再生能源、降低能源需求這兩種生態策略立建筑零能耗綜合體系，在建筑布置、建筑材料及采暖制冷設備等方面盡量降低能源消耗。建筑設計過程中，通過優化建筑剖面，最大限度地利用太陽能。將大面積三層玻璃天窗設置在建筑北立面，房間朝南，使建筑南立面更好地吸收南向陽光。工作場所置于陰影區后減少了建筑過度受熱，降低了使用人工機械通風和空調系統消耗的能源。為保證空氣流通和室內通風，每個住宅中都安置有雙層玻璃的陽光屋，設置大面積可開啟窗。

建筑細部設計方面，采用節能材料提高建筑蓄能能力。在住宅屋頂、墻壁和地面上設置厚達30mm的超隔板層，保持室內溫暖；通過太陽光、人的活動及燈光、器具輻射的熱量達到室內供暖需求。屋頂種有多種花草或者蔬菜以代替隔溫層，夏天形成豐富景觀，冬天有助于防止室內熱量的散失。將高蓄熱性能混凝土作為住宅室內天花板、墻壁和地面內表面，將其直接暴露室外以調節室溫。此外屋頂還有大面積的太陽能電池板，可以將白天的太陽能轉化為電能。

室內外水資源利用方面，在建筑的屋頂和地面設有雨水回收系統，可以收集露臺、道路和地面雨水，一部分集中于蓄水池用來澆灌花草、蔬菜等，另一部分排入生態村北面的溝渠以構造極具野趣的宜人水景。對于家用廢水和污水，使用被稱為“生活機器”的小型生物處理設備，生活污水沉淀后，再經機器處理使其達到一定標準，送回埋于生態村地下的集中水箱，與收集的雨水共同用于廁所沖洗[6]。

5 結語

對于目前我國的城市化建設而言，生態建筑展現了一條集成化、多元化的設計之路，為我國今后的城市建筑生態技術應用，特別是城市新居住區建筑生態技術應用，創造了可供參考和推廣的范例。它的出現使人們的視野擴展到人與自然關系協調發展思想，是科學發展和社會發展的必然。

而在今后的生態建筑的建設中，要充分考慮我國的社會結構與人口素質、生態現狀，運用傳統建筑中值得保留的設計手法，結合現代生態科學技術，創造出有利于人類與自然可持續發展模式。

[1]錢 超.溫州城市新區居住建筑生態技術研究[D].上海：上海交通大學，2011.

[2]尼 寧.生態建筑設計原理及方法研究[D].北京：北京工業大學，2003.

[3]張聲遠，楊 秀，江 億.我國建筑能源消耗現狀及其比較[J].中國能源，2008（7）.

[4]劉斯文.生態文明視野下的技術創新研究[D].沈陽：沈陽師范大學，2014，.

[5]竇金楠.從上海世博會看世博建筑的生態建筑美學[D].天津：天津大學，2011.

[6]馮雁軍.英國“比扎特”：零耗能生態村[N].中華建筑報，2007－04－28.