2021年09月08日

零能耗建筑是可持续人性化未来的关键推手

根据联合国环境规划署发布的《2020 年全球建筑建造业现状报告》,建筑建造行业占全球能源相关的二氧化碳排放总量的 38%。为实现建筑减碳,建筑师正积极探索 零能耗建筑” ,这种新型建筑引起了整体行业及学术界广泛讨论,也确立了它在未来可持续智能城市发展的关键角色。

LWK + PARTNERS 设计研究总监刘少瑜教授在可持续建筑方面拥有大量研究及实践经验,正率领该事务所的设计研究组,并积极研究零能耗建筑带来的可能性。本文摘取了一些刘教授对未来零能耗建筑发展的观点,期望推动相关设计模式的前进发展。

LWK + PARTNERS 设计研究总监刘少瑜教授

什么是零能耗建筑?

零能耗建筑主张利用在地可再生能源,让建筑物自身发电,年产能等于或大于自身全年的用电量,以此达到净零能耗。

此类建筑多以被动式设计为重点策略,包括从建筑形态、布局、悬挑结构和遮阳装置等几方面着手提升节能效果。

其他设计策略包括主动式设计,例如高效的暖通空调、物联网(IoT)系统等设置,与被动式设计相辅相成,进一步提高建筑实现零能耗的能力。

另一个零能耗建筑的重要构成元素就是可再生能源应用。现时绿色建筑的在地发电主要利用太阳能,然而目前太阳能面对不少限制,因此近年看到的绿色建筑最多只能实现 “近零能耗” ,但这些先导项目依然具有宝贵的参考价值,让建筑设计同业在现有基础上进一步深化,广泛实现零能耗建筑,引领未来城市的可持续发展。

LWK + PARTNERS 在一个办公楼设计竞赛项目中,加入层层可穿透空间,拓出明亮开阔的中庭空间,抬头是丰富的绿化景观和体验式场所。(图片来源:LWK + PARTNERS)

建筑形态及布局

建筑的外型和座向直接影响热能接收、采光和通风,而联合国环境规划署就指出,制冷相关的能源需求是建筑物最终用途之中增长最快的。

传统的矩形建筑多由一系列彼此分离的封闭空间组合而成,不但阻碍天然风进入建筑,也妨碍内部空气流动。相反,如将建筑体量分拆为多个虚疏叠起的水平面板块,便可产生对流通风,同时每个平面也为下面的楼层提供局部遮阳。如采用较浅的楼板空间,则效果更佳。

以新加坡国立大学设计与环境学院 4 作为案例,展示建筑体量的发展策略。(图片来源:新加坡国立大学)

每处空间的面向和配置还可以进一步调整,建构通风廊道、露天平台和空中花园,为聚会及社交场所营造理想的热舒适度。利用环保隔热外墙物料也有助于降低空调需求,更可在外墙安装垂直或水平翅片,进一步阻挡日晒。

为减少使用电梯,可在建筑主要位置加入大型楼梯,以设计改变行为,除了省电之外,更同时促进用家健康和社区归属感。这些开放空间鼓励人们走动,与空间互动,加强楼层之间的视觉连接,刻划更有趣的人流动线,营造电梯难以取缔的活力体验。

中国香港荃湾体育馆为楼梯空间营造翠绿氛围,配合优美海景,吸引人们使用。(图片来源:LWK + PARTNERS)

悬挑结构与遮阳装置

为达至零能耗建筑的最佳节能效果,设计师会利用不同手法,避免或阻挡阳光直接照射到建筑空间之中。

大屋顶设计能为整幢建筑遮阳,阻挡大量阳光直射,减少了整体能源需求。屋顶更可加设光伏板以做到太阳能发电,如能在日间不同时段随太阳轨道而调整角度以面向太阳,就更为理想。

刘教授在其研究中以新加坡国立大学设计与环境学院 4(SDE4)为 “近零能耗建筑” 的一个成功案例。项目依赖屋顶的 1,225 块太阳能光伏电池发电,其可再生能源产量基本足以应付该建筑自身的全年能源消耗。剩余的能源可供给到附近的公用电网,而在用电需求较高的情况下,也可以安排电力回流。

这办公楼将自然光和风流引入中庭空间,创造微气候,并将共享设施和公共空间集中布置在中庭,办公空间则分布在大楼的外圈。(图片来源:LWK + PARTNERS)

建筑需要同时设置悬挑结构和遮阳设备,例如格栅、穿孔外墙和窗帘,才能互相补足,发挥最大效用,减少吸收太阳热力。最理想的是根据日照角度、建筑高度和其他场地特点,进行计算和测试,搭配不同设备,最终取得最佳协同效能。

以 SDE4 一个四楼空间为例,采用两米悬挑遮阳板搭配室内窗帘和可局部开合的窗户,节能效果最好。另外,让使用者自主控制窗户开合程度和风扇风速也能提高灵活性,同时增加人们对传统温控设置以外温度的体感接受程度。

智慧传感器与响应式环境

适应当地气候的设计元素一直见于各地乡土建筑。随着气候变化的威胁日益严峻,全球建筑都必须引入适应气候的功能。结合智能建筑系统和当地天气信息,有助创造温度舒适的响应式环境。

中国广州南天名苑二期因应岭南气候加入半开放空间,引入阳光及自然风。(图片来源:LWK + PARTNERS)

零能耗建筑的理想运营温度为 27-28℃,有别于传统高等级办公建筑的大约 23℃。这已足够应付大多数人们的活动,提供舒适的用家体验之余,能节约制冷资源。

智能混合冷却系统是平衡能源效益和用户舒适度的一个重要策略,结合自然风、智能风扇和空调,并需与物联网传感器配合使用。例如,若传感器探测到有人陆续打开窗户,这可能表示空间内需要较少空调,故可以自动关掉空调,并启动风扇。

除了温度调节,物联网传感器还可实时监测一系列其他环境数据,如空气质素、光照度、用水、空间占用模式、人员流动模式等,为运营方提供重要的数据分析和决策基础,改善未来的能源效益、工作流程和用家体验。这些数据更可以反馈到设施管理系统,触发系统自动回应。例如,无人区域可以自动关灯;调整光照度不仅可以节约能源,还可以根据现场使用者进行的活动,例如工作、社交、运动、用餐或冥想,以作出环境调节,提供最舒适的环境。

新加坡国立大学设计与环境学院 4 结合遮阳装置和混合冷却系统(图片来源:Transsolar KlimaEngineering)

以人为本的建筑后评估

中国已在 2019 年颁布《近零能耗建筑技术标准》国家标准,为迈向零能耗建筑提出了 “被动优先、主动优化、可再生能源最大化” 的技术路径。LWK + PARTNERS 设计研究组对此作出提升和补充,提出闭环的第四个技术路径: “以人为本的建筑后评估” 技术理念。

以人为本的建筑后评估意在收集使用者对建筑物体验的主观感受,评估建筑物在人性化体验方面的表现。这些实时数据让运营方了解如何调整他们的操作,为用户提供最舒适的环境,同时提升节能、减碳和成本效益。建筑师也可以善用这些数据来完善未来设计方案。

LWK + PARTNERS 景观团队设计的中国珠海天恒 ‧ 湾景,项目的公共空间特意将自然风引进地下空间,提升空间感。(图片来源:LWK + PARTNERS)

以刘教授另一个合作研究为例,他的团队在一所热带地区的大学校园进行调查,采集同学们的意见,了解不同通风策略对学习空间热舒适度的影响。结果显示,采用混合冷却系统或自然通风能够扩大使用者所接受的温度范围,并降低使用者对温度的敏感度,减少依赖空调,降低用电量。研究为类似气候环境下的未来校园设计提供重要参考。

办公楼的空中社交空间,环境开扬舒适。(图片来源:LWK + PARTNERS)

迈向净零碳

零能耗建筑的重要性不仅在其节能效益,更在于平衡用家感受和生态保育。减少碳排放固然是发展零能耗建筑的主要目的,但透过人体工学设计和生态友好的活力公共空间,人们也因而享受到更优质的空间体验,促进人与自然和谐共荣。

建筑是实现净零未来的关键一环,而当中零能耗建筑作为未来绿建趋势,不仅对环境负责,更对推动健康、智慧的城市建设发挥积极作用,有利人们健康发展。加上人工智能持续发展,建筑师将逐步引入相关科技以建立全面响应式环境,助社会应对气候变化和人群不断转变的需求。