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        專訪院士劉加平:所有建筑走向綠色是歷史的必然 | 碳中和

        文章來源:AC建筑創作碳交易網2022-03-25 09:56

        編者按
         
        自2020年政府提出“雙碳”目標后,綠色持續發展逐漸深入人們生活的方方面面。綠色建筑可持續發展也逐漸受到社會各界重視,但是當下綠色建筑的可持續發展仍要面臨諸多問題,如資源浪費、設計困難等,未來仍有很長一段路要走。本文通過采訪國工程院院士劉加平,以“玻璃”這一材料在建筑建造中的應用為話題,拓展到全球建筑領域的綠色技術發展,并延續至對可持續發展的預測和判斷。
         
        01
         
        建筑中的玻璃
         
        “玻璃” 在一段時間里被認為是現代建筑標志性的材料,金屬+玻璃,代表著工業化和現代化。但隨著能源危機、環境污染、全球氣候變化等問題的出現,綠色可持續的建筑已經成為當代建筑發展的主流。玻璃由于其獨特的物理性能,在建筑上的使用受到了一定的限制,特別在中國,許多城市都制定了限制使用玻璃幕墻的法規。
         
        問:能否從綠色可持續的角度談談您對玻璃幕墻的看法?
         
        劉加平:現代科技進步促使玻璃材料的品質和性能取得巨大提升,玻璃的類型多到使人眼花繚亂,也使得玻璃產品進入到了社會生產和生活的方方面面。
         
        幾乎可以說,還沒有哪個行業能夠離開玻璃材料。玻璃,特別是玻璃幕墻是現代建筑的重要標志之一。不論是何種建筑,也不論其體量大小和等級高低,不使用玻璃是不可想象的。
         
        建筑設計巧妙且合理地使用玻璃,對建筑師來說是一門“功夫”。那么,如何利用好玻璃呢?首先得掌握玻璃的類型和各自所具備的性能。常見到的玻璃類型包括普通平板玻璃、鋼化玻璃、防彈玻璃、光學玻璃等,而在建筑中普遍使用的還是普通平板玻璃。
         
        玻璃由于其獨特的物理性能,在建筑上的使用受到了一定的限制。當下合理使用玻璃幕墻,在大型公共建筑方案構思創作中確實是個難題。
         
        以使用量最大的浮法平板玻璃為例,它首先具有透視功能(即可見光可以很高比例平行透過玻璃,實現建筑內外的可視性),其次具有透射功能(即在太陽光線中,不僅可見光部分可以透過,波長小于可見光的紫外部分也可以透過)。再次從能量傳輸的角度來看,太陽輻射能的絕大部分可以穿透普通平板玻璃,但紅外輻射透射率很低——玻璃的透視功能使得大空間、大進深建筑的自然采光能夠得以實現,而自然采光是現代建筑必須具備的基本屬性。透射功能和能量傳輸功能疊加,可形成溫室效應。
         
        而缺點在于,普通平板玻璃材料的熱傳導率較高,導熱系數在0.8W/m ? K左右,與普通實心磚的導熱系數相近,而遠高于聚乙烯等保溫材料。其厚度在3mm-8mm,保溫性能較差。當平板玻璃與窗框組合在一起成為窗戶時,其保溫性能取決于窗框構造和玻璃的層數。高等級窗戶的傳熱系數可以降到1.5 甚至更低,可以滿足低能耗建筑的需求,但價格昂貴。
         
        玻璃幕墻是普通平板玻璃窗的進化產品,根據其構造的不同,熱工性能也有較大差異。合理使用玻璃幕墻,在大型公共建筑方案構思創作中確實是個難題。主要困難在三個方面:
         
        在北方采暖地區,大面積使用玻璃幕墻,如果等級不夠高,會產生較高的室內外傳熱損失,供熱負荷會偏大,采暖能耗也會增大;
         
        在夏季,如果大面積使用玻璃幕墻,在幕墻遮陽系數不夠高的情況下,太陽輻射通過幕墻進入室內,會增大空調負荷,抬高空調運行能耗;
         
        太陽直射光線透過幕墻進入室內,會產生較強的眩光,惡化室內光環境。
         
        如何既能大面積使用玻璃幕墻又能避免出現上述問題呢?我認為有這么幾點:
         
        一、應盡可能避免全玻璃幕墻建筑方案,不論在哪個氣候區都有冬夏季的差異,很難兩全;
         
        二、如果必須做成全玻璃幕墻,就需要考慮增加建造成本,使用高等級雙層幕墻。就目前的玻璃幕墻技術水平,只要價格允許,熱性能還是可以做到滿足綠色建筑標準要求的;
         
        三、一般公共建筑,哪個立面做成幕墻,靠近幕墻部分的室內空間應作為對室內熱環境沒有要求或要求很低的輔助空間;
         
        四、南方地區盡可能不要在東西朝向立面做幕墻。
         
        至于玻璃作為建筑物的外表皮,以其質感表達某個地區或某個社會群體的精神或意志等,則另當別論。
         
        02
         
        綠色可持續策略
         
        在建筑業內,許多標志性建筑往往為了滿足人們過高的欲望,而耗廢了大量的資源和能源,然后又用高科技手段去降低能耗。
         
        問:有觀點認為,降低人的欲望是最佳的綠色可持續策略。您如何看待這個問題?
         
        劉加平:我個人以為這種觀點不準確。首先,不能否定一個地域或一個城市的標志性建筑,這屬于社會學和人類文化學的范疇。然后才能談到耗費資源和能源的問題。
         
        耗費,普遍意義上指的是浪費,即為了達到某種功能使用了許多不該使用、或者多使用了資源和能源。當建筑物設計合理,而運用一些價格較高的智能化技術以降低消耗,這無可厚非。關鍵在于,地標性建筑數量不會很多。做個不恰當比喻:再窮的家庭,過年時候還是要點亮燈籠的,盡管點亮燈籠不適合于日常的照明功能。
         
        但我們經常遇到的現象是,在很多地標性建筑方案競賽評審中,送審的概念方案要么是整體構思很好、功能空間組織合理、外形也靚麗,但綠色技術性能指標很差,或者壓根就沒考慮;要么是綠色技術性能指標很好,建筑的基本功能屬性、人流組織、外貌形態太差,甚至丑陋。
         
         
        一般來說,前者會被選中。那在進一步深化中怎么辦呢?用所謂的高技術手段來“裝扮” “粉飾”成一個綠色建筑設計,代價是大幅增加成本。所以在后期施工中很多就沒有實施,這種現象很普遍。
         
        03
         
        建筑技術無高低之分
         
        每當談論綠色可持續的建筑時人們往往會想到許多新技術、新設備,但在實際使用過程中許多新技術甚至比傳統技術還差。這里可能涉及技術的合理性、數據采集的質量、計算模型的科學性、設備老化后的效率、運維管理的水平等諸多問題。
         
        問:您如何看待綠色可持續建筑的高技術和低技術問題?
         
        劉加平:技術應無高低貴賤之分。
         
        人類跟隨技術的進步采用新技術手段,解決建筑中難以解決的問題,這是常態,也是社會進步的一個方面。例如利用溫濕度傳感器實現室溫自動調節,利用半導體材料制成光伏器件,利用太陽能獲取電力等等。
         
        但是,這并不代表可以完全替代被認為是“低技術”的產品和方法。例如,無論是哪種價格高、性能卓越的新玻璃產品用在窗戶上,只要是單層(5mm左右),它的保溫性能就要遠比普通的雙層玻璃窗差,而普通雙層玻璃窗的價格更低廉。
         
        如何選取新技術和新產品,成本、耐久性是很重要的指標。在低層建筑中,在相同熱性能指標前提下,應該優先選用厚重型墻體,而不是那些所謂的新技術新產品,因為一般來說磚石類材料的耐久性非常好。
         
        技術沒有高低之分,只要傳統的低技術能解決的問題就沒必要用所謂的昂貴的高技術。
         
        技術產品的高和低也有時代性。舉個比較特別的例子:有一種售價30多元自動夜光燈,內置紅外和聲音傳感器,放在客廳或衛生間,遠處“看見”夜間走動的人就亮,離開后幾秒鐘就關閉,使用起來非常方便,特別節能,兩節五號電池能夠持續使用一年左右。與市場上很多高技術和產品比起來,其性能要高很多。
         
        最近三十多年以來,信息技術的進步推動了各行各業的發展,但是用于建筑環境調節和建筑節能等方面的技術和產品,在原理上并沒有大的創新,而只是計算測量更準確了。所以說,只要傳統的低技術能解決的問題就沒必要用所謂的昂貴的高技術。
         
        04
         
        可持續建筑設計難以推廣
         
        在實踐過程中我們經常會遇到將一些在居住或辦公建筑中比較成熟的可持續策略應用在體育或表演建筑上的情況。
         
        問:您覺得綠色可持續的建筑設計是否存在一種普遍性的技術路徑?還是需要有針對性地進行定制設計?
         
        劉加平:從建筑技術角度,特別是適應于建筑設計的角度,技術專家總期望研究開發一些普遍適用、能夠大面積推廣的技術和產品,但事實上這是相當困難的。每一種可以節約建筑的能源消耗的技術和產品,都有其適用前提和范圍。以建筑外墻的保溫層為例,氣候條件不同、建筑類型不同、運行使用方式不同時,外墻的保溫層設置差異很大:
         
        一、我國長城以北地區的城鎮居住建筑,冬季氣候嚴寒,須采用集中連續采暖模式,而夏季氣候溫和,則普遍采用家用分體式空調,間歇運行。規范中寫的很清楚,居住辦公類建筑必須設置保溫層,盡可能做外保溫或夾心保溫,保溫性能指標越高越好。但這一地區的機場航站樓就沒有必要照搬,原因很簡單,航站樓建筑空間尺度大,圍護結構中的輕質透明部分占比高,冬季供熱方式為空調系統送暖,每日周期性使用,實體墻由室內向室外傳熱引起的熱損失在供熱能耗總額中占比較低,單純提高墻體保溫性能,解決不了多大問題;
         
         
        二、而在長城以南、南北分界線以北地區,居住建筑在冬季也采用集中供熱方式,但冬季室內外溫差相對較小,為了節約供熱用能,外墻也應該設置外保溫或夾心保溫,但并不是越大越好,原因也很簡單,把外墻做到完全絕熱,供熱能耗依然存在,外門、窗戶、門窗縫隙、門窗開啟等都會產生室內外熱交換。令人啼笑皆非的是,在西安等很多城市受所謂的“被動式超低能耗建筑技術”影響,很多居住建筑外墻外保溫層(泡沫石棉層)已經做到25公分以上,真是哭笑不得;
         
         
        三、而在我國南方地區,大型、大空間公共建筑的空調能耗主要用于排除室內照明等電器余熱和進入室內的太陽輻射熱量,因此一味地給大型公共建筑圍護結構貼隔熱層,除了受到太陽輻射直射的東西山墻以外,對于降低空調能耗作用不大。而遮陽,包括屋頂架空、外窗外門外墻遮陽,就成為更有效的手段;
         
         
        四、在體育場館、大型觀演建筑中強行推廣外墻外保溫等適應于居住建筑的“節能技術”,其結果也不言而喻。至于現狀說為何會這樣?一句話,主管部門被那些“綠色技術”企業綁架了。
         
         
        05
         
        結語
         
        問:請您對綠色可持續建筑的發展做一個預測
         
        劉加平:中國在推行綠色建筑方面處于國際前列。綠色建筑的核心是:建筑物在建造過程,特別是被使用和運行過程中,不論是按單位面積、單位時間,或是按人均、能源、水等資源的消耗量,污染物、廢棄物、CO2 等排放量,都很小。 而這些指標與建筑物的外部形態、空間組織、平面布局、建筑構造等都有密切關聯。
         
        做一個假設:以現在的國民經濟發展水平和人均收入,當每度電、每噸水的價格提高10 倍,每噸污染物的排放補償費是現在的10倍,可以想象上述指標低的建筑物一定受到歡迎,高質量的建筑環境才能得以為繼,才能可持續發展。
         
        中國在推行綠色建筑方面在國際上是處于前列,所以我比較自信,所有建筑走向綠色是歷史的必然,只不過在不同的國家和地區發展進程不盡相同。
         
        劉加平:中國工程院院士;中國建筑學會副理事長;西安建筑科技大學建筑學院院長(名譽);西安建筑科技大學設計研究總院院長。

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