生态建造环境手册建筑的可持续发展

生态建造环境手册建筑的可持续发展-生态建造环境手册建筑的可持续发展摘要：生态建造是一个关注于传播建成环境中可持续性的需要以及促成可持续性的方式的项目。它针对于两个群体：1619岁的学生，为他们制作了一个交互式的光盘；建造行业中的专业人员。光盘中提出了这样的问题你的家和学校有多绿色？它说明了类似于建筑尺度和朝向的设计决策如何影响到建筑在能耗方面的表现和CO2的排放量。光盘包括了衡量如住宅温室节能效果的术语表，来解释它们对建筑的影响。这样学生们就可以对他们自己的学校和家进行评估，并提出怎样的设计可以提高它们的节能效果。如果我们想全球化地实现可持续性的未来，下一代的介入至关重要。环境手册中更深入地研究了这些问题，并关注到了其他建筑类型，如办公建筑。本文描述了正趋于完成的教育光盘和环境手册中涉及的一些根本的环境和教育因素。关键词：可持续的建成环境；住宅；学校；环境评估；能源效率；室内空气质量；运转能耗与建材能耗；轻质与重质目前剑桥大学建筑系马丁中心开展了一个初步命名为生态建造（ECOnstruct）的环境教育工程，这个工程由英国工程和物理科学研究委员会赞助。生态建造有两个目的：一方面它可以作为专业设计人员的环境设计手册，另一方面我们开发一个面向1619岁的学生的光盘，介绍建成环境对我们的星球可持续发展未来的影响。这个光盘是直接针对孩子们非常熟悉的两种建筑类型：家和学校。它开篇就描述了相关的建材能耗（Embodied energy）、运行能耗（Operationalenergy）、温室气体排放以及在广义的可持续发展层面上学校和住宅建造对周围环境的影响。孩子们要完成一系列的问卷调查，需要他们查明他们的家和学校的建造和运转是否符合好的环境标准。问卷中的术语表和相关解释会指导使用者作出最终的评估，一个简单的记分体系能说明每个学校和住宅的相对性能。环境设计手册中涉及了更大范围内的评估问题。对大量可以作为度量相对可持续发展是否有问题的参数进行比较。经济、社会和环境方面相互影响。比如，一个地区的经济可持续发展可能以破坏野生生物栖息地为代价。在建筑层面上，节能和综合再生能源技术的运用可能减少气候变化对建筑的影响，但同时它们对当地生态系统的水处理能力有破坏性。这些矛盾因素可通过评估方法来理解。这样不仅可以指导设计，而且可以量度建筑相对于其他同等因素对环境的影响。目前有大量不同的评估方法。在英国，BREEAM（建筑研究中心环境评估方法）可能是最有名的。最初它被用于评估办公楼，随时间的推移它的研究范围逐步扩大。这种等级评估方法是给综合节能特性记分，比如高能效锅炉，它的优势是能客观计算的。较难评估的是类似于地段的生态价值或建立自行车通勤设施来代替汽车的好处等。BREEAM用一个专家咨询委员会决定的等级评估表来处理这些复杂的比较。相似的体系已经在其他国家建立，比如美国的LEED（能源和环境设计领导体系）。目前BREEAM的一个版本中特别包括住宅和学校，分别被称为生态家和SEAM（学校环境评估方法）。SEAM的目标不仅仅是让学校的建造和使用更具有可持续性，而且要增强学生的环境问题意识，并逐步成为英国学校课程的一部分。SEAM涉及了23个独立的关于学校影响环境的因素，并且建议骨干教师和学校管理者去执行。它与BREEAM方法一样，按每个因素的相对重要性打分。其中一些因素是关于基本的房屋建造，比如“选址”“、硬木和软木的”以及“新建筑中回收材料的使用”，而另一些只针对学校环境，比如“校园运动场地”和“校园环境政策”。当然其中绝大部分是评估能源和CO2排放的情况，它们分为两类，一类关注于建筑本身，另一类与环境管理有关。最近几年，随着欧洲对建造中能源有效利用的需求逐步增长，建材能耗，即从矿物炼取、转化为原料、加工成建筑构件的过程中消耗的能源已经成为建筑总能源中的增长部分。英国建筑研究中心研发了一套称为“ENVEST”的方法，按照生态点（100个生态点是一个英国人每年对环境的平均影响，不仅包括使用的能源还包括处理废物的耗能和原材料的消耗）测量一个建筑物在其寿命内的消耗成本，以及房屋材料和服务体系对环境的影响。英国目前制定的最综合的评估体系是SPeA（R可持续工程评估程序方法），它是由跨国工程咨询公司ArupGroup提出的。SPeAR从公司工程数据库总结而成，涉及了所有相互关联的社会、经济和环境因素。成果是一个星状的图表，所有的向量指向“星”的顶点，形成360的“车轮”来描述分析过程中每一个变量。目标是减小指向车轮中心的星的大小，从而减少方案对环境影响的总量。SPeAR方法已经是生态建造手册中的一个评估工具，在教育光盘中也有一个非常简化的版本。大部分对可持续发展的定义，包括最常引用的布伦特兰委员会提议的定义，都涉及到了我们留给后代的生态遗产，以及减少人类活动对自然环境的影响从而造福子孙后代。因而有两个方面推动学校能源和材料的可持续利用。一是让学校有更高效的消费方式，二是教育孩子们理解这些问题的重要性，从而受到更好教育的孩子们的态度会有利于促成更可持续发展的世界。这就是生态建造的初衷。环境手册正准备由英国皇家建筑出版社出版，它和光盘一样，有一部分关于英国学校和住宅的环境设计和建造。其中每一章概述了优秀的设计在每种建筑类型特有的环境和建造过程中应关注的基本点。典型的建筑形式采用ENVEST中的方法来评估，选取著名的建筑案例来阐明论点，其中也包括设计者的评论。英国住宅的生态学近50的英国基本能耗是建筑物的能耗。英国主要的低层住宅形式是独栋住宅、双拼住宅以及联排住宅。在英国，家用部分是第二大最终能源消耗者，并消耗了近1/3的总能源，而住宅就占很大的比例。同时，住宅也有很大的节能潜力，尤其是考虑到相当数量的现存和未改进的房屋。按照最近修正版的建筑规范建造的住宅与目前在英国仍占很大比重的20世纪前建造的住宅相比将节约50的供暖。虽然能源利用规模和CO2排放是社会关注的焦点，但它不是需要优先改进现有住宅状况及使用方式的唯一原因。在英国，低质房屋和社会贫困有明显的关联，而社会贫困又伴随着高犯罪率、高失业率和附加成本。改善居住条件还能减少燃料不足的影响。由于住宅保温效果差，仅仅英国就有超过400万的人没有能力负担供暖费用。由于冷空气通过构造缝隙，特别是门窗、设备管道以及外墙和屋顶的交接缝进入室内，加剧了热量的流失。近年来，由于天然气用于供暖和烧热水而减少了固体燃料的使用。总体来说，这样也减少了住宅的CO2排放量。可以说家电性能的改进会大大提高节电能力。然而在短期内英国户均电器拥有量还在稳步增长。另外，建造中材料消耗量对环境也有影响。在英国，每年人均消耗建材6t，这些建材大部分来自矿石提炼，而其中2.5亿t3亿t的用于水泥和制砖的材料以及合成物占总量的很大比例。伴随房屋寿命的延长，在建筑终身能耗中运行能耗所占比例相对于建材能耗增加了。住宅是一种寿命较长的建筑类型，因而，通过增加的建材能耗来减少建筑寿命内的-运行能耗的做法是合算的。住宅的位置和密度直接决定了机动车的出行数量和远近距离以及公共交通的可能性。这些因素对关于国内城市未来发展的讨论有深远的影响。目前，交通能耗占英国总能耗的1/3强，比住宅能耗多一点。住宅保温性能的改善提高了它的能源利用效率，而同时车辆燃料利用效率大大地提高了，未来发展趋势和交通增长的关系变得模糊了。住宅建造和使用的一个重要影响是关于水经济问题。在过去30年里英国的水消耗提高了30，从1995年起，每天要提供175亿升的公共用水。虽然引进了新的供水源，并且建造了新的设施将水从丰沛的地区转移到了缺水地区，但是这两种措施都是高投入和高能耗的，而且对环境有影响。因而未来住宅的目标是减少水的消耗。一种最有效的减少英国住宅对矿物燃料依赖的方法是在墙体、楼板和屋顶增加保温层，以此减少冬季的室内供暖需求。法规要求的最高保温值是斯堪的纳维亚的标准，超过这个标准的保温层的增加从节能角度来看就不经济了。住宅有相对较小的体量和相对较大的外表面，因而增加保温层的厚度就会引发它们的建造问题。特别是墙体的变厚同时影响到占有地段、扩大地基以及常规建造方式的可生存问题。现代建造过程中加厚的住宅保温层对于常规的墙体和屋顶建造方法是一个挑战。英国最常用的外墙建造法的开挖宽度很难保证在没有特殊墙体连接构件的情况下充分结合墙体和保温层。同样，屋顶椽子通常也没有足够的高度，因此天花板上的保温层也会使得屋顶结构和房屋其他部分在冬天会有很大的温差。新构件如“多层网状”的梁的运用能增加必要的高度而又不显著地增加结构重量。当保温效能提高后，通风就成为更重要的因素。近年来，随着房屋保温效能的逐步提高，通风导致的热量损失在总热量损失中占有的比例越来越大。在英国老房子中，房屋结构的缝隙和壁炉进风是冬季通风的主要。除了空气自身的众多参数，空气渗透通常会产生气流，而且会受风向变化的影响。为了克服这些问题“，严格密封和正确通风”的概念，也就是结合部位的良好密封和按设计规范的通风已经被接受。这种方法可以提供住户适宜的通风，同时避免不适的气流以及限制通风导致的热能损失。通风在一年四季中有不同的作用。在冬季，为了尽量减少能量损失而提供最低限量的通风来驱散室内污染物。在夏季，较高速度的通风能促进皮肤汗液蒸发从而提高舒适度。只要室外空气的温度比室内空气温度低就会有自然通风。英国夏季中有些天室外温度过高不能被动通风时，一些机械通风，比如吊扇可以有效地解决问题。目前的另一个关注点是新住宅中不良的室内空气状况。密闭房屋限制了热量损失的同时也密闭了对人体健康有害的毒素。这些毒素是某些有机材料产生的，比如很多现代壁纸中含有的甲醛，再比如不吸烟者由于被动吸入烟草气体会导致严重的身体健康问题，室内越来越多地使用塑料也提高了空气污染的可能性。冬天缺少足够的通风也会使得空气中颗粒浓度超过安全等级。在英国某些特别地区放射性气体氡也有可能导致同样的问题。英国潮湿的气候引发的主要问题是水凝结原因导致霉的生长，从而导致严重的呼吸问题。最容易获得的再生能源是太阳能，它能减少对矿物能源的依赖。在北欧鼓励直接采用被动式太阳能的方法。墙体中的保温材料阻止了太阳热能的进入，太阳能是通过窗户和天光直接辐射进入室内的。为了在北纬地区的房屋最大限度利用太阳能，窗户要朝向太阳，并且热量接收材料的布置需要能跟踪太阳的移动。这样太阳热能会一直贮存到傍晚并且提供免费的热能，从而减小昼夜温差和人工能源的使用量。平衡太阳能的获取和冬季热能损失是一个问题。夏季住宅的过热可以很容易地通过减小窗户的面积来避免。当房屋保暖增加后，直接获得的太阳能将会导致室内过热，甚至在冬季。因而利用太阳能的方法在今后还需要更深入的探索。对于一直有人使用的建筑，集中建造有很大的优越性，能优化太阳能的获取和减少室外温度变化对室内温度的影响。住宅是否一直被使用，以及居住和发展模式的变化都是可以讨论的。同时，由于更多的房屋是在工厂加工而不是现场施工，轻质房屋更受欢迎。这就在英国房屋建造中导致了更多地采用木框架和砖质外维护墙的组合或目前采用的钢框架结构，这两种建造趋势都缺少热惰性材料而使外界环境的变化对房屋温度有了更快的影响。关于重质房屋和轻质房屋的优劣，以及关于流行的超保温房屋导致室内过热和房屋缺少热惰性材料难以保持室内温度的稳定的讨论都一直在持续中，并且反响很大。英国学校系统是个很庞大的组织，一方面它规模很大，全英800万儿童在2.5万座学校中全日制上学，另一方面每年的教育经费是200亿英镑，超过国家税收总量的5。学校教育过程依赖于大量物质资源的流动，比如书本、纸张、家俱、学校餐饮以及准备餐饮的能耗、房屋建造和运行过程中的能耗。每年全国学校的能源消耗总量超过1亿英镑。学校的能源消耗模式由于各自所选用的燃料不同而各异。大部分学校依赖矿物燃料，也就是天然气、油、煤和液体、气体燃料等来供暖、烧水以及使用厨房器具。一小部分学校依靠电能，或者用电来供暖和做饭。典型英国学校的能源消耗图表明，供暖和热水的能耗大约占总量的80，照明和做饭为第二大能源消耗占近10。电脑耗能在逐步增加，但仍只占2。为了节省开销，供暖系统效率的进一步改进显然是关注焦点。按提供每千瓦小时能源计算，用电比矿物燃料贵5倍，虽然大部分耗能都是矿物燃料，但是学校的矿物燃料成本还不到总支出的45。从成本计算方面，学校各种能耗所占的相对比例就会变化很大。供暖和热水的成本减少到50多，照明的成本显著增加到24。因此学校减少用电量是首选的节约成本的方式。另外，由于发电效率低以及电在国家电网传送中有损失，用电也会增加CO2的排放量。电脑技术设备运用的增加也是一个关注点，特别是电脑散热增大了夏季教室过热的可能性。因而今后学校对制冷设备和空调的需求将会显著增加CO2排放量。为了在没有空调的情况下避免室内过热，我们需要寻求室内荷载、太阳能获取量与通风、自然采光、冬季热量损失的平衡。今后英国学校完全避免机械通风是很难的。热惰性材料和夜间通风的结合能有效进行预冷，利用遮阳来阻止太阳辐射能可以使通风系统的荷载降到最小值。我们可能只安装全抽风系统，至多为抽送风系统，而避免人工制冷。英国学校更大规模地使用空调系统不仅将打击国家对学校可持续发展的热情，而且对学生的健康也不利。最常用的暖通空调（HVAC）系统为了节能只有15新风量，其余是循环送风，这将导致室内污浊的空气循环使用。如果结合能源管理战略，目前电器的内置节能设备有利于减少温室气体的消耗和排放。电脑在休眠状态时只消耗它工作能耗的5075，但在不使用时将学校电脑关机，则可减少到一直开机耗能的10。打印机、复印机等设备也是很重要的能耗设备。复印机是个人电脑功率的25倍，并且它会散发对人体有害的物质，因而复印机的摆放位置和局部通风都是设计时需要考虑的问题。英国学校建筑可以分为很多建造类型。最明显的是现在仍在使用的维多利亚时期砖砌的住宿学校建筑和1960年代以后预制钢板结构的学校建筑。大多数（80）学校建筑建于二战之后，其中50是钢-或混凝土框架结构。新西兰的研究表明采用钢和混凝土框架结构的学校建筑中建材CO2排放量和建造方式相同的办公楼的CO2排放量一样，以50年为平均寿命的话，每年排放量大约是9kg/m3。考虑到CO2的排放量，学校运转能耗是减少环境影响和可持续发展战略中的重要因素。建筑环境管理和环境设计同等重要。管理决策的目标是减少房屋在其寿命内的3个阶段的投入。第一是减少供给，一种方式是使用产生更少CO2的供给，比如用矿物燃料而少用电，或更好的则是使用再生能源。第二是通过提高暖气系统的效率，例如采用集中锅炉来减少对环境的影响。第三还可通过循环系统的运用减少学校废物。教育从管理中获利是不证自明的。例如，学校自动售货机中的铝罐可能严重影响成功的战略，除非这些铝制品是来自于回收物而不是矿石中，这些可以作为孩子们可能的研究课题。英国大部分学校是通过窗户自然通风，或者用被动设备和通风口引入室外空气。但是人们对学校室内空气质量的关注越来越多。发展机械通风需要平衡通风速度参数、污染物浓度以及供给新风的能源负荷。室内污染物浓度会随着通风频率增加而减小，并且到达一定程度时室内空气不再有害。当通风频率增加时，热能损失也会增加，因此，通风系统的设计应该足以保证室内空气质量而又不过度。由于保温标准的提高，通风的热量损失是构成房屋热量损失的主要部分。和其他建筑类型一样，学校建筑需要密封构造以防止漏风和热量损失。这是斯堪的纳维亚地区寒冷气候的长期需要，而地中海国家如意大利现在也要求学校建筑采用密闭构造。在房屋空置时，如冬天的晚上和周末，尤其需要密闭构造来减少热量的损失。在这些时间段内，室内外温差通过构造渗风加大了热量损失。理想的通风系统，不管是自然的，还是人工的，都应该按最大使用量设计，在房屋空置的时候，基本水平应足以提供适于居住的空气质量。英国政府规定，所有学校的工作区域和大厅要达到人均8L/s的新风频率来换气。最低标准是全年内保持人均3L/s的新风供给频率，但是按国际标准来说这个数值是很低的。另外目前大部分国家明确了可以接受的CO2浓度是在110-31.510-3之间，对应的换气率是人均79 L/s。由于教室经常被高密度地使用，通风代谢变得最为重要，在这种情况下空气中CO2浓度应该是空气新鲜程度的一个重要指示。呼出的CO2增加时，将会伴随新陈代谢的困难，因而CO2的浓度能度量房间换气效果。在监测房间的过程中发现，CO2的浓度不致危害健康，但是学校教室表现出非常低的通风率，污染物（如粉笔灰尘以及白板马克笔中溶剂）的浓度会迅速提高。可以理解的是，人们关于何为最好的测量学校室内空气质量的方法还没有达到共识。在学校，孩子们暴露在微生物、霉素和过敏物质中。值得质疑的是CO2的浓度不能充分指导那些需要控制更多室内有害物质的换风系统的设计。丹麦一个学校调查表明，虽然70的学校建筑有超过110-3的CO2浓度，但是不良建筑综合症与它并没有必要相关性，却与微粒和霉体的浓度关系紧密。通风系统的功能绝不仅仅是提供呼吸的氧气和稀释新陈代谢产物（如CO2、水蒸气和气味）。通风还可制冷，以及稀释空间中其他污染物的浓度。特别是在城市环境中，控制来自室外的污染物是一个重要课题。尽管有大量的立法限制破坏室外空气质量物的排放，但是英国的空气污染仍多次超过了法定的健康和安全限值，因而位于污染严重地区的建筑需要健全的防护措施来防止室外被污染的空气进入室内。从这个角度开展了大量的测试。虽然一个建筑物的位置在设计中无法改变，但控制室外空气入口位置也可避免当地的污染源（如停车场）。建筑物也应该密闭以确保换气率不是由不可控制的漏风主导的，尤其是要避免室外污染物的时候。在一些例子中室外污染是短暂的，比如上下班交通高峰期，这个短时间段内可以关闭窗户、通风口而仅用室内空气循环来避免污染。在高密度使用的学校建筑中，用这个方法只能持续20分钟左右。通常在机械通风中广泛使用的方法是安装过滤器防止灰尘和中等大小的微粒进入室内参与空气循环。但是过滤非常小的颗粒和气体是困难而昂贵的，这就不能满意地处理室外污染空气了。空气密闭、改善室内空气质量的标准和节能的目标是与建造方式密切相关的。从这个观点来看，合成构造是有问题的，因为组成它的不同材料有不同的膨胀收缩特性。比如，轻质预制框架和挂板构造中的木挂板根据空气的湿度变化而显著膨胀收缩，而钢结构又很容易热涨冷缩。学校中的这种建筑大多依靠胶泥的可塑性来维持密闭性。学校中渗透风导致的热量损失大部分在门窗周边。窗户需要与结构洞口完全密合。有压力密封的窗户具有更好的密闭效果。推拉窗和门在这方面就有问题了。很多老学校的铝质推拉窗可能已经老化腐蚀而不能很好密闭。用能和密闭条紧密结合的开启式的窗户（如斜向开启窗户）来代替靠移动的刷式密闭条的推拉窗，能增加安全开窗的优势，并且有利于在室内清洁窗户。很长时间人们才意识到，自然光线下的视线质量在教学环境中是特别重要的。维多利亚寄宿学校的高窗可以照亮房间的后面，高空间还能防止房间过热。窗台很高，是墙体的一部分，它可以用来展示，但也形成了内省和压抑的环境效果。另一方面，战后英国学校大量使用玻璃窗保持整个教室良好的自然采光，并且也有更好的朝外的视野，但是教室在夏季由于获得过多太阳辐射而过热，在冬季又由于大面积的单层玻璃窗而非常冷。这些问题由于目前的轻质建造系统的运用而进一步恶化。它们由于缺少保温层和热惰性材料而不能平衡温差变化。在英国，小学是特别适合创造性地使用自然光的，因为小学一般都在白天使用，而且常常是一层的房屋，因而天光可以用来照亮内部空间，从而可以设计进深相对较大的建筑。屋顶采光来自没有遮挡的天空，是最有效的自然采光方式，也能用于通风，因而屋顶采光是这种教学建筑固有组成部分。人工采光的耗电是重要的运行费用，很大程度上也间接增加了CO2的排放量。在环境意识良好的学校社区中，可以教育学生们在离开时关灯来相对容易地控制人工采光。学校管理人员也要执行学校能源战略，更换旧的、闪烁的以及脏的灯，因为它们极大地降低了使用效率。日常维护也可以用袖珍荧光灯（CFLs）取代钨丝灯，虽然前期费用比较高，但前者有高得多的工作效率和更长的寿命。学校也特别适合运用被动式太阳能的设计原则，因为学校使用的时间大多都在白天，这个时候太阳可能满足供暖和采光的需要。小学大部分是一层的，因而采光可以来自屋顶和四周。这样可采用大进深结合院落或者中庭的空间形式，大面积的屋顶就可以形成大量的保温。教室需要的较高的照度和良好的空气质量，需要我们根据太阳的移动位置作方案。建筑中保温材料以及外部遮阳设施的分布都可帮助我们最好地利用太阳能并且避免过热效应。英国太阳能供暖效率最高的时间段在春天和秋天，日照非常强烈而空气温度仍然较低，太阳倾斜角也相当低。学校设计至少在两个方面可以很好地解决可持续发展的问题。一方面学校作为一种建筑类型而经常使用，并且要求对所需材料基本的长期的维护。另一方面，需要根据老师和课程的改变而设计，它要作为学校未来生活的基础而不是阻碍。事实表明一些先前的模型并没能实现这个理想。1960年代南加州学校-发展（SCSD）系统吸引了很多英国人，但是它不可持续地依靠人工供给的方式却与创造未来灵活化环境的计划相互矛盾。设计要实现自然采光、无机械制冷的通风以及对环境的资源利用破坏最小化，需要建造形式和环境战略的密切结合。特别要处理好平面和剖面中玻璃窗户与重质材料的分布。在人性化和生态化的创造校园环境方面，英国汉普郡30多年以来的学校设计历史很有研究价值。当代英国学校建筑喜欢运用钢或混凝土框架，从而形成灵活的平面布局。为了经济，很多都使用彩色的预制砌块体来形成彩色绘画的外部效果，但是建筑寿命内需要重漆而形成了潜在的环境成本。最近几年木材被广泛使用，特别是雪松板。这种木材优点是不变形而且相对容易清洗维护，但是世界范围内雪松已经快灭绝了，这又是不可持续发展的。结论以上就是这一系列活动的背景：学生们完成生态建造问卷，被邀请研究他们的家和学校，比如去观察他们的设计是否能利用太阳能，是否找到更有效的替代电灯的方案来降低运行能耗。生态建造环境手册中也有一些章节概述了其他建筑类型的可持续发展的特定要求。比如英国的超市就有很大问题，人们经常只能驾车去超市，由此产生了一系列的环境问题。食品冷冻占其能源成本的一半，而对冰柜的展示导致建筑室内甚至在盛夏仍需要采暖。成功的可持续发展需要共同努力。负责建筑未来的专业人员和代表我们未来的学生们站在论战的最前沿，我们希望生态建造向他们强调了关于建成环境的各种问题而获得积极的环境回报。（杨滔译，孙凌波校）