Low energy healthy building and sustainable development

1 前言 　　随着我国国民经济的发展，城市建设发展很快，目前城市化水平为28%。按照世界上城市发展规律，这正是从起始阶段向城市化加速发展的转变阶段。在我国东部沿海地区，城市化水平已接近或超过35%，已经进入加速发展阶段。这都预示今后5年及下个世界我国城市化将有飞速发展。 　　城市化发展推动建筑行业的兴旺，随着人们对建筑环境要求的不断提高，北方地区建筑供暖，南方地区建筑空调，以及黄河下游、长江中下游流域建筑供暖与空调都成为极迫切的问题。近5年来我国房间空调器产量持续以40%的年增长率上升，就充分说明需要的迫切性，但随之而来的能耗的增加和对环境的污染。北方地区供暖耗煤已占全国总煤耗的11%以上，长江中下游地区空调器及热泵的发展已使该地区供电出现严重紧张和短缺。若充分满足这一地区建筑空调的要求，空调电耗将占该地区总电耗的30%以上，这将对这一地区的经济社会产生巨大影响。供暖燃煤直接污染大气，并释放产生温室效应的CO2，这已是老问题。大量空调设备的使用会放出CFC物质破坏大气的臭氧层已成为全球性的环境保护问题。此外，空调器在夏季将热量排入大气，在冬季又从大气中大量吸热，当空调器高密集度安装时，还会严重影响城市区域小气候。 　　城市化的发展使建筑能耗越来越大，工业发达国家建筑能耗占总能耗的30%～50%，我国的建筑能耗也达总能耗的10%以 上。目前人类所消费的能源绝大部分属于枯竭性能源（如石油、煤炭、天然气等），有关专家估计，按目前的能源消费增长率持续下去，枯竭性能耗只能维持200～300a左右，因此人类面临的能源问题是严峻的。本世纪70年代初世界性的能源危机曾推动了节能建筑的发展。 　　当今的建筑除了能耗大的问题外，还存在病态建筑的问题。根据欧洲的有关调查报告，在非工业建筑中，健康建筑（Healthy Buildings）只占50%～70%。所谓与建筑有关的疾病（BRI, Building Related Illness）指的是由于建筑物室内环境有害辐射（电磁辐射和放射性物质）、温湿度太高或太低、生物化学有害物浓度太高等引起的各种疾病或身体虚弱。建筑综合症（SBS，Sick Building Syndrome）指的是建筑环境使人们产生的各种不舒适症状，如头痛、疲劳、感冒、恶心等。建筑建筑指的是具有满足人们居住或生产等活动要求的适宜的热环境、光环境、声环境和空气环境的建筑物。其中热环境包括室内的温度、湿度、洁净度和空气的流动速度等，光环境包括建筑物室内外的照明和色彩等，声环境包括建筑物室内外的噪声、音响效果和震动等，空气环境包括室内外的空气组成成分、气味等。造成SBS的主要原因可能是缺乏对建筑物的合理维护，建筑物热负荷、污染物负荷的变化，建筑设备控制方案的改变，或者建筑设计不合理等。 　　低能耗健康建筑指充分利用自然能源的被动式供热空调建筑，它能提供人们生活和生产需要的建筑环境，保证人体的卫生和健康，同时具有节能建筑能耗低的特点。低能耗健康建筑的研究在欧洲和日本等国家已受到相当的重视，美国由于能源比较丰富，着重研究的是健康建筑。Milton Keynes是英国发展最快的城市，它位于伦敦和伯明翰的中间。Milton Keynes有一个能源公园（Milton Keynes Energy Park），其中的建筑统一规划和设计，应用了多种建筑节能措施。该能源公园的建筑能耗指标是一般建筑的一半，因此深受用户欢迎。我国是发展中国家，能源的建筑速度远跟不上国民经济发展需求。目前我国人均年能耗不到1t标准煤（只达到世界平均值的三分之一），而想在本世纪末实现"小康"水平，人均能耗至少要达1.5～1.6t标准 煤。可见，降低建筑能耗，大力宣传和发展低能耗健康建筑将成为我国在21世纪的一个迫切和重要的工程。 　　地球是人类生存与发展的基础，为人类社会的文明和进步提供了适宜的空间和丰富的自然资源。近30年来，由于人口增 长，工农业发展，已经导致生态环境恶化和气候变化。1972年在斯德哥尔摩召开的联合国人类环境会议上，世界各国政府的代表共同发表《人类环境宣言》，第一次正式表达了世界各国人民对保护环境问题的强烈关注，明确提出可持续发展的概念。20年后的1992年6月3～14日，在里约热内卢召开的联合国环境与发展大会上，来自一百多个国家和地区的一百多位政府首脑通过了《里约宣言》和《21世纪议程》两个纲领性文件。人类理智地选择可持续发展。可持续发展的最广泛的定义是"人类应享有以与自然相和谐的方式过健康而富有生产成果的生活权利"，并"公平地满足今年后代在发展与环境方面的需要"。可持续发展的思想实质，一方面要求人类在生产时说可能地少投入、多产出；另一方面又要求人类在消费时尽可能地多利用、少排放。因 此，人类在转变传统发展模式、实行可持续发展战略的时候，必须纠正过去那种单纯靠增加投入、加大消耗实现发展的模式和以牺牲环境来增加产出的错误做法，从而使经济发展更少地依赖地球上有限的资源，而更多地与地球的承载能力达到有机的协 调。可持续发展强度以长远和全局的辩证眼光看待环境和发展，社会和经济的发展必须与地球生态自然环境的变化相适应，人类对自然资源和能源的消耗不能超出全球生态环境的极限，这样才能"成功地为后代留下一个可自下而上的星球"。 　　 人类的绝大部分生活和生产活动在人居环境里进行，随着人们对建筑环境要求的提高，建筑一方面消耗更多的自然能源和资源，另一方面产生和排放更多的温室气体和废物。追溯历史，早在1980年，国际建筑师协会第14届大会发出的建筑师华沙宣言指出：要"认识到人类--建筑--环境三者之间有密切的相关性"。人居环境可持续发展要综合考虑城市化发展和环境保护问题，在保护中发展，在发展中重视保护。大力推广低能耗健康建筑是人居环境可持续发展的重要保证之一，人类不应该为短期的目的而牺牲长期的资源和环境，应时刻记住"地球不是我们从父辈那儿继承来的，而是从从自己的后代那儿借来的"。 2 低能耗健康建筑的关键技术 　　低能耗健康建筑的实现涉及城市能源规划、节能建筑设计、城市微气候改善和建筑自动化等领域的科学技术的研究和应 用。 　　2．1 城市能源规划 　　全面解决建筑物供暖和空调问题，对适应城市化的飞速发展，缓解能源紧张特别是电力供应不足问题，以及保护城市局部环境及大气臭氧层，都有极重要的意义。解决这一问题的关键在于合理的城市能源规划。通过研究城市能耗结构、能源转换、能源利用等环节，结合城市规划对整个能源系统进行总体设计，研究为解决建筑物供热、供冷、供燃气等的需要应配置的最合理的能源转化与能源输送系统，重点为我国北方地区热电联产、供冷相适应的大型的供热、供冷方式，与集中供热、供冷相适应的大型蓄冷蓄热装置以及全面规划电力、煤气、冷热源及蓄能的能源系统。 　　城市的能源规划首先要估算城市的能源需求，包括生活用能（热水、照明、电器、炊事、供暖、空调）和生产用能（工业、农业、林业、其它产业）的性质用量。然后要考察城市的能源结构，对各种可用能源，如电能、煤、燃气、沼气、太阳能、风能、潮汐能、地热能，进行定性和定量的调查和研究。最后制定出城市冷、热、水、电、气等能源的统一、联合供应，以实现城市能源系统的最优的社会和经济效果。 　　2．2 节能建筑设计 　　节能建筑的设计思想是充分利用建筑所在环境的自然能源和条件，在尽量不能常规能源的条件下，创造出人们生活和生产需要的室内外环境。节能建筑的设计关系到三方面的研究内容：当地气候特征，室内环境的设计要求，以及建筑物的结构特 征。 　　当地气候特征指当地一年四季室外气象条件，如空气的温湿度、风速和风向、日照率、降雨量、积雪等。在冬季日照率大的地方，可以考虑太阳能的利用，如被动式太阳房、太阳能集热器。夏季日照率大的地方则要考虑建筑物的有效遮阳措施。夏季昼夜温差大的地方，可以利用建筑物的蓄冷特性进行自然冷却。 　　室内环境的设计要求包括对室内空气温湿度的要求。传统的设计方法要求空调建筑的室内环境必须维持在一个比较狭窄的温湿度范围，如温度在25～28℃之间，相对湿度在50%～70%之间。空调设备的容量是根据维持整个空调要求的温湿度值来决定的。近年来大量空调建筑的使用已带来所谓空调建筑综合症的问题，那长期生活在空调建筑中的人出现的某些症状，如疲劳、易感冒、恶等，总之是体抵抗环境变化的能力降低了。这是由于空调建筑的室内环境比较稳定，空气温湿度变化小；另一方面由于空调建筑的密封性好，室内空气品质差，人们得不到足够的新鲜空气。目前民办各国都在极力提倡Free Cooling Building等利用自然冷却的非空调建筑，通过合理设计和使用管理，某些气候地区完全可以不使用常规能源而维持建筑环境达到设计要求，这种建筑就是所谓的"零能源"建筑（Zero Energy Buildings）。室内环境的设计应建立在对人体热舒适性研究的基础上。有关研究指出在室温不超过30℃房间，完全可以通过风扇提供的动态风来维持人体的热舒适。即使需要空调的房 间，也可以采用区域空调的办法来维持人体所在工作区的热舒适性，而没有必要维持非工作区的温湿度。可见采用区域性动态空调的方法会大大降低建筑物空调的能耗。 　　建筑物的结构特征指建筑物的造型、朝向、围护结构保温情况，外墙外窗的遮阳情况，以及建筑空间的通风换气情况。合理的建筑结构应该在夏季有效地组织通风和防止太阳照射，减少室内过热和潮湿；在冬季有效地利用太阳能对外墙外窗进行保温，提高室内温度；在过渡季有效地利用室外空气进行通风，改善室内空气品质。有关调查指出，位于同一地方的相同类型的建筑物，由于建筑结构的不同会导致能耗指标相差超过一倍。

2．3 城市微气候改善
　　城市化的发展使为人类开始意识到建筑对城市微气候的影响。合理规划建筑形式与位置以改善城市小气候，妥善处理空调系统对外的热污染，以及全面考虑绿化、遮阳等对城市环境的影响将是城市建设规划和设计中的一个重要组成部分。
　　建筑群的布置应注意建筑物的空间和平面的布局，以减少和控制城市风沙和建筑物之间的强烈辐射对环境污染的作用。
　　城市水资源的规划对微气候也起明显的作用。河道的合理布置和走向往往可以改善城市局部区域的热岛效应。
　　城市的三维绿化对防止夏季太阳强烈照射，改善空气品质和美化环境都能起到不可估量的积极作用。
　　从气象观测数据可以知道，城市市中心的环境温度一般比效区的环境温度高出3℃左右。城市市中心由于工业、商业、娱乐业等建筑密集，加上人口也相对多，交通拥挤，造成市中心的热量相对大得多，形成局部热岛效应，如何改善市中心的微气候已成为城市人居环境研究的一个课题。

　　2．4 建筑自动化
　　建筑自动化指建筑设备系统（如供热空调系统、给排水系统、照明系统、运输系统、消防系统、保安系统、办公系统、通讯系统等）的监测、管理、运行和控制的自动化。智能大厦的基础是通讯自动化系统CA、办公自动化系统OA、大楼自动化管理系统BA、消防自动化系统FA和信息自动化系统MA的有机统一。建筑自动化要求建筑设备系统的合理设计、有效使用以及运行控制过程中的能量节约，以保证建筑设备在提供要求的建筑环境的同时，达到初投资、运行费和维修服务费最小的优化目标。
　　建筑自动化不仅是实现能耗建筑的必要条件，而且也是建筑安全、舒适和适应性的保证。随着建筑物规模的增大（如日本计划在下个世纪建造一能够容纳一个城市的建筑，也称"建筑城市"），对整个建筑物的规划、设计和管理越来越像是对一个城市的规划、设计和管理。计算机技术的发展和应用为建筑自动化提供物质基础和技术手段。

3 结束语

　　随着人们对"人类-建筑-环境"认识的深入，人居环境的可持续发展逐渐成为全球普遍关注的问题。低能耗健康建筑追求在尽量少用不可再生自然资源和能源的条件下，为人们生活和生产创造卫生、健康和合理的建筑环境，因此它是保证人居环境可持续发展的关键之一。低能耗健康建筑的实现取决于城市能源规划、节能建筑设计、城市微气候改善和建筑自动化等领域的科学技术的研究和应用。

4 参考文献

　　1 中国政府21世纪的白皮书
　　2 D Croom. Future Horizons in Building Environmental Engineering. Tsinghua-HVAC-95. 北京，1995，9。
　　3 吴良镛，广义建筑学，北京：清华大学出版社，1989。
　　4 Stevents B Willis. Building for the Future. Building Services J, 1995, 17(5).