未来在家里 The future is in the home

文:马蒂诺·巴拉蒂索 

by Martino Paradiso

西班牙的马德里举办了首次“欧洲太阳能十项全能房屋设计大赛”,这是一个展示环境可持续性发展的理念与高端太阳能技术相结合的试验成果的场所。 

The first Solar Decathlon Europe was held in Madrid, this is an event to show the examples compared experimental projects sustainable and advanced solar technologies.

图1:LumenHouse:对水进行净化处理的池塘看去。图中是在滑轨上移动的将窗户与遮光帘相结合的装置 

“欧洲太阳能十项全能大展”(Solar Decathlon Europe,以下简称 SDE)是太阳能技术领域高水平的洲际性博览会,举办展会的目的是为了推广与可持续性发展主题有关的知识和提高公众在这方面的意识。展会的内容是将教授、学者,还有大专院校建筑专业的学生以及来自世界各地的工程师们的设计进行比较。从2010年在西班牙马德里市举办的情况来看,“对环境零影响”的建筑设计在数量呈显著增长的趋势:例如一个能耗为2,579kWh的房子,在展会上它利用可再生能源生产出来的电能可达6,177kWh。还有一些参赛项目产出的能量二倍于建筑物本身所需的能量,同时这些房屋具备适宜的温湿度,完全符合支持环境的可持续性发展的趋势要求。

太阳城

太阳城(La città del sole)开发者是西班牙房产部和马德里理工大学。SDE2010位于太阳城,马德里市政府为该项目提供了大约30,000m2的用地,项目的具体位置在曼乍纳雷斯河的岸边,正好位于瑞桥和赛格维亚桥之间。由于项目所处的区域尚在发展完善之中,为了参赛,这里还特意兴建了基础设施和添加了必要的服务设施。比赛时各队将在房屋设计、预制件制作、结构件组装、展示系统状况以及房屋舒适度(表面积为7m2)几个方面进行角逐,比赛的前提是这些建筑物都必须以太阳能为能量来源。在为期十天的比赛中,参赛房屋的各项指标必须严格符合相关要求(环境温度、湿度、照明条件、空气质量、能耗状况以及太阳能设备的生产能力等等)。组委会评审机构还提前声明,用于监控各参赛队伍的设备和系统完全相同。

除参赛各队在能耗和环境舒适度两方面进行比较后可获得一定的分数,还有一个由众多著名的国际专家组成的评委,这些人当中就有: Glenn Murcutt(曾荣获2002年Pritzker 大奖),Fiona Cousins(Arup NY)以及 Senta Morioka(东京 Housing Inc.)。评委的任务是为其它方面的性能参数制定标准,这些性能参数包括:建筑设计、工程技术、建造、太阳能系统、家电设备、通讯器材、产品的标准化,甚至也包括市场开发、技术创新和是否支持可持续性发展等等。参赛队伍的总分将决定他们的名次,此外还设有单项奖。十七家参赛单位分别来自欧洲各国(芬兰、法国、德国、英国和西班牙)、美国和中国,各参赛队伍分别带来了自己的原创设计或者是往届参赛作品的改进版。

获得大赛总分第一名的是弗吉尼亚州立理工大学(美国),他们的 LumenHaus 凭借最新的设计一举夺魁,该设计方案也曾参加过2009年华盛顿州的比赛;获得大赛的第二名是 Hochschule Rosenheim的Ikaros(德国);第三名获则是Hochschule Fur Technich Stuttgart 的 Home+。

 

2:LumenHouse简便外墙夜晚外景。不同的外墙设计构造出不同情亵渎的圆孔射光

  

LumenHaus

LumenHaus 的设计主要是受了梅里斯·凡·德·洛尔1946年设计的“Farnsworth 房”的启发,LumenHaus 是一套可以协调室内外关系的对称式建筑,构成它的单块材料可根据活动空间的性质进行排列,同时还不会影响用户的隐私。用户可以利用增加这种单块材料来扩大空间,并且在垂直方向上的面积也可以扩大。

房子的钢结构架在工厂就完成了组装,并且只是在运到太阳城最后一段路才用到带拖车的载重卡车。地热设备的蛇形管用掺有循环灰粉的水泥埋设在地下,房子的东西墙和楼顶都使用了表面为铝锌材料的绝热三合板,并且在室内进行精装修前就完成这部分材料的安装,室内装修使用木材为快速成材型的林木。建筑设计上独特之处在于它的一套遮阳系统,这套系统由4部分可以侧面滑动的幕帐构成,可以根据气候条件,自动地在正面外墙最长的竖直方向上改变墙表面的作用。外墙材料(镂空式)由铝板构成,铝板上有用激光切割的圆孔:按照房子所在地点和建筑物的朝向,为了调节自然光入射的角度和强度,激光切割的圆孔呈现出不同的倾斜角度。室内安装的是半透明的多碳材料的板材,板子内充有高效绝热的凝胶,窗框上安装了防蚊虫的纱窗,双层玻璃窗和里面的薄纱帘具有遮光作用。

在理想气候条件下,房子的南墙和北墙可以全部移动,因此扩大了室内空间,同时也使表面面积增加了一倍。按照实际需要,可以通过部分或全部地移动房子的表面材料,实现控制和调节与热量有关的自然条件,并且不会阻碍内部与外界交流。

LumenHaus 所有需要能量的地方使用的都是太阳能:太阳能电池板安装在倾斜可调的支架上,这种结构便于太阳能电池板获得最佳光照,并且由于采用的是双面都起作用的太阳能电池板,因此发电量可增加15%。这套设备除了为室内的家用电器供电,还可以为一个地热泵和室内室外的 LED 灯服务。另外,雨水在屋顶就被收集起来,经过净化提纯的雨水成为饮用水,而再次回收来的水经过一系列生物过滤处理后则可成为非饮用水供生活使用。

利用一套控制系统可以对各种设备进行调节,包括换气的同时回收热量和对室内获得的直接热量进行调节,特别是对地热设备的管理。用户可以通过具有接收能耗信息功能的计算机或者智能手机进行遥控调节。LumenHaus 还获得了建筑方面的单项奖,同时获此殊荣的还有 Luukkuu House(芬兰阿托大学)及 Low3(加泰罗尼亚理工大学)。总之,LumenHaus 是一栋实用、高效率的房屋,设计者很好地运用了试验方案,并在外层材料的质量、造型以及多功能开发等方面倾注了较多的力量。

Ikaros

Ikaros 总分排名第二,并在能耗、舒适度和家用电器方面荣获单项奖。Ikaros 在设计概念上与很多采用了 SD 技术的德国参赛队有很大的区别,与 LumenHaus 相比,更是截然不同:它运用了一些高端技术,例如使用下层中空的绝热板和变相材料等,对房屋的绝热处理格外重视,同时也非常强调配件标准化问题(他们使用的标准化配件超过92%)。

这一设计的出发点也是为了获得一个灵活的,可以自由组合的生活空间,并且不失生活和工作的隐私。房子在整体上大部分被立体材料构成的表层保护着,这种设计利于获得自然光,也可以进行适当的调节,因此不会有阳光直射带来的不适。该方案的特殊之处在于带孔的外层和实际墙体之间有一个遮光的结构:板子下面做了一种包装处理,利用这种结构,可以对获得的直接热量进行调节,并且自然光还可以照进来,所以室内的人既获得了隐私空间,也可以看清外面的景物。

房子的框架由四个旁边带辅助结构的三通形状的木制预制板构成。由于使用的是细小的木-钢连接件,房子四面墙壁的薄厚度非常合理。与传统的加厚墙壁相比,使用下层中空的绝热板后,墙壁的热传导能力增强了10倍。此外窗户还安装了三层玻璃,并且用特制的密封胶条封严。

由于采用了高效的太阳能集热器,因此获得的电量(年产电量可达16,500kWh)几乎四倍于能耗的平均值(年能耗达4,300 kWh),因此安装了给水加热的热水器,同时还与地热泵相连。这些设备以隐形的方式沿着屋顶的围栏安装。选择这种几乎与屋顶持平的方式安装,是为了让使用了变相材料(pcm)的表面在夜间最大限度地降温,将其白天聚集的热量释放出来,以确保安装了热辐设备和可以回收热量的通风设备的室内保持适宜的温度。

3Ikaros 生产的下面中空的绝热板和变相材料都是标准化产品

 

Home+

Home+获得了创新、工程设计和建造的单项奖。方案在设计上主要受被动房的启发,在太阳能综合技术的创新方面尤为突出。这所房子在设计时主要考虑如何应对高热和干旱的环境条件,为此针对在极端气候条件下运行的系统进行了散热技术的优化处理。

这座结构紧凑的房子做了很好的绝热处理,同时还安装了一套自然通风的现代化空调系统,这套系统的设计灵感来西班牙传统建筑中常用的阿拉伯式排风系统。房子的支撑结构由盒式的小块拼成,这种结构不用绝热材料,热量通过位于天花板以及和屋顶的制冷系统相连的变相材料进行调节。变相材料在白天呈融化状态,热量被材料吸收后,室温可保持在22-23 °C 之间;这些储存在变相材料中的热量,在夜里将被屋顶上的制冷设备所消耗。设计这套装置的容量时还考虑到一个储水罐,白天时冷水将从这个储水罐中被抽出,然后再送到地热式地板内。当需要地热泵发挥作用时,系统会让“能量冷却塔”也参与作业,冷却塔被安置在一个介于日夜之间的区域内,利用自然风可为其换气,夏季时,冷却塔会根据实际情况通过让水雾化发挥作用。室内空气在进行气体交换前,将经由墙壁长边上的侧缝排出,这样可以在外环境之间的形成一个缓冲屏障,同时余热还可以被及时回收。而在冬季时,室外空气进入室内前,会经由一个热交换器被预热。房顶上安装的太阳能电池板采用的是单晶硅材料,房子朝东和朝西长边一侧则安装了蜂窝材料,因此墙体部分透明,且颜色上呈金色和红铜色,整个建筑也因此显得更漂亮。太阳能装置的发电能力为12.5 kWp,另外还专门配备了的一个太阳能热水器,利用它可以为整个房子提供热水。

 

4Ikaros:带立体结构的外表层细节,自然光可以入射,但不影响室内的私人空间;

 

5俯视Home+的效果:很有特色的能量塔配合制冷设备和传统的通风设备发挥作用(照片提供:© Jan Cremers, HFT Stuttgart 

Living Equia

Living Equia 获得了太阳能方面的单项奖,它的设计单位是柏林技术和经济高等专科学校。这栋房子实现了太阳能电池板和外层材料,以及窗户遮阳装置的完美结合(共有34块高效单晶硅太阳能电池板,并可根据实际需要增加块数)。这些太阳能电池板的年发电量可达6,300kWh;利用太阳能热能的设备与房子朝南的表面材料相结合,建筑材料的连接点沿着向心分布透明材料排列,透过这种表面材料,自然光便成为一种充足的光源。房子的支撑结构和外墙使用的是通过 FSC 认证的,对环境影响较小的环保木材。

夜间的时候,利用系统使用的变相材料可以给室内空气降温。当房子需要的热量达到峰值时,热泵也可以辅助发挥作用。通风系统除了换气,还有回收余热的功能:只有室内需要除湿时,才会通过安装在房内的木制吸湿板材予以调节。

图6:Living Equia外层材料与太阳能电池板相结合透明的材料利于获得自然光照照片提供© Fachochschule für Technik und Wirtschaft

SML House

SML House 设计团队来自瓦伦西亚“埃雷拉红衣主教大学”,他们获得了标准化和市场营销方面的单项奖。他们的设计注重支持可持续性发展,在项目的建造过程中产生的垃圾极少,同时还选择可再生的高科技材料(例如,外层由丽耐材料打造)。此外房子在绝热方面的处理也很出色,并且采用了先进的太阳能的设备。

这个房子的外表很像一些模块的组合,带填塞材料的外层与太阳能电池板薄膜相结合。在水平方向上这些材料之间保持着20cm 的间隔,这是一种折中的处理:既满足发电需要,又符合安装材料的要求。因此给人的感觉是屋顶上覆盖一层均匀统一的材料。屋顶上还有一个被称为“能量块”的可滑动的机械装置,上面安装了利用太阳能的电热板和太阳能电池板,这是对同种技术的两种应用:由于该电动装置可自动控制,因此可以随时调整电池板暴露的面积,从而获得不同的电量或根据实际需要使用适中的电力给水加热。

 

7:在有光照的时间段内,SMLHouse 安装在屋顶上的电动系统可以协助太阳能设备获得所需的能量(照片提供:© DuPont

 

8:特别重视建材支持可持续性发展的标准,Napevomo House 安装了一个新型太阳能灶(照片提供:Javier Alonso Huerta

Napevomo House

Napevomo House 的设计者是法国国立高等工程技术学院,他们荣获了支持可持续性发展的单项奖。该设计方案也使用了变相材料,目的是在用电高峰阶段起到缓解作用,变相材料加通风系统,使房子在夏季也能保持宜人的环境。楼顶上安装了一个抛物线型组合式的太阳能发电设备。这是一种微型共生系统,可以同时生产电能和给水加热,这些热水不仅供生活使用,在冬季时也可以供取暖设备使用。这个设计强调的是建筑的生态气候,房子南面的窗户很大,这样既可以直接获得太阳的能量,也可以获得了充足的自然光。包括他们所用的材料,甚至是在生产这些材料的过程中就做到了节能和环保。房子的结构件和外层材料都是木材,虽然没有经过烘干工艺处理,但使用新技术处理后的板材,不仅很薄,而且韧性也很强。

墙体的绝热处理采用了木纤维和多孔棉,生陶土材料的地板砖和墙砖还具有吸潮的作用。带小窗户的墙壁,房子的侧墙,以及屋顶都覆盖着具有保护作用的植物,这些植物依靠经过自然净化后的雨水灌溉。

赛事总结

        欧洲第一届太阳能房大赛圆满落幕,大赛的参观者超过了190,000人,同时也得到有关政府部门、学术机构和各权威机构的重视,参观者从普通大众到西班牙菲利浦王子,还有一个欧盟的代表团参加了支持可持续性发展建筑的国际论坛。

参赛单位一般由十几人组成一队,他们在比赛地点按设计方案实施操作,活动内容包括组织、建造和沟通,西班牙房产部除了为每个参赛队伍提供一万欧元的赞助,也有很多生产领域的企业也直接参与到赞助商队伍中来。参赛费用是很高的,但制作比赛模型的平均费用却在呈持续下降趋势。

       在颁奖仪式最后,一份致全体参赛队伍的发言稿中这样写到:“SDE2010只是一个开始,我们大家都在努力,我们要使这项活动成为带来巨变的真正的催化剂。”所有这些成绩,依靠的并非只是科技,我们正处在一个推广“支持可持续性发展建筑”的大好时机。今年九月,2011SD 将在华盛顿举行,活动的组织工作已在进行当中,那时将20家队伍参赛,包括比利时、新西兰等国的参赛队伍。2012SDE 还将在马德里举办,参赛注册工作已经在进行当中。

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