未来建筑的难题:如何调节室内气候?

未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图 GB House / Renato D’Ettorre Architects. Image © Justin Alexander

    根据联合国的数据,自2000年以来,已经发生了7000多起极端天气事件。就在2020年,森林大火席卷了澳大利亚和美国西海岸;西伯利亚的气温也创下了历史新高,甚至比达拉斯和休斯顿都更早地达到了37.8摄氏度;在全球范围内,2020年的9月是世界有史以来最热的9月。气候危机的影响越来越可怕地显现了出来。建筑行业的温室气体排放占全球的39%,将尽自己的一份力量,寻求贯彻改变可持续发展的方法。

    其中,最具挑战性的是如何以环保的方式满足日益增长的降温需求。降温在本质上比制热更难。因为任何形式的能量都可以变成热量,即使在没有主动加热的机制的情况下,我们的身体和机器仍能自主产生热量。降温则并不能从自主能量转换中获得同样的好处,这使得制冷更加困难,成本更高,效率也更低。全球变暖及其显著的升温效应只会加剧这一现实,增加对人工制冷的需求,且这种需求正在加速增长。目前,这些机制很多都需要大量电力,并严重依赖化石燃料来运转。建筑行业必须找到满足日益增长的降温需求的方法,同时避免这些不具有可持续性的影响。

    未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图1 Haus Flora / Alexis Dornier. Image © KIE

    值得庆幸的是,已有许多现存的解决方案。建筑师和工程师必须通过使用和调整做出贡献,适应新的和现有的建筑。我们在下面列举了几种解决策略、解决方案和产品,它们以环保的方式帮助建筑室内降温。

    降温方案大致可分为被动和主动两类。被动降温是指通过调节热量的吸收与耗散,从而消耗很少的能源,甚至达到零能耗。这些策略通常利用自然环境的效应和被动式建筑的设计,而不是机械系统进行主动降温。在被动降温中,建筑师可以使用预防技术或散热技术:前者能够防止由于场地、建筑设计或是隔热而吸收热量;后者则通过通风、蒸发冷却等方式耗散已经积累的热量。ArchDaily曾报道过其中的一些策略,尤其是有利于被动降温的材料和自然通风技术,如交叉通风等。

    未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图2 Ternion Villas / Studio Toggle. Image © Gijo Paul George

    未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图3 Cantilevered House / eneseis Arquitectura. Image © David Frutos

    为了设计一个有效的被动式住宅,设计师必须从朝向、窗户位置到外部遮阳等等相关联的条件进行综合考虑。Darmstadt Kranichstein被动式住宅是被动式降温系统的实际应用,这是一个有用的范例和有价值的研究案例。在Passipedia关于“被动式房屋资源“的分析报告中,对上述被动式降温的条件及其对平均室温的影响进行了详细的调查。通过倾斜窗户这样简单的方式促进空气流动,形成了“良好的室内气候”。根据环境的不同,这种方法在调节温度方面甚至比机械通风系统更成功。同样,阳台或悬挑屋顶可以显著降低过热事件的频率。Passipedia表示,这些评估结果在很大程度上取决于气候、季节,以及每个建筑系统和元素的细节。例如:即使过大的悬架降低了夏季过热的可能性,同时也可能会显著增加年度供暖的需求。房屋朝向是这个背景问题的缩影:在北半球的夏季,朝北可以减少过热的频率;然而,在一年的其他时候,它会增加供暖需求;在南半球,情况则大致相反。在赤道以北,朝南通常是理想方位,但特定的气候和地理位置可能会极大地影响这一公理。该案例研究发现了其中的一些局限性,对北方地区的被动降温仍具有普遍适用的参考价值。

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    未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图4 Nature & Environment Learning Centre / Bureau SLA . Image © Filip Dujardin

    未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图5 Transformation The Hinge / Niels Olivier Architect. Image © Arne Olivier Fotografie

    综合这些不同的考虑,Isover的多重舒适住宅展现出一系列有用的设计原则。在降温方面,关于炎热气候的手册列举了五种主要的被动策略:1)紧凑的建筑设计,朝向良好;2)具有隔热性和密封性的外包;3)节能玻璃与太阳能控玻璃、外部遮阳结合;4)配备热回收通风系统;以及 5)夜间自然通风。报告还提到,像家用电器、供暖系统、生活用水系统、空气处理机组等内部热负荷也都需要合适的隔热以保持凉爽。该手册提供了具体的指导方针,以满足这些要求,并提供了精确的测量方法:外保温应达到平均传热系数0.15-0.45 W/(m^2K);窗户的太阳热吸收系数应低于40%等等。手册也提出了具体的策略,通过图纸和结构干预详细解释了避免热桥的方法。可以通过查阅手册原件来查看其他的设计原则,阅读更详细的参考指南。

    未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图6 Fitted House / Bahtera Associates. Image © Pandji Adidjojo

    未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图7 Casa Hilo / Zeller & Moye. Image © Jaime Navarro

    市场上有几种符合这些标准的产品。比如Saint-Gobain的COOL-LITE SKN,这是一种太阳能控制玻璃,在保持“中性”美学的同时,具有高透光性和良好的能源性能。COOL-LITE SKN 183 (II)能够在不影响能源性能的情况下,达到最高的采光效果,在隔热的同时保有75%的透光率,具有高透明度和低反射率。

    未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图8 La Leroteca / Lacaja Arquitectos. Image © Rodrigo Davila

    值得注意的是,建筑师还可以将被动降温与机械系统主动降温相结合,并根据需要将后者作为前者的补充,从而进一步减少能源使用和排放。当这些机械系统本身具有环保意识时,效益则会进一步增加。今年4月,热电公司Phononic发布了新的制冷平台Oacis。现有暖通系统普遍使用的制冷剂会造成环境污染,而这种半导体技术可以在不使用这种制冷剂的情况下传导热能。虽然这款产品仍然很新,但它有潜力改变主动制冷,并取代不具有可持续性的空调。

    未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图9 Suhrkamp Ensemble Offices / Bundschuh Architekten. Image © Laurian Ghinitoiu

    另一个值得注目的产品是Climaver。这是一种绝热的空调管道,在提供新鲜空气的同时,不会牺牲热保护和噪音控制。该产品采用了玻璃棉来减少管道沿线的热损失,并将漏风概率降到最低。Isover的多重舒适住宅手册推荐了该产品,最大限度地对通风和空调进行可持续性地优化。

    未来建筑的难题:如何调节室内气候?插图10 House Dezoito / Casa100 Arquitetura. Image © Maira Acayaba

    随着全球气温持续上升,极端天气事件凸显出不断升级的过热问题,被动和具有环保意识的主动降温既可能调解这些负面影响,又能限制导致这些负面影响产生的条件。双重需求使改革工业降温标准成为当今建筑师面临的最大挑战之一。利用这些策略、解决方案和产品,设计师可以着手解决这些问题,为未来普遍的建筑降温行业改革铺平道路。

    译者:张心璇

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