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1.簡介
在20世紀初,機械空調技術的發展使建筑的設計能夠擺脫當地氣候環境參數的限制,因此這類建筑的營運和初始成本與對復雜技術的要求一樣水漲船高。20世紀80年代后期,在歐洲中部開始出現一個不同趨勢,且愈演愈烈,那就是建筑必須將能耗降至最低,同時把室內舒適度和空間利用度達到最大化。此外,還要降低在建筑搭建和營運過程中所造成的材料、時間及成本的浪費。另外,社會和文化方面的因素也愈來愈受到重視,比如建筑的外觀設計。在歐洲觀念中,建筑行業的可持續發展概念包插上述提到的所有方面。幕墻在其中扮演著至關重要的角色。
近幾年來我們了解了許多決定人類未來的必要條件。數年來,全球化和世界城市化正以前所未有的速度徹底改變我們的世界。人們對居住舒適度的不懈追求卻使環境遭受重創。后果顯而易見:自然資源消耗加劇,從而導致原材料的價格急劇上升。更嚴重的是,由資源大量消耗所導致的氣候變化已成為全球共同的挑戰,如果不采取措施的話,人類后代生活的自然基礎將遭受毀滅。所以我們急需轉變之前的想法,促成全球性的轉變。當下關于可持續發展的戰略可分為兩種派別:“充分戰略”和“效率戰略”。簡而言之,充分戰略直接針對的是個體的責任感,比如個體使用資源的程度,而效率則是建筑設計和規劃參數。
建筑能耗約占全球能耗的40%,所以公眾對節能建筑和資源保護的興趣漸增。可持續發展建筑是健康環境的基礎。今天,我們在建筑環境領域所犯下的錯誤久而久之會對經濟、生態和社會文化造成負荷。這也是為什么全球對可持續發展的意識增強,先進的智能型綠色建筑概念正引領著建筑業的風潮。基本問題是:我們是否需要高科技或者低科技門窗幕墻以實現可持續發展?在我們討論這個問題之前,我們先要來分析一下可持續發展建筑的基本要求和概念。
2.可持續發展建筑的要求
首先我們來看一下可持續發展建筑的要求。可持續發展建筑的設計要考慮建筑整個生命周期所涉及用戶的相關需求,涵蓋從設計、規劃、搭建到運營、使用、翻新再到拆除并回收、重復利用建筑組件和材料的所有階段。在歐洲對可持續發展問題的關注度在日益提升。讓我們首先聚焦基本資源的消耗,隨后再來考慮對水資源的保護和污染的防控。長久以來,我們只著眼于初始成本;現如今,在歐洲,細致優化投資成本和隨之而來的營運成本已成為普通標準。此外,可持續發展的社會和文化因素正日趨重要,比如建筑的外觀設計,但是更多體現在建筑的使用方法以及它們為用戶提供的空間利用度。
現在我們了解了實現可持續發展建筑的因素有:
環境質量(生命周期影響評價....)
經濟質量(生命周期成本,靈活性和適應性....)
社會文化質量(體感舒適度、用戶控制....)
實用性質量(氣密性、水密性、隔熱、遮陽、自然通風、日照、隔聲、安防、適用性....)
技術質量(清潔和維護、拆除拆卸....)
加工質量(設計、生產、安裝、清潔和維護....)
建筑領域的可持續發展概念需要包含上述所有要素。智能型綠色建筑必須根據這些要素來設計、搭建和運營。今天的歐洲建筑設計已經把重心轉移到長期的顧客滿意度上。其結果就是質量、功能和資金成本的要求逐漸變得更為嚴格。人類健康是周圍環境直接作用的結果。至少在辦公樓和行政樓,隨著社會大眾逐步意識到舒適的溫度、新鮮的空氣、對采光的利用和宜人的聲音環境將直接影響著績效和出勤率,這些因素將在未來備受重視。
3. 智能綠色建筑的概念
現如今我們知道,根據建筑的所在地不同,它會受到不同環境因素的影響,即噪音、風、降水、冷、熱和太陽輻射。建筑的外立面至關重要,不僅僅因為它關系著外觀,也由于它牽涉到建筑的可用性和耐久性、對人身和財產的保護以及內部舒適環境的創造。一方面,節能的建筑外立面影響著為維持室內舒適溫度所需的供暖、采光、通風以及制冷所使用的能源量(以此影響能源成本和污染量),另一方面也對技術建筑管理系統的規模甚至基本需求起到作用(以此影響投資和營運成本、它們常常提升室內舒適度,以此改善辦公樓和行政樓的工作環境,這也相應增強了用戶的滿意度和效率。視建筑的所在地而定,建筑外立面也或多或少提供了使用可再生能源的潛力。
智能綠色建筑可基于被動、主動、認知和能源正輸出概念予以搭建。在被動建筑概念中,被動幕墻組件將室內和室外因素盡可能地分開。當代的機械系統保障了一個舒適的室內環境。相反,在主動建筑概念中,動態幕墻組件對變化的內外部環境做出具體的反應。根據我的個人經驗,只有建筑的位置、高度及使用在—年中至少三分之二的時間不用考慮自然通風、太陽能和采光的情況下,單純的被動建筑概念才能突顯其優勢。高層建筑中傳統窗（詞條“窗”由行業大百科提供）戶的自然通風和外部遮陽系統的安裝受到高風速的限制。活動的、尤其是電動的組件只適合那些樂意維修保養的建筑業主。
在認知型建筑概念中,幕墻和帶動態調節功能的機械系統組件通過一個智能化的建筑自動化系統互相連接。因此,認知型建筑能對多種可預測可計算的環境做出反應,如氣象環境中每年或每天發生的波動(太陽高度角)或建筑營運的次數。然而,無法預知的氣候和營運因素一如云的異變和用戶無意識的行為一須通過合適的傳感器或在線天氣預報來監控。對幕墻單個組件的運行進行分主次地協調控制會影響幕墻參數,如整個能源吸收度和熱產量,并延伸“零能源狀態”。信息物理融合系統(CPS)代表著現存嵌入式系統的下一個進化階段。在CPS系統內,信息組件與物理組件相互協同作用,成為全球聯網的一部分。與認知技術相組合,它們會對建筑學和建筑業產生巨大影響。CPS使新一代認知型建筑及建筑外立面成為可能,其特點就是提升能效、生產力和性能,從而優化建筑能耗,改善用戶的舒適度和安防等級。
此外,有針對性地滿足項日對室內環境舒適度的要求往往比遵守普通標準一在某些實例中是超標準一要更有效地減少建筑能耗。在理想狀態下,每個建筑區都能規定各自的舒適度限值。例如,當建筑非常用區域能適應清晨的較低溫度,則夜間被動制冷的能效就能得到提升。若設計師進一步拓寬設計的“系統化界限”則能進一步優化能效。如,相鄰建筑中間不受氣候干擾的圈占地可設計成大型的緩沖區域,作為中庭或商業中心。這些緩沖區域可配各天然系統,保證每年的氣溫在15到30° 之間,不受外界影響。為了以最少的能耗實現這個目標,必須通過建筑中央管理系統控制可見光的射入、太陽能的獲取及自然通風水準。另一方面,諸如屋頂和幕墻這些區域的內表面則相對簡單,不用額外考慮風力載荷或暴雨的因素。有了“氣候罩”的防護也提高建筑的使用頻率。在理想情況下,用戶可分別控制幕墻內部組件,不會對能耗產生負面影響。然而,氣候罩的噪聲控制(“ 音量衰減”和熱存儲行為(“ 熱緩沖”)水平也是相當重要的。
要談論能源正輸出概念,我們必須首先減少建筑的能耗。當建筑內部環境能在不啟用機械系統的情況下保持舒適且延長舒適時間,則能顯著減少能源消耗。在此,我們可運用被動概念、主動概念或認知感念。實現能源正輸出的最終步驟是將建筑外立面轉化為主動的太陽能接收表面。兩種技術可供參考使用:光電和光熱。目前,相關組件已能融于建筑設計特征,極大地適應建筑個性化要求。應用范圍也從幕墻組件、房頂模塊拓展到遮陽設備。直接利用太陽能進行區域供暖和熱水供給可通過現存的不同系統來實現,這些系統按照不同的準則來運作,如空氣收集器、集水器或帶熱泵的熱吸收器。對城區內的熱存儲系統進行相互連接可提升系統性能。尤其對于辦公樓來說,在熱收集器(吸收式制冷機)的幫助下實現制冷引起極大關注。原理很簡單:在制冷需求最大的地方,太陽也會提供最大的熱能源以供制冷。這是完美的“供求平衡”。現如今,整合進建筑的太陽光伏系統早已逾越實驗階段。現在,太陽光伏系統可用于安裝固定和移動遮陽系統的幕墻和屋頂。同時,布線和電力連接的問題也得到了有效解決,性能卓越的系統已上市。通過認知技術和信息物理融合系統將城區內的建筑與不同的“電力用戶及產商”連接在一起可在不久的將來達到供求平衡并提升太陽光伏系統的能效。認知型技術和信息物理融合系統能幫助提升建筑的安防等級。根據我們自己的定義,防護即是對單個或多個偶然因素引起的隨機突發事故進行防御保護。
安全則相反的是指不受有計劃的蓄意事故的侵害。防護的主要威脅來自火災和自然災害,后者可細分為地理學、氣象學、水文學和氣候學方面的事故。
而安全方面,我們首要考慮的是針對犯罪行為(即盜竊、蓄意破壞、恐怖事件和間諜行為、我們認為在新技術領域,防火和抵御自然災害會占據一個次要地位,建筑外圍和周邊可啟用相應的認知型技術和信息物理融合系統實現這一方面的防護。近幾年來,盜賊數目的增加和因防盜門窗導致的盜竊未遂事件的上升促使我們對優化防盜性能的關注度提升。我們的焦點集中在防范措施。安裝于門（詞條“門”由行業大百科提供）窗的電磁接觸開關和玻璃碎裂傳感器可通過CPS系統與警報系統相連,在有人強行進入室內的時候發出警報。高級的信息物理融合警報系統甚至在竊賊還未接近建筑前就對其有所察覺。我們所說的是保護周邊環境的認知系統,在建筑和竊賊間建起極強的屏障,包栝建筑周邊的動景照明設各、室外監控攝像頭、光信號和聲信號安防系統及視頻通訊系統。它們將提升基于CPS系統的住宅區的防盜效率。
4.如何設計用于未來智能型綠色建筑的門、窗和幕墻?
為特定地區的特定項目尋求最佳解決方案一建筑師致力于可持續發展一同時首先考慮用戶舒適度和可控度,與功能品質(氣密性、水密性、隔熱、遮陽、自然通風、光照、隔聲、安防、可用性)相輔相成。作為職業工程師,我們專注于使用高端技術的門窗和幕墻。
概念越復雜,交易的趨同性就顯得愈加重要。趨同性是指行業合并,模糊單個企業現有的定位界限。搭建整合了可調節功能組的建筑模塊可更有效地設計并執行項目定制解決方案,并提升其質量水準。可協同運作的功能模塊簡化了整合步驟。早在1999年,德國旭格國際集團就在慕尼黑BAU 展會上推出其基于整合式設計與分散式建筑主體組件的概念幕墻。這種類的幕墻使所有幕墻組件完美相融,包栝控制和管理系統,使建筑外立面組件和主體組件的連接和協同作用成為可能。此外,德國旭格國際集團在2005年BA∪ 展會上推出混合類型幕墻。它的原理是實現幕墻不同組件的功能分離,舉例說明就是某個可移動的不透明組件負責自然通風,另一個固定的氣密性組件負責控制光照。混合幕墻和概念幕墻的創新組合從一方面來說是單層和雙層幕墻的混合體,另一方面是自然通風和機械通風的組合。
德國旭格國際集團抱著理智的心態使用自然資源,開發生成能源的新方法。旭格在2007年和2009年的慕尼黑BA∪ 展會上分別推出E2幕墻的頭樣和2度概念,以完成“能源2一節能并產能”的概念轉化。它整合太陽光伏模塊、太陽能轉化器、隔熱遮陽性能及帶熱回收功能的分散式機械通風,為整層式玻璃提供持久的自動化。其結果是保證最大能效,最大化地降低搭建成本,同時保證建筑的高品質外觀,優化舒適水準。同時,幕墻的功能單元是創新建筑的設計特征之一。創新的半透明太陽能光熱（詞條“太陽能光熱”由行業大百科提供）收集器和多樣化的太陽光伏模塊可實現大規格化,整層嵌入幕墻。收集器的光影效果賦予幕墻迷人的外觀,打造全新的建筑風格。平齊地整合進幕墻的光熱收集器有效利用太陽能為建筑實現制冷。收集器吸收的熱能通過吸入式制冷單元轉化為冷水,直接用于空調設備。集中的太陽能輻射（詞條“輻射”由行業大百科提供）一方面增加制冷能源的需求,另一方面提升太陽能制冷系統的性能。這極大地減少了用于空調的基本能源量。
最終,我們要根據客戶的需求綜合考慮。對投資商而言,他們主要注重遵守項目工期和短期經濟影響(投資兒對業主而言,他們希望建筑的使用是長期而可持續的,建筑生命周期成本、功能品質、靈活度和適應性是最重要的。只有很小一部分客戶會注重環境及社交文化水準。
現在讓我回到上面提到的基本問題:高科技和低科技解決方案,究竟哪個略勝一籌?在我看來,答案既非高科技也非低科技,智能科技概念才是最好的。它只使用必要的技術,減少或完全消除不必要的能耗、材料、時間及金錢。
目的在于使用最少的資源及能源將氣候的負面影響降至最低,同時將正面影響最大化。智能科技概念遵照生態氣候設計戰略,利用自然通風、太陽能和光照盡可能減少機械系統的使用。它專為特定的極限條件而設計。氣候代表著一個城鎮、國家或一大片地區的天氣現象總和。宏觀氣候受緯度、海平面（詞條“平面”由行業大百科提供）高度、土壤條件和海拔影響。微觀氣候由當地條件和周邊環境(植被、鄰里建筑、交通、建筑坐落面的角度和位置)決定。
前進的第一步即是創建綜合設計方案,將環境、經濟、社會和文化因素都考慮在內。它以一個詳盡的逐步分析為基礎,分析因素包扌毳成本效益(投資、營運和維護成本λ設計(實際、正式和象征方面)、能源要求(供暖、制冷、通風、照明等)及室內舒適程度(氣溫、視覺和聲音因素等、分析必須考慮建筑的整個生命周期,從設計、規劃、搭建到運營、使用、翻新再到拆除并回收、重復利用建筑組件和材料。重要的不是改善單個組件,而是優化建筑整體性能,包括建筑結構、建筑外立面、內部墻體、地板、天花板、存儲量、技術固定裝置和五金件及建筑管理技術。應用參數化設計概念是實現此類高度復雜任務的完美方案。它通過可變參數和演算法建立數學和幾何的關聯層次,基于參數自動生成建筑組件的形狀和組件的物理特征,并根據形狀的關聯來修改特征。這樣一來,CAD軟件將從繪圖工具轉化為有效的設計工具。德國旭格國際集團在2013年和2015年慕尼黑BA∪ 展會上分別推出參數化概念和參數化系統。同時,我們使用參數化設計方案循序漸進地創建綜合而詳盡的分析,優化日常項目進程。
最后我們必須牢記建筑技術和方案必須適應建筑用戶,而不是讓用戶去適應最新的技術和方案。
