论建筑发展与能源开发的关系_徐睿

论建筑发展与能源开发的关系
RELATIONSHIPS BE T WEEN THE DE VELOPMENT OF ARCHITEC TURE AND THE EXPLOITATION OF ENERGY RESOURCES
徐睿
Xu Rui
摘要/通过对建筑结构耗能、建筑运行耗能以及低碳绿色建筑发展等方面的探讨，揭示出建筑的发展受到客观物质以及人类对自然规律的认识水平的支配，是人类对地球、太阳和空间掌控能力的反映。

在此基础上，指出绿色节能设计理念产生的深层原因，以期为可持续的建筑设计提供更为充实的理论基石。

关键词/建筑材料 结构耗能 运行耗能 低能耗 绿色低碳建筑 能源开发
ABSTRACT/ By investigating energy consumption of building structure and operation as well as the development of low carbon green building, this paper reveals that the development of architecture is obedience to objective material and the level of human understanding of natural laws, and it reflects the capability of human being in controlling the earth, sun and space. On this basis, this paper points out the underlying reasons of the formation of the ideas of green and energy-saving design, so as to provide a more substantial theoretical foundation for sustainable building design.
KEY WORDS/ Building materials, energy consumption of building structure, energy consumption of building operation, low energy consumption, green and low carbon buildings, exploitation of energy resources
二次世界大战结束以来，由于大量的实际需求，建筑业实现了持续的发展。

这种发展与新技术、新材料的发展相互促进，不断强化人为建设的控制力，体现出人类对来自自然的能量的利用水平的提高。

然而，与建筑建设及其运行有关的能源消耗和环境问题却也日益严峻，能源危机、CO2排放量增加导致的全球变暖等问题已日益得到人们的重视。

对于建筑学而言，现在以及将来的发展趋势是如何开源节流，更加高效地利用太阳能等无污染能源来满足建筑材料的获取和制造、建筑运行过程对保温、光照和生活用热水的要求等。

本文将从建筑结构耗能、建筑运行耗能和绿色低碳建筑3个方面来分析和探讨建筑发展与能源开发之间的关系。

1 建筑结构与能源物质
在人类历史中，建筑结构的变化与人类对能源的开发利用有着不可分割的关系。

在古代保存至今的建筑中，西方主要为岩石构造，中国主要为木质构造，发展到今天，就与普通民众最为相关并且数量最大的住宅建筑而言，所用材料主要为泥砖、木材、岩石、水泥和钢铁等。

1.1 泥砖
泥砖的烧制需要由太阳能转化成的木材或煤炭。

世界第一座城市被认为可能是位于古老的美索不达米亚(Mesopotamia)的艾利度(Eridu)。

这座古城位于两河流域(the Tigris and Euphrates rivers，底格里斯河与幼发拉底河)，那里的塔庙古建筑可能是在5300年以前完成的，最高处有16层，采用土砖结构。

土砖是一种经久耐用的建筑材料，也是一种很好的保温材料。

16世纪修建的位于也门的泥砖之城希巴姆(Mud-brick city, Shibam, Yemen)10多层的高楼至今仍然可以居住。

1950年代，建筑大师勒・柯布西耶(Le Corbusier，1887～1965)一改他在20年代推崇混凝土建筑的主张，转而使用土砖。

现在，土砖是民用住宅采用最多的建筑材料[1]。

1.2 木材
中国古代建筑的结构以木材为主。

木材本身就是植物通过光合作用吸收太阳能而形成的一种能源物质。

由于存在腐烂、虫噬、收缩和裂缝以及防火困难等缺点，木质结构的建筑很难长期保留。

中国现存时代最早、规模最大的木结构古建筑是建于唐大中十一年(公元857年)、位于山西五台山的佛光寺大殿；而最古老和最高大的木结构塔是山西应县木塔，位于佛宫寺内，原名佛宫寺释迦塔，建于辽清宁二年(公元1056年)。

中国的古建筑使用斗栱来支撑向外伸展的屋檐，这种木构形式具有极高的审美价值；从战国时代采桑猎壶上的建筑花纹图案和汉代壁画中都可以看到斗栱，它应该出现在2000多年以前。

在欧洲，公元1355年建成的英国剑桥郡伊利大教堂(Ely Cathedral)用8根10t重的橡木树干支撑着200t左右的木窗，堪称建筑奇迹。

1.3 岩石
保存至今的古埃及、古希腊和古罗马建筑主要以岩石为材料。

古希腊建筑多采用长方形平面的列柱围廊式梁柱结构，并出现了以多立克柱式(Doric order)、爱奥尼克柱式(Ionic order)和科林斯柱式(Corinthian order)为代表的柱式规则。

建成于公元前460～370年的著名的帕特农神庙(The Parthenon)，采用了多立克柱式的阵列。

从构造来看，这些立柱是由圆柱形块石通过中间的两个凿孔栓钉在一起构成的。

罗马拱被广泛应用到罗马建筑中，如罗马圆形大剧场(Colosseum)和位于西班牙塞哥维亚(Segovia)的建于图拉真(Trajan)王朝时期(公元98～117年)的古罗马高架水渠。

在罗马式大教堂中，我们经常可以看到由一个拱门拓展形成的半圆形
作者单位：南京大学建筑与城市规划学院建筑系(南京，210093)收稿日期：2011－12－06
学术论文专刊2012总第07期
拱顶以及两个或多个拱门相互交叉构成的穹棱拱和穹顶。

欧洲哥特式建筑(1420～1550)通过飞扶壁使拱门得到了进一步发展，采用复杂的相互支撑的交叉拱使建筑物的高度有了显著的增加。

穹隆式建筑到东罗马拜占庭时期(400～1500)成为主流风格，代表性建筑为伊斯坦布尔(原名君士坦丁堡)的圣索菲亚大教堂。

古埃及金字塔、拉丁美洲的玛雅和阿兹别克金字塔建筑均以岩石为材料，其中以位于埃及首都开罗西南约10km的吉萨高地的胡夫金字塔最大，建成于公元前2566年，高度接近150m，采用每块重达2.5t的巨石垒砌而成。

1.4 罗马沙浆和水泥
在有些罗马古建筑中，核心结构是由石灰、黏土、火山灰和水的混合物建成的，有时还添加了小石头和沙子，这种建筑材料被称为罗马沙浆，应该是最早出现的混凝土。

古罗马分层式露天圆形剧场就是用这种混凝土建造的，它的显著特点是大量使用了拱门和典型的圆形或椭圆型设计风格。

罗马万神庙(The Pantheon)的主体结构从下到上是用混凝土浇注形成的，下部很厚，上部逐渐变薄，在13世纪之前一直是世界上最大的穹顶建筑。

1756年，英国土木之父约翰・斯密顿(John Smeaton)发明了现代混凝土，他用含有粘土的石灰石烧制出了能够快速凝固的水硬性石灰，被称为水泥。

水泥、沙石和和水混合后形成的混凝土固化后具有极高的强度，可与岩石相媲美。

由于运输方便，水泥已经成为现代建筑的主要材料。

19世纪中期，法国花匠约瑟夫・莫尼耶(Joseph Monier)在改造花盆时发现在混凝土中预埋铁丝网可进一步提高凝固后材料的强度，从此混凝土和钢铁变成了建筑的主体结构，而泥砖和玻璃成为以保温和照明为目的的墙体材料。

1.5 钢铁
在现代化高大建筑中，钢铁的使用量已经超过了水泥。

1856年，英国人亨利・贝西默(Henry Bessemer)采用转炉去碳的方法将生铁炼成了钢，使得建筑业有了革命性的变化。

钢铁是一种铁碳合金，炼钢的主要目的就是除去生铁中的碳。

钢的含碳量在0.05%～2.0%之间，具有强度高和韧性好的特点。

与岩石相比，钢筋混凝土要轻得多，这为摩天大楼的建造创造了很好的条件。

18世纪后半期，在英国发生了世界第一次工业革命，1765年瓦特发明的万能蒸汽机将英国以及世界带入机械化时代，冶金和采煤技术的发展为建筑业生产了大量的钢铁材料。

第二次工业革命从19世纪60～70年代开始，到20世纪初基本完成，其主要特点是电力的应用。

1866年德国工程师西门子制成发电机，1870年比利时人格拉姆发明了电动机，电力成为补充和取代蒸汽动力的新能源。

同一时期出现的平炉炼铁法和碱性转炉法使钢的质量和产量均有了很大的提高。

由于电梯的出现，利用钢铁和水泥修建摩天大楼成为建筑的必然趋势。

随着工业革命的进行，建筑设计也在极重装饰的巴洛克和洛克克时代之后，逐渐衍生出了新古典主义、现代主义和传统主义等不同流派。

从300m高的巴黎埃菲尔铁塔(1889)到443m的纽约帝国大厦(1931)，无一不是工业革命的产物。

这些高耸入云的建筑某种程度上也是一个国家、一个民族强大的标志[2]。

除了以上人们熟知的建筑材料，在现代建筑中使用的材料还包括氯丁人造橡胶、人造石、强化玻璃纤维混凝土及铝、钛等有色金属。

这些材料一般用于室内外表层的装饰，很少用于主体结构。

2 建筑运行与能源物质
建筑的运行耗能与资源、环境和经济有关。

1980年代，美国著名生态学家霍华德・托马斯(H T Odum)建立了能值理论(Emergy, 是Energy Memory或Embodied Energy的缩写)，用太阳能值转换率来分析某种产品或服务需要投入的能量[3-4]。

能值理论后来逐渐被用于建筑与能源的相关性研究，例如布朗(Brown M T)和布鲁纳卡恩(Buranakarn V)对建筑材料的循环利用进行的能值分析[5]；里卡尔多・普塞里(Riccardo Maria Pulselli)对意大利某建筑的建造、维护和使用进行的能值分析[6]；梅约(Meillaud F)通过能值分析方法，对于特定建筑的投入与产出的关系做出的系统评价 [7]。

这些都反映出建筑的发展是建立在人类对能源利用水平的提高的基础之上的。

与建筑有关的能源消耗包括冬季采暖、夏季降温、照明、烹饪和洗浴等。

古罗马就已经开始采用中央火坑供暖系统，热空气从炉内经由穿过地板的管道被输送到居民的住房中。

罗马古城的卡拉卡拉浴场(Baths of Caracalla)在地下有两层供暖设施，由炉子和热空气管道构成了供热系统。

到中世纪早期，生活在阿尔卑斯山北麓的居民在门厅的顶端设计了厨房，炉灶同时被用做壁炉，它可以给门厅供暖。

从9世纪开始，瑞士人开始使用瓷砖壁炉，由于瓷砖可以储存更多的能量，它的供暖效果优于普通壁炉。

18世纪发明的集中供暖设施采用锅炉将水加热，然后经由管道让热水通过建筑物的每一个房间。

集中供暖有赖于钢铁的大量生产，因为钢铁是管道和暖气片的主要材料。

20世纪后期，传统的煤炉逐渐被电炉、油炉或天然气炉取代。

现代化住宅综合考虑了供暖和洗漱需求，由专门的设施提供热水[8]。

约瑟夫・瓦斯马尔(Joceph A Weissmahr)在1980年代提出的有关经济增长的理论也可以用来诠释建筑的发展历史[9]。

他通过对1万年以来推动经济发展的因素进行分析，认为经济增长的决定因素是知识、能源和时间，而最根本的原因在于知识的引入。

正是因为知识的不断积累和技术的日新月异，人类对大自然的了解和掌控程度逐渐加深，可以利用的廉价能源越来越多，人类劳动和人类时间的利用也更加有效，与无污染廉价能源利用有关的新的知识和技术的引入将与人口的稳定一起成为未来经济增长的基础。

他指出资本在一定程度上可以看作是积累的剩余能量，它在生产增长高于消费水平时形成，并依赖于新能源的输入；就目前来说，资本形成的动力仍然是太阳能[10]。

从建筑学的角度考虑，未来的住房应该考虑节约能源、开发无污染能源并保护生态环境。

与经济体系一样，建筑的发展也受物质和人类对自然规律认识水平的支配；建筑不是一个封闭系统，它从来都是人类对地球、太阳和空间掌控能力的反映，每一阶段的建筑都是在新材料和新技术产生之后才出现的。

建筑的不断发展也是以人类获得的知识为基础的。

正是因为知识的增加，产生了各种技能，发明了各种工具和机器，并演化出现了专门制造某一类产品的企业。

这些企业组织可生产建筑结构所需要的各种零部件。

在人类历史发展的早期阶段，可利用的能源物质只有脂肪酸、木材、秸杆等生物质能，水能、煤炭和石油是随着技术的进步才被人们利用的，并且与工具的发明直接相关，例如中国古代用阳燧生火就是特别有智慧的发明。

这类工具的产生在不同的历史阶段都极大地增加了人均可支配能源物质的数量，也使建筑需要的金属、泥砖等材料的冶炼和烧制成为可能。

人类第一次用火被认为发生在大约50万年以前，之后人们改变了以果实为生的状态，开始靠狩猎并将肉类烤熟来生活。

在狩猎和游牧阶段末期，地球上大约有1千万人，每人每年以食物和燃烧的形式消耗大约1兆瓦小时能量。

该阶段的能耗增长是十分有限的，人们要么居住在树上，要么藏身在洞穴里，抑或搭建的草棚里。

人类创造的固定的具有明显结构特征的建筑物是随着农业的产生而出现的，大约发生在公元前1万年左右。

在农业社会开始以后，很多人类群体不再逐水草而动，他们需要固定的住所。

地球上发现的最早的房屋遗址是在5000年以前建造的。

当时，人类的主要活动是怎样用积累的知识得到更多的植物和动物食品以及发挥自己的创造力来利用和制造木材、砖石等建筑材料。

农业时代可靠和扩大了的食物来源使有限的剩余积累成为可能，劳动分工的产生和生产率的提高为建造一些公用建筑创造了条件。

一般认为人类对能源物质利用的飞跃开始于18世纪后期。

在这一阶段，人们利用瓦特蒸汽机将煤炭中积累的太阳能转变为机械能，直接导致了生产力和财富的增加。

随着电这种新的能源形式的出现，到1880年代工业化国家中人均能耗已经增加到每年100兆瓦小时左右。

工业时代的根本变化来自新知识的引入，主要体现在人类这时可以利用煤炭和石油等化石能源，以及用水力来发电等。

以矿物燃料或电力驱动的机器可以完成人类本身无法完成的工作。

由于钢铁和水泥的出现，建筑物的结构形式以及高度在工业时代已经不再受到限制。

人类的生活用能基本上表现为建筑(主要为住宅)使用过程中的能源物质消耗，也就是建筑的运行能耗。

从上面的分析可以看出，由知识积累导致的太阳能的有效利用是建筑运行能耗增加的动力所在。

归结到一点，知识和能源是建筑发展的决定因素。

就目前达到的水平，人类对太阳能的利用还十分有限，怎样更加充分有效地提高太阳能的利用能力将是未来社会可持续发展的关键。

新知识的引入将导致能源利用量的大幅度增加，以及能带来剩余积累的新资源的出现。

通过新知识的增加利用廉价的无污染能源是建筑的发展方向。

在建筑领域，正在出现各种新的设备，这些设备是新材料、新能源和人类知识的综合反映。

1956年，阿布拉摩维兹(M Abramovitz)对美国从1870～1950年的相关数据进行分析，发现生产增长的88%是由于技术进步形成的，而技术进步实际上就是新增知识的应用导致人们可利用更多的能源物质[11]。

技术被很多人看作是生产率提高和经济增长的一个重要因素，它会导致人类更加有效地利用太阳能。

通过新技术在建筑领域使用无污染能源可以进一步提高人类的生活质量，对与建筑物有关的材料和水等物质进行再次利用可以节约有限的资源。

在现阶段，建筑的运行耗能以电、煤炭和天然气为主。

在各种建筑中，住宅是人们生活的基本空间，我国每年建成的住房面积在20亿㎡左右，与居住有关的保温和照明等能源消耗也在逐年增加，已经成为限制国民经济发展的一个主要因素。

为了节约能源，我国已经开始推广用节能灯替代白炽灯和普通的日光灯，并在很多特殊的建筑环境中引入智能照明系统。

3 低碳绿色建筑
住宅建筑中不合理的能源消耗会带来严重的环境污染问题，其中主要的指标是CO2的排放。

我国南方的空调用电和北方地区的冬季采暖均以燃煤为主，可以说住宅的建设与温室气体的排放直接相关。

近年来，通过在住宅结构中引入一些特殊的材料来直接利用太阳能或用可再生能源代替传统能源已成为建筑发展的方向[12]。

正如德国著名建筑师罗尔夫・迪施(Rolf Disch)所说，“太阳能支持着整个社会的运转”。

罗尔夫本人充分利用太阳能及各种生态技术创造了很多低能耗高生活品质建筑，他设计的太阳房可以旋转360°，采用了被动式采暖、太阳能热水集热器、壁挂式太阳能空气集热器、太阳能空气集热建筑模块和太阳能光伏发电(PV)系统等多种太阳能技术。

从1990年代开始，发达国家在节能建筑方面已做了大量试验，其中最突出的进展是零能耗住宅的开发。

这种住宅引入了屋顶建材型太阳能发电系统、太阳能热水系统和无源空调系统[13-14]。

希腊学者研究开发的太阳能蓄热住宅中，外部能源消耗下降到70%，CO2排放量减少近一半[15]。

德国第一栋太阳能住宅位于西南部的古城弗赖堡(Freiburg)，能量基本上由建筑自身的太阳能电池和地热泵供给[16]。

我国从1970年代开始在甘肃省的民勤、榆中等地建造了一些被动式太阳能住宅，近年来在海南开发使用了全玻璃U型真空管太阳能集热器与溴化锂吸收式制冷机组相结合的太阳能供热空调技术。

被动式太阳房的主要特征是通过建筑物的朝向和构造材料直接收集太阳能，不需要主动式采暖降温系统[17-18]。

除了太阳能的直接利用和余热回收，地源热泵系统(Ground-source Heat Pump)也逐渐得到了推广。

地源热泵是一种利用地下浅层热能(包括地下水、土壤和地表水)进行供热或制冷的高效节能空调系统，它在冬季利用地能供暖，在夏季可以把室内的热量释放到地下。

目前开发的地源热泵系统有地下水源、地表水源和土壤源热泵系统，前两种直接以地下水或地表水作为开放式的导热介质，而土壤源热泵需要在封闭的管道内装入含有乙二醇等防冻剂的循环水，通过土壤的管道可以设计成垂直、水平、螺旋等不同形式，同时应该保证埋管附近的土壤温度在冻结点以上，以防止土壤冻结和融化对管道的挤压作用，解决的措施有增加埋管的总长度、埋管并联联结和使用水泥灰浆作为回填材料等[19-20]。

南京工程学院图书馆信息中心采用了抛管式水源热泵系统，该系统是地表水与土壤源热泵系统的综合应用，以天印湖水作为热源和热汇，为了防止污染采用了封闭式U型聚乙烯(PE)盘管换热器，总长度约12.67km，抛入湖中后可以吸热或散热。

杭州西溪旅游服务中心通过渗滤取水技术解决了地表水源热泵系统存在的温度不稳定和水质污染问题。

由于地下水地源热泵系统存在对地下水质的污染和抽灌不平衡引起的地面沉降问题，地表水地源热泵系统需要建筑物附近有合适的地表水体，所以目前在国内多采用土壤源地源热泵系统。

上海浦江智谷商务园在建筑基座下设置了土壤换热器，采用单井单U型埋管方式，打孔数量1367个，其中600个孔位于建筑基础下，孔深100m。

上海自然博物馆土壤源热泵系统共有781孔换热器管井，埋管深度90～100m。

由于地下10～20m深处存在飘石分布区，湖北神农架接待中心采用了水平埋管土壤源热泵系统，环路埋管总长度16km，深度2.8～3.5m，避开了0.6m 深的冻土层；为防止冬季管路冻结，采用含有9%乙二醇的水作为导热介质[21]。

土壤源地源热泵系统一般要求土壤与管道内的循环介质之间有10℃的温差。

15℃左右的土壤在夏季可以作为冷
学术论文专刊2012总第07期
却系统，在冬天可以作为低位热源。

土壤温度大于20℃时，夏季散热能力很低；低于7℃虽有利于制冷，但冬季的制热能力很差。

土壤源地源热泵系统的埋管深度一般为5～120m，该范围内的土壤既可以在冬天作为热源，也可以在夏天作为热汇[22]。

基于以上分析，土壤源地源热泵系统在夏热冬冷地区和寒冷地区较为适宜，因为这些地区的土壤温度在13～19℃之间。

在建筑物墙体构造上，继双层幕墙之后，又出现了幕墙生态呼吸系统。

双层幕墙由内衬墙加玻璃幕墙构成，中间有空气夹层。

幕墙生态呼吸系统由外层幕墙、进风口、排风风机、太阳能光伏发电系统和内衬墙构成，夏季开启通风系统，冬季关闭通风系统，在夏季高温期通过加强空气的流动性来提高热量交换效率。

节能和低碳是现代建筑结构设计应该考虑的两个主要因素。

在结构设计上，加大南向面积，减少东、西和北向面积，并尽可能地利用室外空间将阳光反射到建筑物中，对采热和防止能量流失更加有利。

同时，在室内还应考虑使用结晶相变和高热熔材料进行蓄热，达到白天吸热，晚上散热取暖的目的。

被动式采暖指利用建筑物的墙体材料或特殊的结构直接吸收太阳能，如图鲁姆墙(Trombe)、日光间等。

图鲁姆墙被誉为“会呼吸的皮肤”，名称来自法国设计师菲列克斯・特洛姆(Felix Trome)，指朝南方向厚约8～16英吋(200～400mm)的蓄热墙，在墙外有一个玻璃墙，两者之间有约1英吋(25.4mm)的距离。

穿过玻璃的太阳光使玻璃与墙之间的空气被加热而产生对流，夏天可将热气流释放出去，冬天可将热气流引入室内，同时墙内储蓄的热量也会向室内辐射。

近年来，很多建筑物的墙体采用了加气混凝土、橡胶混凝土、玻晶砖、煤矸石空心砖等，表面增加了EPS板、聚氨酯硬泡、玻化微珠保温沙浆和抗裂沙浆复合耐碱玻纤网格布等保温材料[23]。

建筑物的体形系数指围合室内单位体积所需要的围护结构的面积。

体型系数越低，外墙面积越小，建筑物也越加节能。

圆形结构由于没有角，热量的流失速度最慢。

4 结论
建筑结构或者说建筑学的发展被区分为实用、艺术、功能、空间和绿色5个阶段[24]。

在空间建筑学阶段，由于钢铁、混凝土和玻璃等建筑材料的大量生产，摩天大楼越来越多，人类通过增加建筑物的高度或者说对空间的占有解决了人口膨胀带来的居住问题，在有限的地块上增加了建筑的容纳能力。

但是传统的能源消耗在建筑结构中的大量应用也带来了负面问题，一是可以利用的资源在逐渐减少，二是对环境的破坏和污染已经严重威胁到人类的生存。

从1960年代开始人们逐渐认识到低耗能绿色建筑的重要性，建筑学也进入了一个新的时期——绿色建筑学阶段，其最主要的特征是采用屋顶的光伏电池将太阳能转换成电能以及通过地源热泵技术进行保暖或制冷。

也就是在这一时期，意大利建筑师保罗・索勒瑞提出了生态建筑学的概念，将生态学理论应用到建筑设计中。

同一时期，荷兰的哈布拉肯教授(N John Habraken)提出了SI住宅理论，将住宅分为支撑结构(Skeleton，S)和填充体(Infill，I)两个部分，主张通过强化S来增加建筑物的使用寿命，最大限度地使I成为可以自由变化的体系，该理论也被称为开放建筑理论。

1969年，美国景观建筑师伊恩・麦克哈格出版了《设计结合自然》，标志着绿色生态建筑学的兴起。

绿色低碳建筑的涵义在于节约能源、开发自然能源和减少CO2等温室气体的排放量。

节约能源指提高供暖和空调设施的工作效率，余热的再次利用，降低建筑物对能源的散失程度。

开发自然能源指尽可能地直接利用太阳光能和地热。

绿色建筑也被称为可持续建筑，在设计上充分考虑材料和能源的可再生利用，尽量采用自然通风和天然采光。

一些国家已经设计建造了一些绿色和“零能耗”示范住宅建筑。

随着技术的不断进步，人类的居住条件将会向着节能、环保、生态、健康的方向得到可持续发展，绿色节能的理念也将成为建筑结构设计必须遵守的基本原则。

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