面对反覆极端气候,建筑设计应如何应对?

Saint-Gobain Weber Hong-Kong

(与ArchDaily合作撰写的文章)

谈及建筑节能,难免会提到保温隔热。我们很少在完整的建筑物中看到它,即使在设计图纸当中,绝缘隔热层亦毫不显眼。但这是一个非常重要的元素,因为它充当热量流动的屏障,阻碍内部和外部之间的能量交换,减少冬季流出和夏天进入的热量。在具有良好隔热性的建筑物中,可使室内保持在宜人的温度,对供应冷暖的需求较少的同时也减少了其碳足迹。目前有许多国家对建筑物的保温隔热水平有最低要求,参数也越来越严格。但是,未来极端气候危机令人担忧,在不久的将来应该如何处理这个问题呢?

美国国家环境保护局提到全球平均气温上升,与广泛的天气模式转变有关。科学研究表示,热浪和大风暴等极端天气可能会随着人类引起的气候变化而变得更加频繁或更加强烈。但这与建筑有什么关系?建筑业占整体二氧化碳排放量接近 40%。根据2020 年《全球建筑和建筑状况报告》的资料,大约 28%二氧化碳排放量是在日常运作的建筑物当中,这些建筑也消耗了地球上所有能源需求的 36%。这就是隔热变得重要的地方。

室内热能增减可从对流、传导和辐射的方式发生。这是不可避免的,但设计师可以管理热量流失或获得的速度——通过使用适当的建筑材料和技术来建立和维护一个可高度绝缘的建筑围护结构来控制。通常,建筑物中 40% 的热传递通过屋顶,而 25% 通过墙壁,及 15% 通过地板。

根据项目所在的位置,尽可能多地采用被动舒适策略,是建造更环保建筑的最佳起点。炎热气候下的建筑物更多地依赖自然通风和具有高热惯性的材料(例如砖块或石头),这些材料可以更长时间地保持内部凉爽。在寒冷的气候中,具有较低热惯性的材料(如木材)可确保在必要时更快地加热空间。在任何一种情况下,绝缘对于管理热流和保护居住者免受外界天气(无论是冷还是热)的影响都非常重要。

为了衡量每种情况所需的数值,需要学习一些概念。绝缘的 R 值与绝缘的厚度和 Lambda 值有关(Lambda 是材料的热导率,单位为 W/mK)。将绝缘层的厚度加倍会使 R 值加倍。使用具有较低 lambda 值的材料会增加 R 值。反过来,U 值是全局传热系数,可以通过取 R 值的倒数得到。该属性描述了建筑元件在温度梯度上每单位面积的导热能力。
目前市场上主要的绝缘产品有玻璃棉、石棉、聚苯乙烯、聚氨酯、纤维素和木纤维。以上每一个都具有不同的品质和特性。也有其他材料如气凝胶、软木、稻草、菌丝体和大麻,它们的共同特性是很轻并且保留空气。

據估計,充分的隔熱可將加熱和冷卻成本降低達 30%,並且通過減少費用甚至降低加熱和冷卻系統的容量,而絕緣材料的投資成本最多可在 5 年內收回。 如果我們考慮現有建築物的數量和正在興建的新建築物,我們可以衡量一個國家或全世界的能源節約情況。 例如,EURIMA 的一份報告得出結論,通過對新建和現有建築採用最先進的隔熱措施,歐洲每年可以減少 3.1 億噸與供暖有關的碳排放,約佔總排放量的 50%。絕緣節能對環境的影響是全球氣候變化的核心,因為更少的能源消耗意味著更少的溫室氣體排放。

事实上,气候变化将在建筑环境设计中发挥越来越重要的作用。而另一个更为重要的地方是,处理冷却本质上比处理加热更困难。任何形式的能量都可以转化为热量,而且即使没有主动加热系统,我们的身体和机器也会产生热量,但冷却就不可以被动方式产生,而自发冷却系统变得更加昂贵和复杂。全球暖化及其明显的变暖效应加剧了对人工冷却系统的需求。

在人类无法改变其消费模式和继续需求不可再生资源的未来,冷却室内设计是否成为最大的挑战?我们是否必须建造更厚的建筑结构来应对全球暖化?这样做的限制是什么?圣戈班的《室内环境与舒适》一书很好地总结了这种情况:“气候变化和能源消耗方式的变化都要求建筑物能够随着时间的推移而发展。不断上涨的能源成本以及对世界上大多数人口的负担能力问题将成为日益紧迫的问题。这种演变的一个关键因素也将提高对热舒适度的批判性思考,即我们应该只穿一件外套而不提高室内的温度吗?将这些问题整合到建筑设计中被称为‘面向未来’,并将成为建筑设计讨论的一个日益重要话题。”