面對反覆極端氣候,建築設計應如何應對?

Saint-Gobain Weber Hong-Kong

(與ArchDaily合作撰寫的文章)

談及建築節能,難免會提到保溫隔熱。 我們很少在完整的建築物中看到它,即使在設計圖紙當中,絕緣隔熱層亦毫不顯眼。 但這是一個非常重要的元素,因為它充當熱量流動的屏障,阻礙內部和外部之間的能量交換,減少冬季流出和夏天進入的熱量。在具有良好隔熱性的建築物中,可使室內保持在宜人的溫度,對供應冷暖的需求較少的同時也減少了其碳足跡。目前有許多國家對建築物的保溫隔熱水平有最低要求,參數也越來越嚴格。 但是,未來極端氣候危機令人擔憂,在不久的將來應該如何處理這個問題呢?

美國國家環境保護局提到全球平均氣溫上升,與廣泛的天氣模式轉變有關。 科學研究表示,熱浪和大風暴等極端天氣可能會隨著人類引起的氣候變化而變得更加頻繁或更加強烈。但這與建築有什麼關係? 建築業佔整體二氧化碳排放量接近 40% 根據2020 年《全球建築和建築狀況報告》的資料,大約 28%二氧化碳排放量是在日常運作的建築物當中,這些建築也消耗了地球上所有能源需求的 36% 這就是隔熱變得重要的地方。

室內熱能增減可從對流、傳導和輻射的方式發生。這是不可避免的,但設計師可以管理熱量流失或獲得的速度——通過使用適當的建築材料和技術來建立和維護一個可高度絕緣的建築圍護結構來控制。 通常,建築物中 40% 的熱傳遞通過屋頂,而 25% 通過牆壁,及 15% 通過地板。

根據項目所在的位置,盡可能多地採用被動舒適策略,是建造更環保建築的最佳起點。 炎熱氣候下的建築物更多地依賴自然通風和具有高熱慣性的材料(例如磚塊或石頭),這些材料可以更長時間地保持內部涼爽。在寒冷的氣候中,具有較低熱慣性的材料(如木材)可確保在必要時更快地加熱空間。在任何一種情況下,絕緣對於管理熱流和保護居住者免受外界天氣(無論是冷還是熱)的影響都非常重要。

為了衡量每種情況所需的數值,需要學習一些概念。絕緣的 R 值與絕緣的厚度和 Lambda 值有關(Lambda 是材料的熱導率,單位為 W/mK)。將絕緣層的厚度加倍會使 R 值加倍。使用具有較低 lambda 值的材料會增加 R 值。反過來,U 值是全局傳熱係數,可以通過取 R 值的倒數得到。該屬性描述了建築元件在溫度梯度上每單位面積的導熱能力。

目前市場上主要的絕緣產品有玻璃棉、石棉、聚苯乙烯、聚氨酯、纖維素和木纖維。以上每一個都具有不同的品質和特性。也有其他材料如氣凝膠、軟木、稻草、菌絲體和大麻,它們的共同特性是很輕並且保留空氣。

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。

事實上,氣候變化將在建築環境設計中發揮越來越重要的作用。而另一個更為重要的地方是,處理冷卻本質上比處理加熱更困難。任何形式的能量都可以轉化為熱量,而且即使沒有主動加熱系統,我們的身體和機器也會產生熱量,但冷卻就不可以被動方式產生,而自發冷卻系統變得更加昂貴和復雜。全球暖化及其明顯的變暖效應加劇了對人工冷卻系統的需求。

在人類無法改變其消費模式和繼續需求不可再生資源的未來,冷卻室內設計是否成為最大的挑戰?我們是否必須建造更厚的建築結構來應對全球暖化?這樣做的限制是什麼?聖戈班的《室內環境與舒適》一書很好地總結了這種情況:“氣候變化和能源消耗方式的變化都要求建築物能夠隨著時間的推移而發展。不斷上漲的能源成本以及對世界上大多數人口的負擔能力問題將成為日益緊迫的問題。這種演變的一個關鍵因素也將提高對熱舒適度的批判性思考,即我們應該只穿一件外套而不提高室內的溫度嗎?將這些問題整合到建築設計中被稱為‘面向未來’,並將成為建築設計討論的一個日益重要話題。”