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城市中的生態綠洲 低耗能建築在亞洲濕熱氣候的發展潛力

2020年01月31日
文:詹詒絜(台達電子文教基金會高級專員)
進一步爬梳這些建物的設計手法,其實可以統整出一個簡單結論,那就是要想在亞洲地區達到低耗能或淨零耗能,建築體必須囊括主動式設計、節能產品和再生能源科技。甚至總體來說,被動式策略應「先於」主動式設計。
統計從2012至2019年,零耗能建築的計畫幾乎是10倍增長。圖片來源:New Buildings Institute

去年五月,專門推行建築能源效率的國際知名組織「新建築協會」(New Buildings Institute, NBI)釋出一份「歸零計畫名單」(Getting to Zero Project List),裡面統計了從2012年至2019年,散落在美國和加拿大境內各處的「零耗能」建築計畫。來猜猜看,今年度出現的計畫是2012年的幾倍?答案非常出乎意料之外!

據估計,今年一共出現了580個計畫,少部分已經完工落成、取得相關零耗能認證,其他大多還在建設中或申請驗證。遙觀2012年,NBI才剛開始追蹤紀錄「超級低耗能建築」(Ultra-low Energy Buildings)的時候,當年度的零耗能計畫僅有60個,但在這短短七年中,卻以近十倍之速度成長至現今的580案,讓人不得不感嘆零耗能建築的快速崛起。

面對這一波熱潮,也無怪乎隔月NBI便與美國綠建築協會(U.S. Green Building Council, USGBC)簽下合作備忘錄,聯手推進「淨零耗能」的能源法規及標準。不過話說回來,這些在西方國家興盛好一會兒的「低耗能」或「淨零耗能」建築,究竟回到亞洲既潮濕又悶熱的氣候條件上,可不可行呢?

主被動策略兼具 創造低能耗可能性

不久前,一群華裔學者在國際再生與永續能源期刊(Renewable and Sustainable Energy Review)上,深度研究全球濕熱氣候中的34個淨零耗能建築案例,其中就有超過三分之一的個案座落於中國南方和新加坡。如果進一步爬梳這些建物的設計手法,其實可以統整出一個簡單結論,那就是要想在亞洲地區達到低耗能或淨零耗能,建築體必須囊括主動式設計、節能產品和再生能源科技。甚至總體來說,被動式策略應「先於」主動式設計。

不過綜觀時下不勝枚舉的被動式手法,哪些策略最為有效、應該優先被採取呢?被譽為台灣綠建築大師的林憲德老師,就曾經多次提及「深度遮陽」和「適當開口」這兩項不二法門,前者通常以外遮陽、大屋頂、深屋簷等方式具體呈現,能擋掉絕大部分進入室內的直接日照;後者則有利於自然風的對流,常見設計包含多窗(臺)、多走廊、欄杆式等特色。

仔細檢視幾個亞洲淨零耗能或低耗能建築,確實每棟建築都具備這兩大設計。先看到落成於中國珠海的興業新能源產業園研發樓,這是華南地帶的淨零耗能建築關鍵技術示範專案,總共有17層樓,一年能耗量僅42.9kWh/m2,是廣東省辦公建築能耗平均值的三分之一。

這棟綜合型辦公大樓採用多功能太陽能幕牆,不僅在深遮簷上裝置太陽能板,避免熱氣傳遞至室內又能發電,同時利用自然通風來降低太陽能背面的溫度,以提高發電效率和調整室內熱舒適度。再來,新加坡三層高的建築和建設局(Building and Construction Authority,BCA)辦公樓,能源密集度(EUI)一年約55kWh/m2,是東南亞零能耗建築的原型。

從外觀來看,BCA安置許多遮陽板和低輻射玻璃,而屋頂上和深遮簷上滿滿可見太陽能板的身影,用來能源自給自足,還有大批的綠色植物覆蓋於建築頂部跟部分立面,極大化了熱隔絕功能。

新加坡BCA建築被譽為是東南亞第一個既有建築經過翻修後,成為淨零耗能建築。圖片來源:High Performing Buildings Magazine

回頭來瞧瞧台灣低耗能建築案例,像是成大孫運璿綠建築研究大樓(EUI 29.53 kWh/m2)和那瑪夏民權國小(EUI 1.03 kWh/m2),也充分展現了遮陽開口文化,不僅屋簷都十分龐大,巧妙地幫建築內部做好防曬,還有多窗、多走廊空間,讓風能暢行無阻地橫掃室內,發揮其自然降溫的價值。

值得注意的是,在通風這一塊上,兩個案例和新加坡BCA都用了「灶窯」原理打造室內舒適環境,也就是讓熱空氣從高處窗口或煙囪排出,並透過低處開口引進冷空氣。雖然亞洲較小的溫差幅度,讓浮力通風的效果不一定比對流風來得好,不過只要在建築內塑造顯著溫度差和適當風場,並非全然不可行。以孫運璿綠建築研究大樓來看,這設計還幫忙減少了30%的冷氣負載呢!

那瑪夏民權國小採用大屋頂和多窗設計手法,以利陽光阻擋及風的對流。圖片來源:台達基金會

另外,自然採光也是大量降低能耗的當家主力,像珠海興業研發樓內的適當採光,讓每月的照明能耗得以控制在0.5 kWh/m2。而新加坡BCA則利用鏡面導板、燈架和光導管等設計,將自然光反射至室內,一方面提升視覺舒適度,一方面促成了建築全年竟然只用780度電在照明上,非常驚人。

看準周圍自然條件 建築實惠又節能

從這幾個案例看下來,無庸置疑,低能耗表現不僅為地球減碳,也為建築業主顧好了荷包。不過每次一談到建置成本,可能還是會有很多人誤以為一座超級節能的建物,是由大把鈔票堆積出來的,事實上並非如此。

十幾年前,美國專家就曾針對30所綠色學校進行調查。報告發現這些學校的設計和建造成本比傳統設計的學校增加約1-2%,但平均能耗少了33%,甚至隨之而來的低能源和水費支出,再加上其他附加利益像是教師留任率的提升、醫療費用的降低等,使其財務收益相較之下多達20倍。

而台灣內政部建築研究所去年也出了一份研究,實質比較綠建築和一般建築之間造價成本的差異,在調查完國內一共95棟住宿類、非住宿類(辦公和學校)型態建築,最後總結有綠建築標章的建物,造價並沒有明顯高於一般建築,反而是部分一般建築案件,因為業主的特殊使用,而要求價格較高之建材或特別設計,導致造價還比綠建築高。

孫運璿綠建築研究大樓就證實了這一個結論。綜觀這棟學術建物,節能手法可分成三塊:被動式設計與策略、高效能的MEP系統(機械、電力、配管)、再生能源系統。其中,被動式設計的成本非常低,但卻省了41%的能源使用,接著相對昂貴一點的MEP系統貢獻約19%的節電,而高價的再生能源系統則變相式僅幫建築省下5%的電。以整體造價來計算,在不包含再生能源的安裝成本下,建築每平方米的平均花費大約2萬9千元,與台灣傳統辦公樓的建置成本旗鼓相當,這意味著打造低耗能建築,其實不需要花大錢去裝置天價般的再生能源或節能系統,最核心的關鍵仍在於如何善用建物周遭的自然環境,去做被動式設計,不僅經濟實惠又節能。

成大孫運璿綠建築研究大樓每平方米的平均造價為台幣2萬9千元,是平價的低耗能建築。圖片來源:台達基金會

主動式設計建功 舊大樓換臉重生

雖然坊間大部分的實際案例或學術成果都比較強調被動式設計的重要性,但也不能漠視主動式策略的貢獻。去年,一篇登在國際潔淨生產期刊(Journal of Clean Production)的研究,深入分析新加坡BCA改造成淨零耗能建築,背後的成本效益,結論反而發現一棟既有建築如果要做低耗能翻修,主動式設計的節能效果可能會比被動式還來得明顯,且成本支出是相近的。

仔細盤點BCA建築裡所用到的被動式策略,主要涵蓋綠屋頂、植生牆、自然採光和煙囪效應通風,這些林林總總加起來,大約省了5%的能源消耗。而其他大概多達40-45%的節能,歸功於主動式設計,像是節能照明、空調系統、建築用電管理系統等。

研究進一步解釋,亞洲濕熱氣候中,通常具有多建築和高人口密集度的城市環境,這或多或少限制了既有建築室外的採光、自然通風和綠色空間條件。因此,如果沒有在一開始的起厝階段,就先配合周圍環境做被動式設計,未來在既定框架裡,要想透過被動式技術來達到高節能效果,就比較難了。

綠建築上的浮力通風塔促進上下自然通風,是節省能耗的一大助力。圖片來源:台達基金會

其次,研究還發現在翻修熱帶建築時,最具成本效益的策略是提高照明系統的能效,再來才是換裝高效率的空調系統。以BCA的案例來看,用LED燈具和自動控制系統替換一般T5燈具,可減少40%的能耗,且投資回收期僅僅2年而已。而在改善空調方面,BCA利用專為熱帶建築量身訂做的變速風扇(variable speed fan)、置換通風(displacement ventilation)、個人化通風(personalized ventilation)和單線圈雙風扇系統(single coil twin fan),可減少23-28%的能源使用,相當可觀。當然,也正是因為這些節能措施,另外搭配再生能源的使用,BCA才能一舉拿下「淨零耗能」的殊榮。

總結來說,提高能源效率始終是實現低能耗目標的首要任務,但實際上要怎麼做,顯然亞洲已經出現許多不錯的案例供大家師法,下次摸不著頭緒時,不妨參照一下吧!

※ 本文轉載自 低碳生活部落格 亞洲溼熱氣候中的低耗能建築