2014年7月23日 星期三

先天節能 才可造就十項全「能」

強調能源管理的背後,太陽能建築十項全能競賽其實最想強調低耗能,也就是鼓勵設計出一棟「先天節能」的房子,輔以綠電及系統管理,讓房屋有最佳的能源效率。
圖:俯瞰參賽作品。(via FB page of SDEurope)
文/潘蜜拉 (SDE特派員,台達電子文教基金會氣候與媒體專員)

   Solar Decathlon Europe 2014在經過17天競賽後,最終冠軍名單已出爐,由房屋功能表現最佳的義大利Rhome取得最終勝利,能源效率表現最佳的法國隊 PHILÉAS次之,第三名則由同步獲得永續性分項大獎的荷蘭Home with a Skin取得。這三支隊伍其實在競賽倒數階段皆未搶到領先優勢,但從監測圖來看,最後一週法國凡爾賽區持續幾天的低溫與濕冷,讓保溫控制得宜的幾隊,最終讓排名大洗牌,擠下高掛首位許久的日本Renai house,讓我們看到競賽在面對氣候變化,要求建築長期穩定的價值定位。台灣Orchid house雖然無緣總體獎項,但也拿下都市設計獎第一名,創新獎第二名,能源效率獎第三名,以及最佳人氣獎第三名共四個分項獎項,寫下台灣首次參賽的佳績。

圖:各隊總分是由不同分項
比賽的個別得分總和。
    這次十項全能競賽,整體能源效率、電力備載的平衡、室內溫濕度控制及各類生活電器的節能控制等,佔整體評分4-5成的比重。技術採用來說,大家在主動式建築設計上,面對大會的標準,其實使用設備差異不大:規模達5kw太陽能發電系統、太陽能熱水器、地暖系統、環境控制(溫度、溼度、照明等)與即時能源監控平台等…。

    較有差異的是台灣Unicode隊採用了台灣廠商研發的電能儲能與管理解決方案(BESS),做為太陽能發電的「能量儲存裝置」,以優化家用能源負載,這類的方案其實也是大會在電力平衡項目的評分之一,因為大會其實鼓勵自家太陽能發電能就地消耗,避免電網往來間的傳輸消耗。但其實面對這些看似贊助商已開發成熟的設備,學生們最大的挑戰,是要為自己設計的房子,從中客製化機電程式,來應對大會24小時的能耗及舒適度監控。尤其競賽首週末,會場天氣即經歷一天有如四季的大幅變化,使許多隊伍在競賽初期疲於調整重新設定程式。

圖:冠軍義大利隊每日的恆溫控制監測,比賽時間可在網站上即時讀取
圖:大會在競賽期間於各房屋內放置感測裝置

圖:日本隊Renai house的環境能源監測介面,
還可判讀參觀者的年齡性別資料。

    不過,強調能源管理的背後,大會其實最想強調低耗能,也就是鼓勵設計出一棟「先天節能」的房子,輔以綠電及系統管理,讓房屋有最佳的能源效率。因此競賽中最有看頭也最能展現各家創意的,其實是在於被動式建築設計以及將能源系統整合進建築設計的手法。讓我們來深入檢視一下幾個表現突出的隊伍。

    獲得冠軍的義大利 Rhome隊,其實當初對都市房屋的詮釋原型,來自於混雜古蹟與違法建築的羅馬市郊住宅;他們觀察到,這區域生活品質下降且鄰里關係也較疏離,因此希望強化空間的功能性與彈性。房屋在底層中心方格使用鋼筋混擬土,作為支撐,後續以輕質結構來擴增四周或樓上延伸的空間,使房屋能依住戶需求保持功能的重組與彈性,尤其將這樣的擴增賦予社會意義:考慮下一代會有不同的生活模式,或能彈性拓增鄰里社交空間。

    在能源整合建築的手法上,義大利Rhome有幾個與其他隊伍的差異點:首先是將機電設備集中在房屋中心(多數是放在邊間或直接在房屋外,以利散熱),後續考量採光與通風,將被動建築設計概念加入,開始配置南北兩個陽台(增加鄰里社交空間與機會)、廚衛與臥室位置,筆者臆測或許對法國天氣有萬全準備,因此這樣的房屋設計得中熱外冷,搭配聰明開窗讓溫度控制變簡單。

    再者,不同於其他大樓設計隊伍,他們以個戶的概念提出外遮簷式(shade)太陽能板,使以社區共電的方式作考量。這樣設計的社會意義在於都市房價高漲,多數人經濟能力不足,愈來愈多單身者、年輕夫婦或短期工作者以短期過境的心態在租屋,因此利用遮簷式(shade)太陽能板,一來如窗戶開口,做輕量裝修造型變化,二來讓個戶可彈性選擇是否接受綠電生活。遮光發電外,其實義大利隊也引進大量自然光,除機房外幾乎每個空間都有天井或天窗的設計,浴室內也以蓄熱塗料做了巧思,讓牆面將熱能轉換,自行發光,減少用電。
圖:義大利隊伍的太陽能板結合遮陽牆面,可調整外,亦可客製化。
圖:義大利隊的大樓擴增模型,這個模型呈現往高處逐層搭建的案例。
圖:義大利隊的浴室使用蓄熱牆面

    亞軍隊伍法國PHILÉAS則是以法國西北大城南特中一棟廢棄工業建築Cap44為雛形,將其發展成整合住、商、照護、餐廳甚至有提供車輛充電服務的複合式大樓,現場示範的頂層是具城市農場功能的太陽能溫室屋頂。在強調系統與被動建築設計整合上,可使耗能最低的「能源效率(Energy Efficiency)」項目獲得首獎的他們,初心是為了延續建築的生命週期,他們為Cap44做了大手術的「拉皮」:老舊的儲熱外殼拆除,讓陽光穿透進結構中,然後外殼原有空間拿來補償建造屋頂的溫室,甚至「外掛」組合屋(prefabricated modules)在大樓外圍,讓大樓延伸長出像是可接收陽光的延伸陽台、前廳等,成為具微氣候且儲熱調節的空間。而內裝則是採用隔熱保溫功能的石膏板作牆面,以及加設低輻射的雙層窗、做出室內陽台(多一道空氣層隔熱)…,提高房屋保溫性。

圖:法國PHILÉAS隊的作品,可以看見屋頂的溫室。
圖:現場擴增的模型,一樣是往高處增建為示範案例。
圖:法國PHILÉAS隊希望大樓,也可成為社區能源、休憩中心及城市農場。
圖: Cap 44的改造流程
圖左:法國隊陽台外側多加一道落地窗;圖右: 牆面為具隔熱保溫功能的石膏板材料

    而獲得「電力平衡(Electrical Energy Balance)」首獎的美法聯隊Maison Reciprocity,有高度的太陽能發電自給率,平均日間的發電量皆超出夜間向電網取電量,甚至大幅回灌,因此即使最後一個陰雨週末高度倚賴電網電力,仍不影響其績分表現。

    美法聯隊Maison Reciprocity整體在建築設計與能源整合很有美式風格,設計有些粗曠味的倉庫風(Loft Style)模組組件來為整排的連棟住宅作能源管理。樂高式拼組的模組概念,類似早先介紹日本Renai house隊的Urban seed,但Urban seed比較像是模組以擴增方式,來長成各種類型房屋。而Maison Reciprocity,則是更強調功能性的模組,視現有房屋結構大小,黏合組裝於其上。前者是生長,後者是包覆的概念。

    Maison Reciprocity模組高度組織化又簡單地分為三個部份:「Chord」所有機電、能源循環配置的盒子(container),廚衛、洗衣間及機房等皆連接在這盒子這一側,對住戶而言即主要能源設備線路統一在同一道牆後;「Urban Shell」可視為支撐結構並具隔熱功能的外殼;而「“Living” Brise-Soleil」則為裝設太陽能發電系統的屋頂遮陽板。整體建築組裝與機電線路設計單純化,對社區改造或是都市更新,其實是非常有效率又具中央能源控管的方便選擇。

圖:美法聯隊Maison Reciprocity房屋使用三大模組組成


圖:廚房牆後、建築鐵灰色模組區即為Chord。
圖:Maison Reciprocity 的三個主要部分
圖:Chord
圖:Brise-Soleil
    除了上述表現突出的幾隊,其他被動式建築設計上,我們也看到一些新的巧思。

    以牆面建材來說,羅馬尼亞Efden隊與西班牙Plateau等隊伍,選用了特殊的石膏板(Plaster boards),板材內的微粒是常見於熱交換器的相變化材料phase-change material (PCM,相變化材料),能將高溫或低溫能量,轉換成其他形式之能量加以儲存,即具備溫度調節功能,據現場解說人員說,能減少近五成因保溫加熱導致的能源消耗。丹麥隊也使用導熱係數低的木板,來做為屋頂建築架構。

圖:羅馬尼亞Efden內裝牆面大量運用有PCM的石膏板(Plaster boards),並打造室內溫室共同調節溫度 。
圖:西班牙Plateau的內牆以預組的雙層木結構加上同類型石膏板組。
    但是最特別的建築建材,當屬美德聯隊 Inside Out 與墨西哥 UNAM 隊所用,備有防水透氣膜的「帆布」,尤其美德聯隊整體主結構直接以鋼構繃上兩層帆布,中間形成保溫層,再加上隔音防火的礦棉(mineral wool)層打造而成,外型就像是個帳篷小巨蛋,棚頂則鋪設薄膜式太陽能板,整體非常輕量化。據解說人員表示,除了希望展現輕巧快速架設的創意,也認為此建築設計因造型調整彈性大,因此能隨基地座向讓棚頂迎合最佳的太陽角度。




圖:美德聯隊Inside Out以帆布打造帳篷屋。
    同樣的材質墨西哥隊則使用於雨水回收及遮陽使用,墨西哥隊在本次競賽提出與眾不同的氣候變遷課題-高密度人口下的水資源缺乏,因此在汲水設計的表現上有凌駕各隊極致表現,入口前即先看到一座垂直架高的三個水槽塔,用來蓄水同時利用水壓送水。進到主走道則可發現基礎建築是不分功能,具有同樣模組大小,以保有調動彈性的三間獨棟房間,外牆外側即加裝帆布作為遮陽簾,可視陽光走向捲起或放下調節遮陰,最獨特的表現就是連房間上方也都加設帆布來蒐集雨水。

    分層解構我們可由上而下依序看到:太陽能板、支撐架、結構支撐架及帆布,日照時做為發電系統的支撐與遮蔽功能,下雨時不透水的帆布則變成集水鋪面,可謂是不論晴雨,屋頂都發揮最大效益掌握任何上天給的資源。此外他們連牆面也加裝透氣防水的陶板,下接植栽,讓雨水也能被充分利用。整體簡單又具創意的設計,也讓墨西哥隊獲得「工程營造(Engineer and Construction)」首獎。
 
圖:墨西哥隊的屋頂,晴時是太陽能發電區,雨時化身集水區。
圖:可拆組的屋頂分層結構。

圖:撲滿太陽能板的示意圖。(介紹影片截圖)
圖:墨西哥隊建築屋頂與各獨棟房間外牆以帆布作為包覆

圖:墨西哥隊在外牆加上防水陶板,下鋪設植栽,讓雨水直接流下澆灌。
    綜觀而言,所有競賽的建築作品讓我們看到對永續功能及設計美感的並存,看到建築產業改變的市場機會,也看見人類在正視永續議題下,仍可持續創造美好生活的創意。但同時看見各隊每日追趕天氣變化的緊繃與疲累,也不僅令人省思如果未來升溫不減緩,極端氣候加劇的狀況下,即使不是選手的我們,是不是未來生活中將有很高的頻率,是在捍衛住所與人身安全?而追趕發展的永續建築,是否來得及為我們提供十項全「能」的庇護?

【延伸閱讀】
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