綠建築:綠建築的巧思

 
2011/04/06 郭柏巖 | 朝陽科技大學建築系
開放式平台與深出簷建築是熱帶建築的文化表現(印尼日惹The Syuhada Mosque)。 糸滿市役所位於沖繩海邊,最大的特色就是建築四周外牆被各種不同形式的外遮陽板所覆蓋。 台灣到處充斥著鐵皮屋頂加蓋 夏威夷的Gateway能源中心
  • 開放式平台與深出簷建築是熱帶建築的文化表現(印尼日惹The Syuhada Mosque)。
  • 糸滿市役所位於沖繩海邊,最大的特色就是建築四周外牆被各種不同形式的外遮陽板所覆蓋。
  • 台灣到處充斥著鐵皮屋頂加蓋
  • 夏威夷的Gateway能源中心
 
全球暖化與能源供應的危機,引起全人類對地球永續發展的疑慮,無論在經濟面、產業面、文化面,甚至是建築界都開始重視這一議題。臺灣位處亞熱帶,屬於潮溼多雨的氣候,建築設計得面臨高溫潮溼氣候的挑戰,都會區高密度的發展使「都市熱島」效應日益嚴重,居住的環境不但越來越炎熱,建築也越來越耗能。我們必須思考解決之道,尤其在環保意識高漲的今日,建築設計更該積極面對這議題,「綠建築」的環保新思維就此快速地蔓延開來。

建築與能源的關係

近年來人口快速成長消耗了大量的地球資源,並產生各種環保問題。雖然石油、天然氣等的儲藏量有限,卻是生活中不可或缺的重要能源。人類利用這些珍貴的資源改善生活,帶來文明卻也招來汙染。根據經濟部能源會的統計,臺灣的能源結構中有 65.5% 以上為火力發電(包含燃油、燃煤及燃氣),這些發電方式排放了大量的二氧化碳,使得大氣中二氧化碳濃度年年增高,正是「溫室效應」中最重要的幫兇。過高濃度的二氧化碳讓這效應日益惡化,使得地球溫暖化與氣候異常的現象接踵而至。

臺灣每年用電量平均成長 7.8%,而耗電尖峰都集中在夏季月分,這是夏季大量的空調耗電所致,這一問題也造成了我國的供電危機。臺灣早年空調設備的使用處於剛起步階段,建築外殼設計缺乏節能的觀念,導致許多中央空調的大樓以低效率空調的形式設計。悶熱的環境令使用者痛苦不堪,因而在建築物靠窗區域紛紛做二次改裝(如加設反光窗簾、夾板或矮櫃),除了使都市景觀雜亂外,這些毫無遮陽設計的建築,也造成嚴重的能源浪費與不健康的室內環境。

前人在建築上的智慧

「建築」是供人居住與使用的,理當充分掌握所在區域的氣候因素,這一道理可以從分散在世界各地的傳統民居中找出驗證。由於人類居住的範圍分布極廣,大致可以分為 10 個氣候區域,即地中海型、沿海型、亞熱帶型、大陸型、熱帶雨林型、熱帶稀樹高山型、大草原型、乾草原型、凍原/針葉林冰原型、沙漠型等。每一區的氣候條件都不同,居民面臨的居住問題也相異。

例如,在高山型的氣候區中,居民相當重視建築的保暖性,為了抵禦嚴寒而增加建築的外牆與屋頂厚度,這猶如在建築物上穿了一件厚外套;使用的建築材料也以就地取材為主,充分顯示了當地居民的智慧。

又如臺灣近鄰的印尼、馬來西亞等國家,處於熱帶雨林型氣候區,最高年均溫約攝氏 30 度,且室內外溫差不大,午後又常有驟雨可減緩酷暑,這時建築的保溫性就不若寒冷地區那般重要,反而需要解決高溼與炎熱的問題。因此,傳統的建築通常以「杆欄式」或「平臺屋」構築。

在馬來西亞,便透過架高的樓板,讓風有效通過建築底部以帶走溼氣,木板建造的樓板則保有縫隙,讓涼風穿過樓板進入室內。同時建築規畫保持長條形配置,讓風能更順利地帶走熱氣與溼氣。至於炎熱的陽光,則依賴深出簷的屋頂解決熱輻射的問題。

再如赤道無風帶地區由於沒有颱風的困擾,一些餐廳、飯店、公共建築喜歡做成全面開放通風的大屋頂空間,屋頂也設計成兩層式斜屋頂,讓上下層的屋頂接合處保有開口,以達到熱空氣上升時能有效排風的目的。這種以大屋頂造形為特徵的熱帶氣候民居,除了能夠遮雨外,還可發揮良好的遮陽功能。因此熱帶傳統民居都有較大的屋頂、深出簷,形成當地特殊的建築模式。

上述這些建築以現代人的觀點來看或許出之鄙陋,卻能反映當地居民在面對氣候挑戰時的智慧。那麼什麼樣的建築才適合臺灣的氣候特性呢?

臺灣位處北緯 21~25 度,在氣候分區上屬於「亞熱帶型」,也是一個炎熱、潮溼多雨的環境。整體來說,臺灣日照充足,年日照時數可達 2,100 小時以上,夏季平均氣溫是攝氏 27~28 度,冬季也在攝氏 15~16 度以上,全年平均相對溼度在 78~85% 之間。因此,適度地減少直射陽光進入室內以避免室內高溫化,並設法降低室內的相對溼度,才可以讓人感到舒適。

了解這樣的氣候特性後,只要從建築規劃階段就充分考慮基地的方位與常年風向的路徑,再搭配良好的陽臺或遮陽板設計,便可解決大部分的問題。加上現代的建築隔熱材料性能不錯,只要在合理情況下使用,便可以建構出適合臺灣氣候的建築。

熱溼氣候下的建築節能設計

綠建築的意義在於創造「生態、節能、減廢、健康」的建築,其中又以「節能」的訴求最為重要。什麼樣的建築才符合綠建築的節能設計呢?其實建築設計只要能夠善加利用當地的風土氣候特性,並與環境融合以達到低汙染、省能源的目的,就是最佳的綠建築設計。

巧妙的遮陽設計

在都市中經常可見各種標榜時尚的餐廳,為了求得餐飲空間的視覺穿透感,便大量使用透光率高達8成以上的清玻璃。這類玻璃無法有效遮光或隔熱,因此每到特定時段,大量的陽光直射進入用餐空間,刺眼與炎熱的光線就會嚴重干擾消費者。

為了解決這些問題,業者只好在室內加裝各式窗簾,並以強力低溫的空調來降低室內溫度。殊不知強烈的冷風若直接吹拂用餐區的人群,將形成「冷擊現象」(cold draft),使得人體感到寒冷不舒適,尤其靠窗邊的消費者就在一邊冷、一邊熱的環境下用餐,業者也得每月支出驚人的電費。其實只要善加利用遮陽設計,這些問題便可迎刃而解。

舉例來說,某間位於南臺灣的餐廳,由於基地長軸恰好面臨西邊,因此有嚴重的西曬問題。建築師解決的方法是採用活動式的金屬百葉以遮陽,並使外遮陽與內面玻璃牆面保持一段距離,讓空氣可由中間穿梭帶走熱量。當中午太陽移動到建築上方時,遮陽板會水平撐開如同遮陽傘般遮擋強烈日照;當下午太陽西移時,便把遮陽板降下以解決西曬問題;到了夜晚,再次升起遮陽板恢復餐廳的穿透感,如此簡單聰明的設計,並不需要花費非常多的金錢便可達到。

再以日本沖繩縣糸滿市役所為例,當地許多民間的建築立面上經常使用各種鏤空的空心花格磚,目的是為了讓風不受阻礙,可以順利地進入室內達到通風的效果。這種充滿陰影孔隙與深遮陽外觀的傳統沖繩建築風格,便融入到這棟現代化的辦公廳舍中,因而獲得日本綠建築評估制度 CASBEE 中 S 級的認證(最佳等級)。

市役所位於海邊,建築四周外牆被各種不同形式的外遮陽板覆蓋,用來有效隔絕沖繩炎熱的陽光。建築物北向的立面設計採垂直遮陽板的方式,可以引進穩定的陽光,同時達到隔絕日射熱的功能。東西向的立面則設計以格子遮陽,這是因為日出與日落的陽光入射角度較低,所以透過具有斜度的格子遮陽來抵擋陽光。遮陽板與窗戶保留一段距離,可以保持空氣流通,達到更好的隔熱作用,且內部空間一樣可以維持明亮的辦公環境。

透過紅外線溫度攝影機,可以清楚觀察到建築物的表面溫度,在陽光直射的區域呈現紅色表示溫度較高;遮陽板的區域則顯示綠色表示溫度較低,可見遮蔽效果良好。

有效的隔熱構造

都市中經常可見鐵皮式的屋頂違建,部分民眾是以「雙層屋頂」做為既有屋頂外的第二層屋頂,把強烈的日射熱能擋在外部,同時利用屋頂下的半開放式空間通風,減緩在頂樓房間內因過熱導致的不適。但是大部分的人是貪圖增建後的樓地板面積,使得這類增建的空間多半有悶熱不堪的問題。

另外,常見因施工不當或年久失修,造成隔熱磚破損而喪失隔熱能力;甚至是簡陋的外牆隔熱設計造成內部空間過於炎熱,即使到了夜晚仍然悶熱不堪。這種隔熱設計不良的構造,正是建築耗用大量空調能源的元兇之一。

國內的建築法令在「建築技術規則」中已經嚴格規範了各類型建築物構造的隔熱水準,如屋頂平均熱傳透率須低於 1.0 W/(m2.k)、住宿類建築外牆須低於 3.5 W/(m2.k)。但是這法令是針對近年興建的建築加以規範,對於為數眾多的舊有建築卻無法溯及既往,舊有隔熱效果不佳的建築物,只能由屋主主動採取更新翻修的方式自求多福了。

高效率的空調使用

臺灣地區夏季使用空調是不可避免的趨勢,雖然這些設備會消耗不少能源,但是如果採用高效率的機具(高EER或性能係數),並搭配各種空調節能設計的手段,應可達到節約能源的目的。以位於夏威夷檀香山的 Punahou Case Middle School 為例,這所中學是通過美國綠建築評估制度「LEED-NC ver 2.1」的評估並獲得金牌級的綠建築,同時榮獲 2006 年美國最佳綠色校園指標(Green Schools Guide)。

這所學校校園中隨處可見陽光照射在白色的牆面上,與屋簷創造的陰影形成一個和諧的畫面。雖然也使用空調,但是進行建築配置時,建築師考慮到長年東北風向的路徑,因此採用分散的建築配置與走廊,讓涼爽的東北風能更有效率地流過建築群,使校園不會過於炎熱。此外,還利用建築的深出簷、水平遮陽板,以及低輻射高性能玻璃,來抵禦強烈的日照以減低空調的熱負荷。

在建築經妥善設計後,才考慮採用先進的儲冰式空調系統,利用夜間較便宜的電價製冰,白天再行溶冰,讓熱交換後的冰水送達每間教室做為冷源。必須注意的是,這種儲冰空調系統需經過空調技師細心的設計與管理才可使用,否則容易失敗,非但無法省錢反而更耗能。

同樣位於美國夏威夷的 Gateway 能源中心,更把空調設計發揮得淋漓盡致。該中心曾在2007年獲得 AIA(美國建築師協會)與 COTE(環境委員會)評選為美國當年十大綠建築,也是通過美國綠建築評估制度白金級的綠建築設計。

這棟建築最大的特色在於「幾乎零耗能的空調系統」,不需耗用太多的電力就可運作,甚至在夏季室外溫度高達攝氏 34 度時,室內仍然可以維持在攝氏 26~27 度。它利用冰冷的海水做為空調系統的冷源,透過熱交換的方式讓空氣降溫。當冰冷的海水送達這棟建築物後,通過多層且密集的細小水管,讓空氣通過時可以達到降溫的效果。

此外,這建築還利用「浮力通風」的原理,帶動氣流的流動,因此可以不使用任何的機械換氣設施,如抽風扇或電扇等。所謂「浮力通風」,是利用溫度的差異達到空氣流動的效果,因此建築的屋頂採用銅製的材質,以達到更佳的導熱效果。當空氣被加熱後會往上升,而由建築周圍的煙囪排出,在熱空氣排出時,高架地板下經海水冷卻過的涼爽空氣就趁虛而入充滿教室或研究室。這樣的誘發機制讓空氣作為一個流動的介質,不需要額外的機械動力就可以發揮類似空調冷氣的效果,是一個相當高明的手法。

太陽能與建築整合設計

如何提高太陽能源的利用效率,是科學家正在努力研究的課題,為了擺脫單純架設在屋頂上的做法,建築師構思了各種利用方式。

以糸滿市役所為例,它是一棟把太陽能光電板與建築遮陽融合設計(building integrated photovoltaic, BIPV)的傑出案例。當走近位於建築南面的外遮陽棚架下方時,馬上被高聳的氣勢所感動,整個太陽能遮陽架長達 25 公尺,橫梁上裝有多片光電板。為了防止強烈海風與鹽分的侵蝕,光電板以兩片強化玻璃緊壓保護,且下緣保持傾斜以排水順暢,避免鹽分累積而影響發電效率。

從側邊觀察可以發現棚架由下往上逐漸傾斜,目的是避免下方的光電板被上方的阻擋,以求得最佳的發電效率,層層疊架的水平光電板也有遮擋南向角度較高的太陽光的作用。整個光電板設置容量是 196 瓩,在政府辦公建築中屬於規模很大的,可提供的電力約占全棟建築每年消耗電力的八分之一。根據統計,每年可發電 20 萬度以上。

這種把太陽能光電板與外遮陽融為一體的設計,在夏威夷的 Gateway 能源中心也可以見到。這建築的屋頂上方架設了 20 瓩的太陽能光電系統,除了發電外也可替建築遮擋陽光及降溫,充分利用了當地高日照率的優勢,每年產生約二萬多度的電力。目前太陽能光電的發電效率只在 15% 左右,因此太陽能光電板的設置更應該發揮創意,才能達到最佳的效果。

珍惜地球資源

由於水資源與原物料的取得越來越困難,這方面的議題同樣被綠建築所重視。先前提到的 Punahou Case Middle School,便在再生建材的應用上落實得相當徹底。例如,學校門窗有 60% 是使用回收的鋁料所製成的,橡膠地板也是使用回收的橡膠,甚至教室內的課桌椅、學生使用的置物櫃等,也都是回收再製物。雖然整體的造價較昂貴,但是校方認為這對環保有所貢獻,因此樂於這樣的投資。

該校也相當重視水資源的回收使用,每棟建築都可見到外露的雨水回收管,收集了全校每棟建築的斜屋頂排水,把雨水統一回收到埋藏在地下的預鑄式雨水貯集槽中,使雨水有效再利用。為了節省更多的水資源,該校也使用最新開發的免沖水式小便斗,專利設計的漏斗式排水孔,內部利用特殊可分解的液體封住逸散的臭味,因而省下可觀的用水量。

以上所舉例的建築規模雖然不盡相同,但是精彩之處在於結合地域特性,把風土建築的元素轉化在現代建築上,可見發展綠建築不一定需要依賴複雜的科技。這種內斂簡約式設計,以尊重地形地貌的觀念開發,重視各地區氣候的特性,運用適當的建築技術與材料的設計思維,才能發展出最適合居住的建築。

深度閱讀
  1. 郭柏巖(2005)住宅耗電實測解析與評估系統之研究,頁 16,成功大學建築系博士論文。
  2. 村上周三(2005)実例に学ぶCASBEE:環蹟性能の高いサステナブル建築はこうつくる,p40,日経BP社。
  3. 林憲德(2003)熱溼氣候的綠色建築,詹氏書局,臺北。
  4. 林憲德、郭柏巖(2008)亞熱帶的綠建築挑戰,內政部建築研究所,臺北。
 
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