谁说绿色建筑一定更贵？看看台湾第一座零碳绿色建筑是如何做到的

台湾第一座零碳绿色建筑——成功大学“绿色魔法学校”

作者 林宪徳

1“诺亚方舟”

号称世界第一座“亚热带绿色建筑教育中心”的“绿色魔法学校”（图1），于2011年1月落成，并取得台湾钻石级绿色建筑标章认证。此大楼为地上3层、地下1层，楼板面积4800m2 ，内设一间300人国际会议厅、6间中小会议室及行政研究办公室，成大研究发展基金会与成功大学博物馆现已进驻其中，其内部设置一间亚热带绿色建筑博物馆，俨然是一个充满趣味的建筑教育基地（图2～5）。

图1  “绿色魔法学校”外观一

图2  “绿色魔法学校”外观二

图3  一层平面

图4  二层平面

图5  三层平面

以拯救地球的“诺亚方舟”为旗帜，由成功大学林宪徳教授与石昭永建筑师设计的“绿色魔法学校”，史无前例动员了成功大学3位教授，带领12位博硕士生为其多项建筑设计效益进行科学实验研究。它并不使用昂贵的高科技，而是以“适当技术”、“本土科技”、“四倍数效益”为号召，在设计初期预计要达到节能40％、节水50％、耐久100年的高难度目标。到了2010年初，经过两年的努力，成大团队已经确定可以达成耗能密度43kWh/(m2 .yr)、节能65%的世界顶级水平。这辉煌的环保成果，以监测仪器与广告牌展示于本大楼中，其节能减碳的效益也将由实际用电用水数据来印证。此大楼将成为台湾绿色建筑教育训练的示范重镇，也将成为地球环保的教育基地。

把“绿色魔法学校”誉为“诺亚方舟”，是呼应环保名著《世界又热、又平、又挤》（Hot,FlatandCrowded）作者弗里德曼（Friedman，2009）所说的：“我们需要一百万个诺亚，一百万艘方舟，才能拯救这时代的全部物种”，因此设计团队把大量“船”的印象贯彻于此造型中。为了方舟的印象，“绿色魔法学校”的外观被打造成一艘星际大战的飞船，飞船屋顶上有一面叶状活动式太阳光伏，像是此飞船的舵。屋顶的通风塔被做成像是附有烟囱的轮机指挥舱，所有栏杆、扶手、阳台也被做成舰艇的感觉。甚至调节太阳能光电板角度的控制器，特地以旧船货店买来的一个日本商船的大轮盘做成，控制轮盘的平台也以钢架做成一艘《神鬼奇航》海盗船的样子，让参观者争相来此拍照。

这飞船带有一片像“拿破仑军帽”的屋面，很是壮观。屋面出挑很深，形成深邃的遮阳，可挡掉大部分进入室内的直接日射，因而可减少许多空调耗电。“拿破仑军帽”屋顶被做成阶梯状花园，花园上种满由台湾各地特选的景天科耐旱植物，强烈显现出自然生态与现代科技的对比。我们希望这是一艘经济实惠、可拯救全人类的“诺亚方舟”，而不是电影《2012》中需要10亿欧元船票才能搭上的贵族式方舟。

2 野生花园

“绿色魔法学校”最引人注目的焦点，莫过于铺在屋顶上那一大片五彩缤纷的“野生花园”（WildGarden）。所谓“野生花园”，就是一种节水、低维护、不施肥、无农药、模仿自然演替的粗放花园。现在市面上流行的屋顶花园太过于人工化，不是草花草坪，就是薄层绿化，多是一些又耗水又有农药污染的景观，根本上违反了植物生态原则。我们花了两年的户外实验，由十数种耐旱植物中筛选出9种耐脊、耐风、耐盐、耐污染的多年生本土草灌木，来建构此“野生花园”。这些草灌木包括多肉植物类的彩虹竹蕉、锡兰叶下珠、彩虹棒兰、黄边短叶虎尾兰、迷你麒麟花，以及非多肉型植物的黄金露花、矮仙丹、翠竹草、马樱丹。在色彩计划上，我们特选出紫、黄、绿、红、粉红等五颜六色的草灌木，编织出一大片井然有致的彩色大衣（图6）。

图6  “野生花园”一景

减缓都市热岛效应、节约空调耗能，当然是屋顶绿化最被期待的功能之一，我们的热流实验当然也证实了此事。两年来我们事先在其他建筑物屋顶，以计划中的9种植栽在屋顶楼板的热流解析发现：不论何种植栽或土壤，在盛夏之日，当室外气温变动在7℃～10℃的条件下，此屋顶花园可让屋顶层楼板表面温度变动维持在3℃以内，证实对于室内降温有优越的效果。在台湾南部，强烈太阳照射下的屋 顶表面可到达70℃以上，经过此屋顶花园冷却后，屋顶楼板室内最高 表面温度可维持在32℃以下，亦即顶层空间全年几乎可不用空调，可 减少莫大的空调耗电量（图7）。

图7  屋顶花园的热流实验证实隔热节能的效果

“野生花园”以“淤泥再生陶粒”作为土壤（图8），利用陶粒的多孔隙高吸水性，来维持保水抗旱的功能。“淤泥再生陶粒”是先 将水库淤泥或污水处理厂污泥研磨成粉末，再混合稻壳后烧制成轻质 陶粒，具有30％的孔隙率，亦即有很高的吸水率。每下一阵雨或滴灌 一次水，这些陶粒就像婴儿的纸尿布一样吸满水，并让这些耐旱植物 持续一周不浇水而存活良好。“淤泥再生陶粒”同时具有不风化、不 分解的特性，它不像一些有机土壤有分解消失的现象，可永保屋顶园 艺免于填补土壤的麻烦。这些特选的耐脊、耐旱、耐盐植物，刚好在 这贫瘠、耐分解与多孔隙的陶粒上长得又慢又强韧，让最外行、最懒 的人都可照顾出又好又壮的花园。

图8“淤泥再生陶粒”是废弃物再利用的多孔隙材料（左为40倍微观照片）

3 100％使用绿色建材

“绿色魔法学校”最大的特点，在于获得许多环保企业捐赠最尖端的绿色科技，尤其是采用了100％的绿色建材设计，成为不可思议的建筑魔法表演。首先，由中国钢铁公司捐赠的高炉水泥技术，一 下子减少了30％的水泥用量与10％的CO排放量，同时能增加40%的混凝土最终强度。其次，它采用了阿公店水库的污泥烧制成的陶粒， 作为隔间墙的骨材以及屋顶花园的土壤，不但减轻结构负荷、延长水库的寿命，同时因为其多孔性材质，可为花园保水保湿，达到良好的 节水功能。

在该大楼中还会发现一些不可思议的绿色建材，例如由大亚电线电缆公司捐赠的具环保标章的环保电线，完全不使用卤性塑料，燃 烧时不产生戴奥辛与卤酸气体等有害物质；宏远兴业公司则捐赠了该公司生产的由回收尼龙所做的环保地毯，以及由回收宝特瓶抽纱制成 的窗帘等。“绿色魔法学校”甚至也是健康环保的魔法师，例如由太阳生物科技公司所捐赠的“克霉乐健康涂料”，可达到防霉抗菌、防污自洁、调湿健康的功能；由永群豪国际公司捐赠的环安水性木器漆，不含甲醛与重金属，拥有台湾认证的健康绿建材标章认证。另外，由烨辉钢铁公司捐赠的“抗菌健康环保钢板”，将全面用于本空调风管系 统中，可长久有效抑制细菌生长繁殖，保证最健康的空气质量；大双渔公司所捐赠的“备长炭”，将大量埋入“绿色魔法学校”的国际 会议厅的双层墙面中，释放有益人体的远红外线，大量吸附臭气与有 气体并消毒杀菌使室内永保清新健康。过去建筑市场对石材的选用，只注重颜色与花纹，从未关心生态与健康的课题，甚至有许多大楼偏好名贵的进口石材，常误用滥用 而身陷核辐射线、氡气污染的危机中而不自知。三泰矿业特别为此捐赠了200t的稀有健康石材工程，亦即采用了花莲蛇纹石与台东新港化 石作为其健康设计的象征。这些本土的石材是不具核辐射污染的海底 沉积岩，不但含有大量海底贝壳生物化石，凸显了宇宙生命力，同时 含有叶绿素丰富的MgO成分，对人体健康有很大帮助。尤其花莲蛇纹石为超碱性石材，具有高度磁场、氢氧自由基、释放大量远红外线 的特色，可净化空气、活化细胞、对人体健康有益，使用在户外水景 中，更可净化水质、减少蚊虫。假如我们能尽量采用本土建材、本土产品，可以减少很多碳足迹。根据笔者的调查，在台湾本土生产的水泥、玻璃、木材等建材， 平均必须花费52.7km、74.1km、122.9km的公路运输距离才能送到使用者手，相当于分别排放了35.6kg/T、0.05kg/kg、41.5kg/m3 的CO₂。这些建材假如改用国外进口建材的话，其运输过程CO₂排放量将是上述排放量的数百倍。“绿色魔法学校”除了极少数产品外，从玻璃、油漆到光电板，几乎都采用本土建材，这也是一种减少碳足迹的环境教育。

4 空调与吊扇并用系统

就像“野生花园”一样，“绿色魔法学校”也是一座最顺应自然的绿色建筑设计，除了最基本的自然通风开窗设计之外，特别引入长期以来被人们遗忘的吊扇设计，这样就可让办公室的全年空调时间减少九成以上。吊扇是既便宜又是有效的消暑工具，过去200年来由寒带芝加哥到热带印度尼西亚的办公建筑，完全以它来支撑夏日的工作效率，但如今却被现代人完全遗忘，十分可惜。我们设定外气温大于31℃时才能使用空调，在27℃～31℃时只能使用吊扇通风，在27℃以下则打开窗户通风即可。根据笔者研究室对一般家庭开空调的行为调查，发现台湾人在气温低于31℃时根本不会开空调，唯有当气温大于32℃时才会陆续启动家里的冷气机，这与国家机关动不动就开空调是不同的。许多人担心这违反了冷冻空调界舒适度在24℃～26℃的原则，可能会引来反弹，但吉沃尼（GivoniB.）、林子平、黄瑞隆等教授的研究报告，确认亚热带国家的人在32℃的通风条件下还是舒适的，后来也证实我们的坚持是对的。因为我们的问卷研究指出，此大楼所有人员均认为这种通风、吊扇、空调并用系统是健康又舒适的。同时这也证明了市面上全年恒温恒湿控制的空调方式是既浪费又不健康、不环保的。事实上，从表1的气候条件来看，地球上大部分城市在夏季超出31℃真正需要空调的时间并非很长，例如由热带的新加坡到寒带的北京，真正需要空调的时间只剩下2.0％～8.0％而已。这意味着：只要善用这种空调与吊扇并用系统，地球上大部分的办公建筑物约只需要一个月的冷房空调即可。只是装一些吊扇，这种花小钱而立大功的“四倍数”魔法，不但可让所有上班者一点也不以为苦，甚至可享受更健康、更愉悦的气流变化与充满负离子的环境。同时我们的实验解析也证实：它的全年空调时间可降至一个月，空调节能可高达76％。吊扇空调并用设计的前提，必须同时设计细长与双向通风的建筑平面，这是数千年来建筑设计的常识，只是被空调设备与现代建筑造型所遗忘而已（图9）。

表1  东亚城市吊扇与空调气候控制的时间比例

图9“绿色魔法学校”办公区空调与风扇通风并用设计

5 灶窑通风系统

“绿色魔法学校”最引以为豪的，就是以自然通风设计的大型国际会议厅——崇华厅，其秘诀来自一种古老的灶窑通风系统。以前家家户户都有的灶窑，由一个砖泥塑成的保温灶台与一根长长的排烟烟囱所构成，氧气由底部入薪口进入，废气由顶部烟囱快速排出，是一种燃烧效率很好的烹饪设备。为了让崇华厅能利用灶窑的原理，在冬天达到完全自然通风、不用空调的境界，我们在主席台后面挖了一排开口以引进凉风，同时在最高客席的后墙上设计了一个壁炉式的大烟囱，创造出一个由低向高的流场，以有效排出废气。为了加强浮力，在此烟囱南面开了一个透明玻璃大窗，烟囱完全喷漆成黑色，以吸收由玻璃引进的太阳辐射热，如此便形成有如灶窑燃烧的层流风场，由下而上，横扫300人的观众席，让崇华厅在冬天可完全不靠电力，而达到舒适的通风环境。即使在冬天，想要让一个300人用的大会议厅达到不使用空调的设计，在亚热带气候是史无前例的，因为大空间不采用机械通风几乎不能让人存活。为此，成功大学工科系周荣华教授指导博士生简君翰进行计算流体力学软件（ComputationalFluidDynamics，CFD）模拟与风洞实验（图10），把崇华厅设计成一个超级节能的现代化灶窑通风系统。经过CFD模拟，我们在草图阶段就预知：在台湾的冬天11月～3月，即使不开空调，崇华厅内部的风速可维持在0.1m/s～0.6m/s的舒适范围，新鲜外气的换气次数可达5～8次的最健康水平。由于气候变热、室内人数增多时会增加烟囱效应的热流动力，同时也会增强室内风速与通风量，正符合通风卫生上的需求。

图10  “绿色魔法学校”灶窑通风系统的CFD模拟

此“灶窑通风”的灵感，说是简单，却也相当艰难。本来以为在屋顶上装个大烟囱即可，后来才知道风场的不均匀与扰流是大问题，最后设计了主席台下的风道分流，并把烟囱进风做成附有3个大风口的壁炉，以便平均诱导层流，避免局部强风。另外，为了让气流通过观众席不会受到太大阻力，崇华厅不采用笨重而封闭的一般观众座椅，特别选用了最轻巧、风阻抗最小的金属座椅，只在与接触人体最小的面积上缝有最薄的柔软靠垫，让座椅四周留出很多间隙，以容许最大的气流通过。为了确认CFD计算无误，我们同时也建立了一个1∶20的缩尺模型，以烟流实验确认了通风气流可均匀地到达每一客席，保证了一个十分完美的通风环境。另外，博士生苏梓静也采用了DOE（DesignofExperiment）程序进行动态空调耗能仿真分析，确认了：当外气温低于28℃时，即可执行此不使用空调的灶窑通风系统，其室内最高温度可维持于30.5℃，这在风速0.5m/s下可保证是舒适范围，同时全年可节省27％的空调耗电量。以经济投资效益而言，此通风塔与闸门控制设备一共花了20万新台币，其回收年限约为3年，其节能效益几乎领先现有大部分空调节能设备系统。建筑系赖荣平教授设计了崇华厅的音响性能，为崇华厅展开最佳余晌时间的模拟评估，决定室内每一片建材的吸音率，确保了最清晰、温润的演讲效果。为了防止噪音随灶窑通风系统引入室内干扰演讲，在进风风室四周钉上玻璃棉，并在入口处装设几排消音板以解决此问题。同时，特别加强空调箱、空调出入风口、通风塔、门扇的隔音、吸音设计，让崇华厅的隔音效能确实达到最高水平的境界。事实上，在“绿色魔法学校”中采用了3个浮力原理的通风塔，除了崇华厅之外，在内部大中庭与亚热带绿色建筑博物馆中也各采用一个通风塔。通风塔上当然都设玻璃帷幕窗以引进太阳热，塔内全面涂黑以吸收更多的太阳辐射热来形成更大的浮力。灶窑通风系统在采自然通风时，新鲜外气由一片森林引入，可带入充分的氧气与芬多精，我们同时在入风口处铺上一层“备长炭”，提供了吸湿、除臭、杀菌与净化空气的功能。该自然通风系统 不但可提供多变化的风速，其气流与物体的磨擦也会产生大量负离子，可带来愉悦无比的通风环境。在4～10月的温热期间，该灶窑通 风系统以闸门控制改成一般密闭空调方式，另外以高效率主机、变频 空调来处理节能方面的问题。该空调的新鲜外气量特别要求必须高于 一般水平，其外气的耗能则以全热交换器回收。

6 节能65%

“绿色魔法学校”如今已确信可以实现节能65%的目标，亦即在台湾一般三层楼办公建筑每平方米楼板面积耗电125kWh/(m2 .yr)的平均水平上，达到43.7kWh/(m2 .yr)的水平。在亚热带的建筑物基本耗 能量就很小的情况下，且我们并没增加预算，也没有依赖太多昂贵的 设备，简直是不可能的事情。为此，笔者研究室以美国能源部的动态程序DOE，对于我们采用的13种绿色建筑节能对策，做了最严谨的耗能解析评估。我们把这13种节能技术分为3部分（图11）：①设计节能；②设备节能；③再生能源。第一部分是不花钱或花少钱， 以建筑与设备的专业来达成的节能设计，包括由开口、遮阳、屋顶隔 热等建筑外观的节能设计，由平面、通风塔、吊扇等自然通风的节能设计，以及由空调、照明等设备的减量设计，这部分总共可节能41.0％；第二部分是以高效率变频空调、全热交换器、高效率灯具、 照明控制、高效率受电变压器等方面的设备硬件节能，这部分总共可 节能19.1％；第三部分是以太阳能与风力的“再生能源”部分，节能可达5.0％。

图11  “绿色魔法学校”13种节能技术的效益分析

由这些节能成效可发现一种现象，那就是越简单、越自然的技术越具有节能效益。例如：第一部分的节能技术，只是动动脑筋、画 画设计图、买些吊扇，甚至是把大机器换成小机器而已，几乎不动用 贵重的设备，但节能效益却很高，其累积节能效益高达41.0％，简直 是一本万利的投资。另外，第二部份的空调、照明、变压器的设备节 能技术，是一些不复杂但有很高效率的节能技术，其设备投资虽然贵 了一点，但其总节能效益高达19.1％，回收年限约为3年，也是值得推荐的绿色建筑技术。唯一较不划算的投资就是第三部分的太阳能与 风力发电的技术，它只节能5.0%，但却花不少钱。我们虽然设计了随季节而调整太阳角度的光电板，使用了台湾最高效率的单晶光电板， 以及全世界最高效率的直交流转换器（效率97%以上），但回收年限还是高达30年以上。

7 迈向“零碳建筑”

然而，我们尚未满足于节能65％，因为我们想追求人类最高理想的“零碳建筑”。所谓“零碳建筑”，就是完全不使用地球能源、完全不排放CO₂的建筑物。“绿色魔法学校”利用“碳中和”的秘诀，亦即以造林增加光合作用来吸附建筑物排放CO₂来达到“零碳建筑”的目标。上述节能65％的努力已让“绿色魔法学校”每年的总用电量缩小到113000kWh（包括地上2632m2 与地下室1197m2 的用电），假如能设法增加4.7hm2 的造林，以每公顷人造林每年吸收15.0tCO₂来计算，其光合作用刚好可以吸附其总耗电量所排放的CO₂70.3t，即可达成“零碳”的理想。为此，成功大学特别拨出“绿色魔法学校”旁边0.2hm2 的绿地以及成大安南校区内4.5hm2 的边缘荒地作为永久造林之用，顺利达成“零碳建筑”的理想。

该造林措施既便宜又简单，它只是改变原有花钱的人工绿地，改成粗放杂生、自然演替的野生森林而已。我们计划在面临海边的成安南校区4.5hm2 的边缘荒地遍插耐碱、耐旱、耐风的小苗，并经短期的简单浇灌养护，再放任其成为自然杂生林地。为了快速培育多样化植物群落，并减少引进不适当物种，只要利用贫瘠的土壤来栽种小苗木即可，既不引入肥沃的表土，也不用施肥，更不必移植大乔木，因此可减少大量建设费用。在演化期间，适当地间伐密植的树林，并偶而予以除草，最后期待成为自然生长演替的稳定植生林相，其管理维护费远低于一般田园风光的公园。从此，台湾就能拥有全台湾第一座“零碳绿色建筑”的招牌。 

8 结语

许多人常误认绿色建筑是高科技的、昂贵的，但“绿色魔法学校”却强调“经济实惠” “适当技术” “本土科技”的口号。在此次的“绿色魔法学校”设计中，许多专家建议采用欧美最流行的双层幕窗（DoubleSkin，一种中间有通风与遮阳的双层窗），或电致变色玻璃①来展现“绿色魔法学校”的高科技梦想。然而，“绿色魔法学校”却坚持便宜又低科技的技术，绝不接受这种先让阳光晒在玻璃后，再花钱把热量排出去的做法，我们要的是釜底抽薪、源头治理的智慧。我们只用了最本土、最普通、最无污染的胶合清玻璃，其价格只相当于双层幕窗或电致变色玻璃的数十分之一而已，但加上外遮阳设计之后，其节能效果却有过之而无不及。有些外商争相希望能捐给“绿色魔法学校”一些高科技的玻璃薄膜，以展示其对空调的节能效益，但设计团队都婉谢说：“我们的玻璃已设计在阴影下，完全没有直达辐射热，不必再让您破费了”。谁说绿色建筑一定更贵？

注释

①电致变色玻璃是一种新型的功能玻璃。由基础玻璃和电致变色系统组成 的装置利用电致变色材料在电场作用下而引起的透光（或吸收）性能的 可调性，可实现由人的意愿调节光照度的目的，同时，电致变色系统通过选择性地吸收或反射外界热辐射和阻止内部热扩散，可减少办公大楼 和居民住宅等建筑物在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须耗费的大量能源。

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本文来源《建设科技》