建築的節能思考(一)

-本文大部份的內容均發表於台灣建築報導雜誌社所編製的永續綠建築(2002)一書中


永續建築，或稱為綠建築的觀念在國內已推廣多年，相關立法上也制定了節能法規與設立綠建築標章制度以供規範。但除了少數個案，綠建築始終未得廣泛的實踐。探究其因，不外是一般大眾乃至於建築專業人士對永續建築的內涵仍存一知半解的體認。或望文生意，將綠建築與生態環境作直接、詩意的聯想；或狹隘地認定運用科技如太陽能發電版(Photovoltaic)即為綠建築，卻又因成本因素而望之卻步；更有甚者，以綠化皮層為建築包裝，以假生態之名為綠建築冠上華而不實的刻板印象。種種認知上的錯誤，阻礙了永續建築環境的發展。

永續建築環境是一種整體人為環境的策略思考，包括經濟、交通、人口政策、社會福利、社會正義等各個面向，不是單體建築物所能完全。不過本文無法龐大地探討永續政策，只能由建築設計的觀點切入，帶出將最重要的節能思考。

綠建築首重節能

所謂綠建築(Green Architecture, 或許更好的名稱為永續建築Sustainable Architecture)，在觀念上是為了使自然環境與人造環境和諧共存，避免消耗過度資源而危及萬物的生存，以達成永續發展的目標。而實踐上，則以節省能源為首要目標。能源為趨動一切事物的根本，據非正式的估計，全球約有50%的能源是用於營建產業上。舉凡房屋的建造、建材的生產、運送、組立，乃至唯持建築物使用的照明、空調等均需耗費可觀的能源。而目前依賴石化燃料生產能源的結果之一，即為導致二氧化碳的排放過剩，引發全球暖化的現象。因次，強調建築物節能，有助於減少對石化燃料的依賴，對減緩全球暖化現象有微妙卻深遠的影響。早於60與70 年代間，節能的議題即在歐美被廣泛的討論，石油危機更促使一連串的基礎研究在當時完成。但是，彼時談到建築物節能多純粹以物理、設備觀點行之，忽略了人性需求，甚至有為了防止熱量從窗戶散逸而設計出暗房的案例。然而，不可否認，當時的研究及提案仍對今日的省能對策有即大影響。



除了節約能源的考量，近年蓬勃發展的再生能源科技，的確可以達到省能及減少對石化燃料的依賴，但不能與綠建築劃上直接的等號。綠建築關心的項目也包括不同的氣候型態對建築材料、建築型態及人體舒適所造成的影響，而使今日所謂的綠建築與70年代所發展之省能建築有所區分者，即綠建築納入了人性需求與環境保護的考量，鼓勵使用回收及再生材料，並探討人造環境對生態系統的影響，以永續環境的觀點處理基地氣候、土方、水文及自然生態。可見完整的綠建築應廣泛思考氣候、節能、環保及生態等各個向度，可謂將建築的思考拓展至人造系統與自然系統的整合上，而非空泛地談論技術與「假生態」。



氣候、熱環境與節能

為了達到節能的目標，可以從建築物的照明、隔熱性能、通風等因子著手，而對氣候的瞭解，就成了設計成功與否的關鍵。一般而言，陽光、風與水為氣候控制中重要的因子，在不同尺度上交互影響而形塑地球上多樣的氣候條件。早期人類的營建史，廣義而言就是一部對抗與適應氣候的歷史，因而發展出不同風貌的地域建築。以綠建築的觀點視之，氣候條件雖限制了地方建物的發展，卻也提供了設計者無窮的挑戰與機會。氣候區的分類方式可因不同研究需求而有不同細項，如對生物學而言，明確區分出亞熱帶與熱帶可對瞭解生物的分布形態有所幫助。但對建築而言，氣候所帶來最大的影響其實是在熱環境(Thermal Environment)上，因此將全球氣候區分為寒冷(cool)、適中 (moderate)、乾熱(hot dry)、溼熱(hot humid)等四區就足以提供設計者足夠的參數 (Hyde 2000)，諸如太陽幅射量、溫度、濕度及風速。



寒冷型氣候區大致分布在接近極地的區域，由於吸收最少的太陽幅射，呈現終年寒冷的型態。此區的建築因此首重保暖，因此建築外殼的熱絕緣能力就成了必備的條件，如傳統斯堪地那維亞民居就慣以熱傳導率低的木材為主要材料，以保存室內熱量避免其散逸至室外。適中型氣候區距離極地及赤道均遠，沿海(如地中海區)有著地球上最適於人居的氣候條件，但在內陸則呈現明顯的季節差異及日夜溫差。乾熱氣候則位於緯度15至30度之間的大陸，具有日照強烈及日夜溫差大的特性，為一嚴酷的氣候條件。中東地帶的居民因而廣泛利用具高熱容量的厚重材料將太陽幅射吸收於壁體，於白晝保持室內涼爽，而被吸收的熱量則於涼爽的夜晚釋放。濕熱氣候則位於接近赤道的沿海區域，日照及氣溫雖不若乾熱氣候強烈，但缺乏明顯的季節及日夜差異，終年均可能有高溫高溼度的現象。東南亞當地民居型態即以干欄架高屋體，於地板下引入未受日曬的涼爽氣流。而建築材料普遍以木材為主，利用其不易吸熱且散熱快的特性保持室內涼爽。



建築外殼材料與節能

很明顯的，不同的氣候條件對人類選擇建材的思考上有極大的影響。在此有必要談談建築材料對室內熱環境的影響。對綠建築的實踐而言，材料的重要性不僅在於可回收或可再生的考量，更值得重視的是材料的物理特性，如熱傳導率(thermal transmittance)、熱容量(thermal capacity)、時滯(time lag)等特性均會影響室內溫度及能源的消耗。所謂熱傳導率(U-Value)指的是在穩定狀態下，能藉傳導方式通過材料的熱流量，一般的節能法規均以此規範建物外殼的基本耗能量。然而，真實狀況下，建築物內外的溫差並非處於恆常穩定狀態，而另一項重要的特性也常被忽略，即材料的熱容量。一般而言，重質量(heavyweight)的材料如混凝土、磚、石與土具有較高的熱容量，而輕質量(lightweight)的材料如木材、金屬等具有較低的熱容量。高熱容量意謂材料本身會蓄積熱量，延滯熱流傳導時間。兩種具有類似熱傳導率的材料能允許等量的熱流傳透，但其中具有高熱容量的材料會將較多的熱暫存於材料中再慢慢釋放，因而產生時滯效果。前文所提中東民居即利用此原理，運用厚重的日曬磚吸收(而非阻擋)白天強烈的熱幅射，此股熱流於涼爽的夜晚由壁體釋放至室外或室內，正好平衡夜晚較冷的氣溫。當然，不同的氣候條件下所適用的材料並不相同。一般而言，具有明顯季節變化與高日夜溫差的區域適用高熱容量的材料(Thermal Mass)，因其可利用時滯減緩太陽幅射的吸收，更可藉著夜晚涼爽的氣溫冷卻壁體溫度，於其中儲存冷氣至白晝，調節室內溫度，此即為Nighttime Cooling的原理。反之，終年氣候型態均類似的區域，如濕熱氣候，因日夜溫差並不明顯，無法發揮Nighttime Cooling的效果，應避免使用高熱容量的材料，以免散熱不易。



舉例來說，在台灣地區相信大家都有在夏日夜晚因室內燥熱而輾轉難眠的經驗。這是因為臺灣地處濕熱區域，夏季日夜幾無溫差。一般房屋材料廣泛採取磚、混凝土等重質構造，具有極高的熱容量，且於白天曝曬於強烈日照下，吸收大量太陽幅射。其時滯一般可達5至7小時，因此白天吸收的熱量恰好於人將入眠時傳入室內。若再加上室內因廚具、燈具所散發的熱能，室內溫度往往比室外高出幾度。另一項在臺灣使用高熱容量材料的缺點即是空調能源的浪費。在臺灣的氣候下，空調往往是無可避免的設備，但提倡綠建築並不是要完全捨棄空調系統，而應置重點於如何節省空調能源。若使用高熱容量材料，空調所產生的冷氣部份會被材料吸收 (物理上，所謂冷氣是一種溫度較低的熱)，因此必需耗費更多的能源才能使室內溫度達到舒適的程度。很明顯的，使用低熱容量的材料如木材或金屬，才最能適應臺灣的氣候，若輔以適當的絕緣材，可有效阻擋熱流傳透並可迅速散熱，室溫對空調的反應也較快，其所產生的節能效益無可比擬。



臺灣至今仍廣泛使用高熱容量的材料，一方面導因於建造成本的考量與設計習慣，一方面也因節能法規並未將熱容量的特性納入規範。後一部份是因為熱容量所影響的是動態的平衡，不容易以簡單的算式評估，世界各國皆然。但身為建築專業者，應努力瞭解材料的基本物理特性及其在不同氣候下的影響，以免做出不適當的決策。



保持室內熱環境的舒適既為綠建築首要課題，對當地氣候的瞭解及其所產生的限制與機會則為必備的知識，以此為基礎才能發展出適應地方的怡人環境。而從對氣候與地方建築的研究，也點醒我們所謂綠建築並不如常說為新一代建築思潮云云，人類在千年的營建過程中早已付諸實踐。今人因得力於機械設備的幫助，往往在設計建造過程中忽略了氣候與物理環境對建築的影響，浪費了許多珍貴的能源。推廣綠建築的觀念有部份重要的原因是為了重拾人類對氣候、對物理環境的智慧，而非勉力發展或運用新科技。