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国际太阳能十项全能竞赛及案例解析


建筑节能

国际太阳能十项全能 竞赛及案例解析
International Solar Decathlon Competition and Case Analysis
■ 贾东方 Jia Dongfang 宋德萱 Song Dexuan
【摘 要】介绍了 2012 年同济大学代表中国参与的太阳能十项全能(欧洲)竞 赛的相关背景和竞赛案例。通过对 3 个比较有代表性的案例介绍,阐述了竞赛各 项要求指标在实际建造中的具体体现。同时,在比较中也发现了我国工业技术水 平和太阳能建筑一体化领域与国际水平的差距, 为我国节能建筑实践提供一些有 益的借鉴,希望以此引起大家对太阳能技术在建筑节能领域应用的关注和思 考。 【关键词】太阳能十项全能;建筑节能;太阳能建筑 【Abstract】The thesis introduces the background relating to the international solar decathlon (Europe) competition held in 2012 in which Tongji University participated on the behalf of China and some cases. Through presentation of 3 typical cases, it elucidates the embodiment of various indexes in actual construction. In the meanwhile, it is found there are gaps between Chinese industrial technological level and solarpowered building integration and international level through comparison to provide beneficial reference for the practice of energy-saving buildings of China. The thesis aims at attracting people's attention and thinking on the solar energy technology's application in energy-saving buildings. 【Keywords】 solar decathlon, building energy efficiency, solar building 0 引言 建筑节能和绿色建筑的实现需要技术 的发展,但技术的发展离不开实践的土 壤,离不开决策者的引导、经营者的意识 和消费者的认可。基于以上的考量,同济 大学联合校绿色建筑与新能源研究中心, 共同组成多学科团队,参加了在西班牙 马德里举办的国际太阳能十项全能大赛, 籍以此为契机,交流新技术,研发新产 品,将理论落到实处,为实现绿色节能住 宅做一次有益的尝试。 1 竞赛背景 Solar Decathlon (Europe)——太阳 贾东方,同济大学建筑与城市规划学院 ; 宋德萱,博士,同济大学建筑与城市规 划学院教授、博士生导师,高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室。 能十项全能竞赛(SD 大赛),是全球大学生 的实验创作竞赛,由美国能源部发起、

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表 1 十项竞赛内容及小项分类 竞赛内容 五大项 建筑 能源 舒适度 社会经济效益 策略 十小项 建筑设计 设备配套及结构设计 能源利用效率评估 电能平衡 环境舒适度检测 居住功能测试 公关活动及社会知名度 工业化前景及市场推广 创新性 可持续性

办,引起了国际相关行业企业和世界范 围内著名建筑、工程类高校的关注。包括 MIT、加州理工、普渡大学等美国著名工 科院校也陆续参与到该项赛事中来。 Solar Decathlon Europe(SDE)是由西 班牙劳工部和马德里市议会同美国能源局 签 署 的 相 关 合 作 协 议 ,于 2 0 1 0 年和 2012 年在欧洲境内举办两次竞赛。2012 年,同济大学代表队代表中国出征。 2 竞赛条件与要求 2.1 建造场地 竞赛场地位于马德里市西南的 Casa

侧 面 观 察 ,竞 赛 空 间 界 限 形 成 一 个 梯 形,有点类似夯土台( 图 1 ~3 ) 。 2.2 考评与测试 竞赛的测试及考评是整个竞赛最为关 键的环节之一,此次竞赛的十项成绩主 要由设备监测和评审团打分的形式得出 (表 2 )。 组委会邀请了各个领域的专家学者, 组成若干评审团,评审团的主要工作方 式是在竞赛日规定的时间内,听取参赛 团队的介绍,就相关的主题深入了解参 赛队两年时间内的准备情况及成果,之 后有 10min 的时间进行发问,最后还有 10min 的时间参观建筑作品,从而对一些 可观察到的方面有更直观的认识。竞赛 的几个大分值项目如:建筑、设备及结 构设计、能源利用平衡等均需要参赛队 员以演讲的形式将本队的设计考量和技 术亮点一一介绍给评审团专家。 设备监测则更为理性客观, 不过由于 相关监测项在全竞赛周期内都不间断, 这就要求参赛队员用更大的耐心来调试

主办(表 1)。比赛的目的是借助世界顶尖 研发、设计团队的创意,将太阳能、节能 与建筑设计以一体化的新方式紧密结合, 来证明即使单纯靠太阳能的住宅,一样 可以功能完善、舒适而且具有可持续性, 从而促进节能减排的技术发展和实践进 步。 2002 年大赛第一次在美国华盛顿举

de campo  自然公园内,每个队伍的基 地范围被限制在一个 20m × 20m 的正方 形范围内,包括建设和施工的场地,中 国队的场地在整个场地的入口处,较有 利于运输。 该基地较一般建筑基地不同的是, 为了保证周边基地的队伍公平有效地利 用太阳能资源,防止阴影产生遮挡,从

图 1 基地全景

和维护一个较高的空间居住品质。 洗衣机和烘干机作为一个监测动作, 每日在 300min 时间内,将组委会统一 发放的毛巾称重之后进行标准洗涤烘 干,然后再称重,评分标准就是前后两 次重量差值所占比例的范围,以此来判
图 3 建筑基地的空间界限各方向示意图

断洗衣烘干的效率。 厨房用品和烤箱等则利用煮水的方式 来 测 试 , 同 样 ,首 先 称 空 锅 重 量 ,然 后称加水后锅重量,之后在规定的时间

图 2 竞赛总平面图及中国队基地位置

内将规定量的水煮沸并蒸发殆尽,称重 2013.06/ 住宅科技技 17

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表 2 竞赛考评项打分细则 序号 1 2 3 竞赛项目 / 次项目 建筑 设备配套及结构设计 能源利用效率 电能平衡 4.1 电力自动化 4 4.2 临时相关性 4.3 每平米消耗 4.4 产出能耗比 环境舒适度检测 5.1 温度 5 5.2 湿度 5.3 室内空气质量 5.4 工作区灯光 5.5 声效 居住功能测试 6.1 冰箱 6.2 制冷器 6.3 洗衣机 6.4 烘干机 6 6.5 洗碗机 6.6 家庭电子用品 6.7 烤箱 6.8 厨房设备 6.9 热水 6.10 用餐 7 8 9 10 公关活动及社会知名度 工业化前景及社会推广 创新性 可持续性 80 80 80 100 120 120 70 10 5 20 15 5 5 20 10 15 5 15 15 20 10 监测表现 监测表现 监测表现 监测表现 监测表现 监测表现 监测表现 监测表现 监测表现 监测表现 评审团 评审团 评审团 评审团 监测表现 监测表现 监测表现 监测表现 / 完成度 监测表现 120 监测表现 监测表现 监测表现 监测表现 图 4 法国队参赛作品 竞赛项目得分 120 80 100 竞赛次项目得分 评分依据 评审团 评审团 评审团

递了一个重要信号就是:单个住宅单元 的能源自给,依靠现有的太阳能产品是 完全可以做到的。 建筑特点:市场前景好,布局合理, 维护结构的设计充分考虑到住户的半室 外空间的活动,太阳能板和建筑屋面一 体化程度高。 获奖情况:市场前景一等奖,建筑 设计一等奖,可持续性一等奖,工业化 三等奖 如果单元设计合理,那么一个节能 的盒子单元,就可以复制成为一个节能 的建筑,进而组成一个节能的社区。法 国队将这样的理念成功地付诸了实践, 故而其理念才对每一个参观这所房子的 人很有说服力。 其次,设计团队在住宅的单元周边

后依前后重量差值来评定厨房设备的工 作效率。 温度、 湿度的测试则分别由固定安置 在起居室和卧室的温湿度传感器监测得 出 。 设备监测的顺利实施需要有客观公正 的组委会人员来协助,组委会招募了大 量具备一定专业知识的志愿者,他们每 日轮流作为监测员协助记录和监测所有 的参赛队伍。如此,在很大程度上保证了 数据的真实性和客观性,相关数据也成 为参赛队评价和改善原有设计的重要依 据。 3 三个竞赛案例 竞赛共有来自 12 个国家的 18 支代表

队参赛,各自的作品都展示了国家和地 域的特点,同时又都结合太阳能技术在 相同的规则下设计而成,本次竞赛不失 为太阳能建筑届的世博会。选出的三个 案例分别在三个领域具有较强的代表性, 法国队在市场前景,建筑设计方面有领 先优势;德国队在工业化制造和建筑工 艺方面十分突出;中国队则是体现出我 国文化和材料方面的地域特点。 3.1 法国队—— Canopea SD 大赛更多关注的是建筑的工艺和 技术利用而不是单纯的造型,所以,作 为建筑单项评分第一名的作品,最主要 的特点就是其可实现性(图 4)。法国队的 参赛作品是已经在法国实践了的实际住 区项目,他们只是截取了建筑顶部的一 个单元进行了 1∶1 的复建来参赛。这传

设计了环形的连廊,一来为住户提供一 个休憩的场所,同时在连廊的外侧设置 玻璃电控百叶,在恶劣天气情况下可以 形成一个室内外的过度空间,使得室内 环境相对独立。 最后, 法国队的太阳能产品和屋顶的 结合是其独占鳌头的另一特点,作为本 届比赛唯一建成的两层建筑,在建立之 初使人产生了很多疑问:上下两层空间 如何连接的?在功能上有什么联系?后 来才知道,上面的空间是屋顶的阁楼,1 层作为独立的住宅区参与评测,2 层则作 为活动空间,是一个半开放区域,其太阳 能板铺设于鱼鳍状错开的屋面上,目的 是保证每一块板都有相同的对日角度。 并且由于其产品透明度较高,设计团队 还在板背面设计了单晶硅单元形状的绿

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色贴纸,使得 2 层阁楼不但有良好的光 照,还不至由于密集布置的太阳能板产 生压抑之感(图 5~7)。 3.2 德国队—— Ecolar Home 此次 S D E 大赛有两支德国队参加,

图 9 德国队框架结构及安装示意图

盒子在平面排列成矩形,坡道和平台环 绕在建筑周围,在入口处设有水池。相 对简单的造型并没有在一开始获得很多 关注,不过随着比赛的推进,其优势才 渐渐展现出来。
图 7 电控玻璃百叶

首先是构造,德国队将构成墙体和 屋顶参观者无法企及之处的构造都截取 了一些样本,置于平台处以供展示。建

两支队伍虽来自不同的城市,但都代表 了德国人对于工艺的高标准和建造的精 细。拥有强大工业基础的德国队,在设
图 5 室外环形连廊

筑的各部分被预制成模数化的梁、柱、 墙面等构件,极大地增加了生产和实际 建造的效率。同时,模数化和工厂化的 生产,也使得这样节能的住宅单元可以 批量生产以投放市场。房子墙体的保温 材料选用的羊毛制品,是当地山区的特 产之一,用内外两层木格栅将羊毛混合 黏土的保温层夹在中间,起到了很好的 保温隔热效果。 另一个亮点就在于室内的设计,规 整的外表并没有掩盖这个作品细致的品 格 , 室 内 整 齐 的 设 备 间 ,弧 形 的 盥 洗 室,全顶棚采光的卫浴,折叠的床铺和 书桌,折叠的各式家具等等,所有的细 节无不体现着设计者严谨、精致的追求 (图 1 0 ~1 2 ) 。 作为工业化前景的第一名,其设计 牢牢把握了模数化的精髓。凡是涉及到 快速建造,预制拼装这类课题,模数化 的产业链是必不可少的(图 13)。据 Ecolar H o m e 团队设计师介绍,他们的目的就 是 将 建 筑 的 空 间 均 质 化 ,将 建 筑 构 件 化,这样做的直接好处有两点:①构件 制作精确,可替换性强,维修方便;②

计、施工、建造等各方面都表现出众。 这里选取在工业化和结构工艺两方面 表现突出的德国 Ecolar Home 作为案例 ( 图 8 、9 ) 。 建筑特点:工业化程度高,构造合 理 丰 富 而 精 细 ,市 场 前 景 好 。 获奖情况:工业化第一名,结构和 工艺第一名。 该作品在造型上中规中矩,整个建 筑采用了框架结构,6 个正方形的框架

图 6 二层阁楼建成实景

图 8 德国队参赛作品

房屋空间可拓展性强,在土地条件允许 2013.06/ 住宅科技技 19

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图 13 德国队建筑构建模数化

3.3 中国队—— Para Eco-house 建筑特点:采用竹子作为主要建筑
图 10 德国队卧室视角

带最具代表性的绿色建材——竹材。通 过对竹材特性的研究,结合赞助商的技 术产品,该建筑的外框架、框架内嵌菱 形单元、内核的结构材料、室内的装饰 面均采用竹材(图 14 ~1 6 )。 竹材相较于木材,有更短的成材 周 期 和 无 需 二 次 种 植 的 优 势 ,同 时 由 于生长速度快,1 h m 2 毛竹的年固碳量 为 5 . 0 9 t ,是衫木的 1 . 4 6 倍,热带雨 林的 1 . 3 3 倍( 图 1 7 )。 建筑设计将建筑分为了内外两层, 外 层表皮集成了一些主动的节能设备,包 括全部的光伏板、太阳能追光器、太阳能 集热器、西立面的薄膜太阳能和喷雾降 温设备等。 内核作为主要的居住生活单元, 围护 结构采用了高保温性能的 VIP 真空保温 板,并且将保温板设计在双层对夹的木 龙骨间,利用交错对缝达到更密实的保

材料,西立面的参数化太阳能墙体,太 阳能追光系统。 获奖情况:最佳立面奖,最佳舒适 度 三 等 奖 ,房 屋 功 能 三 等 奖 。 Para Eco-house —“复合表皮生态 屋”是同济大学的参赛作品,本次的设 计采用了我国长江流域,特别是江南一

图 11 德国队起居室视角 1

图 14 中国对作品外景

图 12 德国队起居室视角 2

的 前 提 下 ,随 着 居 住 人 口 和 功 能 的 改 变,只需要购买拼装新的居住单元即 可,现实操作性好。所谓工业化前景无 非就是短时间、大批量的建造。据此, 德国队的作品有当之无愧的优势。
图 15 中国队卧室视角 图 16 中国队起居室视角

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4 结语 竞赛的目的是在于展示和交流,进 而有机会使批量生产进入市场。结合我 国的实际情况,设计自供能的太阳能供 能模块,使太阳能技术不只限于太阳能 热水的使用,更多地拓展到小范围发电 和为家用电器提供更多的能源支持,是 真正符合国情的技术路线。
图 17 竹材纹理和复合竹木梁成品

新能源在建筑领域的发展同样离不开 政策的导向和舆论的宣传,也更离不开 技术的支撑,只有有了成熟的,适合我国 居住环境和建筑条件的太阳能光伏产品, 才可能引导公众选择更绿色、更节能、更 环保的生活方式,才可能在新一轮城镇

温效果。立面的维护结构采用了回收塑 料加 UV 涂层之后的阳光板,提亮内核的 同时反射部分阳光,保证墙体内部的热 环境在可控的范围。 室内设备也采用集中设计的原则, 由 于建筑是拼装而成,所以这样的设计可 以最大限度地节省现场搭建的时间。同 时,室内功能如:厨卫、洗衣机、 烘干机、

设备间等相对联系紧密的功能块布置在 一起,也有利于节省管线的布设和后续 的检修。集成的设备核使得室内的空间 得到解放,形成流动的室内空间:西面的 客厅紧邻西侧的湿地,通过西侧外表皮 加速的风可以将湿地的空气带入室内, 创造宜人的室内环境(图 18)。

化建设中,创造更高品质的居住环境。 ( 收稿日期:2 0 1 3 -0 5 -0 7 )

图 18 复合表皮生态屋结构分层示意图

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