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自从环境保护的理念逐渐影响到了建筑领域，人们便开始重新审视建造和使用房屋的过程中，能源、资源的流动和人类活动对自然界造成的影响。如何从建筑的角度最大限度地减少对自然资源和化石能源的消耗，减少建筑对环境的负面影响？英国建筑师罗伯特·威尔和布兰达·威尔夫妇（Robert Vale and Brenda Vale）从20世纪60年代开始，就一直在绿色建筑领域不断尝试和创新，可谓是当之无愧的绿色建筑鼻祖人物。
1975年，威尔夫妇出版了《自维持住宅：自给自足的设计和规划》（The Autonomous House: Design and Planning for Self-sufficiency）一书，讲述了如何借鉴当地传统智慧，配合科学的方法，建造能源自给自足、对环境友好、维护简单、带有地域特色的房屋。这本书先后被翻译成五种语言，在世界各地广为流传。它被认为是现代绿色建筑领域的奠基之作。
威尔夫妇从传统建造技术中汲取灵感，研究能够回应当地气候的设计手法。这种尊重自然、巧用资源的“被动式设计”，是他们贯穿如一、最为重视的设计原则。接下来就让我们一起去看看，建筑师是如何充满智慧地处理建筑和环境的关系的。
你知道吗？
被动式设计 （passive design）是在尽量不消耗能源的前提下，通过建筑物本身，把外部过冷或过热的气候，调整到使用者觉得舒适的范围内。简单来说，就是尽可能少用或不用人工的采暖、制冷、照明、通风等设备，通过有效地利用太阳、风、水等天然能源和资源，为使用者提供舒适的建筑环境。
被动式设计的早期倡导者、被动式低能耗建筑协会（Association of Passive Low Energy Architecture）的创始人之一巴鲁克·吉沃尼（Baruch Givoni）对被动式设计做出了如下的概括：“（被动式设计）涵盖了 建筑的设计 和 材料的选择 ，它旨在提供舒适的建筑环境的同时，减小建筑能耗。建筑设计和结构材料的特点，影响着被建筑所吸收和穿透建筑的太阳辐射量、建筑室内温度和建筑表面温度、空气流速和蒸汽压力。通过这样的方式，它们也影响着建筑对其周围的气候因素的回应。”因此，被动式设计策略有以下几个方向：
· 对太阳辐射的调节： 寒冷时通过玻璃或蓄热材料吸收或储存太阳辐射热；炎热时通过遮阳措施遮挡太阳辐射热；通过隔热材料隔绝热的传递。
· 自然采光： 通过设计引入适当的太阳光线进行照明。
· 自然通风： 通过设计让建筑室内外形成一定的空气压力差，从而获得适当的通风换气。
· 水汽蒸发： 炎热时通过建筑外表面的水分蒸发降低建筑温度；通过建筑材料吸收或蒸发水分来调节室内的空气湿度。
广义上讲，只要不消耗能源和资源，又能创造舒适的建筑环境，就可以被认为是被动式的设计思路。你还能想到什么被动式设计的例子吗？
在英国诺丁汉郡一个叫霍克顿（Hockerton）的村庄，有一处看似不起眼的联排住宅。这个建成于1998年的住宅项目比邻一个人工湖，由五栋单层的住宅单元并排组成，每个住宅单元都有自己的生活空间和室外花园。项目的业主们希望示范和实践一种对环境影响最小、自给自足、节能高效，又充满生活气息的建筑形式和生活方式。霍克顿住宅虽然看上去十分低调朴素，却一点儿也不普通。它是英国的第一个可持续联排住宅项目，更被吉尼斯世界纪录列为当时全世界最节能的住宅。它正是由绿色建筑的鼻祖威尔夫妇设计的。
威尔夫妇非常注重建筑对气候和环境的回应，以及对自然资源和能源的有效利用。要达到这个目标，他们需要做充分的前期研究和考察工作，了解当地的自然环境和气候状况。
霍克顿住宅鸟瞰
英国诺丁汉地区地势比较平缓，气候比较温和。夏季最高气温很少达到30℃，冬季会有短暂的降雪天气，但大部分时候的气温都在0℃以上。不过这里冬季经常有阴雨天气，日照时间比较少。可见，建筑师需要考虑的主要问题是在阴冷的冬季如何让室内温暖、舒适。
于是，威尔夫妇在这个项目里使用了以下被动式设计的方法：
· 厚重的结构： 项目的主体结构采用了木制结构加混凝土砌块。北面的外墙和屋顶被泥土覆盖，形成了一个类似窑洞的半覆土建筑。厚重的墙体和覆土层可以达到像窑洞一样冬暖夏凉的效果。
· 太阳能采暖： 建筑南面设置了大面积的玻璃窗，形成一个容易被太阳辐射加热的暖房。同时，房屋的朝向和窗户经过精确计算，能确保阳光在冬季可以射入最深处的房间，而在夏季不会。太阳辐射还可以把室内的混凝土晒热，混凝土作为蓄热体会将热量储存起来，太阳下山后再释放出来，让室内温度稳定舒适。
霍克顿住宅的被动式设计策略（1）
· 保温隔热： 房屋的地面、墙面和屋顶都使用了很厚的保温隔热材料，就像给建筑穿上厚厚的棉袄，在夏季可以减少室外热量传导到室内，冬季可以减少室内的热量流失。窗户都使用了双层甚至三层中空玻璃，同样起到了很好的保温隔热效果。
· 用户自发热： 冬季时，除了玻璃暖房吸收的太阳辐射热以外，室内电器的运行和人的活动也会散发出不少的热量。这些热量都可以作为室内采暖的热量来源，提高室内温度。
· 自然采光： 南面的阳光房除了增加冬季室内温度外，也提供了很好的自然光线。顶部天窗进一步提高了自然采光的效果。电灯的使用频率大大降低。
通过这一系列被动式设计，建筑室内的温度在最冷的冬天仍然可以达到17℃左右，建筑的能耗被降低到不足当地常规建筑能耗的三分之一。
当然，被动式设计对室内环境的调节能力是有限的。打个比方，采光做得再好，夜晚太阳下山了还是得开灯。又比如，在日照太短或太阳辐射太弱的时候，被动式太阳能采暖可能不足以把室内温度维持在舒适范围，还是需要人工的采暖设备进行补充。
但这并不代表被动式设计就没有作用。被动式设计可以最大限度地减少人工设备的使用时间，从而减少使用设备导致的能耗和排放。因此才有了“被动优先，主动优化”的说法。这里的“被动”指的就是被动式设计，而“主动”指的就是附加的人工设备系统（active system）。这个说法很好地概括了两者之间的关系：先做好被动式设计，再选择合适的人工设备作为补充，让两者各司其职、相得益彰，就能达到把建筑对环境的负面影响降到最低，又能保障使用者的舒适度。
霍克顿住宅也采用了机械通风和人工采暖系统作为补充。为了给这些设备提供能源，建筑屋顶安装了太阳能光伏发电板，场地周边设置了风力发电装置。所以在能源方面，这确实是一个“自给自足”的建筑。
霍克顿住宅的被动式设计策略（2）
你知道吗？
对太阳辐射的调节是调整和稳定室内温度的重要策略。下面我来给你介绍三个与太阳辐射热有关的被动式设计方法：
1．蓄热体 （thermal mass）：它采用的是一些热容量比较大的材料。白天阳光充足时，蓄热体会吸收和储存太阳辐射热。到了夜晚，太阳下山，温度下降，蓄热体会把储存的热量释放出来。这样的一吸一呼，就延缓了室内热量的流失，提高了室内温度的舒适度和稳定性。常见的蓄热体材料都比较密实、厚重，比如石头、混凝土、夯土、水等。
2．阳光房 （greenhouse）：也叫被动式太阳房，它利用的是玻璃产生的温室效应。当太阳照射到玻璃时，大部分短波辐射可以穿透玻璃到达室内。而室内的地面和空气被阳光加热后发出的长波辐射，却难以穿透玻璃释放出去。一段时间后，玻璃房内的温度就会越来越高，形成“温室”。
3．隔热材料 （thermal insulation）：顾名思义，它的作用是阻断热量的传导。就像棉被，冬天我们把它盖在身上可以保暖，夏天卖冰棒的小商贩把它盖在冰棒上又能保冷。隔热材料通常质量较轻、疏松多孔，比如泡沫塑料，轻质多孔的板材、纤维等。带有空气或者惰性气体夹层的中空板材也属于隔热材料。
上面这三个手段常常被结合起来使用，以达到不同条件下稳定室内温度的效果。
霍克顿住宅在水资源和食物供应方面也尽可能做到了自给自足。项目的饮用水来自坡屋顶收集的雨水。经过过滤系统的处理，这些水可以达到较高的洁净标准。非饮用水则主要是通过道路和田地收集的雨水，储存在储水罐中，在澄清和简单过滤处理之后使用。对洁净度要求不高的蔬菜灌溉用水，则直接使用房屋旁边未经处理的天然水源。
饮用水的收集和处理方式
非饮用水的收集和处理方式
建筑排放的生活污水，也能就地处理，达到排放标准。处理的关键就在于人工湖里的芦苇床。通过科学的计算和设计，五栋房屋的生活污水先全部排入人工湖，一边澄清固体废物，一边通过净化区漂浮的植物对水进行净化。经过三个月左右的时间，净化完成的水可以达到直接排入河流的标准。在这个过程中，人工湖不仅净化了废水，也为周围的动植物提供了栖息的场所和生长所需的养分。
同时，霍克顿住宅的居民还会定期对污水沉淀出的固体废物进行清理，收集后制作堆肥，用来种植瓜果蔬菜。他们还饲养鸡、羊和蜜蜂。这里大约三分之二的蔬果和鸡蛋可以自给自足。这种模拟大自然循环利用资源的方式，既减少了生产食物过程中的污染，也减少了远距离运输食物带来的能耗和污染，不仅环保也非常节能，住户每年的建筑运行能耗开支节约了60%之多。
非饮用水的收集和处理方式
你知道吗？
可持续发展的环境层面，是指处理好人类发展和环境之间的关系。想要提高建筑在 环境层面的可持续性， 就要尽可能降低建筑对环境产生的负面影响，甚至想办法产生正面的影响。具体来说可以从以下几个角度入手进行设计：
· 建筑需要保护或者促进 自然生境 的大小、生物多样性、生产力等因素；
· 确保建筑全寿命周期内对 自然资源 的利用不会导致对环境的不利影响；
· 确保建筑全寿命周期内的 垃圾和排放物 不会对自然环境产生不利影响；
· 确保建筑全寿命周期内对 水资源 的利用和排放不会对生态系统产生不利影响；
· 确保建筑全寿命周期内所需 能源 的生产和使用不会对生态系统产生不利影响。
你能从周围的建筑中找出一些可持续设计的例子吗？如果没有，你觉得有什么可以改进的地方呢？
项目还有一套科学的监测和评估系统，通过收集基本的数据，评估建筑的能耗、舒适度等指标。住户可以更深入地了解自己的日常行为和建筑能耗、舒适度之间的关系，从而采取更积极有效的策略，更好地使用这个建筑。
运营方面，项目采用了非营利性合作社的运营方式。每个户主作为合作社的成员，需要每年做300小时的义务工作，包括维护管理建筑、基础设施、能源、水处理系统，以及食物种植等。此外，合作社也花钱雇用住户每年工作300小时，支持开展生态旅游、教育活动、生态建筑咨询等业务。这样的社区合作模式提升了每个人在可持续生活方面的知识和技能，促进了人与人之间的交流协作，也提高了居民的自我认同和归属感，让他们更有意愿和动力持续这种生活方式，并在其中找到乐趣和意义。
你知道吗？
除了处理好与环境的关系外，建筑的可持续性还有另外两个重要方面。
1．经济层面的可持续性。 旨在不以牺牲环境作为发展经济的代价，而是探寻一种既能发展经济，又能保护和促进环境，良性共赢的经济发展模式。主要的策略包括：
· 在建造和维护过程中鼓励 当地就业 、鼓励自主创业、鼓励小型企业的发展；
· 在设计和管理上尽量 高效 ，保持较高的生产率，从而减少资源消耗、浪费和污染；
· 在建设发展过程中充分考虑和运用 本土 的知识和技能；
· 在建设发展过程中科学地 监测 建筑对环境、经济和社会的影响，并以此来指导发展建设；
· 建立一套 公平、透明 的经济政策和计划，为可持续发展提供持续的动力和保障；
· 支持小型的、本土的、多元化的、 契合当地情况 的经济体。
2．社会层面的可持续性。 旨在确保人的身心需求得到满足，促进人类自身的发展提升，从而更好地维持可持续发展的良性循环。主要的策略包括：
· 建筑环境要提供充足的、开放的 公共空间 ，让人尽可能多地接收信息和交换信息；
· 建筑环境要为 教育 提供足够多的空间和可能性，包括对可持续发展的关注和教育；
· 建筑环境要对不同的使用者有足够的 包容性 ，要尊重地域特点；
· 建筑环境要保障使用者的 安全 ，促进使用者的 健康 ；
· 建设和管理过程要有足够的 公众参与 。
想不到吧？这些看似和自然环境没有直接关系的因素，也在间接地影响着我们看待绿色建筑的方式。只有让人们意识到，绿色建筑不会让人亏钱，反而能让人挣更多钱；不会降低人的体验感受，反而能让人更舒适、更充分地发展，人们才会更容易接受这种理念，持续地去推动它的发展。