綠建築:綠色旅館
綠色旅館是綠建築的一環,它除了建築的外殼、空調、照明、機電的節能減碳之外,包括交通、飲食、消費行為等都是環保訴求的重點。
標籤: 建築
綠色旅館是綠建築的一環,它除了建築的外殼、空調、照明、機電的節能減碳之外,包括交通、飲食、消費行為等都是環保訴求的重點。
旅遊產業是無煙囪工業嗎
過去人們常把旅遊產業視為「無煙囪工業」,也就是認為旅遊的行為是低能源消耗,且對環境的影響很有限。事實上,旅遊需要消耗能源,並造成二氧化碳的排放,對環境有相當程度的衝擊。以觀光為主要產業的夏威夷為例,旅遊所耗用的能源占該地總用量的比率達 60%。德國的統計資料也顯示,當一個人由法蘭克福搭乘飛機到香港購物時,會產生 6.3 公噸的二氧化碳,相當於在德國開 3 年車所排放的量。
在旅遊產業中,依照二氧化碳的排放,大致分為運輸、住宿和活動 3 個部分。其中運輸所排放的二氧化碳,是從出發地到目的地之間所搭乘的交通工具,因使用化石燃料而換算產生的二氧化碳排放量。一項針對臺灣國家公園旅遊運輸的研究,發現遊客搭乘公車時每人每公里的二氧化碳排放量最低(0.028 kg-CO2/person-km),搭乘小客車則最高(0.097 kg-CO2/person-km),可見運輸工具的選擇會直接影響旅遊行為的碳排放量。
住宿所造成的二氧化碳排放量,是由於住在旅館、飯店中,因空調、照明等直接或間接使用所耗用的電能,再換算成的二氧化碳排放量。而與活動有關的二氧化碳排放量,則是因為在旅遊地點參與各類型活動時所耗用的電量,和搭乘當地運輸工具所使用的化石燃料,例如搭乘遊湖船艇、騎水上摩托車、市區觀光、餐廳用餐等,直接或間接產生的二氧化碳排放量。
以日本遊客來臺灣的套裝行程為例,遊客每人每天的二氧化碳排放量大約是 522~639 kg-CO2/person-day。其中運輸類占總排放量的最大比率,大約 94%,住宿則占 5%,而活動僅占 1%。
住一晚排放多少二氧化碳
從房客開始進入旅館的那一刻起,旅館就開始有對應的能源消耗了。以能源消耗的類型來分類,在電力方面,包含了如空調、照明、電梯、廣播電器等的能源消耗;在化石燃料方面,包含了如餐廳、熱水使用的瓦斯、天然氣的消耗。如果以空間類型來分類,則有客房、營業空間(如大廳、餐廳、會議廳、俱樂部、三溫暖、游泳池)、服務空間(辦公室、廚房、職員休息室、停車場、庭園)等,都有能源的消耗。由此可見,旅館是極為耗能的建築類型。當然,能源的使用和旅館的屬性及使用狀況有密切的關係。
一般常以「用電密度」(energy use intensity, EUI)代表建築物單位面積的耗電量,單位是 kWh/m2-y,用來評估建築物耗用能源的強度,數值愈高代表這建築的能源使用量愈大。依據成功大學建築系林憲德教授的調查,旅館類的用電密度極高,國際觀光旅館更比一般旅館高出許多。
另外一種評估旅館使用能源的指標,是以每人每晚的耗能量為評估基準,單位是 MJ/person-night。因為納入了房客人數的考量,所以能反應出一人在旅館住一晚平均所消耗的能源。如果再依臺灣能源平衡表所示的用電量和二氧化碳排放量的換算(即臺灣生產1度電需排放 0.623 kg 的二氧化碳),就可求得在旅館住一晚的二氧化碳排放量。
虎尾科技大學休閒遊憩研究所從臺灣65個旅館案例的現地調查,並以臺灣定義的 3 類旅館分類統計,發現國際觀光旅館每人每晚 CO2 排放量高達 13.3 kg,等級較低的旅館其值相對較低,並以民宿的排放量最低,只有 5.2 kg-CO2/person-night。由此可見,等級愈高的旅館的潛在 CO2 排放量較高。
建築節能的規範及設計策略
在臺灣,早自 1999 年起,就有旅館類建築物的外殼節能法令。目前的外殼耗能基準是每年每平方公尺 100~135 瓩小時(kWh/m2-y),依不同氣候區標準略有差異。
什麼型態的旅館是耗能量比較小的呢?在臺灣旅館的耗電中,空調的耗電量就占了 50% 以上,而空調的使用多是為了降低因太陽入射外牆玻璃而提高的室內溫度。也就是說,愈能阻擋太陽日射進入旅館室內的建築型態,全年的耗能量愈低。例如大型玻璃帷幕的旅館建築的耗能量就比較高,而有適當開窗並配合陽臺、遮陽的旅館的耗能量就比較低。
另外,小規模的旅館或民宿,若配置個別型的空調設施,如分離式冷氣機或窗型冷氣機等,由於單機的噸數較小且個別控制較容易,就可大幅減少空調的耗能。若再以陽臺做為遮蔽設計,就可有良好的節能效果。
國際綠色旅館的推動
臺灣的建築節能規範,主要著重於建築空調耗能的設計和管理。而除了因空調導致的耗電量之外,綠色旅館仍有許多議題值得關注,國際間也有諸多的綠色旅館推動組織和相關規範。美國環保署有專為旅館設計的「旅館能源之星計畫」,致力於發展有效的工具和資源,以減少旅館能源的消秏。LEED 也有針對綠色綠館提出能源減量和用水減少的構想。
美國綠色旅館協會把綠色旅館定義為,「具有環境友善的特質,且其經營者積極推動省水、省能源、減少廢棄物計畫,同時減少支出,且著力於保護地球環境的旅館。」細部項目包含了僅在房客提出需求時才供給飲用水、採用省水馬桶、使用節約能源的空調設備、利用「提示卡」方式提供房客省水省能的策略,或免更換床單的方式,甚至鼓勵房客自行攜帶盥洗用具和毛巾以享折扣等。
近年來臺灣積極推展觀光產業,且因應兩岸的觀光日趨熱絡,綠色旅館的推動更顯重要。從旅館的設計,設備的規劃、維護和管理等方面都需配合,才能達到綠色旅館的目標。更重要的,消費者也應在旅程的安排中,優先選擇具有綠色和環保觀念與策略的旅館,才有助於綠色觀光產業的推動。
深度閱讀
都市文明發展迅速,建築科技也隨之進展快速。建築物的骨架結構需考量建築物的高度、地點、預計使年限等因素。台灣的地震頻繁,提供一個安全耐震的家是建築界不斷努力的方向。
去年暑假,國中剛畢業的外甥及其兩位同學接受邀請,一起到另一位同學父母親在南投縣經營的渡假村打工一個月。經營渡假村的同學爸爸有心要讓4個大男孩接受磨練,工作、生活作息與薪資完全比照正職人員,直到最後一晚才親自下廚整治一桌豐盛筵席慰勞他們,並且免費招待在高級檜木打造的小木屋住宿一晚。一個月的鍛鍊讓外甥成長懂事不少,更知道感恩惜福,也常常和家人分享這段打工經驗的甘苦。
最近外子工作比較勞累,體貼的外甥便建議他:「舅舅,等你有空時一定要去住小木屋。我去年暑假打工累得半死,可是很神奇喔,住了一晚小木屋就覺得恢復超多的。」我在一旁聽了之後心想:「跟外甥介紹《科學發展》的機會來了,於是趕緊接話說:「對啊,小木屋的神奇功效可是有科學根據的呢!」
我打開2005年5月的《科學發展》對外甥說:「你看,這篇〈綠建築中的建材:木質材料〉裡有提到木材是環保建材,具有冬暖夏涼、抗菌除霉的功能,像你舅舅這種呼吸道對溫度和塵螨過敏的人,住木屋的確很適合。」
「還有這篇〈好色好香的居家環境:木質裝潢〉裡面說,木材能散發特殊的芳香氣息、吸收許多對眼睛有害的光線、調節空氣中的溼度,令人感覺舒適、寧靜。而且不同種類的木材還會有不同的功效呢。」
「哇,小木屋的學問還真大啊!」外甥讚嘆道。他接著問:「舅媽,您剛剛提到『綠建築』,最近常常聽到這個詞,它到底是什麼意思呢?
「綠建築也稱做環境共生建築、生態建築,或是永續建築,光是聽這些名詞,你應該猜得出它大概的意思。國際上有訂立綠建築的評估指標系統,2011年4月的《科學發展》有一系列關於綠建築的專題介紹,你可以好好研究一下。」
「城市裡根本不可能興建許多像小木屋這麼適合人居住的建築物,不都說都市是水泥叢林嗎?」外甥感嘆的說。
「正因為都市文明發展非常迅速,建築科技的進展也跟著非常快速。比方說建築物的骨架結構就必須隨著建築物的高度、地點、預計使年限…等等因素改進。台灣的地震頻繁,所以給大家一個安全耐震的家是台灣的建築界不斷努力的方向。」我回答道。
我繼續說:「美國的九一一恐怖攻擊事件也為現代的高樓建築工程上了寶貴的一課,2002年4月《科學發展》裡的〈高樓火害與九一一事件〉有很精采的探討。」
「許多建築物特殊的設計理念也為這個世界增添了更多風采。例如巴黎的羅浮宮與龐畢度藝術中心是非常有名的追求透明度的建築。1967年蒙特婁世界博覽會的美國館,以及美國聖路易市植物園裡的熱帶植物館,則都是由碳六十分子結構啟發的著名泡型建築物。」
我接著說:「而且建築的學問還不只是外在的結構、防震、防火,人處在建築物裡面覺得身心舒適同樣非常重要。」。
「《科學發展》裡也有關於『建築物裡面』的文章嗎?」外甥問。
「有啊。」我答。「2008年10月的〈優質生活體驗屋〉專題就是報導現代人追求的居住品質,以及相關的科技進展。」看來外甥已經對《科學發展》有點興趣了。
「我覺得當建築師應該挺酷的呢!」外甥露出欣羨的表情說。
「你想了解建築師?好極了,剛好《科學發展》裡有一篇訪問姜樂靜建築師的文章。」
談到這裡,外子有些不耐我和外甥的這番討論,插口對外甥說:「等你把《科學發展》裡這些關於建築的文章看完,大概也算半個建築通了。」然後轉頭對我說:「安排一下,我們什麼時候去住小木屋呢?」
現代建築多標榜綠色概念,耳熟能詳的綠建築就是生態、節能、減廢與健康的建築,也是因應建築節能及永續環境所興起的潮流。
溫室效應導致全球暖化及氣候變遷日益惡化的今天,我們需要學習有效使用能源的方法及態度,其中改進建材及建築結構都是減低能源消耗的重要手段。現代建築多標榜綠色概念,耳熟能詳的綠建築就是重視生態、節能、減廢與健康的建築,也能因應建築節能及永續環境所興起的潮流。
樂活節能屋
在經濟部能源局指導及工業技術研究院執行之下,科學工藝博物館建置了一座樂活節能屋,是以「住的樂活」為出發點,以台灣傳統街屋空間型態為雛形,結合現代普遍的連棟透天厝的住宅型態來建造的,於97年獲得黃金級綠建築標章。樂活節能屋全棟藉由外殼隔熱、建築設計、水資源利用、太陽能應用等多層隔熱節能的設計,彷彿讓建築物披上多層節能衣一樣,一層一層地阻擋熱能流進室內,大大節省能源的使用,節能量高達70%。
一般談綠建築時多推廣採用木構、鋼構及輕型鋼構的構造方式,並認為鋼筋混凝土造的建築物不環保也不節能。然而,樂活節能屋為了符合民眾的生活習慣以及貼近自家的情境,且讓民眾容易複製節能模式,和考量台灣溼熱環境、地震與颱風安全、銀行貸款成數、火險保費及人們心中的不動產價值觀等因素,採用鋼筋混凝土,經建築設計及整合外牆隔熱材料後,所建造的一棟住屋型展示節能屋,讓民眾了解建造節能住宅並非遙不可及的事。
外殼隔熱設計
以前建築物所用的磚、瓦、石板等,因建材內含有許多孔隙能讓空氣儲存其中,所以都是不良熱導體,可阻擋熱能流進室內。但現代建築物講求結構安全及快速建造,幾乎都使用鋼筋混凝土或鋼結構,其熱傳送係數較大,熱量容易傳導至室內,使室內溫度升高。尤其是屋頂及外牆直接受太陽照射的地方,更容易積蓄熱能,並由外牆逐漸傳遞到室內,造成居住的不舒適及增加空調的使用。樂活節能屋雖然也採用一般鋼筋混凝土的建築結構體,但設計性能優越的建築外殼來降低牆體的熱傳送係數,達到隔熱節能的效果。
樂活節能屋使用木絲水泥板及泡沫玻璃兩種隔熱材料,建築時把隔熱材料包覆在牆面結構體內,有效降低牆體熱傳送係數也減少熱量流進室內,使空調的負荷量下降。1樓外牆是以混凝土外牆包裹木絲水泥板隔熱建材,可以阻絕約30%熱量進入室內;2樓是以混凝土外牆包裹泡沫玻璃隔熱建材,可以阻絕約50%熱量進入室內。
淺色系材質容易反射太陽的輻射熱,減少輻射熱的影響,這不僅可以運用在穿著上,屋頂或外牆也可以藉由塗上淺色系或白色的隔熱油漆,有效反射陽光及減少輻射熱的吸收,達到阻絕熱量進入室內及降低屋頂溫度的功效。樂活節能屋3樓以混凝土外牆粉刷隔熱防汙油漆,內牆再使用木絲水泥板隔熱建材,可以阻絕約50%熱量進入室內。
窗戶也是建築外殼的一部分,若能與牆體一樣,對於傳導、對流、輻射熱等具有隔絕或降低的效果,整體建築就會大大提升其節能性能。因此,樂活節能屋選用太陽能量透過比率小的隔熱玻璃窗戶,有效阻絕太陽熱能的進入。在2樓潔淨能源展示區就選用隔熱玻璃並搭配水平及垂直遮陽的設置,有效阻絕40%熱能進入室內,無遮陽狀態下使用隔熱玻璃,也可以有效阻絕38%熱能的進入。
除應用隔熱玻璃外,另一個降低熱源的有效設施就是外遮陽裝置,包括水平遮陽及垂直遮陽兩種。水平遮陽一般設置在朝南的窗戶其功效會較佳,因太陽走到南邊時,角度比東邊及西邊都高,有一點點突出物就能有效遮擋陽光射入室內。而在東邊與西邊的太陽光直射的角度會較低,則採用垂直遮陽的遮擋效果較好。樂活節能屋的外部有水平及垂直遮陽設施,可把烈日阻擋在外。
建築物周圍的回廊騎樓除可供行走、休憩活動外,也可遮擋低角度的陽光,因此回廊騎樓的深度在180公分以上的使用價值較高。在樂活節能屋東面1樓使用回廊騎樓及垂直百葉的設計,可有效阻絕61%熱能進入室內。
光觸媒具有分解及去除有害化學物質的功能,以及使灑在物體表面上的水滴形成薄膜的超親水性功能。被覆光觸媒的外牆經灑水處理後,因光觸媒的超親水性特性,水滴會形成薄膜,水汽蒸發時便把牆體的熱帶走,達到冷卻降溫效果,可謂是對環境無負荷的「冷氣」。
樂活節能屋利用光觸媒的超親水性特性,在西曬面的外牆設計有不具水膜的光觸媒牆體與具水膜的光觸媒牆體,經西曬後由紅外線攝影機分析可明顯看出,不具水膜的牆體溫度最高可達41度,具水膜的牆體溫度僅32度左右,可知水膜能有效降低牆體溫度。
平屋頂是台灣最常見的屋頂型式,可供活動及避難使用,但頂層的溫度通常較其他樓層高。樂活節能屋2樓潔淨能源展示區的屋頂,用隔熱保溫材、防水層及覆土植栽的方法增加屋頂的厚度,有效達到隔熱及減少熱輻射的效果。
多層節能設計
樂活節能屋的建築設計是承襲亞熱帶台灣傳統街屋空間模式,依據房屋的方位、遮陽及通風做適當設計,避開太陽的高日射能量,以免房屋吸收大量的太陽熱量,而能降低空調負荷。另外,配合季節及適當的開窗、導風板、通風塔、多孔隙外殼等設計,把室內梯間及相鄰走道設計成自然通風區,引進室外中庭及水池的低溫空氣,藉由浮力通風效應在頂樓開口處排出熱氣,達到自然通風除熱的效果。
水資源利用除了室內全部使用節水器具外,也利用斜屋頂收集雨水,並在綠屋頂處設置雨撲滿做為屋頂綠化的植物澆灌用外,多餘的水則儲存於基地中庭的雨水回收池。雨水回收池不僅可以蓄水澆灌植物,也可以調節屋內溫度。
國內透天住宅近年來採用斜式屋頂建築的相當多,若能把太陽能應用於斜式屋頂上,可獲得免費、安全的太陽能源。台灣位於北半球,朝南房子最大優點之一就是能獲得較多的陽光。因此,樂活節能屋設計向南的斜式屋頂,並安裝太陽光電發電系統及熱水器,可吸收較多的太陽能源產電及供應熱水。
大樓完工啟用後,會隨時受到自然界風力或地震的影響而擺動與震動。為了讓使用者不會因為這些外力影響工作或居住品質,大樓內部必須藉由自動控制機制來克服外力的影響。
各大都市都競相建築超高大樓,以增加工作與居住空間。但超高大樓除了建築過程是一項艱鉅的任務外,完工啟用後,會隨時受到自然界風力或地震的影響而擺動與震動。為了讓使用者不會因為這些外力影響工作或居住品質,大樓內部必須有藉由自動控制機制所產生的力量來克服外力的影響。
減振避震的必要
針對超高大樓,通常會利用外觀設計與內部減振控制機制來減少風或地震的影響。
以臺北101大樓為例,其外形是一細長且對稱的建築物,在尖頂的地方容易引起渦激振動。這渦激振動的產生是因為對稱細長體結構受到風力吹襲時,在柱體後方形成渦漩效應,這渦漩所造成的壓力差會使彈性的細長體來回擺動。這種渦激振動可能會在如0.656、0.860及1.082 Hz的振動頻率下產生,因為風力會向柱體垂直吹襲,進而造成劇烈的晃動。
為了減緩風力造成的振動,必須在大樓加裝一些設備,以引導或抵抗外力的干擾,避免使用者因為搖晃震動而感到不舒服。以下介紹4種讓風力減緩的方式,但不同的控制方式,減振效果也有所差異。
適當的大樓外形
在建造大樓之初,就須考慮大樓所在的氣候條件,設計減低該地區自然界外力影響的外貌。例如,改變大樓外牆形狀,像加上縱向縫條、孔隙外罩或螺旋狀外箍,或改變大樓的截面形狀。像臺北101大樓,在興建之初,其外形就考慮到風力吹襲的影響,因此把其截面改為雙凹角截面,相對於傳統的方形截面,可減少風力彎矩25 %。
但這種方法屬於大方向的適應外在環境的設計,颱風走向、產生的振動頻率、風力等若變化,並無法即時修正,因此效果有限。
大樓外觀任意變形
如同電影〈變形金剛〉中車子可以變成機器人一樣,如果把大樓也變成機器人,依照風向的不同,或站或蹲,並且避開與風正面相對,就可減低風的吹襲。
這個方法需要許多馬達、感測器,讓大樓的外觀可以隨時依據外界自然力的狀態改變。然而,這樣的設計需要大的電力支持,消耗大量能源。例如,位在杜拜的時代大樓就有類似變形的概念。這大樓利用太陽能發電,並且能360度旋轉,以每天旋轉約52度的角速度讓用戶天天可以看到不同風景,約7天可以轉完360度。若時代大樓使用旋轉來消耗風襲的能量,可能會有舒適性的問題,因轉得太快會造成住戶的暈眩,轉太慢則不能即時針對風的走向和振幅大小的變化改善振動。
在技術上,為了隨時適應風向變化,需要有足夠快的反應速度以避開風的吹襲或地震,但是機械、土木系統要達到比風襲或地震還快的反應能力,難度很高。在舒適度上,則受限於人類的舒適感,也難有即時的反應。因此,這方法的可行性不高。
加裝被動式避震器
為了減少能量的損耗和維持系統的方便,大樓通常會設計一套被動式調諧質量阻尼器。在大樓建造之初,先估算其共振頻率以及可能的風力變化,設計阻尼器所需的阻尼、質量等參數值。阻尼系統的所有參數,除非重新設計,否則不會有太大的改變。
這方法雖然省能源,但是無法主動針對不同風向而有對應的變化,因此大樓會先位移一點,讓阻尼慢慢消耗風吹的能量,經過一段時間響應,才回復平衡位置。
加裝主動式避震器
由於利用變形機器的設計概念所需付出的能源太大,技術層級也很高,因此在不改變大樓主體結構的前提下,在樓頂加裝一套主動式調諧質量阻尼器,並在阻尼器上配置一組可以控制的馬達或制動器,可在大樓被風吹動前,預測風力所造成的位置偏移,即時產生補償的力量,使得大樓達到力量平衡的狀態。
從外觀上看來,大樓是平穩不動的,然而其結構體本身其實是受到風力和主動式避震器互相鉗制,達到力量平衡。
效果比較
所謂的自動控制,是依照所需的特定機制隨時改變或維持大樓中某些重要的物理量。例如,機器人大樓與主動式調諧質量阻尼器都是採用自動控制的設計概念,以達到減振或避震的效果。也就是利用制動器配合適當的自動控制決策,產生對應的反作用力,讓大樓可以較快地回復到原始的靜止位置,以達到整體穩定的狀態。
至於被動式的調諧質量阻尼器與改變大樓外形的設計概念,則是較為靜態,或是利用被動的方式達到減振的目的,但效果並不如利用自動控制的模式。被動式調諧質量阻尼器在受風力吹襲時,只能被動地跟著風移動,相對於什麼都不裝,被動式調諧質量阻尼器只能減緩受風吹襲的擺動幅度。
若利用主動式調諧質量阻尼器,當強風突然吹襲時,可能會稍微外偏,但會受到阻尼器的反制機制,主動地使大樓回復到原始的穩定位置或狀態。這時,雖然風仍然在吹,但大樓本身已經感受不到晃動的情形,甚至會平衡靜止不動。在力學上來說,大樓本身同時受到主動式調諧質量阻尼器與風力兩者之間的相互影響,達到平衡的狀態。
臺北101大樓採用被動式調諧質量阻尼器,阻尼器上並沒有馬達可以主動移動阻尼器的質量,而是從92樓往下懸吊一個大球,大球的質量是660公噸。為了避免大球被動地搖動過猛,反而造成大樓受損,同時設計了緩衝環以限制大球本身的運動範圍。大球本身的吸震方式則是在大球下加裝油壓黏滯性阻尼器,使大球的擺動與大樓一致,並由阻尼器吸收動能。世界各地其他的大型大樓,各採用不同的減振方法。例如,高雄的東帝士摩天大樓是使用主動式調諧質量阻尼器。
自動控制用處多
從上述的說明可以了解,自動控制與決策在維持這些系統的安全以及提升各項功能上,扮演著相當重要的角色。
任何一項設備或系統,小從一輛自行車,大到飛機或捷運運輸系統,除了各項專門的工程技術外,背後都有一套相當複雜且巧妙的自動控制迴授機制,隨時隨地監控與操控這些設備或系統中的所有狀態,以提供一個安全且舒適的生活環境。