(原文登載於建築師雜誌2011年2月號)

序論
全球暖化和氣候變遷是近年來熱門的議題,科學證明二氧化碳是造成地球暖化最重要的因子之一,而在英國超過四分之一的二氧化碳排放來自於住宅的暖氣空調及照明設備使用,因此英國認為消減住宅使用的二氧化碳排放是重要且急迫的議題。為因應全球氣候變化及京都議定書的議題,英國政府非常積極的計畫消減住宅使用的碳排放標準,並於2006年推出新版的永續住宅技術規則(Code for Sustainable Homes),強制規定在西元2016年以後所有的新建住宅都必須達到零碳排放的標準,英國希望透過新的政策及法規,成為世界上第一個明訂時間表以落實零碳住宅的國家(DCLG,2006)。

由於零碳建築在學理上仍未有明確的定義和算法,因此並無標準答案。而英國的零碳住宅定義十分簡化,就是不消耗石化材料為來源的電力、暖房及相關住宅使用的能源。也就是說它的法規規定首重限縮在電力及瓦斯能源消耗上,基本上只要在一年期間內從英國全國電力及瓦斯網系統(National Grid)中能源消耗及回送補充可以達成平衡即可(Lambert,2007),這也意味著新建的住宅除了要盡量減少能源消耗的可能性,還必須裝設太陽能或風力發電系統等再生能源系統與市電系統併聯,由住戶回送電力回國家電網系統以達成電力消耗及補充能達成平衡,並採用微型燃燒生質燃料或木質燃料的鍋爐等相關技術以減少瓦斯的使用。

雖然零碳定義聽起來很簡單,這對建築業而言是一項艱難的挑戰,因此英國建築研究中心(BRE)在它的創新園區(Innovation Park)裡整合採行各項創新的技術,興建了九棟低碳至零碳排放的建築物,做為英國建築業新建零碳排放住宅的技術模型典範,本次介紹園區內非常有特色的兩棟建築物,一棟名為可再生屋(Renewable House),而另一棟名為光屋(Light House);可再生屋的特色是大量採用自然建材,而光屋則是英國第一棟零碳住宅。

案例一:可再生屋(Renewable House)
可再生屋(Renewable House)從外觀看起來是一個平凡的二層樓三房兩廳的住宅(如相片1),它是由英國國家非食用作物中心(National Non-Food Crop Center)資助建造的建築物。它主要由木結構、麻及羊毛等天然材料所構成的建築物,因為它大量利用天然的材料,這些材料於使用後可再生產產出,不像一般的鋼筋水泥會對地球環境造成破壞,因此叫做可再生屋。也由於它使用天然材料且為一般廢棄不用的部分,因此它的工程造價成本較一般英國磚造建築物低且更容易達到低碳排放的水準。這棟建築物的碳排放可以達到英國永續住宅規則的第四級碳排放水準,據稱只要增加些許經費設置太陽能光電設施等設備,它就可以升級至最高等級第六級零碳住宅,以下就是本案所採用的建築特色。

photo 01.JPG  (相片1:Renewable House 右側外觀)

首先,這棟建築物標榜的特色就在於它的建築物結構及外牆材料,為了達到零碳排放,它採用多樣化的自然材料來減少碳排放,首先它以一種叫做麻凝土(hempcrete)的材料來作為建築物的外牆(如相片2)。這麻凝土外牆材料是由麻桿及石灰和水在工地現場拌合做成的材料,本案採用的麻是英國本土境內所種植的麻,會選用麻因為麻是一種生長速度非常快的植物,它從播種到成長至四公尺高僅需要十四週的時間,且麻是一種幾乎無疾病災害的作物,種植麻不需要使用除草劑,對於環境污染很小,麻在生長的過程中會吸收固定二氧化碳,使用麻凝土比起一般磚造的住宅減少30%~40%的碳排放,是一種非常理想永續減碳的建材。其次,這裡採用的麻是麻莖的木質中段部分,通常這是被丟棄的部分,但是在這個案子裡他被回收用來作為建材,也是一種環保的概念。第三個特點是麻的纖維強度是自然纖維中最好且麻桿的孔隙很多,因此也是很好的隔熱材料。

Photo 02.JPG  (相片2:麻凝土鑽心試體(左)及原料(右))

在這個案例裡其麻凝土牆厚為30公分厚,其牆壁系統施工方法為先建造木構架結構系統,然後要灌注麻凝土的牆體部分兩側封上模版,在內牆內為以裝修完成面所需的板材做模版,外牆的部分則是採用塑膠模版,然後將麻桿和石灰及水在現場一起拌合後,就像一般混凝土牆工程施工一樣,將材料倒入兩側模版之間逐層壓實(如相片3)。而這個麻凝土牆在施工後一天就會乾燥,外牆模版就可以拆除,然後可以繼續進行第二層的施工。麻凝土牆面的完成面外觀與台灣的木絲水泥板的完成面非常相似,因此本案完成面再塗上一層二公分的可呼吸水泥粉刷作為防水以及完成面之用。根據廠商表示這種麻凝土牆的製造過程中,每一立方公尺可以固定相當於110公斤的二氧化碳,是對抗氣候變遷相當優良的零碳建材。經實驗本案麻凝土牆的密度是275kg/m3,其U值為0.19W/㎡.K,再搭配填充氬氣的三層玻璃窗,本案氣體滲漏試驗的空氣洩漏為2.5M3/㎡/hr,其氣密及保溫能力非常好。

Photo 03_PeterWhiteBRE.jpg (相片3:麻凝土施工過程,相片提供Peter White,BRE)

天然材料除了麻以外,第二項天然材料羊毛也被用來作為屋頂層的隔熱層,這裡採用的羊毛是英國本土養殖的羊所生產未能達到製作衣料品質的羊毛(如相片4),一般也是丟棄的部分,本案將這種羊毛做成羊毛毯鋪設在屋頂層作為保溫隔熱層,其屋頂的隔熱U值可達0.13W/㎡.K。第三項特點是本案的室內油漆是由大豆的油脂做成,完全的天然成分,所以沒有任何的有機揮發物(VOCs),因此對人體健康完全無害,也對地球環保不會造成任何的負擔。

photo 04.JPG (相片4:羊毛製保溫毯)

由於英國為寒帶國家,為達到舒適的室內環境,其室內空調主要以暖房系統為主,為了減少暖房系統的能源消耗,本案冬季暖房的空調設備採用空氣源熱泵(Air Souce Heat Pump)配合熱水及地板加熱系統,空氣源熱泵主機(如照片5)主要是吸收室外空氣中的熱量來加溫熱水做為暖房的熱量來源,據稱空氣源熱泵比起傳統的瓦斯或煤油鍋爐有將近十倍以上的效率。此外,本案也裝設了全熱交換器( Heat Recovery Ventilation System)(如相片6),來預熱室外引進的新鮮空氣,避免增加的暖房能源消耗負擔。
 
photo 05.JPG  (相片5:空氣源熱泵)
 
photo 06_PeterWhite BRE.jpg (相片6:全熱交換器,相片提供:Peter White,BRE)


最後,本案建築物以二層獨棟方式規劃,但是其構造規劃可以適用至三層樓,且非常容易發展成雙拼方式或連棟式住宅,如此一來這建築規劃可以適用到都市地區。發展成連棟建築也可以因為較為緊密的規劃而更加節能,這是因為每一戶直接暴露在自然環境的表面減少了,可能消失溢散至自然環境中的熱量也因接觸面減少而減少。

案例二:光屋 (Kingspan Light House)
園區內另有一個造型獨特的木構造住宅,那就是光屋(Light House(如相片7))。本案是全英國第一棟達到英國永續住宅規則第六級也就是完全零碳建築的案例。同樣的為了降低碳排放,它也採用具有固定碳能力的木構造來做主要建材。為了達到零碳住宅的規定,本案的木構造牆體採用特殊的三明治牆板,這三明治牆版是兩側為強度較高適合做結構用途使用的木板中間包覆對臭氧層無害的保溫材所構成。而這木構造三明治牆版同樣的具有非常好的隔熱性能及氣密性能,它的隔熱U值僅有0.1W/㎡.K,它的氣密能力可以達到1.0M3/㎡.Hr@50Pa,因此它的建築外殼具有非常好的氣密及保溫能力。

photo 07.JPG (相片7:光屋外觀)

其次,本案的室內空間是一個通風良好的空間,各樓層之間透過梯間及客廳上方的挑空空間,讓室內空間通透連貫,而且在頂樓設有突出屋頂層的玻璃通風塔,自然光線通過玻璃通風塔讓整個室內空間感覺到清爽明亮(如相片8),而且在夏季通風塔上的窗戶可以打開促進整棟建築的通風換氣,因此室內因為可以重力通風的關係可以在各樓層之間流動。而在需要暖房的季節裡,由於暖房後的熱空氣會上升冷空氣會下降,所以本案在空間規劃上最大的特色就是配合暖房能源需求,將暖房需求較低且一般設置在二樓的臥室空間配置在一樓的位置,然後將客廳餐廳等配置在二樓,將在個人工作室配置在三樓;另綜合考慮位處一樓的臥室私密性、採光需求以及夏天日射熱得量,臥室採高窗設計以滿足臥室私密性要求及適量的採光需求,此外臥室開窗面積較小,以避免夏季南向過量的 日射造成室內過熱不舒適的情形(如相片9)。

photo 08.JPG (相片8:通透明亮的二樓空間)  

photo 09.JPG (相片9:一樓臥室) 

photo 10.JPG (相片10:屋頂太陽能光電板及熱水器) 

photo 11.JPG (相片11:西南側陽台遮陽)

由於基地的關係,本案的建築物主要座向為座西朝東,其建築物斜屋頂以將近40度角由北向南下斜,這角度可以取得夏季最大的陽光直射角,這可以讓裝設在斜屋頂上太陽能光電版和太陽能熱水器發揮最大的效能(如相片10)。在英國政府鼓勵民眾設置太陽能光電設備,只要民眾裝設太陽能光電板,只要光電板發出電力,不管自用或是轉售,英國政府都給予補助,民眾若是將電回售給電力公司,就可以同時領取政府的補助及電力公司的購買的價金;而太陽能熱水系統也可以減少瓦斯燃料的消耗。此外,雨水也藉由這斜屋頂蒐集至埋設於地下的雨水回收箱內,用來灌溉以及回收做廁所馬桶沖洗使用。

二樓西南側客廳出來的陽台設計有落地窗,為了避免夏季較強烈且過多的日射量經過這些開口部進入室內導致室內過熱的情形,在西南側的外牆經過設計延伸為外遮陽(如相片11),減少夏季的強烈日射進入室內造成室內過熱不適的情形。

除了雨水回收以外,本案一樓的廁所亦設置了中水回收系統(相片12),中水系統是收集二樓廚房洗碗機以及洗衣機所排放的水,再配合雨水回收系統的水一起供應做沖洗馬桶使用,根據英國的研究,一般家庭使用在沖洗馬桶的用水量大約是總用水量的30%,因此本項設備可以節省家庭用水的30%。

photo 12.JPG (相片12:中水回收系統)

為了不使用瓦斯為暖房能源,本案的空調暖房系統構成包括了生質燃料鍋爐(Biomass Boiler)、機械通風換氣系統以及全熱交換器(Heat Recovering System)。生質燃料鍋爐(如相片13)燃燒的是由廢棄的木屑、農作物或廚餘等生質材料(如相片14)來做為燃料,這些材料大多是自然產出的材料,與石化燃料這些材料是源源不絕且對地球環境更好的材料。在冬季本案室內的通風換氣是由機械通風系統所構成,會採用機械通風系統的原因是冬季因為需要暖房,所以整個室內是封閉的,而引進的室外新鮮空氣溫度很低,於是會配合全熱交換器(如照片15)將室外引進的低溫空氣與室內較暖的暖空氣做熱交換,將室內排出的空氣熱能留給引進的新鮮空氣,再透過機械通風管線系統將新鮮空氣送至需要的空間如臥室及客廳等空間,讓室內空氣可以保持新鮮又可以減少暖房能源的消耗。
 
photo 13.JPG (照片13:生質燃料鍋爐)
 
photo 14_biomass.jpg (照片14:生質燃料,資料來源:Trada,2009)
 
photo 15.JPG (照片15:全熱交換器)

英國零碳住宅重點設計策略
經訪談該中心人員表示,在英國要達成零碳住宅的最重要的一環就是氣密(airtightness),這裡所指的氣密是指一棟建築物的外殼需能達到密不透氣的狀態,以避免室內空氣熱量流失,因此其外牆含門窗開口皆須達到氣密水準的要求。由於英國是一個全年平均溫度偏低而需要暖房的國家,如果建築物沒有達到整體氣密,那室內加熱過的暖空氣就會經過孔隙溢散,室外的冷空氣也會透過孔隙滲透至屋內,如此一來暖房的能源需求也會因此而增加,進而造成能源的消耗以及增加碳排放的可能性,因此在英國氣密被認為是達到減少能源消耗的重要因子之一。

而建築物整個達到氣密所面臨的問題就是如何通風換氣以維持室內空氣新鮮度及品質,因此整個房子達成氣密以後的通風換氣的規劃設計就顯的重要。由於氣密要求,整個建築物內的空氣就被完全密封起來,所以通風換氣必須經由規劃過的通風換氣路徑來達成,然後配合可以促進通風換氣的被動風帽或主動式的機械通風系統來達成房屋內的通風換氣。參訪的案件裡都有設置全熱交換器,也因為氣密及規劃的限定路徑,因此設置全熱交換器來減少因為換氣所造成的熱量損失的效益很高。

在控制建築物的氣密能力後,另外英國要達成零碳住宅的第二重點是良好的外殼隔熱能力。同樣的,這也是為了減少暖氣能源的消耗。與台灣目前法規規定的屋頂隔熱係數(Uar<1.0W/㎡.K)及牆體隔熱值(Uaw<3.5W/㎡.K)相比,在這些新的零碳建築有非常高的隔熱能力,避免熱量透過外殼溢散出去。另外把房子蓋的緊密些也是減少能源向外部環境溢散的概念的應用。在滿足上述兩項目標後,其它的技術像是配置建築物座向利用太陽能及其他自然能源或再生能源等技術才有整合的意義。

BRE也表示,以目前的技術下,新住宅建築要在2016年達到英國零碳標準在技術上並不是問題,但是造價成本是重要考量因子,為了讓消費者有能力購買及居住在零碳住宅裡,BRE在創新園區裡的案例都非常注重造價成本,避免過高的造價成本讓民眾沒有購買的意願而導致滿足政策規定的建築物滯銷的情形。而英國政府也以首次被承購的零碳建築減免印花稅的方式鼓勵民眾購買。

結論
在面對氣候變遷和全球暖化的議題下,不像其他國家著重在綠建築、生態建築及永續建築等議題,英國企圖直接透過零碳建築為目標,採取降低造成地球暖化的元兇二氧化碳的方法來因應,並透過整合英國國內的NGO、建築材料產業、營造業及建築師等相關人員,帶動產業技術進步。在英國明訂零碳政策及相關評估技術規則規定之後,歐盟議會也跟隨英國的腳步於2009年4月表決通過境內之住宅、辦公建築及商店賣場必須在2019年之後達到零碳的目標(Murray,2009)。而在追求零碳住宅的高性能及健康舒適性的條件下,英國的研究也顧及營造成本,使這些零碳建築更具市場性,讓一般民眾可以負擔的起,讓理想的住宅得以真正的實踐,這些都是值得台灣整體建築產業效法學習的地方。

參考資料:
DCLG(2006).Building A Greener Future:Towards Zero Carbon Development. [Online], Available:http://www.communities.gov.uk/documents/planningandbuilding/pdf/153125.pdf . [11 Jan 2011].
Lambert,S.(2007),Bedget 2007:What is a Zero-Caron Home?, [Online], Available: http://www.thisismoney.co.uk/mortgages-and-homes/article.html?in_article_id=418676&in_page_id=8 [11 Jan 2011].
Murray,J(2009).European Parliament votes for "zero carbon" building rule, [Online], Available:
http://www.businessgreen.com/bg/news/1804773/european-parliament-votes-zero-carbon-building-rule[11 Jan 2011].
Trada(2009). Wood waste arisings fall but potential for biomass grows, [Online], Available: http://www.trada.co.uk/images/standarddetails/Codes%20&%20Regulations/biomass.jpg [11 Jan 2011].
WhatPrice(2009).Zero Carbon Homes, [Online], Available:
http://www.whatprice.co.uk/building/zero-carbon-homes.html[11 Jan 2011].

延伸閱讀:
大愛新聞 減碳日不落—落實建物節能減碳 從建材工法下手
http://www.youtube.com/watch?v=NSAKSdoRZlE

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