將建築變成發電站
可持續建築已經成為建築行業的熱門詞彙。然而，絕大多數人還生活在幾十年前修建的房屋中，現實似乎與未來設計相距甚遠——我們的住宅消耗了大量的能源，而且常常效率低下、十分浪費。但這樣的情況即將改變，商界和學術界正攜手打造城市新藍圖，讓建築變成未來的發電站。
如果讓環保領域的頂尖科學家來描述未來的住宅，他們會勾勒出一個令人神往的世界，在那裡材料科學與生物科學完美融合，創造出和諧的居住環境。
在那個世界，石化燃料和核電被多種技術取代。未來，化學、生物、奈米技術、材料科學和仿生學將創造一個生機勃勃、相互聯繫的城市。我們將在一年四季裡利用不同的形式採集和儲存太陽能，同時，智慧的保溫隔熱材料可以調節室溫，藻類組成的活體牆將與日光交相輝映。在這個相互聯繫的世界中，住宅、工作場所、汽車和學校構成了一個與環境相互作用的有機整體：白天和夜晚分別從住房和工作場所採集能量，然後將其輸往最需要的地方。
創新的動力大多源於氣候變化的威脅。聯合國環保署的調查顯示，智慧建築為經濟如何有效減少溫室氣體排放提供了一個最佳方式。全球建築能耗約佔社會總能耗的40%，建築的溫室氣體排放則占三分之一。隨著人口不斷遷往城市，這個數字還將繼續增加。
「我們可以在任何物體上製作太陽能電池，包括紙張。」
Trisha Andrew 博士，威斯康辛大學麥迪遜分校化學系副教授
然而，最大的問題在於，科學家們所設想的未來與我們對現實世界的實際體驗幾乎毫無關聯。無論是柏林、上海，還是里約熱內盧和密爾瓦基，城市的建築設計在過去百多年裡的變化微乎其微，過去50年裡建築技術的進步也很小。日常使用的最先進技術不過是沉重的晶體矽太陽能板和風力發電機。
這樣的情況亟需改變。在各大企業的董事會議中，在學術機構的實驗室裡，一場變革正悄然興起，成為推動改變的催化劑。人們正意識到，從來就不缺少智慧的建築設計，只不過我們沒有關注如何將這些新技術推向更廣闊的市場。
於是，很多優秀的科學家開始將注意力從天馬行空的想像轉向應對規模化應用的技術挑戰。問題在於，如何讓技術在保持低廉成本的同時又有利可圖；此外，只有實現大規模的應用才能真正改變世界。
北愛蘭貝爾法斯特女王大學的可持續建築系教授、研究主任Greg Keeffe認為，汽車製造商的大規模生產技術值得建築師和設計師學習。
在他看來，要將住宅塞進所剩無幾的城市空間，意味著每座建築都必須單獨設計。但這就無法為創新技術的大規模生產提供機會。
Keeffe教授說：「賓士E系車停在普通的房子外面，很容易就讓這些房子黯然失色。我認為，我們需要工業化程度更高的大規模客製化產品，但目前尚無法實現，因為建築設計不同於汽車。每個汽車零部件都可以投入數百人、上百年的經驗，但建築結構卻不行，因為每座建築都是獨一無二的。」
40%
全球建築能耗約佔總能耗的40%，建築的溫室氣體排放則占三分之一——隨著人口不斷遷往城市，這一數字還將繼續增加。
10 GW
據SPECIFIC計劃估算，如果合作夥伴Tata Steel 每年有10%的鋼材披覆智慧排氣式集熱器塗層，就可以發電10GW，相當於一座核能發電廠全年的發電量。
從實驗室到工業生產
為了應對這一挑戰，行業和學術聯盟「創新功能性工業塗層可持續產品工程中心」（SPECIFIC）於四年前成立，旨在填補創新與生產之間的知識空白，SPECIFIC由威爾斯的斯旺西大學牽線，並獲得了威爾士和英聯邦政府以及主要行業合作夥伴Tata Steel、NSG-Pilkington Glass和巴斯夫的資助。
SPECIFIC的目的是將建築變成未來的發電站。作為聯繫英國各大學的樞紐，它將致力於探索全球建築材料和設計的前瞻趨勢，利用智慧塗料使牆壁和屋頂也能採集、儲存和釋放可再生能源。該專案主要以鋼鐵和玻璃為對象，目前已取得重大進展，預計將為建築行業的多個領域帶來變革。
SPECIFIC專案執行長Kevin Bygate領導著一支由120多位世界一流科學家、技術人員、工程師和商業開發者組成的團隊，他們專注於如何更好地升級現有技術，並將實驗室裡的創新轉化成能夠大規模製造的產品。
Bygate說：「很多大學和研究院已邁出革新的第一步。形象地說，他們創造的東西只有指甲片那麼大，而指甲片上的一個只有針頭大的小點就能做一些有趣的事情。而我們要做的是，透過一個可升級的流程，利用隨處可得的材料複製這個小點的功能。先用試產線製作一公尺寬的板材，再不斷擴大生產線，製造出足夠用於建築的大型材料。」
排氣式集熱器就是其中的一種產品，它平均能吸收建築50%的太陽能，如果條件良好，吸收率甚至可以達到75%。排氣式集熱器可以以微孔鋼片的形式安裝在現有或者新的牆壁和屋頂上，在建築表面和金屬片之間形成一個加熱空氣腔。此時既可以將加熱的空氣從腔體中抽出，送入建築內部以滿足即時能源需求，也可儲存起來供以後使用。
專案合作方Tata Steel生產鋼材，用於建造英國的倉庫、超市和零售賣場。據SPECIFIC估算，如果Tata Steel每年有10%的鋼材披覆這種智慧塗層，就可以發電10 GW，相當於一個核電廠全年的發電量。
在Bygate看來，排氣式集熱器完全可以成為未來主要的能量來源之一：「我們已經對方案進行了理論驗證，下一步要做的是尋找商業模式將其投放市場。」，他說，「依據公眾對這類產品的接受度和採用曲線，預計到2020年，此類技術約可提供英國三分之一的可再生能源。」
太陽能的儲存與採集同樣重要。電池、熱水儲存和地熱儲存都有一定的潛力，但佔用的空間較大。雖然有的能源在使用前只需要儲存幾個小時，但更多的是跨季儲存，比如夏季儲能冬季使用。
SPECIFIC在這一領域也走在了世界前沿。該專案的學術研究負責人Dave Worsley教授解釋：「我們研究的是一種熱化學儲存技術——其原理是利用某種鹽吸收和釋放水分，類似於人體出汗——它可以吸收和釋放大量的能量。」
得益於高效的能源捕獲和釋放能力，Worsley認為該技術為跨季儲存提供了一個出色的解決方案，其空間佔用僅為水儲能技術的十分之一。
太陽能塗料
多年來，科學家們一直預言未來將出現能夠採集太陽能的家用廉價塗料。但實際情況卻是這種產品還需多年才能推向市場。不過，威斯康辛大學麥迪遜分校化學系副教授Trisha Andrew博士的研究成果讓人類朝著這個目標又邁近了一步。
從上世紀90年開始，有機光伏設備就可以與染料相結合。這些設備通常採用碳、氫、氮、硫等材料製作，具有生產成本低廉的優點，但與矽基材料相比，效率低下，且預期使用壽命較短。
幾年前，Andrew和她的同事靈光一現：為什麼不利用這種特性，製作一種能夠為電子設備供電的光伏材料？畢竟它們成本極低，報廢時只需更換即可。
「例如，如果生產基地產生了二氧化碳，就可以將其收集並導入牆面。」
Ing. Jan Wurm博士，奧雅納歐洲區研究主管、副總監、BIQ專案負責人
「但在此之前，我們從未考慮過如何將這類材料商業化生產？」，Andrew回憶，「這是一間製藥公司每天都會問的問題。既然我們也採用了相同的化學合成流程，那麼順理成章的問題就是，每瓦峰的化學合成電對電價有何影響？」
在仔細研究製造過程後，Andrew發現他們已經找到一種商業上可行的產品，它可以利用太陽能為家用設備供電。其單位生產成本不到美金0.5元，所以這種太陽能電池的壽命到底是半年還是兩年，已經無關緊要。
「我們利用這種極具前景的技術成立了一家新創公司。我們可以在任何物體上製作太陽能電池，包括紙張。這是矽基材料所無法企及的。」，Andrew說，「從科學和邏輯的角度來看，一種新型塗料已經觸手可及。如果第一階段的實驗進展順利，那麼這種塗料最快將於十年後上市。」
「綠皮」建築
時常會有新技術改變我們對建築的看法。在漢堡國際建築博覽會上首次亮相的「生物自我調整外牆」就具有這種影響力。它為建築師和設計師打破材料與生物世界之間的藩籬提供了激動人心的機會，也讓我們更加接近創造鮮活城市的藍圖。
這座名為BIQ（生物智商）的建築是多家工程與設計公司以及建築師的合作結晶，其中包括國際諮詢公司奧雅納。
奧雅納歐洲區研究主管、副總監、BIQ專案負責人Ing. Jan Wurm博士把這種新技術稱為「生物利用」：「我們利用微藻來產生熱量和生物質，因此這是一個生物過程，跟作物和樹木生長並無分別。它同樣需要進行光合作用，只不過是在受控環境中進行。」
BIQ房屋的生物自我調整外牆可在兩片玻璃之間的水中繁殖微藻。這些微藻在陽光的照射下進行光合作用，每七個小時數量即可增加一倍。這種「綠色皮膚」形成的天然遮蔽層可使建築內部更加涼爽。
此外，藻類還可為建築提供兩種能源。首先，玻璃板之間的水可吸收太陽能，使水的溫度增高。由於水中含有綠藻，因此升溫速度比清水更快。熱水流經泵房時可提取熱量，並儲存在地下供將來使用。第二種能源來自於藻類本身。此時需要透過中間的漂浮裝置灌入氧氣，將藻類吹離表面。藻類也可送入建築的生物質裝置，用來生成可作為能源使用的沼氣。
「這個系統整合了多個流程和循環系統，比如水、碳、熱量等等，甚至可以包括食品。這樣就能形成一種工業共生。」，Wurm解釋，「例如，如果生產基地產生了二氧化碳，就可以將其收集並輸送至牆面內。」這種將建築整合到自然循環系統的理念，以及不斷變化的活體牆面設計，讓建築師們興奮不已。
Wurm補充：「有趣的是，藻類不僅會冒出很多氣泡，還會隨著時間和季節變換顏色。背面既可以使用反光玻璃，也可以選用任何喜歡的材料，如印花夾層等等，營造出炫目的氣泡效果。」
解決能源問題沒有萬靈藥。未來發電廠將採用眾多創新技術。生物自我調整牆面可與其它能量轉化技術結合使用。
這就是Wurm所提到的互聯城市，即將城市視為一個有機整體，利用不同的技術在共生網路中交換和提供能源。這也是打造鮮活城市的第一步；正因為此，生物自我調整牆面才能吸引全世界的興趣。
留住熱能
但現有建築該怎麼辦？就算以後排氣式集熱器和第三代太陽能板可以改裝用於現有建築，但生物自我調整牆面之類的裝置顯然無法供普通家庭使用。
智慧保溫是家用改裝市場的一項尖端技術，其主要目的在於提高保溫隔熱效率而不犧牲美觀性。數十年來，巴斯夫開發了大量具有不同特點的保溫隔熱材料。比如在過去七年裡，巴斯夫始終致力開發一種含有奈米微孔的新型保溫隔熱材料 SlentiteTM。
這種聚氨酯氣凝膠擁有足夠的強度和優異的保溫隔熱性能；而厚度則比同等保溫隔熱材料小 25% - 50%，目前已進入試產階段。Slentite的獨特之處在於能夠吸收和釋放水蒸氣，以調節室內濕度。巴斯夫領導該產品開發團隊的Marc Fricke博士解釋：「其主要用途是為新舊建築的室內和室外保溫隔熱。」
阿爾巴大廈
在阿布達比，熾熱陽光和灼人高溫已經司空見慣，因此保持建築涼爽是人們關注的重中之重。最近拔地而起的阿爾巴塔（Al Bahr Towers），其設計靈感源自於Mashrabiya（伊斯蘭教傳統建築中用來遮陽的一種花格屏風）。這兩座建築採用了動態智慧立面來隔熱。建築外屏可由程式控制，根據太陽運動移動，為建築內部遮陽。
從旁邊望去，就像幾千把雨傘隨著太陽的移動而開合。結合這種遮陽技術，建築師Aedas摒棄了可能阻擋自然光進入建築的暗色玻璃。與相同面積的辦公樓相比，25層的雙塔需要的空調和人工照明更少，最多可節能 50%。
流水發電
韓國首爾大學的研究人員開發了一種將流水用作可持續能源的技術。這種新技術利用了絕緣材料——如陶瓷、玻璃和塑膠——的特性，它們雖然無法導電，卻可以形成靜電場用來發電。
韓國科學家們發現，如果將絕緣材料放入水中，就會在材料外面形成一個電層。水與絕緣層之間的電勢差可在電極上產生電荷。該團隊與韓國電子技術研究所合作，利用一種簡單的介電換能器捕獲能源。他們發現，一顆30微升的水滴產生的電量即可點亮一盞綠色LED燈。這一發現將為利用廁所沖洗水流和雨水發電創造新的可能。
被動房在中國
保溫隔熱一直是可持續住宅——被動房發展的驅動因素之一。被動房的理念源自於德國，透過一個嚴密的保溫隔熱外殼減少熱損失，使住宅無需供暖系統即可終年保持舒適溫度。
這種理念引起了中國最大的房地產公司之一朗詩集團的注意；去年八月，中國第一個由本土地產商建造的被動房─布魯克酒店正式落成。
布魯克酒店建造於華南的浙江省長興縣（建築師：彼得魯格），該地區冬冷夏熱，濕度極高。布魯克專案定位為綠色精品酒店，旨在為來訪附近研究中心的賓客展示被動房的理念。朗詩認為，如果被動房能夠滿足長興地區的嚴峻氣候要求，那麼就可以將其推廣到全國。”朗詩土木和可持續發展工程師鄒凱解釋：「這些技術可以在中國得到廣泛應用，但我們需要根據不同氣候帶的條件選擇最適合的設計和技術。」
隨著中國政府日益重視可持續住宅需求，中國的建築行業逐漸接受能夠降低能耗的新方法。在朗詩看來，在中國這個全球最大的住宅市場推廣被動房的時機已經成熟。
水藻外牆、太陽能光電塗料、智慧牆壁和屋頂、摒棄傳統能源……這些聽起來似乎不可思議。但只要新興的企業家和學術人才取得成功，這些尖端技術就將以超乎想像的速度出現在建築之中。
