生态建筑：能源利用仿生设计

植物的光合作用是最显著的太阳能运用范例，产生植物所需的营养成分，吸收CO2、释放O2，优化了环境质量。太阳能是地球生物生存能量的最重要来源，并且这一能量储量充沛、绿色环保。太阳能在建筑上的利用是可持续发展研究的重要篇章。除了直接利用太阳能外，风能、潮汐能均是太阳能的不同表现形式和转化，也应当扩大研究范围而认真考虑加以运用。

（1）直接利用太阳能。

植物对太阳能的高效吸收体现了它是一种利用太阳能的优势结构，植物茎干与叶冠部分结合形成哑铃形态，利用最小的占地面积获得了适度体积的地上部分，得到大面积阳光。我们可以模仿植物这种结构特征进行建筑思维和设计。采用哑铃结构，建筑占地少，获得大面积有阳光的屋顶，可供太阳能电池收集转化为其他能量形式，这一形式适用于低层建筑。夹竹桃的“叶镶嵌”生长形态则提供了高层太阳能建筑的参考方式。所谓“叶镶嵌”指的是夹竹桃同一枝干上的叶片互相错位生长，彼此不互相遮盖，使得所有的地上部分都能接受阳光（见图6-50）。

图6-50　叶镶嵌太阳能居住模式［72］

“叶镶嵌”式建筑就是模拟这一形态的建筑思维，太阳光可穿过上层居住体之间的空隙照射下层居住体的地面，使各户的太阳能家庭发电成为可能，与底层的太阳能建筑相比，具有更高的太阳能利用率和土地利用率。

（2）间接利用太阳能。

动物没有植物的光合作用作为直接利用太阳能的方式，却通过筑巢等特有的方式间接利用太阳能，这又可称为被动式太阳能利用，白蚁巢就是很典型的例子。澳大利亚和非洲白蚁建造了一米多高的蚁巢而成为最大的非人工构筑物，蚁巢具有坚固厚重的外墙抵御外部潮气和热空气侵袭，且还具有冷却系统，管道遍布整个蚁巢，蚁巢墙遍布通气小孔与外界进行热交换，其内部结构如图6-51所示，白蚁实际上居住在蚁巢的底部，此处离地表有一定深度，有较为稳定的温度。上方高耸的蚁巢塔是实现被动式通风降温的主要部分，称为驱走热气的“肺”1，其中有很多竖向的通风道2。在白蚁窝的中央有空气流动管道3。“肺”的作用除了维持一定的空气进出口高差外，产生热压作用，实现巢内外空气的交换。在炎热的气候条件下，外面的空气由于受“肺”的抽吸作用，从地表通道口6进入，经地层冷却后进入白蚁居住处，带走蚁巢内的热量和废气，然后从“肺”的顶部排出。另外，地下室4的地方始终储有冷空气，其下有供白蚁饮用和降温的地下水。(www.xing528.com)

澳大利亚白蚁巢中“肺”的主要立面朝向东西，无论是上午还是下午都能受到太阳辐射的加热作用，从而使“肺”部维持较高温度，加大进出风口温差。白蚁常在晚上外出觅食，非常干热时会挖井30～40m寻找水源。除了生存饮用外，井水对蚁巢的空气起到冷却作用。正是有这样一套运行良好的被动式系统，才使多达300万的白蚁共居一巢。

图6-51　白蚁巢及其剖面示意［85］

由伦敦Short & Associates设计的马耳他啤酒厂是一个模仿非洲白蚁巢间接利用太阳能的实例。当地8月气温高达38～40℃，啤酒厂需要空调系统24h运作，全人工采光防止室外热空气通过洞口传热，降低室温以满足啤酒7℃发酵的要求，但因为酒厂冷却系统开启的巨大能耗而导致整座城市的灯光非常黯淡，设计师通过设置双层墙解决这个问题，利用内外墙之间的夹层空隙来调节自然光及气流，并在室内外温差大时形成热压通风，将热气由屋顶排出，外墙和内墙间的空气层形成缓冲区，保持内部空气温度的相对恒定。

美籍华人建筑师尤金·崔综合他多年对自然界的研究成果提出的终极塔楼的构思也来源于对白蚁巢的模仿（见图6-52）。根据他的设想，该塔楼高达3.2km，宽1.6km，喇叭形的建筑造型模仿某种能够根据天气选择朝向的白蚁巢。设计师认为具有张力的喇叭形高层建筑结构最稳定并且最符合空气动力学原理。如同白蚁巢，该高层建筑坐落于一个大湖中，湖水是楼内空气的冷却剂；另一部分湖水用大型的无源太阳能板进行加热并通过重力让热水自顶楼往下供应。该结构本身就是一个活的有机体，带有风和大气能量转化系统、室外光电覆盖物、室外空气能自由出入的通风窗户。南立面多开口，以引入阳光；北立面少开口，以减弱北风侵袭和阳光辐射；中心核是一个张力/压力脊柱式结构，高3.2km，由最轻的合金和不锈钢构成。在脊柱式结构中，有一垂直的火车隧道及设备井和给排水管道。

图6-52　尤金·崔的终极塔楼［85］

土拨鼠的地下巢穴通风是另一个被动利用太阳能的例子。巢穴出入口做成火山口状的土堆，遍布于开阔的草原，自然通风就由这些洞口完成。根据帕努里定律，水平移动的流体的压力随速度的减少而降低，草原上的空气运动时，近地面由于摩擦力的存在，风速减小而低于稍高处的空气速度，产生的压力差遇到洞口时将空气压入洞内，再由另一个出入口出来，完成巢穴内的气流交换，即使是0.46m/s的微风也能在10min内对其地下巢穴完成换气过程。这提供给我们一种思路：地下建筑设置2个以上出入口，利用建筑本身的高差产生的风压差实现地下建筑通风，改善目前通风不利、空气不佳的状况。