德國生態城區建設的新探索
——漢堡國際建筑展中的能源和可持續策略

■ 徐慧中 Xu Huizhong

德國生態城區建設的新探索
——漢堡國際建筑展中的能源和可持續策略

■ 徐慧中 Xu Huizhong

面對地球氣候變化、化石燃料枯竭、世界人口不斷增長的現狀，提高能源的利用效率、開發可再生能源成為如今國內外學者探討的熱點問題。通過對漢堡國際建筑展中的能源和可持續策略進行介紹，從建筑單體和區域的角度分別探討建筑展內能源的利用方式，對我國未來能源系統的建設有重要的啟示作用，也為今后能源系統的發展提供一些新的思路。

漢堡國際建筑展；能源系統；可再生能源；建筑節能

0 引言

“國際建筑展覽會”（Internationale Bauausstellung，簡稱IBA）始于1901年，在早期德國工業革命的背景下誕生，距今已有100多年的歷史。IBA不定期地在德國境內的城市舉辦，1984年首次在柏林舉辦，邀請了許多國際知名的建筑師在柏林進行城市設計，討論了關于城市和建筑新的思路和方法[1]。多年以來，國際建筑展不斷探討了建筑以及城市規劃上的新思路和新技術，對國際建筑及城市規劃的發展做出了巨大貢獻。

德國是世界自然資源最匱乏的國家之一，只有少量的煤礦和鹽礦，大部分的能源需要從國外進口。但是由于工業發展的需要，消耗了國內大量的資源，其自身能源和資源不足的問題日漸突出，制約了經濟的發展[2]。同時，化石燃料的消耗對環境也產生了很大的影響，不利于經濟社會的可持續發展。因此，德國政府改變了能源策略，鼓勵資源節約，提高資源和能源的利用效率，鼓勵使用新能源以及可再生能源。

目前，德國已經成為了全世界能源效率最高的國家，新能源和可再生能源的使用率也遠超其他國家。從低能耗建筑到3升房，再到被動式建筑和零能耗建筑，德國在建筑節能上積累了豐富的經驗。德國25%的電能來自可再生能源，隨著清潔能源的進一步推廣，預計到2020年這一數字將上升到45%，同時清潔能源在總能源消耗量中占比達到12.6%。由于能源效率的提高和清潔能源的發展，2015年，德國的碳排放比2014年減少了11%。

德國生態城區的發展在國際上處于領先地位，本次漢堡國際建筑展也提出了生態城區建設的一系列新的技術和方法。建筑展不僅探討了新的節能建筑類型，還建設了一個區域能源利用系統，整體提高展區內的能源效率。漢堡國際建筑展是德國在生態城區建設中的一次新探索，也是應對全球氣候變化的一次領先實踐。德國的能源技術位于世界前列，本文對漢堡國際建筑展內的能源和可持續策略進行介紹與研究，對于應對全球氣候變化和城市的可持續發展都有重要意義，可以為其他國家可持續技術的發展提供指導和借鑒。

1 項目背景

漢堡國際建筑展位于漢堡中心區的威廉斯堡（Wilhelmsburg）內。威廉斯堡是歐洲最大的內河島嶼，包含了碼頭、工業、綠洲等等，在此地區有約50萬居民。2006～2013年，威廉斯堡以及相鄰的Veddel和Harburg Upriver Port 兩個島嶼一同開展了漢堡國際建筑展，參展共約70個項目，投資11.2億歐元（圖1）。漢堡國際建筑展致力于推動促進城市的可持續性和環境友好性，并試圖探討一種社會平衡的城市發展方式。建筑展將決策者、政府、市民、各個組織、工業產業的利益結合起來，試圖解決城市增長中的關鍵問題，創造一個良好的居住環境，并試圖證明城市發展中的社會與生態如何保持平衡。漢堡國際建筑展不僅僅是一個建筑展覽，而更像是一個實驗室，居民可以探索自己的生活方式，而這個實驗室則為整個城市。

圖1 漢堡IBA主要項目在漢堡市中的位置

在舉辦建筑展前，威廉斯堡島內經濟發展滯后，失業率和犯罪率是漢堡市的兩倍。島內約53%的居民具有移民背景，收入低下，也沒有接收良好的教育，很多居民依靠政府救濟金來維持基本的生活。由于基礎設施的落后，居民常常受到洪災的困擾，生活環境惡劣（圖2、3）。

德國地處高緯度地區，冬季漫長嚴寒，暖氣是不可或缺的生活保障。德國的供暖時間長達半年，采暖能耗十分可觀。據統計，2011年德國約43%的最終能源消費用以生產熱能，其中家庭供暖占熱能消費的46%，工業用熱能占37%（圖4）。2007年，威廉斯堡地區所需要的能量主要由化石燃料提供，雖然漢堡的供熱系統發展比較完善，但是威廉斯堡和veddel并沒有接入城市的供熱網絡。僅2007年1年，展區內化石燃料的燃燒就產生了CO2約20萬t，對環境產生了很大的負面影響[3]。

圖2 接收政府救濟的居民比例

圖3 具有移民背景的居民比例

圖4 2011年漢堡市最終能源消費

在這樣的背景下，漢堡政府希望通過舉辦國際建筑展這一契機，改變島內現狀，提升威廉斯堡的競爭力[4]。建筑展倡議：城市必須改變能量的來源，從化石燃料轉向可再生能源和清潔能源，同時，改變能量的供應方式，從集中供能向分散供能轉變[5]。漢堡國際建筑展提出了一種建筑自給供應能源的概念，城市中的消費者可以高效直接地產生能源，過剩的能量則被輸送到城市的其他區域。例如，工業區所需的能源主要來自本區域內的建筑，而不是主要來自能源供給設備。通過這種方式，不僅可以高效地利用能量，也可以將工作機會和收入保留在區域內部，激發舊城活力。

漢堡國際建筑展共有3個主題：“國際化”（COSMOPOLIS），探討了未來大都市中的生活方式，如何建設國際性的城市社區，強調社會生活中教育、知識和文化的力量；“大都市”（METROZONES），探討了如何建設優質的城市社區，改善現有住房存量，提高城市的包容性；“城市和氣候變化”（CITIES AND CLIMATE CHANGE），證明大城市通過發展可再生能源和分布式能源，從而更有效地配置可用資源，并且城市能以一個氣候友好的方式不斷增長。其中，“城市和氣候變化”是本次建筑展的中心主題，對于如何應對全球氣候變化的現狀，建筑展提出了4種策略：建設高能效的新建筑；對舊建筑進行翻新，使其達到新建建筑標準；可回用的供熱網絡；使用可再生能源。

能源策略是漢堡國際建筑展中的一項重要內容，提高城市的能源效率是減少CO2排放、應對氣候變化的一個有效手段。德國的能源技術在國際上處于領先地位，本次的漢堡國際建筑展更是德國最新能源技術的最新實踐，對建筑展中的能源策略研究具有十分重要的意義。本文分別介紹了建筑展中建筑單體和區域的能源策略，以及國際建筑展內新能源和可再生能源利用的最新探索，對我國乃至世界的能源系統發展都有借鑒意義，也為我國建筑和區域能源系統的發展提供新的思路和方向。

2 建筑節能策略

本次國際建筑展以提高建筑能耗、使建筑適應不同人的需求為主題，針對高能效建筑以及人與建筑的關系進行了探討，展出了4種新的建筑類型：智慧材料建筑、水上住宅、混合功能建筑和智慧價格建筑。建筑展利用本地資源研發了新型的建筑材料，減少建筑能耗，同時也可以為建筑提供一定的能量。混合功能建筑展示了一個可持續的建筑類型，通過靈活的建筑空間變化，滿足居民在不同階段的需求，使建筑可以同時用于居住、工作或社會生活。智慧價格建筑旨在為居民提供低價格、高品質的建筑，使中等收入的人也有能力在城市中購買住宅。

新型建筑的提出為未來的建筑發展提供了新的可能性，并可以為居民開創新的生活方式。智慧材料建筑和水上住宅結合本地的實際情況，提出了優化建筑能源表現的新型建筑技術。智慧價格建筑和混合功能建筑可以使建筑類型滿足不同收入、不同階層、不同職業居民的需求，提高建筑的適應性。

2.1 智慧材料建筑

“智慧材料建筑”通過使用動態的建筑材料，使建筑適應周圍環境的變化。智慧材料可以根據環境變化產生一定的化學反應或者物理反應，例如不同的氣溫、陽光直射等，材料中的物質從環境中直接或間接地獲取能量，從而為建筑供能。智慧材料可以從自然環境中獲得，例如，在建筑外立面材料中加入微藻，通過光合作用可以將太陽能轉化為熱能和生物質能，從而為建筑輸送一部分的能量。

除了建筑外表面的智慧材料以外，建筑內部也采取了一定的節能措施。例如，在建筑中使用了一種復雜的室內工程技術，通過由中央控制的“智能電表”，消費者能夠控制和調節自己的能量消耗，使建筑在建設以及運營過程中達到碳中和。

2.2 水上住宅

作為德國北部重要的航運樞紐，歐洲著名的“水上城市”，水是漢堡市的一個典型的城市特征。但是在一般的濱水城市中，水一般只作為建筑外環境的一部分，很少和建筑本身產生關聯。水上住宅位于威廉斯堡國際建筑展的中心區域，基地占地面積4 000m2，原先是一個低洼的滯留盆地，和威廉斯堡內的河道相連，經常受到洪水和地下水的威脅。水上住宅包含4個3層的獨立住宅樓以及1個9層的住宅樓，共可提供22套公寓（圖5～7）。項目與水的關系十分密切，包含了游船碼頭、水上浮動平臺、水下花園等，每套公寓都有一個陽臺或露臺，可以俯瞰水景。

水上住宅主要采用了被動房技術，項目內的4棟建筑都滿足了被動房的標準，使用可再生的能源為建筑提供能量。建筑內大部分的能量需求可以由可再生能源提供，只需要額外消耗少量的采暖能耗。水上住宅與威廉斯堡的中央能源網絡相連，為建筑供能，住宅中的地源熱泵也可以為建筑供暖。同時，建筑外墻的太陽能材料可以保證建筑內的熱水供應。水上住宅內還采用了智能建筑技術，居住者可以控制建筑通風和能源供應。智能建筑技術還可以向居民提供能耗信息反饋，幫助居民控制自己的能源消費。

3 區域能源策略和可再生能源利用

3.1 區域集成能源網絡

國際建筑展展示了一個名為“可再生的威廉斯堡”的能源利用策略。在威廉斯堡中心區建設了一個集成能源網絡，共能存儲4MW的熱能，通過能源中心與展區內的20座建筑物相連（圖8）。能源網絡以氣候保護為主要宗旨進行建設，總投資380萬歐元。項目于2007年啟動，2013年2月能源網絡建設完成。威廉斯堡的能源網絡為德國乃至世界能源系統的建設做出了一個優秀示范，也預示了可再生能源將成為城市能源利用中的一個重要組成部分。通過使用可再生能源，不僅可以減少供能成本，也可以大幅減少城市CO2的排放，緩解氣候變化，保護生態環境。

圖5 水上住宅鳥瞰

圖6 3層住宅樓

圖7 9層住宅樓

圖8 威廉斯堡中央集成能源網絡圖

威廉斯堡的能源網絡使用多種方式獲取能量，包括熱回收空調機組、地源熱泵、屋頂光伏電板、熱電聯產裝置（CHP）、太陽熱能等。通過這些裝置收集到的能量被集中輸送到能源中心內的虛擬電廠中，進行能量的再分配。虛擬電廠不僅可以進行能量的分配，也可以進行能量的回收。區域剩余的能量通過供熱管網被回收到虛擬電廠中，并加以重新利用，減少能量損失，從而實現能量的可再生。

區域內的供熱管網總長約2 000m，由兩條平行的管道組成，一條用于供能，一條用于能量的回收。供熱管網從能源中心延伸而出，輸出的熱能可以直接送入建筑物中。區域內的商業和工業會產生一定量的余熱，通過熱電聯產裝置將余熱轉換為熱能和電能，彌補電力需求，提高整體能源效率。對于全年耗能都比較高的建筑，如賓館和大型居住建筑，建設小型的本地供熱網絡，產生的余熱可以用于熱水或為建筑物供暖。目前，威廉斯堡能源中心的供能網絡已與區域內的所有新建建筑相連，保證區域內能源的高效利用。

3.2 能源中心

能源中心位于北側辦公樓前院，占地面積約500m2。中心內有一套熱電混合裝置，以沼氣作為能源，可以提供700kW的熱能和500kW的電能，滿足區域內居民用能的一般需求。能源中心產生的熱能通過熱轉換站送入區域供熱系統，同時產生的電能輸入區域公用電網。為了使裝置的運行達到最優狀態，能源中心還配備有一個體積約20m3的緩沖儲存單元。此外，能源中心內還有兩個調峰鍋爐，每個鍋爐可提供1 500kW的熱能，可以在供能高峰時期緩和能源中心的供能壓力（圖9）。能源系統還可以監控區域內其他較小產能裝置的能量收集情況，從而智能地對熱電混合裝置的產能狀況進行調節。

圖9 能源中心調峰鍋爐與熱電聯產設備

遠期能源中心將發展“能源轉氣”技術，并建設區域的燃氣網絡。“能源轉氣”技術是指可再生能源通過電解產生氫氣，使用燃氣網絡進行運輸和存儲。通過電解產生的可燃氣體更方便存儲，不需要使用存儲效率較低的電池倉。這項技術已經通過測試，很快將會得到實施[6]。

3.3 可再生能源利用的最新探索

建筑展十分重視可再生能源的利用，未來可再生能源的使用比例將達到100%。目前區域內使用的可再生能源主要有太陽能、風能、地熱能、生物質能等等（圖10），除了已建成的能量泵與能量山外，2015年還引進了地熱系統。通過可再生能源的使用，可以滿足易北河內島上50%建筑的用電需求，以及1/7建筑的供熱需求。隨著可再生能源利用技術的發展，到2030年，將可以滿足所有住宅的用電需求；2050年，將實現島內自給供熱。

IBA能源堡壘曾是二戰期間的一個軍用防空堡壘，1947年被英國軍隊毀壞，廢棄至今。國際建筑展將它改造為一個能源中心，可以為周圍的800戶居民提供水和電力。能源堡壘內有一個緩沖儲水箱，可以儲存約2 000m3的水，并可以通過太陽能集熱裝置、工業廢熱、柴燃鍋爐和沼氣熱電廠來獲取熱量。建成后，能源堡壘不僅可以為周圍的居民全年提供熱水和供暖，還能為公共電網提供額外的電力[7]。

圖10 威廉斯堡內多種供能方式示意圖

能量山原本也是一個戰爭廢墟，戰后堆積了各種生活垃圾以及工業廢料。多年以來，有毒物質不斷累積、下滲并影響了地下水源，因此有關部門采取了措施，將垃圾掩埋起來，并在上面建設了兩座3.4MW的渦輪風力發電機。此外，能量山上還有一個面積約1hm2的光伏陣列。通過風能和太陽能的利用，能量山全年可以為易北河島嶼上20%的家庭提供電力[8]（圖11）。

4 能源與地區可持續理念的結合

圖11 威廉斯堡的能源堡壘與能量山

國際建筑展將能源系統的發展與可持續理念相結合，對威廉斯堡進行了一系列的改造，不僅在很大程度上改善了地區的面貌，也為整個威廉斯堡以及周邊島嶼帶來了積極的影響，促進了島內經濟、社會和環境的可持續發展。建筑展對能源系統的建設提出了一系列發展目標，從2007～2050年，島內將實現自給供電以及自給供熱，降低CO2排放對居住和生態環境的影響（圖12）。

從2013年開始，威廉斯堡的居民已經可以感覺到環境的明顯變化。由于可再生能源和清潔能源的使用，島上的二氧化碳排放顯著減少，生態環境逐漸改善。同時，國際建筑展對被污染的土地和水體進行治理，為居民創造一個安全的生活環境。建筑展還擴大了綠地系統的面積，并建設了許多功能性的綠化，例如帶有防洪功能的公園、可發電的能量山等等。

可再生能源系統的建設也為當地居民提供了更多的就業機會，越來越多的居民投入到可再生能源相關的工作中，收入也相應提高，生活質量較以前有了很大改善（圖13）。同時，良好的城市環境也吸引了部分很多私人企業在此投資，不僅可以提高區域的就業率，也能為當地政府帶來稅收，促進城市經濟的發展，政府從而可以投入更多的資金用于城市建設和環境保護，形成一個“環境—經濟—就業”的良性循環，實現地區的可持續發展。

圖12 威廉斯堡能源供應的建設目標圖

圖13 能源系統相關工作崗位的增長情況

過去的威廉斯堡是漢堡市的一塊“問題地帶”，而現在威廉斯堡的居民已經不用擔心洪水的威脅，生活環境的質量也有了明顯提高，越來越多的人選擇來這里生活，人口數量穩定增長。通過IBA在漢堡的這次實驗，重新激發了威廉斯堡的城市活力。雖然現在威廉斯堡的建設中還存在很多的問題和挑戰，但可以預見的是，通過建筑和規劃領域新能源技術的發展，未來威廉斯堡將以一個環境友好的面貌展現在人們面前。

5 結語

德國的能源技術對于其他國家有著重要的指導和借鑒意義，漢堡國際建筑展在威廉斯堡的探索更是為未來城市能源系統的發展指出了一個新的方向。在建筑的可持續策略方面，通過材料創新減少建筑能耗，建造被動房，建筑使用可再生能源供能；在區域的可持續策略方面，建設了一個能源系統，整體地為區域提供能量，同時進行能量回收，減少能量損失，提高利用效率。漢堡國際建筑展能源策略的成功，不僅體現在威廉斯堡自然環境的改善，也體現在經濟和社會發展的提升，以及其對居民生活的改變。

面對地球氣候變化的嚴峻現狀，尋找一個“可再生”的城市發展方式勢在必行。但是“可再生”的概念并不只局限于能源系統，它應該是一個綜合的概念，包括教育、就業、環境、可負擔住房等多方面的努力。如何實現社會、經濟、環境的可持續發展，仍需要國內外學者的繼續研究與探索。

[1]李振宇,劉智偉.IBA新建內城住宅的設計啟示——1984-1987年柏林國際建筑展回顧[J].建筑師, 2004(1):29-33.

[2]謝晶仁.德國新能源和可再生能源發展的若干思考[J].農業工程技術:新能源產業, 2011(5):6-9.

[3]Jan Gerbitz, Karla Muller, Katharina Jacob.IBA Hamburg GmbH, Hamburg Wilhelmsburg Implementation Plan,2014.12. [4]鄭紅.描繪未來城市新圖景[J].科技智囊, 2013(6).

[5]http://www.iba-hamburg.de/

[6]IBA Hamburg GmbH. IBA Hamburg project——Wilhelmsburg Central Integrated Energy Network[EB/OL]. [2014-07-19].

[7]IBA Hamburg GmbH. IBA Hamburg project——Energy Bunker[EB/OL]. [2014-08-01].

[8]IBA Hamburg GmbH. IBA Hamburg project——Energy Hill Georgswerder[EB/OL]. [2015-03-17].

New Exploration on Construction of Ecological Urban Area in Germany -Energy and Sustainable Strategy in International Building Exhibition of Hamburg

In the face of the status quo of earth's climate change, fossil fuel depletion and growing world population, to improve energy utilization efficiency and develop renewable energy have become hot issues for scholars at home and abroad to discuss. Through introduction to energy and sustainable strategy in the International Building Exhibition of Hamburg, the utilization way of the energy in the Building Exhibition is discussed from the perspective of building monomer and region, which plays an important enlightening role in construction of China's future energy system and provides some new ideas for development of the energy system in the future.

International Building Exhibition of Hamburg, energy system, renewable energy, building energy conservation

2016-02-15）

徐慧中，南京工業大學建筑學院研究生。