基于生態可持續理念的自給型建筑實驗研究

趙明橋，胡穎，韓俊勇，俞蘇玲

?

基于生態可持續理念的自給型建筑實驗研究

趙明橋，胡穎，韓俊勇，俞蘇玲

(中南大學 建筑與藝術學院，湖南 長沙 410075)

基于未來城市實現可持續發展、減少外部需求的要求，設計建造生態自給單元實驗裝置，以實現建筑在資源上的自給自足。通過培養基配比、含水率、耗水量及種植實驗，種植單元中蔬菜長勢良好，免除灌溉施肥等日常管理，實驗達到了設計預期。這種自給型生態單元與建筑可以通過多種方式組合，在改善生態環境的同時能部分滿足人們的食物需求，減少對外界的依賴，降低能耗的同時節省了資源。這一技術將有助于大中城市的可持續發展、減少對周邊區域和外部環境的生態 壓力。

生態可持續；自給型建筑；生態自給單元

隨著全球變暖和環境破壞的形勢逐漸嚴峻，越來越多的國家開始認識到節能環保型建筑的重要性，而傳統設備的使用，需要消耗大量能源與資 源[1]。以我國為例，一棟10層的RC辦公建筑耗能為193.8 (kW?h)/m2?a,生命周期中CO2排放量為127.52 kg/m2?a，其中竣工前，運營期間和廢棄階段CO2排放量分別占比例8.35%，86.41%和5.24%[2]。因此，一些建筑師開始設想通過開發與使用綠色能源，在降低能耗的同時減少對環境的污染從而達到改善城市環境的目的。理論最早由英國劍橋大學學者Alex Pike于1971年提出，其初衷是設計一套應用于建筑的自我服務系統，以減少建筑對有限的地域性生態系統的依賴。1975年，Robert[3]給出了自給型建筑更加具體的意義：它是一種完全獨立運轉的建筑，建筑不依靠外界的攝入，除了和它緊密相連的自然界(如陽光、雨水等)。1993年，Vale夫婦在新西蘭一個沒有水電和市政管網的waiheke島上建造了一棟住宅，對其自給型建筑理論加以實踐。當前，生態建筑領域的研究重點主要在節能減排、降低資源消耗，也有部分學者開始尋求將農業生產引入到建筑中實現更大程度的自給自足，李保峰等[4]最早提出的“兼農住宅”概念并做了有益的實踐探索。

1 建筑生態自給單元的設想與系統構成

1.1 生態自給單元的作用機制

本文的自給型建筑實驗研究是基于可持續發展的理念來實現建筑自給自足的方式，利用城市建筑中的公共空間、廊道、休息空間等建立生態單元，在實現基本的生產功能的同時，創造一個良好的生態環境，使生態單元與建筑有一個良好的結合，為市民提供綠葉蔬菜、新鮮空氣和良好的建筑微 環境。

在傳統的建筑中，建筑的能源及資源消耗總量極高。而本文提出的自給型建筑可通過循環自給的方式來降低能耗甚至達到零能耗。

1) 在日常生活中，每天都會產生很多的生活垃圾，在生活垃圾中有很多可自然降解的有機物，生態自給單元可以利用這些有機資源作為肥料進行循環利用。這樣既有助于植物的生長又能使生活垃圾能就地化解決。

2) 雨水作為重要的水資源，是自然界水循環系統中重要環節，利用雨水資源是一種最經濟、最廣泛、最簡便、最快捷并行之有效的途徑[5]。在建筑中可利用雨水收集的方式灌溉生態自給單元，同時還可削減雨季的洪峰流量，一舉兩得。

3) 基于可持續發展理念的考慮，應最大限度發揮其生態作用，將生態自給單元與建筑結合考慮，利用植物的光合作用消耗CO2釋放O2以及一些特定植物吸附污染物和殺菌功能，形成一個個獨立的小型生態系統，層層的綠植在空氣流動時可以自然的過濾與吸附有害物質。同時靠近向陽面的生態自給單元也可以起到遮陽的作用，有效的調節室內的溫度與濕度，創造一個舒適的環境。

4) 生態自給單元最大限度的通過各種方式節能的同時，也應發展其生產功能，不僅能夠美化建筑，達到觀賞性的效果，也為市民提供新鮮高品質的綠葉蔬菜。

1.2 生態自給單元的系統構成

1.2.1 生態自給單元的構造方式

生態自給單元如圖1所示，是由多層種植單元增加，每層蔬菜可以獲得良好光照，以提高生產效率。對種植容器的考慮對比后采用的是固定模塊的塑料方盒(長405 mm，寬305 mm，高150 mm)，固定模塊的種植盆排列在一起也能達到美觀的效果。它造價較為低廉，而且也能起到防水防潮的作用，不用設置防潮層。16個種植單元為1層，總共3層，統一在下方設置PVC儲水管便于統一供水。

1.2.2 生態自給單元的供水系統

在生態單元自給供水系統(見圖2)的設計中，為了使3層的植物能夠均勻并不間斷的吸收水分，利用全自動控制水閥將水引到最頂層的PVC儲水管中，每一層設置了2條PVC儲水管，并將它們互相連接，將水源更充分的供給至每個種植單元中。當水首先引至最頂層時，達到一定的水位后的水源將通過PVC儲水管另一端的出水口經過不銹鋼波紋管將水引到第2層的PVC儲水管，以此類推，底層的水泵與全自動水位控制閥連接，當第1層的PVC儲水管的水位達到最高水位時控制閥將阻流水源，同理，當水位達到最低水位時，控制閥會自動引水，這樣有效的實現了供水的自動化。

1.2.3 生態自給單元的灌溉方式

為實現其可持續發展性，生態自給單元采用的是痕灌的方式。“痕灌”是一種比滴灌節水效率更高的灌溉技術，得名于化學中微量元素和痕量元素的概念，它以導水纖維束和土壤的毛細作用為基礎力，以極微小速率將水份輸送到植物根系附近，能實現穩定適量、按需供應的灌溉目的[6?7]。生態自給單元的利用雨水渠獲取水資源，通過無壓痕灌的方式灌溉植物，進行循環利用。

① 不留退路，不給未來留下遺憾。② 面對愈來愈近的高考，有些考生卻不急不躁，照玩照鬧，因為他們早已找好退路，若是高考失利，就出國或隨便讀個院校唄。③ 可是，他們沒有想過，那樣的未來有什么意義！④ 胡亂打發日子，荒廢奮斗的大好青春，當以后回想起高三時光，只有空白。⑤ 不要給自己的人生找退路，那樣只會得到一個蒼白空虛的空殼。⑥ 沒有激情和夢想的灌注，這樣的人生道路又有誰稀罕？⑦ 整理好浮躁情緒，將自己驅向毫無退路的前方，不要給未來留下遺憾，充實人生才是真諦。

圖1 生態自給單元框架示意圖

單位：mm

圖3 生態自給單元無壓痕灌示意圖

生態自給單元的設計是將種植盤擱置在PVC儲水管之上，培養基與PVC儲水管內的水并不直接接觸，植物所需水分根據蒸騰和蒸發量經由毛細管束(見圖3)通過毛細現象自動輸送到自然土壤中，無壓滲灌的方式能始終保持土壤濕潤而水分不過量，為植物創造一個良好的生長環境。

2 自給型建筑生態單元的實驗研究

為驗證上述構想及自給型建筑生態單元系統的可行性，構建了生態單元實驗裝置，并開展以下實驗。

2.1 培養基的選擇與配選實驗

培養基的選擇基于以下幾個方面的考慮：

1) 基質輕，雖然生態單元可以通過角鋼架來支撐每一個單元種植盆，將力有一個縱向與橫向的分散，但是為了便于之后人們更好的打理，應該盡量采用一些基質輕的培養基作為培養基質。

2) 要利于植物生長，培養基也需要進行合理的搭配能夠長期穩定提供農作物所需要的養份。

3) 人工配比的培養基除了要考到氮磷鉀的平衡，在注意材料本身的吸水性能時，還要注意材料的粒徑或纖維大小，一般粒徑2 mm以上的粒子，要占總量的2/3以上,粒徑0.5 mm的不能超 過5%[7]。

為了達到以上3點要求，最終選擇的培養土的選擇如表1所示。

表1 培養基配比及各組分參數

為了測試培養基是否達到的要求，分別設置5種不同培養基的配比類型(見表2)，再通過表2配比出的培養基混合后置于器皿中，最后通過2個不同的時間段記錄5種培養基類型的參數，由如表3 所示。

表2 培養基配比參數

基于以上的實驗比較，最終選擇了D實驗的土壤配選方案。原因如下：

1) 對成本的考慮，培養基的選擇要控制在合理的成本范圍內，在考慮整體成本上要能使大部分市民能夠接受。

2) 基質要輕且要能提供植物足夠的營養。因受到橫向豎向的荷載限制，培養基的重量也會影響農作物的生長。通過表2可以得出D是能夠滿足這一要求。

2.2 芯吸高度

通過10 h的毛細管芯吸實驗得出表3，5組的芯吸高度相差不大，僅只有1~2 cm的差別。結合培養基的配比參數比較，D更為合適。

表3 毛細管芯吸參數

經過8個月的試種實驗，觀察到水可以均勻的被培養基吸附，并且能滿足于農作物的養分需求。

2.3 生態自給單元的含水率

通過土壤測試濕度的實驗，將生態自給單元的土樣放入0的鋁盒中，迅速蓋上盒蓋稱重，記為1，打開盒蓋，放在烘箱中，于105~110 ℃下烘至恒重(6~8 h以上)，再稱重，記為2，然后用式(1)計算該土樣的含水量(m)。

分別取生態自給單元3層每一個單元的培養基進行烘干實驗，將取到的土樣烘干后分別進行稱重，將稱重后的數據進行數據分析得出圖5，從圖5可以得知底層的含水率平均保持在20%左右，2層與頂層的含水率基本保持在10%~15%左右，底層的平均含水率高于其他2層。

圖4 生態自給單元含水率

Fig. 4 Self-sustainable unit moisture content

通過圖5的總體趨勢分析，因整個立體農場的供水方式是利用無壓痕灌進行供水，水源首先到達頂層，當頂層的水到達一定的水位線時，水才會將水引至2層的儲水管中，以此類推，最后到達底層，整個供水過程中水分是有序的慢慢的被農作物吸收，隨著水分的蒸發與農作物吸收的時間長短不同，從而導致了在測量數據時底層的平均含水率都高于其他2層。

從整體的含水率趨勢變化來看，生態自給單元3層中每個單元的的含水量較為均勻，通過觀察自給單元在不耗費過多水的用量下也能保持土壤一定的濕度并且不會被阻斷。

2.4 生態自給單元的耗水量

生態自給單元于2017年8月中旬完成，于8月27日播種，大部分綠葉蔬菜在播種的7~12 d后就已發芽，一小部分大致在15~20 d之內都出土發芽。在生長期間，通過無壓痕灌的灌溉方式使植物自己按需吸水，一舉打破農作物“被動式補水”的全球傳統灌溉模式，相比于傳統灌溉，如漫灌，在灌溉土地時，把整個田塊都放滿水，這種用大量的水澆灌田地，對水資源是一種極大的浪費，大量的水不能被莊稼全部吸收，有的時候還會因為水分多而影響了作物的生長，而痕灌可以在極大程度上節約水資源并且提供足夠的水分，可見生態自給單元的耗水量(圖6)從9月份至次年4月份每個月的平均耗水量也僅在0.3~0.4 m3之間，每個月的耗水量相對平均與穩定且用量較少。基本達到了預期的設計要求。

圖5 生態自給單元每月耗水量

2.5 生態自給單元種植實驗

生態自給單元的種植實驗從2017年8月10日持續到2017年12月31日，期間觀察并記錄農作物的生長情況以及特殊天氣情況下裝置的運作情況。全部的農作物都由8月播種，實驗觀察時間經過夏、秋、冬3個季節，由于春季陽光充足且溫度適宜，農作物成活率更高，雖然冬季秋季的氣候條件與日照條件不如春季的好，但是也能觀察到植物生長情況較好。到10月初，綠葉蔬菜與植物長勢良好，大部分的綠蔬菜都能在播種后的2至3個月進行收獲采摘。

3 結論

1) 生態自給單元的提出可以使建筑減少對外界的依賴，輕質的培養基為生態自給單元不間斷的穩定的提供所需的養分，利用雨水渠的雨水通過無壓痕灌進行灌溉，利用生活垃圾作為堆肥給生態自給單元提供源源不斷的肥料，從而在很大程度上減少了外界能量的輸入，節省了資源也基本實現了物質的循環利用。

2) 通過8個月的實驗對比，生態自給單元的無壓痕溉的灌溉方式相比于傳統灌溉方式來說，實現了供水全自動化免去了很多維護的時間，降低了耗水量、節約了水資源，達到一個低消耗、低能耗、低管理的標準。

3) 經過8個月的試種，生態自給單元所產出的綠葉蔬菜量基本可以滿足一個城市家庭的葉類蔬菜需求，有一定的產出量，基本實現了其生產功能。總體來看生態自給單元的技術方案可以實現建筑自給。

[1] 顏思敏, 趙偲圻, 凌雯倩. 節能環保型自維持技術在微型建筑中的應用[J]. 能源與節能, 2015(3): 74?76. YAN Simin, ZHAO Siqi, LING Wenqian. Study of the self maintaining techniques application micro- architecture[J]. Energy and Energy Conservation, 2015(3): 74?76.

[2] 卜一德. 綠色建筑技術指南[M]. 北京: 中國工業出版社, 2008. PU Yide. Green building technology guide[M]. Beijing: China Industry Press, 2008.

[3] Robert Vale. The new autonomous house: Design and planning for sustainability[M]. New York: Thames & Hudson Press, 2002.

[4] 李保峰, 劉娟娟, 張衛寧. 基于都市農業理論的兼農住宅策略研究——以武漢為例[J]. 建筑師, 2012(6): 48?53. LI Baofeng, LIU Juanjuan, ZHANG Weining. A study on urban agriculture building of urban agriculture theoretical-take Wuhan as an example[J]. Architect, 2012(6): 48?53.

[5] 蘇坤平. 淺談綠地的場地設計、雨水利用與景觀?結合廈門石塘立交橋綠地的景觀設計[J]. 建筑與文化, 2008(12): 209?210. SU Kunping. Elementary analysis of the greenbelt site design, rainwater reusing and landscape-combine Xiamen Shitang cloverleaf junction of the landscape design[J]. Architectue and Culture, 2008(12): 209?210.

[6] 陳琳, 田軍倉, 王子路. 痕灌技術研究現狀及展望[J].農業科學研究, 2015, 36(3): 52?56. CHEN Lin, TIAN Juncang, WANG Zilu. The research status and future development of trace quantity irrigation technology[J]. Journal of Agricultural Sciences, 2015, 36(3): 52?56.

[7] 張國祥, 趙愛琴. “痕量灌溉”理論支撐與技術特點的質疑[J]. 農業工程學報, 2015, 31(6): 1?7. ZHANG Guoxiang, ZHAO Aiqin. Query about theory and technical properties of trace quantity irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(6): 1?7.

[8] 胡元森, 李翠香, 孫富林, 等. 不同培養基組合提高土壤細菌可培養性的研究[J]. 微生物學報, 2007(5): 882?887. HU Yuansen, LI Cuixiang, SUN Fulin, et al. Improved culturability of soil bacteria using proper combination with various culturing medium[J]. Acta Microbiologica Sinica, 2007(5): 882?887.

[9] 周博. 創造和諧的福祉社會——關于HSSP[J]. 建筑與文化, 2010(4): 34?35. ZHOU Bo. To create a harmonious well-being of society—about HSSP[J]. Architecture and Culture, 2010(4): 34?35.

[10] 關小克, 張鳳榮, 李樂, 等. 北京市農業發展態勢及土地整治策略研究[J]. 資源科學, 2011, 33(4): 712?719. GUAN Xiaoke, ZHANG Fengrong, LI Le, et al. A study on agriculture development situation and soil renovation strategy in Beijing[J]. Resources Science, 2011, 33(4): 712?719.

[11] 蘇延科. 現代都市農業發展障礙研究[D]. 重慶: 西南大學, 2011. SU Yanke. Study on modern urban agriculture development obstacles[D]. Chongqing: Southwest University, 2011.

[12] 趙明橋. 立體農場自動補水裝置. 中國: CN204466 506U[P]. 2015?07?15. ZHAO Mingqiao. The automatic replenishment device in vertical farms. China: CN204466506U[P]. 2015?07?15.

A study on the ecology concept of sustainable subsistence building experiment

ZHAO Mingqiao, HU Ying, HAN Junyong, YU Suling

(School of Architecture and Art, Central South University, Changsha 410075, China)

Self-Sustainable architecture is the development and supplement of the connotation of ecological architecture. Efficient use of material resources is the direction for future cities to achieve sustainable development and reduce external demand. To this end, the author designed and built an experimental device. With an aim to enable a self-sufficient operation of buildings in terms of resources, testing was done on culture medium mix design, moisture content, and water consumption. The plants under study showed a good growth, eliminating the need for daily management such as irrigation and fertilization. The experimental setup has achieved what had been expected of the design. This self-contained ecological unit can be integrated with buildings in various ways and while improving the ecological environment, it is able to partially meet people's food needs, reduce dependence on the outside world to a certain extent and reduce energy consumption while saving resources. It is believed that this technology will contribute to the sustainable development of large and medium-sized cities and reduce the ecological pressure on the surrounding area and the external environment.

ecological sustainable; subsistence building; ecological self-sustainable element

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.03.025

S731.2

A

1672 ? 7029(2019)03 ? 0752 ? 06

2018?03?07

中南大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2282016zzts199)

趙明橋(1973?)，男，湖南通道人，講師，博士，從事建筑防災技術與生態建筑技術研究；E?mail：csuzhaomq@163.com

(編輯 蔣學東)