基于生态可持续理念的自给型建筑实验研究

赵明桥，胡颖，韩俊勇，俞苏玲



基于生态可持续理念的自给型建筑实验研究

赵明桥，胡颖，韩俊勇，俞苏玲

(中南大学 建筑与艺术学院，湖南 长沙 410075)

基于未来城市实现可持续发展、减少外部需求的要求，设计建造生态自给单元实验装置，以实现建筑在资源上的自给自足。通过培养基配比、含水率、耗水量及种植实验，种植单元中蔬菜长势良好，免除灌溉施肥等日常管理，实验达到了设计预期。这种自给型生态单元与建筑可以通过多种方式组合，在改善生态环境的同时能部分满足人们的食物需求，减少对外界的依赖，降低能耗的同时节省了资源。这一技术将有助于大中城市的可持续发展、减少对周边区域和外部环境的生态 压力。

生态可持续；自给型建筑；生态自给单元

随着全球变暖和环境破坏的形势逐渐严峻，越来越多的国家开始认识到节能环保型建筑的重要性，而传统设备的使用，需要消耗大量能源与资 源[1]。以我国为例，一栋10层的RC办公建筑耗能为193.8 (kW∙h)/m2∙a,生命周期中CO2排放量为127.52 kg/m2∙a，其中竣工前，运营期间和废弃阶段CO2排放量分别占比例8.35%，86.41%和5.24%[2]。因此，一些建筑师开始设想通过开发与使用绿色能源，在降低能耗的同时减少对环境的污染从而达到改善城市环境的目的。理论最早由英国剑桥大学学者Alex Pike于1971年提出，其初衷是设计一套应用于建筑的自我服务系统，以减少建筑对有限的地域性生态系统的依赖。1975年，Robert[3]给出了自给型建筑更加具体的意义：它是一种完全独立运转的建筑，建筑不依靠外界的摄入，除了和它紧密相连的自然界(如阳光、雨水等)。1993年，Vale夫妇在新西兰一个没有水电和市政管网的waiheke岛上建造了一栋住宅，对其自给型建筑理论加以实践。当前，生态建筑领域的研究重点主要在节能减排、降低资源消耗，也有部分学者开始寻求将农业生产引入到建筑中实现更大程度的自给自足，李保峰等[4]最早提出的“兼农住宅”概念并做了有益的实践探索。

1 建筑生态自给单元的设想与系统构成

1.1 生态自给单元的作用机制

本文的自给型建筑实验研究是基于可持续发展的理念来实现建筑自给自足的方式，利用城市建筑中的公共空间、廊道、休息空间等建立生态单元，在实现基本的生产功能的同时，创造一个良好的生态环境，使生态单元与建筑有一个良好的结合，为市民提供绿叶蔬菜、新鲜空气和良好的建筑微 环境。

在传统的建筑中，建筑的能源及资源消耗总量极高。而本文提出的自给型建筑可通过循环自给的方式来降低能耗甚至达到零能耗。

1) 在日常生活中，每天都会产生很多的生活垃圾，在生活垃圾中有很多可自然降解的有机物，生态自给单元可以利用这些有机资源作为肥料进行循环利用。这样既有助于植物的生长又能使生活垃圾能就地化解决。

2) 雨水作为重要的水资源，是自然界水循环系统中重要环节，利用雨水资源是一种最经济、最广泛、最简便、最快捷并行之有效的途径[5]。在建筑中可利用雨水收集的方式灌溉生态自给单元，同时还可削减雨季的洪峰流量，一举两得。

3) 基于可持续发展理念的考虑，应最大限度发挥其生态作用，将生态自给单元与建筑结合考虑，利用植物的光合作用消耗CO2释放O2以及一些特定植物吸附污染物和杀菌功能，形成一个个独立的小型生态系统，层层的绿植在空气流动时可以自然的过滤与吸附有害物质。同时靠近向阳面的生态自给单元也可以起到遮阳的作用，有效的调节室内的温度与湿度，创造一个舒适的环境。

4) 生态自给单元最大限度的通过各种方式节能的同时，也应发展其生产功能，不仅能够美化建筑，达到观赏性的效果，也为市民提供新鲜高品质的绿叶蔬菜。

1.2 生态自给单元的系统构成

1.2.1 生态自给单元的构造方式

生态自给单元如图1所示，是由多层种植单元增加，每层蔬菜可以获得良好光照，以提高生产效率。对种植容器的考虑对比后采用的是固定模块的塑料方盒(长405 mm，宽305 mm，高150 mm)，固定模块的种植盆排列在一起也能达到美观的效果。它造价较为低廉，而且也能起到防水防潮的作用，不用设置防潮层。16个种植单元为1层，总共3层，统一在下方设置PVC储水管便于统一供水。

1.2.2 生态自给单元的供水系统

在生态单元自给供水系统(见图2)的设计中，为了使3层的植物能够均匀并不间断的吸收水分，利用全自动控制水阀将水引到最顶层的PVC储水管中，每一层设置了2条PVC储水管，并将它们互相连接，将水源更充分的供给至每个种植单元中。当水首先引至最顶层时，达到一定的水位后的水源将通过PVC储水管另一端的出水口经过不锈钢波纹管将水引到第2层的PVC储水管，以此类推，底层的水泵与全自动水位控制阀连接，当第1层的PVC储水管的水位达到最高水位时控制阀将阻流水源，同理，当水位达到最低水位时，控制阀会自动引水，这样有效的实现了供水的自动化。

1.2.3 生态自给单元的灌溉方式

为实现其可持续发展性，生态自给单元采用的是痕灌的方式。“痕灌”是一种比滴灌节水效率更高的灌溉技术，得名于化学中微量元素和痕量元素的概念，它以导水纤维束和土壤的毛细作用为基础力，以极微小速率将水份输送到植物根系附近，能实现稳定适量、按需供应的灌溉目的[6−7]。生态自给单元的利用雨水渠获取水资源，通过无压痕灌的方式灌溉植物，进行循环利用。

① 不留退路，不给未来留下遗憾。② 面对愈来愈近的高考，有些考生却不急不躁，照玩照闹，因为他们早已找好退路，若是高考失利，就出国或随便读个院校呗。③ 可是，他们没有想过，那样的未来有什么意义！④ 胡乱打发日子，荒废奋斗的大好青春，当以后回想起高三时光，只有空白。⑤ 不要给自己的人生找退路，那样只会得到一个苍白空虚的空壳。⑥ 没有激情和梦想的灌注，这样的人生道路又有谁稀罕？⑦ 整理好浮躁情绪，将自己驱向毫无退路的前方，不要给未来留下遗憾，充实人生才是真谛。

图1 生态自给单元框架示意图

单位：mm

图3 生态自给单元无压痕灌示意图

生态自给单元的设计是将种植盘搁置在PVC储水管之上，培养基与PVC储水管内的水并不直接接触，植物所需水分根据蒸腾和蒸发量经由毛细管束(见图3)通过毛细现象自动输送到自然土壤中，无压渗灌的方式能始终保持土壤湿润而水分不过量，为植物创造一个良好的生长环境。

2 自给型建筑生态单元的实验研究

为验证上述构想及自给型建筑生态单元系统的可行性，构建了生态单元实验装置，并开展以下实验。

2.1 培养基的选择与配选实验

培养基的选择基于以下几个方面的考虑：

1) 基质轻，虽然生态单元可以通过角钢架来支撑每一个单元种植盆，将力有一个纵向与横向的分散，但是为了便于之后人们更好的打理，应该尽量采用一些基质轻的培养基作为培养基质。

2) 要利于植物生长，培养基也需要进行合理的搭配能够长期稳定提供农作物所需要的养份。

3) 人工配比的培养基除了要考到氮磷钾的平衡，在注意材料本身的吸水性能时，还要注意材料的粒径或纤维大小，一般粒径2 mm以上的粒子，要占总量的2/3以上,粒径0.5 mm的不能超 过5%[7]。

为了达到以上3点要求，最终选择的培养土的选择如表1所示。

表1 培养基配比及各组分参数

为了测试培养基是否达到的要求，分别设置5种不同培养基的配比类型(见表2)，再通过表2配比出的培养基混合后置于器皿中，最后通过2个不同的时间段记录5种培养基类型的参数，由如表3 所示。

表2 培养基配比参数

基于以上的实验比较，最终选择了D实验的土壤配选方案。原因如下：

1) 对成本的考虑，培养基的选择要控制在合理的成本范围内，在考虑整体成本上要能使大部分市民能够接受。

2) 基质要轻且要能提供植物足够的营养。因受到横向竖向的荷载限制，培养基的重量也会影响农作物的生长。通过表2可以得出D是能够满足这一要求。

2.2 芯吸高度

通过10 h的毛细管芯吸实验得出表3，5组的芯吸高度相差不大，仅只有1~2 cm的差别。结合培养基的配比参数比较，D更为合适。

表3 毛细管芯吸参数

经过8个月的试种实验，观察到水可以均匀的被培养基吸附，并且能满足于农作物的养分需求。

2.3 生态自给单元的含水率

通过土壤测试湿度的实验，将生态自给单元的土样放入0的铝盒中，迅速盖上盒盖称重，记为1，打开盒盖，放在烘箱中，于105~110 ℃下烘至恒重(6~8 h以上)，再称重，记为2，然后用式(1)计算该土样的含水量(m)。

分别取生态自给单元3层每一个单元的培养基进行烘干实验，将取到的土样烘干后分别进行称重，将称重后的数据进行数据分析得出图5，从图5可以得知底层的含水率平均保持在20%左右，2层与顶层的含水率基本保持在10%~15%左右，底层的平均含水率高于其他2层。

图4 生态自给单元含水率

Fig. 4 Self-sustainable unit moisture content

通过图5的总体趋势分析，因整个立体农场的供水方式是利用无压痕灌进行供水，水源首先到达顶层，当顶层的水到达一定的水位线时，水才会将水引至2层的储水管中，以此类推，最后到达底层，整个供水过程中水分是有序的慢慢的被农作物吸收，随着水分的蒸发与农作物吸收的时间长短不同，从而导致了在测量数据时底层的平均含水率都高于其他2层。

从整体的含水率趋势变化来看，生态自给单元3层中每个单元的的含水量较为均匀，通过观察自给单元在不耗费过多水的用量下也能保持土壤一定的湿度并且不会被阻断。

2.4 生态自给单元的耗水量

生态自给单元于2017年8月中旬完成，于8月27日播种，大部分绿叶蔬菜在播种的7~12 d后就已发芽，一小部分大致在15~20 d之内都出土发芽。在生长期间，通过无压痕灌的灌溉方式使植物自己按需吸水，一举打破农作物“被动式补水”的全球传统灌溉模式，相比于传统灌溉，如漫灌，在灌溉土地时，把整个田块都放满水，这种用大量的水浇灌田地，对水资源是一种极大的浪费，大量的水不能被庄稼全部吸收，有的时候还会因为水分多而影响了作物的生长，而痕灌可以在极大程度上节约水资源并且提供足够的水分，可见生态自给单元的耗水量(图6)从9月份至次年4月份每个月的平均耗水量也仅在0.3~0.4 m3之间，每个月的耗水量相对平均与稳定且用量较少。基本达到了预期的设计要求。

图5 生态自给单元每月耗水量

2.5 生态自给单元种植实验

生态自给单元的种植实验从2017年8月10日持续到2017年12月31日，期间观察并记录农作物的生长情况以及特殊天气情况下装置的运作情况。全部的农作物都由8月播种，实验观察时间经过夏、秋、冬3个季节，由于春季阳光充足且温度适宜，农作物成活率更高，虽然冬季秋季的气候条件与日照条件不如春季的好，但是也能观察到植物生长情况较好。到10月初，绿叶蔬菜与植物长势良好，大部分的绿蔬菜都能在播种后的2至3个月进行收获采摘。

3 结论

1) 生态自给单元的提出可以使建筑减少对外界的依赖，轻质的培养基为生态自给单元不间断的稳定的提供所需的养分，利用雨水渠的雨水通过无压痕灌进行灌溉，利用生活垃圾作为堆肥给生态自给单元提供源源不断的肥料，从而在很大程度上减少了外界能量的输入，节省了资源也基本实现了物质的循环利用。

2) 通过8个月的实验对比，生态自给单元的无压痕溉的灌溉方式相比于传统灌溉方式来说，实现了供水全自动化免去了很多维护的时间，降低了耗水量、节约了水资源，达到一个低消耗、低能耗、低管理的标准。

3) 经过8个月的试种，生态自给单元所产出的绿叶蔬菜量基本可以满足一个城市家庭的叶类蔬菜需求，有一定的产出量，基本实现了其生产功能。总体来看生态自给单元的技术方案可以实现建筑自给。

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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

中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2282016zzts199)

赵明桥(1973−)，男，湖南通道人，讲师，博士，从事建筑防灾技术与生态建筑技术研究；E−mail：csuzhaomq@163.com

(编辑 蒋学东)