走向綠色能源,建造「自治房屋」

 

文/陳少明、溫英幹、馮建軍

 

 

希臘神話中有一種動物靠吃自己的尾巴來維生,吃掉一條尾巴又生出一條尾巴來。這種動物的英文名叫Ouroboros,譯自希臘文的同音。希臘文Ouro 是吃的意思,Boros 是尾巴的意思,通常譯為食尾蛇或食尾龍。1


如果這種動物真的存在,那麼牠的生存方式便是最環保的了。人們多年來一直夢想著建造一種完全不用外供能源或少用外供能源的房屋。筆者之一(陳少明)三十年前在中國《建築師》雜誌上發表的「節能建築學」(Energy Conservation Architecture)一文中曾稱之為「自治的房屋」(Autonomous House)或「自給自足的房屋」(Self-Sufficient House)。2 那時已有不少有識之士提出了類似現在的一些解決辦法,只是沒有受到人們的廣泛注意,再者,這些辦法還是處於不完善的初級階段。


當今科技已相當發達,而解決溫室效應的問題也已刻不容緩。目前建造一種完全不用外供能源的房屋已是可能了,我們就把這種能自生能源的房屋姑且稱為「食尾式房屋」(Ouroboros House)或「自治房屋」吧。


綠色能源之興起


詩篇二十三篇說到:「耶和華是我的牧者,我必不致缺乏。祂使我躺臥在青草地上,領我在可安歇的水邊……」這是多麼美好的生態環境啊!但人們出於貪婪,對地球肆意破壞,大量砍伐樹木,開採石油,使得全球氣候轉變,氣溫上升。有些環保方面的權威人士認為,這一趨勢若不馬上改變,幾年之後就無法可救了。


因氣候變化而造成的影響對無力應付的窮國和小國而言,更是不公平。比方說,排碳量只佔全世界2% 的非洲卻要忍受因氣候變化而造成多年乾旱的不明之冤。印度洋美麗島國模里西斯(Mauritius)最近舉行了一次別開生面的水下內閣會議,以喚起人們注意,如果全球再升溫,那麼這個國家就會沉到海底。


面對此一危機,全世界的領袖、各行各業的人都應動員起來。只有大家都抱持這種迫切感和使命感才有可能化解危機。特別是美國,其三億人口只佔世界總人口的4.7%,但過去卻消耗了全世界近四分之一的能源,排放出近四分之一的二氧化碳;近幾年中國工業迅速發展,其總排碳量已超越美國。3


有鑑於此,各國對節能減碳已經積極重視,相繼允諾減少排碳量,開始推動所謂「綠色能源」,也就是推廣不會造成環境污染的能源,例如太陽能及風力發電等可再生能源。


不可再生的能源(Non-renewable Energy)如石油、煤炭都是污染環境的殺手,由於全球每個國家都在追求高經濟成長率,對石油或其他不能再生的能源或原料需求大幅上升,連帶也使得溫室效應持續擴大,造成氣候變遷,天災頻繁。發展綠色能源可以減少對石油、煤炭的需求,以及減少二氧化碳的排放量。


除了發展節能汽車(例如氣電共生汽車)外,節能減碳最好的方式是發展自治房屋,使人類日常生活起居所需的能源可以大部分靠太陽能或風力這種可再生能源(Renewable Energy)供應。節能減碳排放初期投資成本較大,但後續效益、或說投資報酬是很高的,它可減緩溫室效應帶來的可怕後果,也能使人類更有效治理這個地球。連帶地,所謂的綠色能源投資也將引發巨大商機,形成許多新興工業及就業機會,可以說:「危機就是良機。」


綠色能源的方式—WWS


像石油和煤炭這種不可再生能源,終久會耗盡;真正取之不盡、用之不竭的天賜可再生能源應是WWS,即 Wind, Water, Sun light (風、水、陽光)。最佳選擇應是風力、太陽能、潮汐和水力發電:這些都是用WWS來達到的。最近報導,挪威國營電力公司Statkraft準備以另一種自然現象,即淡水與海水混合時產生的電力,作為新的潔淨能源,也是一種新嘗試。4 而核能、帶有回碳設施的火力發電,甚至乙醇 (Ethanol)都是比較差的選擇,更不用說石油及天然氣了。


美國現任能源部長、諾貝爾獎得主、美藉華人朱棣文認為,環境熱效應60%來自人造結構;按理說,如果全世界的屋頂和道路都漆成白色,相當於全球汽車停駛十一年所得的節能減碳效應。這充分說明了房屋節能對減少溫室效應所起的作用。其實房屋消費能源已從三十年前佔全球消費能源的30% ,攀升到目前的40%,因此房屋節能在減少溫室效應中能發揮重大的作用。這點眾所周知,只是綠色能源的經濟效應經常引起人們的爭議。


早在布希政府當政時,已有以降低聯邦稅來獎勵綠色能源房屋的措施,只是知道者甚少。歐巴馬政府上臺後又提出一系列新的房屋節能的減稅獎勵措施,使得自治房屋中的節能設施變得越來越經濟合算,有的設施安裝後對屋主幾乎是免費。這更使綠色能源設施再也不是為少數人所擁有,而是能和電視機、電冰箱那樣進入每家每戶的普通設施。5


目前美國住家或商用的自生能源系統基本上有三種:太陽能系統、小型風力系統及地熱泵系統。小型風力系統在我們所住的首府華盛頓地區因風力不夠強勁,用得不多。地熱泵系統因無法解決全部能源問題而用得較少。那是利用地底溫度四季較穩定,與地面形成不同溫差來發電、生熱或冷卻,但它無法解決全部能源問題,因為它本身也需要初始能源來帶動生熱或冷卻設備。

 

▲小型風力系統在華盛頓地區因風力不夠強勁,用得不多。


地熱泵系統由熱泵(一般設在屋內)、地下熱交換器(一般由管網組成,用來在冷卻時貯存能量,加熱時從地中提取熱量),分配器(風道或地下放射管道,將熱氣或冷氣分發到各個房間)三樣東西組成(如下圖所示)。因為地熱泵系統的構件不是在地下就是在屋內,不影響美觀,縱使有愛管閒事的鄰居也無從抱怨了。再者,地熱泵系統與天氣好壞無關,若能與有些靠天吃飯的太陽能系統和小型風力系統結合,便會達到天衣無縫之美,使房屋能源達到完全的自給自足。

 

▲地熱泵系統。


有趣的是還有一種叫「人體運動能源」(human motion energy)的系統正在發展中,它是利用住宅中人們走動較多的樓梯踏板或走道板中人體與地板磨擦生電來自生能源。美國和日本目前都有在地鐵站等人群聚集的地方做人體運動能源系統的賞試。正如大家所知的風力發電場叫「風力農場」(wind farm),將來也可以利用人們走動或車輪滾動的「人群農場」(crowd farm)來發電。大型共用的農場配合各種建築中的自生能源,也許可使人類擺脫對石化燃料的依賴。


智能房屋舉例


在筆者所居住這一地區,除了少數風力發電的嘗試(例如本地區自來水廠建造十四座風力發電機),供商店及住宅使用最普遍的便是太陽能系統。太陽能系統又可分為三種:即太陽能熱水器、太陽能熱風及太陽能發電兼冷氣系統。由於政府及廠商的優惠政策,已經有許多商家及住宅區開始裝設。例如筆者(陳少明、溫英幹)最近就在自宅裝設太陽能熱水器,效果不錯。

 

▲太陽能熱水器上方的圓筒水箱可以保溫八十個小時。


此外,最近筆者(陳少明)在協助華府波托馬克地區的一棟「智能」房屋的二期工程中進行了大膽的能源自給設計,將上述三種系統全部用上,希望這房子接近「自治房屋」的程度。此房屋面積約七千多平方英呎,筆者在一期工程設計中早已留下伏筆:在其入口漏花牆中、廚房島型吧臺的落頂中及樓上酒吧間的漏窗中均採用了綠色能源的符號(如右圖):這預表著二期工程中「食尾」式能源的到來。


在二期工程中由一家綠源公司設計並安裝太陽能熱水器、太陽能熱風系統(由筆者馮建軍設計安裝),經過廠商回扣(Rebate)、減稅(Tax Credit)及能源支助(Energy Grant)後,屋主都是分文不花的。這兩種系統都是在太陽能板背面刷特殊的黑色化學塗料,使之在間隙產生小型溫室效應,將水加熱送到太陽能熱水器的水箱中,或將加熱的空氣打到中央空調系統的風道中;均不用蓄電池,壽命可達三十年以上。太陽能熱水器水箱中的水可保溫八十小時。

 

▲智能屋頂上鋪設大面積的太陽能集光板,不僅吸收太陽能,還可延長屋頂壽命,阻絕日曬,一舉數得。


最後,這棟房屋的第三種能源是太陽能發電系統,由另一家綠能公司設計,他們在醒目的屋頂上排放四十四個閃閃發光的太陽能矽板,給人們一種高科技(High-Tech)的高精緻感。這一系統發電能量為一萬瓦,是超過本房所需的,主因有二:一、它採用雙向電錶,發電過多時將電供入主電網中,不夠時再從主電網中取回。二、目前多晶體光電板前三年還是會有些效應減弱,之後的衰減幅度就非常小了,因此設計超過所需也是考慮到這一點。


這套系統造價較高,經過各種優惠後,屋主還需付四萬多美元。但考慮到美國電費逐年上漲,本房又耗電很大,不到十年也就把本錢拿回來了,看來還是合算的。三種太陽能系統在這裡大顯身手又彼此配合,使「食尾」式自治房屋的理想提前到來了。

 

▲天花板、廚房、樓梯間、二樓均採用綠能符號窗戶,預表二期工程「食尾」式能源的到來。


這幢房屋形式屬於現代型(contemporary),特點是頂層高,給人明亮寬敞的感覺,但也因此造成保溫隔熱效果比美國常見的殖民型(colonial)房屋要差,所以耗能較大。如今在屋頂鋪設了大面積的太陽能集光板,不僅吸收了太陽能為房屋提供熱水、暖氣和發電,還等於在房頂加上了一層厚厚的保護層,延長了屋頂的壽命。此外,夏天陽光不直接照射在房屋頂上,有效降低了房屋的溫度,可謂一舉數得。


待全部太陽能系統安裝後,試行一段時間後,可再考量是否安裝地熱泵系統加以補充。這樣,綠色建築、綠色能源正為走向綠能生活的人們提供一個健康舒適的生存空間,讓我們的地球遠離沙漠,綠色長駐。


▲廚房落頂處的綠色能源裝置—太陽能暖氣機。


結語


神造人的目的就是要使人管理全地、治理這地(參考創世紀2:26, 28),人類在環境保護、節能減碳方面更是責無旁貸。


據估計,如果能源的使用方式再無改變,石油存量在本世紀中葉即可耗竭,人類將面臨浩劫。相對而言,可再生能源如太陽能卻是取之不盡、用之不絕;因此世界主要國家都在強調綠色能源,並發展綠能產業,使經濟成為可持續發展的經濟。本文所提的幾種WWS系統已在美國商業及住宅區風行,除了響應政府的節能政策、享受節稅優惠外,也能為社會創造少污染、少消耗「不能再生能源」的良好環境。



1. 參見解釋:http://en.wikipedia.org/wiki/Ouroboros
2. 陳少明、張明宇,「順應時代需要的新學科—節能建築學綜述」,《建築師》雜誌,1981年8月,87-101頁。
3. 根據聯合國估計二氧化碳排放量資料,2006年全世界共排放2843公噸;其中以中國排放最多,共610萬公噸,佔全世界21.5%;美國第二,575公噸,20.2%。但以每人排放量而言,美國18.67公噸居首位,俄羅斯11.03公噸,歐盟7.84公噸;中國4.57公噸,只比世界平均值4.18公噸略高。見http://en.wikipedia.org/List_of_countries_by_carbon_dioxide_emissions。
4. 聯合報電子報,「挪威潔淨能源 淡水混海水…來電」,2009年11月24日。
5. 如果想知道美國聯邦及各州政府推行的減稅及獎勵措施,可上網查詢:http://dsireusa.org

 

 

陳少明,持照建築師,美國華府霍華德大學(Howard University )工程、建築及計算機學院退休副教授。

 

 


溫英幹,臺灣元智大學特聘教授及國立東華大學榮譽教授。

 

 

 

 

馮建軍,生化博士,美國日火公司(Sunfire)能源專家。

 

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