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2018中国国际太阳能十项全能竞赛综述

发布时间:2019-01-11 16:03:56  所属类别:建筑行业资讯

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孙一民

华南理工大学建筑学院

国际太阳能十项全能竞赛(Solar Decathlon,SD),是由美国能源部发起并主办,以全球高校为参赛单位的学生太阳能建筑竞赛,目的是让学生参与研发,将太阳能、节能与建筑设计一体化紧密结合,设计、建造并运行一座功能完善、舒适、宜居、具有可持续性的太阳能住宅。竞赛的特殊之处在于,太阳能住宅的所有运行能量完全由太阳能设备供给,评价由主观与客观综合形成十项全能指标。通过竞赛,意图加快太阳能产业的产、学、研融合与交流,推进太阳能技术的创新发展和深度应用,因而被誉为“太阳能界的奥运会”。

1  竞赛规则与要点

2013年,中国国际太阳能十项全能竞赛(SDC2013)首次在山西省大同市举办,参赛队伍来自13个国家和地区,36所大学所组成的23支队伍参与其中。在当时,中国国际太阳能十项全能竞赛的举办,被认为是我国重视新能源应用推广、切实履行节能减排责任的具体体现。政府与社会所关注的,是该竞赛在锻炼学生、教育民众、引发技术革新、助推产业发展、打造交流合作平台、提高全社会对于太阳能应用关注度等方面的重大而深远意义。华南理工大学团队获得亚军,成为SD赛事创始以来华人学生获得的历史最好成绩。

2018年,第二届中国国际太阳能十项全能竞赛(SDC2018)继续举行,来自全球8个国家和地区34所高校的19支赛队参与,承办城市是山东省德州市。获得冠军的是华南理工大学与都灵理工大学组成的联队。

国际太阳能的十项全能竞赛规则共分为10个单项,其中有5项主观评分、5项客观评分,每项满分100分(表1)。在各国、各地区的竞赛中,根据自己的特别之处,竞赛规则都有不同程度的修改与调整。SDC2018的十项规则延续了每项占比均等的传统。

▲ 表1  国际太阳能十项全能竞赛规则要点

主观评分分别为建筑设计、市场潜力、工程技术、宣传推广及创新能力,主要由评委组通过赛队提交的图纸、施工说明单项叙述、视频表达以及现场的完成项目进行主观评判。客观评分分别为舒适区域、家用电器、居家生活、电动通勤及能源绩效,主要通过现场的传感器监测数据及电器、设备运行数据进行计量与监测(measured & monitored)。客观评分项着重考察赛队房屋的实际使用稳定性与舒适性,部分规则的设置模拟了日常的生活使用状况。同时,不同测试项之间也相互影响,例如煮水测试与温湿度测试时间有重叠,因此煮水测试也影响着室内的温湿度控制,对温湿度的稳定控制也影响着房屋的耗电情况。这些都是对房屋综合性能的严格考察。

2  回顾与展望

国际太阳能十项全能竞赛2002年发起于美国,其初衷是针对美国的社会现实与问题。因此,对遍布北美、数量最多的单栋住宅进行创新设计,从能源消耗角度提出新的技术集成,成了这项赛事的主要目的,其关注点在于以太阳能为核心的技术集成与应用效能。然而,这些大都位于美国郊区的独栋住宅,其居住建筑模式恰恰是美国城市走向衰败的重要原因。对美国都市毫无节制的蔓延发展,以及汽车为基准的出行方式的批判与反思,也是近20余年“新都市主义”成长的根本原因。以独栋住宅为竞赛对象的结果,忽略了美国居住郊区化带来的土地资源、社会问题,视野经常会局限于技术与效能。就此而言,十项全能赛在都市性方面,有着先天的缺陷,局限了其对建筑教育的意义。

目前,国际太阳能十项全能竞赛已进入中国、欧洲、中东、非洲等多个赛区,结合举办地区特有住宅问题的倾向逐渐增强,参赛队伍的设计着眼点正逐步改变,竞赛成果的内容日益丰富。有两个特点日益明显。

1) 更加关注都市生活与公共交往

2017年,美国赛区的冠军获得者是瑞士队的“邻里基站(Neighbor Hub)”,旨在创造社区精神,提供一个专门学习和相互交流的地方,创造一个更可持续的未来。该房子可以作为一个工作区、会议室、社区就餐空间、当地市场、园艺领域,以及提供功能的生活和睡眠空间。该小组打算将100%的房屋外墙用于能源生产。太阳能电池板集成在建筑的东、南、西墙面,以收获最大的能量,而屋顶则用于收集水和作为绿色空间。

“邻里基站”不仅是一所房子。瑞士团队的目标是创建一个共享空间帮助建立和维持周围社区。通过展示创新的解决方案和提供合作空间,“邻里基站”强调7个主题:可再生能源、水管理、废物管理、流动性、粮食、物质选择和生物多样性。“邻里基站”设计的多功能空间可改变以满足社区的需要——从一个用餐空间、社区膳食到会议室的教育讲习班,到自行车修理店或当地市场。这种灵活性确保随着时间的推移,房屋将满足最大数量的使用者,同时占用最少的土地,并促进强大的社区连接。“邻里基站”的灵活性还体现在诸如墙等元素支持太阳能电池板、植物、水培技术和太阳能烘干机。建筑内部容易移动的家具也方便重新配置空间,以适应不同的群体。

2) 更加关注城市更新与可持续发展

2014年,首届欧洲太阳能十项全能竞赛在法国举办。和美国赛区一样,欧洲太阳能十项全能赛的职责也是促进、教育和推动可持续建筑的发展以及对太阳能发电的利用。为了符合欧洲各国城市的建房标准,大赛的规则有所调整,以适应“在当地密集城区建设集体房屋”的要求。对于一些针对特定地区地理环境进行设计的团队,在评审过程中,评委会也结合该条件下的环境特点进行评判,如遗产建筑的重建、应急住房、扩展垂直栖息地⋯⋯每支队伍都需要针对自己设定的场景进行设计。

2014年竞赛荣获总冠军的是来自意大利的团队,获得第二、三名的分别为法国团队和荷兰团队代尔夫特理工大学(TU Delft)的作品。除了整体综合排名,欧洲太阳能十项全能赛还设置了单项奖,最引人注目的是第三名的代尔夫特理工大学,他们同时获得了两个单项奖:可持续发展奖(Prize for Sustainable Development)和传播与社会意识奖(Prize for Communication and Social Awareness)。

2014年秋,我在代尔夫特理工大学的校园内考察了赛后重新组装的作品。令人印象深刻之处在于,设计方案并不是建造一座全新的房子,而是要改造目前荷兰最普遍的战后联排式住宅。其设计是给这些房子加装一层“皮肤”以提高能效,达到电能完全自给。这层“皮肤”主要包含一套太阳能电池板和一套水循环系统。太阳能电池板不但可以完全满足正常家庭用电,多余电力甚至还够支持一辆电动车。而水循环系统可以直接净化家庭污水,还兼顾保温功能。代尔夫特理工大学团队估计,设计将适用于全荷兰大约140万户家庭,产生可观的节能效应。

3  问题与反思

本次中国区竞赛在规则上有了许多创新与优化,希望赛队能够针对中国城市所面临的具体问题,提出创造性的解决方案。房屋建造从一层扩展至两层,新增设了对于空气质量问题相关的主客观评分,这些都给参赛队伍提出了更多的挑战,也是中国赛区竞赛的有益尝试。但创新同时也意味着在规则的合理性、竞赛组织的成熟度等方面都需要更多的完善。纵观德州竞赛的过程,有3点值得引起重视。

1) 制定更加严密合理与科学完善的规则

在前期设计中,赛队时常遇到竞赛规范与中国设计规范、住宅设计与永久展览建筑的规范标准冲突问题,部分规则的不合理性在竞赛现场的主观评价中直接影响了评委的判断,甚至出现了由于严格遵守竞赛规范带来的竞赛失分。修改后的能源绩效虽然拉开了赛队之间的分差,但在一定程度上限制了赛队对于光伏建筑一体化的应用创新。由于相关规定的限制,在本次竞赛中,代表新型技术与材料的轻质的薄膜电池很少有赛队使用,光伏与建筑的结合方式也多数采取放置在屋面之上的解决方案。相较之下,美国赛区、中东赛区等竞赛规则中对于电能综合利用价值的评价则更具有实际意义。在前期文件提交方面,相比于往届竞赛中严格的提交时间限制,本次竞赛中缺少对于迟交、缺交文件的奖罚机制,使得每个时间节点均有近半数甚至更多的赛队没有按时提交竞赛材料。

在德州竞赛的现场建造期间,赛队面临着赛场基建不完善的问题。尽管大部分赛队都在赛前多次到达场地催促基础建设进程,但依然有许多赛队的基础在建造开始时仍然处于不完善状态。场地的临时用水用电问题持续到建造中期才被陆续解决,甚至出现正式竞赛用电线缆未接通而不得不在建造进行的过程中对临时用电进行改接的状况。而组委会原本承诺的公共网络系统和覆盖全区的无线WI-FI则一直到竞赛开始仍然无法正常使用,直到许多赛队被迫通过其他方式解决智能系统的网络连接问题才保证竞赛的正常进行。在建造过程中也出现了需要赛队临时考虑超出规则设计建造范围之外的场地设计、建设,这些都为原本紧张的建造期带来了许多不必要的消耗,也在一定程度上影响了竞赛的公平性。值得未来在竞赛城市选择之初即把相关基础状况作为门槛条件。

在客观项测试方面,由于增加了对于光伏系统单位面积发电量的测量,但相应的测试方法并不完善,在竞赛开始后赛队之间也需要对于竞赛测试方案进行协商解决。由于调试的滞后,竞赛期间持续出现测试用信号传输及传感器稳定性差等问题,有些问题直到竞赛结束依然存在。热水测试的仪器设备在许多赛队的测试过程中都出现了不计流的情况,尽管是比较基本的测试任务,但依然出现了不可控的偶然因素。

从某种程度上说,赛队不仅要达到规则要求的最低标准,甚至需要做超出主办方要求的万全准备,才有可能在状况频出的竞赛测试中保持稳定的表现,这也是对房屋调节系统的极限考验。组委会竭尽全力协助赛队解决问题,尽量保证赛事主客观项的公平性,但测试开始后持续出现的问题仍然给赛队增加了巨大的消耗。这些问题对赛队竞赛过程带来的困扰,是在以往的竞赛中未曾出现的。

2) 应明确提出满足中国需求的、更加深刻完整的可持续建筑与城市建设理念

本次竞赛的德州竞赛场地几乎是照搬美国单栋独立住宅的布局,完全是中国房地产项目的典型缩影。这种规划布局,在美国也因为极其浪费的土地利用模式而被诟病。这也反映出,中国赛区对绿色与可持续建设理解的狭隘程度,导致许多参赛单位的设计都是继续2013年的模式,以技术应用为核心,希望精打细算的设计与营造,构建以效能为目标的独立居住单元营建。某种程度上,使学生更加孤立地理解太阳能建筑的概念,与中国土地资源的现实条件也相差较远。在这种情况下,华南联队与蒙特利尔联队的两个“长屋”获得了最多关注。两个地域与气候相差悬殊的团队,提出的设计形态不谋而合,具有惊人的相似原型,其原因在于两者都具有基于土地利用与都市更新的理念,在太阳能利用之外,对城市问题做出了积极而卓有成效的回应。这些思考,获得了“建筑设计”评委的肯定,两个队伍在建筑设计项名列前茅。

值得学习的是欧洲赛区。2014年的欧洲赛区,在传统的十项全能指标体系之外,增加了指引性的内容,提出了6项太阳能房屋的基本原则:a) 密度(density):通过密度控制来减少环境影响,鼓励集合住宅而非单栋住宅;b) 机动性(mobility):把竞赛视为融合城市设计、住房和交通的创新实验;c) 节制(sobriety):即便是使用可再生能源,也更需要限制能源需求;d) 创新性(innovation)创新是核心,是涵盖建筑到家用电器的基本原则;e) 可负担性(affordability):经济与可负担是可持续建筑与城市的关键要素;f) 因地制宜(local context):竞赛作品应该是赛队因应各自地方文化、气候条件与社会背景的高水准建造成果。这6项原则凝聚和代表了欧洲建筑学界对太阳能房屋设计、建造,乃至如何引导教育的全面理解。正是这样的原则,给学生以更加明确的学术方向与价值观指引,也便于评委把握主观评价项的力度。当今中国绿色建筑实施过程中普遍存在着数据与设计分离、测试与建造脱节的现象,竞赛应直面问题,让学生更加直接地获得挑战现状的创新机会。

3) 更加坚决地恪守学生为主的竞赛宗旨

如何理解与把握国际太阳能竞赛作为学生竞赛的本质,如何让学生在竞赛的过程中获得体验与学习,这是对每一个参与学校的一个特殊的检验,既是检验诚实回应竞赛条件,又是检验教育思想与教育实践。由于特殊的文化背景,中国学生与老师的关系较为奇特。多个中国高校营造竞赛都存在着教师越俎代庖的问题。教师在一线的统领,直接影响着同学求真创新的信心,使学生畏首畏尾。德州赛场就出现了教师满头大汗,同学在休息区享受空调的现象。甚至,教师们想赢怕输的思想,把学生的建造等同于教师科研成果的实验建造,成了“他们的房子”,而不是学生“自己的房子”。这种现象影响了学生健康理解竞赛宗旨,需要在制度和评审环节加以改善。2018第三届国际高校建造大赛评审过程中,评审主席崔愷院士提出:评选得分点要更加关注同学在建造现场因地制宜,对原设计的优化与改进,获得了现场参赛同学极高的认同,极大地提高了该竞赛在学生中的认可度。

建筑教育发展至今,背负重要责任。积累传承、改革创新成为持续的努力方向。由于各校在学制、学位、课程大纲等趋于统一,建筑教育的特色维护就显得难能可贵。建筑教育的核心就是创新精神的培养,其重要途径就是坚持问题导向,实现理论与实践相统一。国际太阳能建造竞赛很好地为学生提供了自主创新实践的机会,也给学校提供了新的教育手段。正值2020第三届中国国际太阳能十项全能大赛即将启动之际,希望组织者、承办者、教师与学生能够以创新为首,走出适合中国现实的太阳能建设创新之路。

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