德国生态城区建设的新探索——汉堡国际建筑展中的能源和可持续策略

■ 徐慧中 Xu Huizhong

德国生态城区建设的新探索
——汉堡国际建筑展中的能源和可持续策略

■ 徐慧中 Xu Huizhong

面对地球气候变化、化石燃料枯竭、世界人口不断增长的现状，提高能源的利用效率、开发可再生能源成为如今国内外学者探讨的热点问题。通过对汉堡国际建筑展中的能源和可持续策略进行介绍，从建筑单体和区域的角度分别探讨建筑展内能源的利用方式，对我国未来能源系统的建设有重要的启示作用，也为今后能源系统的发展提供一些新的思路。

汉堡国际建筑展；能源系统；可再生能源；建筑节能

0 引言

“国际建筑展览会”（Internationale Bauausstellung，简称IBA）始于1901年，在早期德国工业革命的背景下诞生，距今已有100多年的历史。IBA不定期地在德国境内的城市举办，1984年首次在柏林举办，邀请了许多国际知名的建筑师在柏林进行城市设计，讨论了关于城市和建筑新的思路和方法[1]。多年以来，国际建筑展不断探讨了建筑以及城市规划上的新思路和新技术，对国际建筑及城市规划的发展做出了巨大贡献。

德国是世界自然资源最匮乏的国家之一，只有少量的煤矿和盐矿，大部分的能源需要从国外进口。但是由于工业发展的需要，消耗了国内大量的资源，其自身能源和资源不足的问题日渐突出，制约了经济的发展[2]。同时，化石燃料的消耗对环境也产生了很大的影响，不利于经济社会的可持续发展。因此，德国政府改变了能源策略，鼓励资源节约，提高资源和能源的利用效率，鼓励使用新能源以及可再生能源。

目前，德国已经成为了全世界能源效率最高的国家，新能源和可再生能源的使用率也远超其他国家。从低能耗建筑到3升房，再到被动式建筑和零能耗建筑，德国在建筑节能上积累了丰富的经验。德国25%的电能来自可再生能源，随着清洁能源的进一步推广，预计到2020年这一数字将上升到45%，同时清洁能源在总能源消耗量中占比达到12.6%。由于能源效率的提高和清洁能源的发展，2015年，德国的碳排放比2014年减少了11%。

德国生态城区的发展在国际上处于领先地位，本次汉堡国际建筑展也提出了生态城区建设的一系列新的技术和方法。建筑展不仅探讨了新的节能建筑类型，还建设了一个区域能源利用系统，整体提高展区内的能源效率。汉堡国际建筑展是德国在生态城区建设中的一次新探索，也是应对全球气候变化的一次领先实践。德国的能源技术位于世界前列，本文对汉堡国际建筑展内的能源和可持续策略进行介绍与研究，对于应对全球气候变化和城市的可持续发展都有重要意义，可以为其他国家可持续技术的发展提供指导和借鉴。

1 项目背景

汉堡国际建筑展位于汉堡中心区的威廉斯堡（Wilhelmsburg）内。威廉斯堡是欧洲最大的内河岛屿，包含了码头、工业、绿洲等等，在此地区有约50万居民。2006～2013年，威廉斯堡以及相邻的Veddel和Harburg Upriver Port 两个岛屿一同开展了汉堡国际建筑展，参展共约70个项目，投资11.2亿欧元（图1）。汉堡国际建筑展致力于推动促进城市的可持续性和环境友好性，并试图探讨一种社会平衡的城市发展方式。建筑展将决策者、政府、市民、各个组织、工业产业的利益结合起来，试图解决城市增长中的关键问题，创造一个良好的居住环境，并试图证明城市发展中的社会与生态如何保持平衡。汉堡国际建筑展不仅仅是一个建筑展览，而更像是一个实验室，居民可以探索自己的生活方式，而这个实验室则为整个城市。

图1 汉堡IBA主要项目在汉堡市中的位置

在举办建筑展前，威廉斯堡岛内经济发展滞后，失业率和犯罪率是汉堡市的两倍。岛内约53%的居民具有移民背景，收入低下，也没有接收良好的教育，很多居民依靠政府救济金来维持基本的生活。由于基础设施的落后，居民常常受到洪灾的困扰，生活环境恶劣（图2、3）。

德国地处高纬度地区，冬季漫长严寒，暖气是不可或缺的生活保障。德国的供暖时间长达半年，采暖能耗十分可观。据统计，2011年德国约43%的最终能源消费用以生产热能，其中家庭供暖占热能消费的46%，工业用热能占37%（图4）。2007年，威廉斯堡地区所需要的能量主要由化石燃料提供，虽然汉堡的供热系统发展比较完善，但是威廉斯堡和veddel并没有接入城市的供热网络。仅2007年1年，展区内化石燃料的燃烧就产生了CO2约20万t，对环境产生了很大的负面影响[3]。

图2 接收政府救济的居民比例

图3 具有移民背景的居民比例

图4 2011年汉堡市最终能源消费

在这样的背景下，汉堡政府希望通过举办国际建筑展这一契机，改变岛内现状，提升威廉斯堡的竞争力[4]。建筑展倡议：城市必须改变能量的来源，从化石燃料转向可再生能源和清洁能源，同时，改变能量的供应方式，从集中供能向分散供能转变[5]。汉堡国际建筑展提出了一种建筑自给供应能源的概念，城市中的消费者可以高效直接地产生能源，过剩的能量则被输送到城市的其他区域。例如，工业区所需的能源主要来自本区域内的建筑，而不是主要来自能源供给设备。通过这种方式，不仅可以高效地利用能量，也可以将工作机会和收入保留在区域内部，激发旧城活力。

汉堡国际建筑展共有3个主题：“国际化”（COSMOPOLIS），探讨了未来大都市中的生活方式，如何建设国际性的城市社区，强调社会生活中教育、知识和文化的力量；“大都市”（METROZONES），探讨了如何建设优质的城市社区，改善现有住房存量，提高城市的包容性；“城市和气候变化”（CITIES AND CLIMATE CHANGE），证明大城市通过发展可再生能源和分布式能源，从而更有效地配置可用资源，并且城市能以一个气候友好的方式不断增长。其中，“城市和气候变化”是本次建筑展的中心主题，对于如何应对全球气候变化的现状，建筑展提出了4种策略：建设高能效的新建筑；对旧建筑进行翻新，使其达到新建建筑标准；可回用的供热网络；使用可再生能源。

能源策略是汉堡国际建筑展中的一项重要内容，提高城市的能源效率是减少CO2排放、应对气候变化的一个有效手段。德国的能源技术在国际上处于领先地位，本次的汉堡国际建筑展更是德国最新能源技术的最新实践，对建筑展中的能源策略研究具有十分重要的意义。本文分别介绍了建筑展中建筑单体和区域的能源策略，以及国际建筑展内新能源和可再生能源利用的最新探索，对我国乃至世界的能源系统发展都有借鉴意义，也为我国建筑和区域能源系统的发展提供新的思路和方向。

2 建筑节能策略

本次国际建筑展以提高建筑能耗、使建筑适应不同人的需求为主题，针对高能效建筑以及人与建筑的关系进行了探讨，展出了4种新的建筑类型：智慧材料建筑、水上住宅、混合功能建筑和智慧价格建筑。建筑展利用本地资源研发了新型的建筑材料，减少建筑能耗，同时也可以为建筑提供一定的能量。混合功能建筑展示了一个可持续的建筑类型，通过灵活的建筑空间变化，满足居民在不同阶段的需求，使建筑可以同时用于居住、工作或社会生活。智慧价格建筑旨在为居民提供低价格、高品质的建筑，使中等收入的人也有能力在城市中购买住宅。

新型建筑的提出为未来的建筑发展提供了新的可能性，并可以为居民开创新的生活方式。智慧材料建筑和水上住宅结合本地的实际情况，提出了优化建筑能源表现的新型建筑技术。智慧价格建筑和混合功能建筑可以使建筑类型满足不同收入、不同阶层、不同职业居民的需求，提高建筑的适应性。

2.1 智慧材料建筑

“智慧材料建筑”通过使用动态的建筑材料，使建筑适应周围环境的变化。智慧材料可以根据环境变化产生一定的化学反应或者物理反应，例如不同的气温、阳光直射等，材料中的物质从环境中直接或间接地获取能量，从而为建筑供能。智慧材料可以从自然环境中获得，例如，在建筑外立面材料中加入微藻，通过光合作用可以将太阳能转化为热能和生物质能，从而为建筑输送一部分的能量。

除了建筑外表面的智慧材料以外，建筑内部也采取了一定的节能措施。例如，在建筑中使用了一种复杂的室内工程技术，通过由中央控制的“智能电表”，消费者能够控制和调节自己的能量消耗，使建筑在建设以及运营过程中达到碳中和。

2.2 水上住宅

作为德国北部重要的航运枢纽，欧洲著名的“水上城市”，水是汉堡市的一个典型的城市特征。但是在一般的滨水城市中，水一般只作为建筑外环境的一部分，很少和建筑本身产生关联。水上住宅位于威廉斯堡国际建筑展的中心区域，基地占地面积4 000m2，原先是一个低洼的滞留盆地，和威廉斯堡内的河道相连，经常受到洪水和地下水的威胁。水上住宅包含4个3层的独立住宅楼以及1个9层的住宅楼，共可提供22套公寓（图5～7）。项目与水的关系十分密切，包含了游船码头、水上浮动平台、水下花园等，每套公寓都有一个阳台或露台，可以俯瞰水景。

水上住宅主要采用了被动房技术，项目内的4栋建筑都满足了被动房的标准，使用可再生的能源为建筑提供能量。建筑内大部分的能量需求可以由可再生能源提供，只需要额外消耗少量的采暖能耗。水上住宅与威廉斯堡的中央能源网络相连，为建筑供能，住宅中的地源热泵也可以为建筑供暖。同时，建筑外墙的太阳能材料可以保证建筑内的热水供应。水上住宅内还采用了智能建筑技术，居住者可以控制建筑通风和能源供应。智能建筑技术还可以向居民提供能耗信息反馈，帮助居民控制自己的能源消费。

3 区域能源策略和可再生能源利用

3.1 区域集成能源网络

国际建筑展展示了一个名为“可再生的威廉斯堡”的能源利用策略。在威廉斯堡中心区建设了一个集成能源网络，共能存储4MW的热能，通过能源中心与展区内的20座建筑物相连（图8）。能源网络以气候保护为主要宗旨进行建设，总投资380万欧元。项目于2007年启动，2013年2月能源网络建设完成。威廉斯堡的能源网络为德国乃至世界能源系统的建设做出了一个优秀示范，也预示了可再生能源将成为城市能源利用中的一个重要组成部分。通过使用可再生能源，不仅可以减少供能成本，也可以大幅减少城市CO2的排放，缓解气候变化，保护生态环境。

图5 水上住宅鸟瞰

图6 3层住宅楼

图7 9层住宅楼

图8 威廉斯堡中央集成能源网络图

威廉斯堡的能源网络使用多种方式获取能量，包括热回收空调机组、地源热泵、屋顶光伏电板、热电联产装置（CHP）、太阳热能等。通过这些装置收集到的能量被集中输送到能源中心内的虚拟电厂中，进行能量的再分配。虚拟电厂不仅可以进行能量的分配，也可以进行能量的回收。区域剩余的能量通过供热管网被回收到虚拟电厂中，并加以重新利用，减少能量损失，从而实现能量的可再生。

区域内的供热管网总长约2 000m，由两条平行的管道组成，一条用于供能，一条用于能量的回收。供热管网从能源中心延伸而出，输出的热能可以直接送入建筑物中。区域内的商业和工业会产生一定量的余热，通过热电联产装置将余热转换为热能和电能，弥补电力需求，提高整体能源效率。对于全年耗能都比较高的建筑，如宾馆和大型居住建筑，建设小型的本地供热网络，产生的余热可以用于热水或为建筑物供暖。目前，威廉斯堡能源中心的供能网络已与区域内的所有新建建筑相连，保证区域内能源的高效利用。

3.2 能源中心

能源中心位于北侧办公楼前院，占地面积约500m2。中心内有一套热电混合装置，以沼气作为能源，可以提供700kW的热能和500kW的电能，满足区域内居民用能的一般需求。能源中心产生的热能通过热转换站送入区域供热系统，同时产生的电能输入区域公用电网。为了使装置的运行达到最优状态，能源中心还配备有一个体积约20m3的缓冲储存单元。此外，能源中心内还有两个调峰锅炉，每个锅炉可提供1 500kW的热能，可以在供能高峰时期缓和能源中心的供能压力（图9）。能源系统还可以监控区域内其他较小产能装置的能量收集情况，从而智能地对热电混合装置的产能状况进行调节。

图9 能源中心调峰锅炉与热电联产设备

远期能源中心将发展“能源转气”技术，并建设区域的燃气网络。“能源转气”技术是指可再生能源通过电解产生氢气，使用燃气网络进行运输和存储。通过电解产生的可燃气体更方便存储，不需要使用存储效率较低的电池仓。这项技术已经通过测试，很快将会得到实施[6]。

3.3 可再生能源利用的最新探索

建筑展十分重视可再生能源的利用，未来可再生能源的使用比例将达到100%。目前区域内使用的可再生能源主要有太阳能、风能、地热能、生物质能等等（图10），除了已建成的能量泵与能量山外，2015年还引进了地热系统。通过可再生能源的使用，可以满足易北河内岛上50%建筑的用电需求，以及1/7建筑的供热需求。随着可再生能源利用技术的发展，到2030年，将可以满足所有住宅的用电需求；2050年，将实现岛内自给供热。

IBA能源堡垒曾是二战期间的一个军用防空堡垒，1947年被英国军队毁坏，废弃至今。国际建筑展将它改造为一个能源中心，可以为周围的800户居民提供水和电力。能源堡垒内有一个缓冲储水箱，可以储存约2 000m3的水，并可以通过太阳能集热装置、工业废热、柴燃锅炉和沼气热电厂来获取热量。建成后，能源堡垒不仅可以为周围的居民全年提供热水和供暖，还能为公共电网提供额外的电力[7]。

图10 威廉斯堡内多种供能方式示意图

能量山原本也是一个战争废墟，战后堆积了各种生活垃圾以及工业废料。多年以来，有毒物质不断累积、下渗并影响了地下水源，因此有关部门采取了措施，将垃圾掩埋起来，并在上面建设了两座3.4MW的涡轮风力发电机。此外，能量山上还有一个面积约1hm2的光伏阵列。通过风能和太阳能的利用，能量山全年可以为易北河岛屿上20%的家庭提供电力[8]（图11）。

4 能源与地区可持续理念的结合

图11 威廉斯堡的能源堡垒与能量山

国际建筑展将能源系统的发展与可持续理念相结合，对威廉斯堡进行了一系列的改造，不仅在很大程度上改善了地区的面貌，也为整个威廉斯堡以及周边岛屿带来了积极的影响，促进了岛内经济、社会和环境的可持续发展。建筑展对能源系统的建设提出了一系列发展目标，从2007～2050年，岛内将实现自给供电以及自给供热，降低CO2排放对居住和生态环境的影响（图12）。

从2013年开始，威廉斯堡的居民已经可以感觉到环境的明显变化。由于可再生能源和清洁能源的使用，岛上的二氧化碳排放显著减少，生态环境逐渐改善。同时，国际建筑展对被污染的土地和水体进行治理，为居民创造一个安全的生活环境。建筑展还扩大了绿地系统的面积，并建设了许多功能性的绿化，例如带有防洪功能的公园、可发电的能量山等等。

可再生能源系统的建设也为当地居民提供了更多的就业机会，越来越多的居民投入到可再生能源相关的工作中，收入也相应提高，生活质量较以前有了很大改善（图13）。同时，良好的城市环境也吸引了部分很多私人企业在此投资，不仅可以提高区域的就业率，也能为当地政府带来税收，促进城市经济的发展，政府从而可以投入更多的资金用于城市建设和环境保护，形成一个“环境—经济—就业”的良性循环，实现地区的可持续发展。

图12 威廉斯堡能源供应的建设目标图

图13 能源系统相关工作岗位的增长情况

过去的威廉斯堡是汉堡市的一块“问题地带”，而现在威廉斯堡的居民已经不用担心洪水的威胁，生活环境的质量也有了明显提高，越来越多的人选择来这里生活，人口数量稳定增长。通过IBA在汉堡的这次实验，重新激发了威廉斯堡的城市活力。虽然现在威廉斯堡的建设中还存在很多的问题和挑战，但可以预见的是，通过建筑和规划领域新能源技术的发展，未来威廉斯堡将以一个环境友好的面貌展现在人们面前。

5 结语

德国的能源技术对于其他国家有着重要的指导和借鉴意义，汉堡国际建筑展在威廉斯堡的探索更是为未来城市能源系统的发展指出了一个新的方向。在建筑的可持续策略方面，通过材料创新减少建筑能耗，建造被动房，建筑使用可再生能源供能；在区域的可持续策略方面，建设了一个能源系统，整体地为区域提供能量，同时进行能量回收，减少能量损失，提高利用效率。汉堡国际建筑展能源策略的成功，不仅体现在威廉斯堡自然环境的改善，也体现在经济和社会发展的提升，以及其对居民生活的改变。

面对地球气候变化的严峻现状，寻找一个“可再生”的城市发展方式势在必行。但是“可再生”的概念并不只局限于能源系统，它应该是一个综合的概念，包括教育、就业、环境、可负担住房等多方面的努力。如何实现社会、经济、环境的可持续发展，仍需要国内外学者的继续研究与探索。

[1]李振宇,刘智伟.IBA新建内城住宅的设计启示——1984-1987年柏林国际建筑展回顾[J].建筑师, 2004(1):29-33.

[2]谢晶仁.德国新能源和可再生能源发展的若干思考[J].农业工程技术:新能源产业, 2011(5):6-9.

[3]Jan Gerbitz, Karla Muller, Katharina Jacob.IBA Hamburg GmbH, Hamburg Wilhelmsburg Implementation Plan,2014.12. [4]郑红.描绘未来城市新图景[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，南京工业大学建筑学院研究生。