1973年和1979年的两次全球能源危机，促使有识之⼠意识到建筑产业需要⾛上可持续发展的道路，上世纪80年代可持续建筑应运⽽⽣。⽬前⼈类社会依旧以化⽯燃料作为主要的能源消耗，能源资源短缺和环境⽇益破坏将是⼈类在21世纪⾯临的两⼤挑战。 ⾃1973年起，德国便开始逐渐重视建筑可持续发展⼯作。1977年，德国政府出台了⾸部关于建筑节能的相关法案—《保温条例》。法案对新建筑物的隔热、通风、空调、供暖以及能源系统等做出相关规定。1999年，德国政府实施⽣态税改⾰，⼀⽅⾯提⾼化⽯能源价格另⼀⽅⾯⼤⼒发展可再⽣能源，并且推出⼀系列市场财税激励计划。2002年，德国政府颁布实施了《能源节约条例》，逐步建⽴了建筑的能源认证证书系统。肉食加工
2013年，德国《节能法》发布施⾏，要求新的公共建筑要从2019年开始达到近零能耗标准的规定。近零能耗建筑是指建筑物节能性能较⾼，⼤部分的能源消耗来⾃建筑⾃⾝⽣产的可再⽣能源，其强调利⽤建筑的被动式设计⼿法与主动式技术策略，极⼤程度降低建筑有关制冷供暖的能源需求量，达到建筑能耗⽬标值的降低。从2021年起，德国和欧洲其他地区将强制性执⾏零能耗建筑标准，新建建筑必须利⽤可再⽣能源来达到近零能耗建筑标准。相应的，德国可再⽣能源产业也在不断发展完善，2012年德国光伏太阳能利⽤量占能源总消耗量的1.5，⽣物质能占有可再⽣能源超过8%的份额。
节能技术作为实现绿⾊建筑的有效途径，能够最⼤程度提升化⽯能源使⽤效率，⼤规模推⼴可再⽣能源应⽤，使得绿⾊建筑从⽤能单元变成产能基地。正如《第三次⼯业⾰命》书中所畅想的未来世界能源转型全球每⼀栋建筑都将转换为⼩型能源，收集利⽤适合当地的可再⽣能源单栋建筑或者城市中的基础公共设施利⽤新型蓄能技术，储存可再⽣能源151。在建筑物迈向近零能耗的⽅向上，绿⾊建筑发展将从单⼀的节能技术逐步拓展到产能技术，做到节能、产能、蓄能相互协调统⼀，这是未来绿⾊建筑以及区域能源系统的发展⽅向。展览会。2007年，德国提出产能型建筑研究计划，研究不同技术的产能建筑建设标准与相应技。2010年，德国斯图加特Leonberg产能别墅建成，建筑利⽤太阳能发电发热技术，产⽣的电量能远⼤于建筑物的总能源需求，每年发电余量达到11054kw / h，除了满⾜业主的电动汽车充电外，剩余发电量通过智能管理⽹络并⼊国家电⽹（2011年，由德国政府资助的第⼀个产能型建筑试点项⽬在柏林完⼯，试验了不同节能技术和相应的产能与能源监测系统。2013年，德国BIQ⽣物智能住皂楼旧to IntelligentQuotient，以下简称BIQ住皂楼正式建成，坐落在汉堡I BA实验区，是德国节能、产能与蓄能⼀体化的建筑典范。 1-BIQ住宅楼
德国节能、产能与蓄能⼀体化建筑典范
20世纪80年代以来，绿⾊建筑从节能到产能发展的理论与实践不断完善，在不排斥使⽤电⽹供电情况
下，⼤⼒提倡使⽤本地区丰富的可再⽣能源”' 0 1990年，德国弗莱堡市(Freiburg )沃邦( Vauban)社区建成，社区内约170个被动式节能房屋和70个产能输出房屋，利⽤太阳能来供热供电成为该区⼤多数居民的建房准则lal。沃邦社区是第⼀次将被动式建筑节能技术及太阳能光伏发电技术相结合，社区产⽣的多余电量被并⼊国家电⽹。2000年，弗莱堡市开展了全世界规模最⼤、影响⼒最⼴泛的太阳能技术。
1.1
德国汉堡IBA试验区
探索解决⽓候、社会与环境问题
I BA组织创建于1901年，⾄今已有百年历史，是德国经验最丰富的建设机构之⼀—国际建筑( Internationale Bauausstellun)的简称。截⾄⽬前，其在柏林、汉堡、斯图加特等地区完成了多个建筑、景观以及规划项⽬组织在⼀定的时间范围内，研究城市⽣活的各个维度，展⽰新的⽣活⽅式和城市理念，关注解决当前社会、经济、⽣态和⽂化问题。
汉堡I BA实验区是近⼗年来I BA组织正在开展的城市规划项⽬。实验区的核⼼概念是融合不同⽂化背景的⼈居住在⼀起，合理⽽健康地促进城市发展。实验区包括国际化、⼤都市和应对⽓候变化3类主
题区域截⾄2013年有超过70个建成项⽬(图1 ) ，其规划内容包括新建单元住宅1200个多项社会公共服务设施包括8所教育机构，3所托⼉所，2所养⽼院，3座体育场和1座学⽣宿舍新开放公园与港⼝⾯积建设⾯积71.5hmz新建⽔道长度2.7km国际花园展总投资超过1250亿欧元。
位于应对⽓候变化主题区威廉斯堡( Wllhelmsburg)中⼼区的11栋建筑被称作“建筑展中的建筑展”。这11个实验性项⽬分别对应⽔上智能、智慧建材、绿⾊⽣态和多功能混合等建筑，是试验解决能源短缺、⼟地利⽤不⾜、极端⽓候变化、⽔平⾯上升等问题的创新建筑。展⽰会结束后，这11栋建筑被⽤来为130户⼈家提供住房和办公功能。
1.2
压花牛皮BIQ住宅楼
磁卡复制世界上第⼀个以藻类为动⼒的绿⾊建筑
BIQ住宅楼坐落在汉堡旧A威廉斯堡中⼼区，是11栋实验性建筑之⼀。它是世界⾸个在住宅楼外墙⾯使⽤⽣物反应技术利⽤⽣物质能、以藻类为动⼒的绿⾊建筑(图2)，是⼀座将适应性结构设计与智能发电技术和建筑材料相结合的建筑典范。
BIQ住皂楼于2011年12⽉开始建造，2013年3⽉建设完成，占地⾯积约840m2，总建筑⾯积约1600m2，
建筑层数为5层包括4层标准层与屋顶层，住皂数量15个，住皂单元尺⼨在48⼀122m2之间，总造价约500万欧元(表1)。其依照⽣物被动式房屋标准制造，已荣获2013年创意之地⽐赛、2013年德国法莎登特别奖三等奖、2014年应⽤创新类中集团奖等多个奖项。
2、BIQ住宅楼节能策略
应力应变测试>影响力评估灵活多变的被动式设计策略
建筑通常使⽤设备进⾏主动节能，⽽BIQ住宅楼有⼀系列被动节能设计策略，包括使⽤⾼性能节能外墙、⾼性能环氧树脂材料内墙，朝向太阳⾯通过⽣物反应⾥⾯来遮阳采光，采⽤正⽅体形态减⼩建筑形体系数，紧凑灵活的平⾯布置等。其中基于设计⾓度⽽⾔，紧凑灵活的平⾯布置是⼀种简单⾼效的节能措施，值得我们研究与借鉴。
BIQ住皂楼包括1个复式住皂和14个单元住皂，主⼊⼝开在建筑北⾯，⼀楼设有多功能厅和建筑服务区，多功能厅有直接对外的⼊⼝，⽅便住户使⽤，建筑服务区主要⽤于管理BIQ住皂楼能源系统。住宅平⾯布局考虑了特殊的室内设计理念充分考虑紧凑布置与灵活可变的特点，⼀⽅⾯紧凑布置可以使得建筑能源消耗减少，提⾼整个建筑的保温性能另⼀⽅⾯灵活可变，可以适⽤于不同业主使⽤，在后期减少不必要的建筑物维修，以实现节能(图3)。
从平⾯布局来看，BIQ住宅楼的单个房间没有明确的功能分配，在有需要时房间可以胜任不同的功能。房间没有连接在⼀起或者交错，但是会预留功能接近的中性区域。通过这种流动性的功能平⾯布局，依靠居民的⾃⾝⾏为决定房间内部的功能布置。公寓房间内都使⽤功能集成墙，各种功能内置家具都被隐藏在墙壁中，极⼤节约了平⾯家具空间。
3、BIQ住宅楼产能策略
⾼效可控的⽣物反应⽴⾯
建筑领域常⽤的产能策略包括地源热泵技术、光伏发电和风⼒发电技术。地源热泵技术需要较多的⼟地资源，⾃⾝造价较⾼，维护不⽅便光伏发电技术在建筑层⾯的利⽤对于所在区域太阳辐射量有很⾼的要求，并且可利⽤范围有限，在⾥⾯使⽤时不利于建筑的采光风⼒发电技术对于风环境有较⼤需求，并且⽬前在建筑领域应⽤的技术尚不成熟。
BIQ住宅楼产能策略则是通过利⽤⽣物反应⽴⾯来提供能源。住宅楼朝向阳光东⽴⾯与南⽴⾯称为⽣物反应⾥⾯，⽤于⽣产⽣物质和热能。⽣物反应⾥⾯是双层⽴⾯，第⼀层由充满微藻的⽣物反应器组成，第⼆层由⽯膏隔热板组成。第⼀层⾥⾯不仅是建筑外⽴⾯装饰结构，也是⼀种可以产⽣能量控制光线遮阳的⽣物表⽪。BIQ住宅楼的⽣物反应⾥⾯是⼀种智能、动态、⾼效的⽴⾯，兼顾遮阳与采光需求，针对不断变化的外部环境，例如变化的温度或照射在建筑材料上的阳光，作出反应并适应。⽣
物反应⾥⾯不仅可以产⽣能源，⽽且微藻的光合作⽤可以吸收⼆氧化碳产⽣氧⽓，减少建筑物整个全⽣命周期的碳排放。
3.1微藻⽣物反应技术
微藻⽣物反应技术将光能转化为⾼品质的⽣物质和热能，可以现场储存，已经完全融⼊德国被动房标准建筑的能源理
微藻⽣物反应技术将光能转化为⾼品质的⽣物质和热能，可以现场储存，已经完全融⼊德国被动房标准建筑的能源理念。现阶段光伏发电的能量转换效率约12%⼀15%，太阳能光热能量转换效率约60%⼀65，微藻⽣物反应技术发电能量转换效率约10%，产热能量转换效率约38 % 。将太阳能转化⽣物质能通过微⽣物藻类(常⽤绿藻)以⽣物化学⽅式进⾏，微藻类利⽤太阳光进⾏光合作⽤，⼆氧化碳被分解产⽣氧⽓和⽣物质，转化效率⽐其他植物更⾼。微藻每天可以分解两次，使⽣物量翻两番。微藻的⽣物量是⼀种能量来源，1克⼲⽣物质含有约23⼀27kJ的能量。同时，⽣物质也是化妆品和药品或饲料和⾷品补充剂的原料。研究表明，如果全部废⽓都可被排⼊微藻培养物中，全球变暖潜⼒值会降低近28%，⼆氧化碳的减排效果⾮常显著。微藻⽣物反应技术挖掘了⽣物质能在建筑设计领域的运⽤潜⼒。
3.2
⽣物反应⽴⾯功能与构造
⽣物反应⾥⾯由129个安装在钢架上的半透明中空玻璃板组成(图4)，单个中空玻璃板被称为⽣物反应器，每个⽣物反应器尺⼨为宽度70cm、⾼度270cm、厚度8cm。上⾯上的⽣物反应器分组排列相互连接形成集电路。所需的供应管线和排放管线沿着每⼀组的边缘延伸，或者集成在外壁和⽣物反应器之间30cm宽的缝隙中(图5)。为了最⾼效地利⽤太阳光线，⽣物反应器外墙正⾯使⽤不反光的⽩⾊玻璃，其玻璃元件安装在可旋转的垂直轴上，可以跟踪太阳⾓度旋转。在BIQ住宅中，每32个⽣物反应器会通过同⼀个封闭⽔路连接⾄中央技术室。
单个⽣物反应器内充满了⽔(24升)、微藻(绿藻)和藻类繁殖所需的培养基。⼆氧化碳作为⼀种营养物质被植⼊⽣物反应器的培养基中，⽣长中的微藻将其转化为⽣物质。在单个⽣物反应器中，下端的超压空⽓⾯板将空⽓引⼊反应器中，在培养基内部形成⽓泡，由⽓泡上升引起的湍流刺激藻类吸收⼆氧化碳和光。同时，藻类与⽔混合物由于其快速移动⽽不断冲洗⾯板的内表⾯，达到⾃我清洁的作⽤。在光合作⽤下，⽣物反应器中的藻类不断繁殖，形成藻类⽣物质的厚桨，最终会被送到BIQ内部的中央技术室进⾏收获，并运输到外部沼⽓⼯⼚⽤于⽣产沼⽓(图6)。⽣物反应器效率⾼，维护需求低，所有的管道，例如供应空⽓以及藻类⽔溶液的流⼊和流出，都集成在⽣物反应⾥⾯的底层和侧⾯结构中。微藻在⽣物反应⾥⾯中的培植不需要额外的⼟地且不受⽓候影响。
3.3
⽣物反应⽴⾯能效指标
内翅片管式换热器BIQ住宅楼⽣物反应⾥⾯有着⾼效的能源指标(表2)。200m2集成⽣物反应⾥⾯每年(以300天计算)提供能源10500kW / h，其中包括4500kW / h电能和6000kW / h热能，多于家庭平均年⽤电量3500kW / h。单由⽣物反应⽴⾯提供的热能可以满⾜四个公寓的需求，BIQ住宅楼每年可以减少2.5吨⼆氧化碳排放。以尚德电⼒有限公司单晶硅6英⼨光伏产品来对⽐，产品尺⼨为宽度992mm，⾼度1650mm，厚度35mm，发电功率为290W，光电转换效率为17%，以每天有限太阳光照时间6⼩时计算，200w太阳能光电板每年(以300天计算)可提供能源10800kW "/h。从提供的可再⽣能源量来
看，BIQ住皂楼的⽣物反应⾥⾯与⽆锡尚德太阳能电⼒有限公司太阳能光伏产品基本⼀致，但是传统的单晶硅太阳能光伏产品不透光，只能⽤于屋顶或者其他建筑物不需要采光的地⽅，如果是可透光的太阳能光伏⽴⾯，其发电效率将进⼀步降低，⽽BIQ住皂楼⽣物反应⾥⾯本⾝可以透光，可推⼴性更强。
4、BIQ住宅楼蓄能策略
全⾯系统的能源管理
BIQ住宅楼蓄能策略是将太阳能、地热能以及⽣物反应器外墙⽣物质能的⽣产汇集在⼀个循环中系统
中如果产⽣的能量超过需求量，BIQ分利⽤可再⽣能源，减少⼆氧化碳的排放，与⽴⾯综合设计同时具备隔⾳、隔热、防寒保温以及动态遮阳等功能，可以在我国绿⾊建筑上推⼴利⽤在蓄能策略上，BIQ住皂楼通过建筑物管理系统全⾯协调能源系统，将建筑产⽣的多余能量通过地下缓存交换器进⾏储存或送⼊区域供热供电⽹络中。
借鉴BIQ住宅楼⽣物全⾯的能源系统与先进的绿⾊理念，对于推动我国绿⾊建筑节能减碳事业的发展有重要意义。同时，要适应当地条件、结合地⽅特点与⽓候环境来使⽤新理念与技术，才能实现建筑的绿⾊节能。住宅楼可以暂时将能量存储以备后⽤，或将其送⼊当地供热供电⽹络。
BIQ住宅楼有全⾯的能源概念，在保持化⽯燃料不变的情况下充分利⽤可再⽣能源发电和供热，⽣物反应⾥⾯中微藻将光能转化为⽣物质和热能。⽣物质被运输到沼⽓⼚形成甲烷，并最终以热能和电能的形式返回建筑中使⽤，效率达到80(图7)，微藻所需的⼆氧化碳由燃料电池产⽣。此外，外墙通过吸收未被藻类利⽤的光线来⽤于住宅热⽔和加热需
80(图7)，微藻所需的⼆氧化碳由燃料电池产⽣。此外，外墙通过吸收未被藻类利⽤的光线来⽤于住宅热⽔和加热需求，或者将热量通过能量中⼼分离，储存在地下缓存交换器(充满盐⽔80m深的洞)或送⼊区域供热⽹络中。
BIQ住宅建筑物管理系统是其所有能源管理与分配的中⼼，能管理所有⽣物反应器，包括控制藻类细
胞密度和培养基中的温度，转换和分配不同类型的能源，确保不同类型和电流的能源在⼀起⼯作。
结论
德国BIQ住宅楼的成功表明在建筑物迈向近零能耗的⽅向上，绿⾊建筑发展将从单⼀节能技术逐步拓展到产能技术，做到节能、产能、蓄能相互协调统⼀，展⽰了在城市发展中如何在建筑层⾯运⽤新型能源利⽤⽅式降低环境污染。
在节能⽅⾯，BIQ住宅楼有⼀系列被动式节能策略，包括使⽤⾼性能节能外墙、减⼩建筑形体系数、紧凑灵活的平⾯布置等，⽽紧凑灵活的平⾯布置作为⼀种低级⾼效的措施值得我们当代建筑师借鉴。在产能⽅⾯，BIQ住宅楼所利⽤的微藻⽣物反应技术有⾼效的能源转化效率，能充分利⽤可再⽣能源，减少⼆氧化碳的排放，与⽴⾯综合设计同时具备隔⾳、隔热、防寒保温以及动态遮阳等功能，可以在我国绿⾊建筑上推⼴利⽤在蓄能策略上，BIQ住宅楼通过建筑物管理系统全⾯协调能源系统，将建筑产⽣的多余能量通过地下缓存交换器进⾏储存或送⼊区域供热供电⽹络中。
借鉴BIQ住宅楼⽣物全⾯的能源系统与先进的绿⾊理念，对于推动我国绿⾊建筑节能减碳事业的发展有重要意义。同时，要适应当地条件、结合地⽅特点与⽓候环境来使⽤新理念与技术，才能实现建筑的绿⾊节能。
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