前言

這是一本介紹可再生能源與綠色建筑設(shè)計的書籍，它可以幫助讀者了解常見的可再生能源類型，以及綠色建筑的設(shè)計方法和建造原理。學(xué)習(xí)本書不需要高深的自然科學(xué)和數(shù)學(xué)知識，僅需一些基本的代數(shù)知識即可，因此本書可以作為高中或者高等院校一個學(xué)期的通識教育課的教學(xué)用書。

本書首先概述了綠色建筑的實踐歷程，重點介紹了綠色建筑的設(shè)計原則、所采用的材料和具體設(shè)計方法等。將這幾個要素結(jié)合起來，就能夠為個人或者社區(qū)的建筑提供舒適的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而使人們的生活更加健康和充滿活力。其次，本書介紹了諸多能源及支配其應(yīng)用的自然法則，以及常規(guī)的發(fā)電模式和一些常見的可再生能源類型。然后，本書在“可再生能源”領(lǐng)域設(shè)計了六個章節(jié)的主題內(nèi)容，每一章都介紹了一種類型的可再生能源。每一章開頭都簡要介紹這些可再生能源的歷史背景，然后闡述與之相應(yīng)的基本的科學(xué)原理，以及人類利用其發(fā)電的技術(shù)現(xiàn)狀，最后客觀地評價每一種可再生能源的優(yōu)勢和局限性，并評估它們對環(huán)境的影響。

為了使我們?nèi)粘５纳�活方式和所居住的建筑物能夠完美地融合在一起，我們需要將可再生能源和綠色建筑進(jìn)行融合設(shè)計，同時促使人們對未來的氣候變化和能源來源的不穩(wěn)定因素產(chǎn)生足夠的重視。由于本書的主題和很多讀者的日常生活密切相關(guān)，本書采用科普性的闡述方式，以激發(fā)具有不同背景和興趣愛好的讀者的閱讀興趣。本書適合作為高中、社區(qū)學(xué)院和四年制大學(xué)的學(xué)生讀物，也可作為如下一些專業(yè)讀者的通識課程教材：環(huán)境科學(xué)、可持續(xù)性社區(qū)發(fā)展、物理學(xué)和非技術(shù)類的學(xué)科等。由于本書采用案例教學(xué)方法，通俗易懂、開放性好、拓展性高，能夠激勵讀者重新思考一些問題，也有利于今后他們面對此類課題時能做出更加明智的決策。

可再生能源和建筑學(xué)科在過去的十年當(dāng)中均已發(fā)生了巨大的變化，而且今后也將面臨諸多發(fā)展問題。本書在盡量避免涉及過多的、過于復(fù)雜的專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，對可再生能源系統(tǒng)和建筑設(shè)計的利弊進(jìn)行了科學(xué)的闡述，并在每一章的結(jié)尾對相關(guān)的基本原理和重要觀點進(jìn)行了總結(jié)，最后則設(shè)計了一些應(yīng)用了數(shù)學(xué)概念的復(fù)習(xí)題和練習(xí)題。

【本書出版目的】

一直以來，很多人都認(rèn)為人類的活動與大自然的活動相比實在渺小，對地球的影響也不是那么重要，但是現(xiàn)在看來，人類的活動卻是能夠?qū)Φ厍虍a(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的。

目前，人類對氣候變暖、能源短缺、空氣和水污染的擔(dān)憂，以及一系列環(huán)境與人類健康隱患的顧慮正在迅速增加。本書致力于強(qiáng)調(diào)這些因素對人類住所和能源供給的基本影響，也希望為研究如何建立一個全球范圍內(nèi)的可持續(xù)性發(fā)展的社會提供一個良性平臺。本書還盡可能地利用實際生活中的案例展開研究，為每個人提供一些相關(guān)信息及相關(guān)方案，這樣將更有利于讀者理解相關(guān)信息，也有利于他們開展方案設(shè)計并促使他們將之轉(zhuǎn)化成實踐行動。本書的最終目的是向大家傳達(dá)這樣一個對未來充滿希望的觀點，即這些方案可以有效地解決全球所關(guān)心的難題。

當(dāng)今的技術(shù)進(jìn)步使得我們能夠?qū)⒈緯�所�?gòu)建的基本原理補(bǔ)充得更為完美。新興技術(shù)——從革命性的建筑新材料到太陽能熱水系統(tǒng)的改進(jìn)，到最新的、具有潛在革命性意義的光伏組件，到鯨魚鰭形狀的風(fēng)力發(fā)電機(jī)渦輪葉片，到氣化處理工藝的進(jìn)步，再到由風(fēng)傾草（學(xué)名：柳枝稷）制成的纖維素乙醇——為本書補(bǔ)充了很多有價值的內(nèi)容，并為廣大讀者提供了可以更深入討論的機(jī)會。因此，本書在倡導(dǎo)不同領(lǐng)域間進(jìn)行討論和對話的基礎(chǔ)上，又引出了很多問題，也提出了一些根據(jù)個人興趣可進(jìn)一步深入研究的觀點和看法。

【本書組織結(jié)構(gòu)】

第一章介紹了綠色建筑的六大原則，并將其作為建造高效、健康建筑的指南，并強(qiáng)調(diào)這能夠提高居民的居住舒適度、增強(qiáng)居民的社區(qū)概念和有效地保護(hù)環(huán)境。

第二章討論了一般性的建筑材料，比較了可用于建造綠色建筑的各種能源和資源，評估了各種建筑材料的毒性，以及其他的一些因素，目的是為了引導(dǎo)讀者明晰這些建筑材料應(yīng)用于不同建筑物時的優(yōu)劣性、有何限制和整體的適合程度。第二章也闡述了一些熱量轉(zhuǎn)移的傳輸原理，并且應(yīng)用這些原理來比較不同材料的隔熱性能并評估了它們的能源效率。在第二章的深入學(xué)習(xí)單元，我們使用了一個基于R值的熱量轉(zhuǎn)移公式來對建筑物的熱量轉(zhuǎn)移進(jìn)行評估。

第三章主要介紹了通過被動式太陽能設(shè)計來建造一個舒適、節(jié)能的建筑結(jié)構(gòu)，即借助于可預(yù)測的太陽活動，從自然界獲取能源為建筑物加熱或降溫。

第四章主要在替代性建筑物領(lǐng)域講解了多樣的建筑技術(shù)，同時也介紹了融合傳統(tǒng)技術(shù)和最新技術(shù)創(chuàng)建的讓人感覺更加自然的生活空間。

第五章可讓我們對能源有個基本的了解。首先，本章闡述了太陽能是地球上幾乎所有能量的源頭的理論，然后對化石燃料和可再生能源進(jìn)行了綜述，接著介紹了一些重要的電力基礎(chǔ)知識，最后討論了太陽能資源。第五章為介紹太陽能熱水（第六章）和太陽能發(fā)電（第七章）打下了基礎(chǔ)。

全社會對風(fēng)力發(fā)電的廣泛關(guān)注及其快速的增長使得本書將風(fēng)力發(fā)電放在了僅次于太陽能的位置上（第八章）進(jìn)行介紹，然后才在第九章介紹了水力發(fā)電。第十章則研究了從生物質(zhì)中獲取有用能源的各種不同方法，其中生物質(zhì)包含了從農(nóng)業(yè)和林業(yè)中得到的廢棄物、動物糞便、油料作物、城市固體廢棄物和沼氣等。第十一章則概述了兩種非太陽能派生出來的可再生能源——潮汐能和地?zé)崮�。其中，這些年興起的從石油化工行業(yè)中衍生出來的通過水力壓裂法獲得低溫地?zé)崮艿募夹g(shù)，可作為許多在新能源技術(shù)新起點領(lǐng)域進(jìn)行深入研究并獲得成功的典型案例之一。

【本書特色】

本書的十一個章節(jié)中每一章都各具特色，有助于學(xué)生及廣大讀者的學(xué)習(xí)。這些特色拓展了本書的內(nèi)容，探索了相互關(guān)聯(lián)的一些主題，鼓勵讀者消化吸收先前章節(jié)所學(xué)到的知識。這些特色包括：

-全彩和視覺強(qiáng)化設(shè)計。能夠吸引讀者的注意力，增加了和文字描述的關(guān)聯(lián)度，利于讀者對有關(guān)知識的理解與把握。書中插圖系英文原書插圖。

-深入學(xué)習(xí)單元。拓展了本書正文中闡述的內(nèi)容，為那些想深入探討該主題的讀者提供了更詳細(xì)的內(nèi)容。例如：熱量轉(zhuǎn)移的數(shù)值計算（第二章），大地之舟哲學(xué)、被動式年度熱量存儲（第四章），空氣動力學(xué)升力的應(yīng)用、洋流發(fā)電（第八章），早期的水車（第九章），用于交通運(yùn)輸?shù)囊掖迹ǖ谑�章），兩種日常的潮汐現(xiàn)象、世界上第一個商用潮汐發(fā)電廠、地源熱泵（第十一章）。

-例題。基于書中方程式和現(xiàn)實中案例，向讀者介紹數(shù)值計算方法。這些例題示范了很有價值的解題技巧，有助于讀者解答每一章節(jié)最后的復(fù)習(xí)題和練習(xí)題，也有利于讀者將相關(guān)思維引申到現(xiàn)實生活中。

-調(diào)查現(xiàn)實生活中的實際問題和證實本文觀點的案例研究。例如：印第安庫納人（第一章），構(gòu)件式建筑物、使用結(jié)構(gòu)化隔熱鑲板的木構(gòu)架建筑物、隔熱混凝土泡沫建筑物（第二章），被動式太陽能建筑物、高品位建筑物（第三章），夯土輪胎建筑物、禾捆基木構(gòu)架建筑物（第四章），威斯康星小屋（第六章），家用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)、凈電能為零的建筑物并網(wǎng)系統(tǒng)、獨立家用光伏系統(tǒng)、節(jié)約能源（第七章），明尼蘇達(dá)大學(xué)莫里斯分校（第八章），霍爾登村水電設(shè)施、離網(wǎng)微水電系統(tǒng)（第九章）。

-章節(jié)末尾的復(fù)習(xí)題。鼓勵讀者整合和吸收章節(jié)學(xué)習(xí)中的概念。具體而言，要求讀者討論章節(jié)中的部分問題，且許多問題都是開放式的；鼓勵讀者對人類歷史上的一些預(yù)想或者個人觀點進(jìn)行評估。廣大師生可在課堂上圍繞部分復(fù)習(xí)題進(jìn)行激烈的討論。

-章節(jié)末尾的練習(xí)題。這些練習(xí)題可強(qiáng)化讀者對書中相關(guān)知識的定量、定性理解。這些練習(xí)題可作為讀者的家庭作業(yè)、團(tuán)隊的合作項目或者小測驗。練習(xí)題的難度各有不同，讀者需要將所學(xué)知識與基本的代數(shù)技能結(jié)合起來加以解決。

-綜合性的術(shù)語表。這里匯總了關(guān)鍵性的詞語和概念。在本書中，重要的術(shù)語用彩色字體來呈現(xiàn)。

盡管本書主要論述發(fā)生在美國的一些實際應(yīng)用案例［采用的單位有英尺（ft）、加侖（gal）、英制熱單位（Btu）和華氏溫度（℉）等］，但是通過對一些國際研究和案例的引用，也使本書內(nèi)容具有了很高的全球通用價值。

【鳴謝】

特別感謝那些為本書提供寶貴意見和建議以及圖片的人們。他們當(dāng)中的很多人都在為追求滿意、舒適和可持續(xù)性的生活方式而努力多年，這些人的無私貢獻(xiàn)和無上熱情為本書的完成做出了很大的貢獻(xiàn)和犧牲。在此特別感謝如下為本書案例提供寶貴信息和圖片的人：

約翰·坎農(nóng)

克里斯·杜克

奧特姆·凱利

杰夫·梅爾丁克

邁克爾·佩頓和朱迪絲·佩頓

洛厄爾·拉斯馬森

戴夫·塔格特

阿爾塔·蒂爾內(nèi)

杰里·昂魯和迪亞娜·昂魯

布倫特·維爾斯馬和艾米·維爾斯馬

特別感謝圣智學(xué)習(xí)出版公司的珍妮弗·斯塔爾，他也是本書內(nèi)容的開發(fā)者，感謝圣智學(xué)習(xí)出版公司的產(chǎn)品經(jīng)理妮科爾·斯圭利亞，是他們促進(jìn)了本書的出版發(fā)行。

斯科特·格林內(nèi)爾（Scott Grinnell）