前言

這是一本介紹可再生能源與綠色建筑設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，僅需一些基本的代數(shù)知識(shí)即可，因此本書可以作為高中或者高等院校一個(gè)學(xué)期的通識(shí)教育課的教學(xué)用書。

本書首先概述了綠色建筑的實(shí)踐歷程，重點(diǎn)介紹了綠色建筑的設(shè)計(jì)原則、所采用的材料和具體設(shè)計(jì)方法等。將這幾個(gè)要素結(jié)合起來(lái)，就能夠?yàn)閭�(gè)人或者社區(qū)的建筑提供舒適的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)了六個(gè)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(jiǎn)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(píng)價(jià)每一種可再生能源的優(yōu)勢(shì)和局限性，并評(píng)估它們對(duì)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(jì)，同時(shí)促使人們對(duì)未來(lái)的氣候變化和能源來(lái)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(ài)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(shí)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(lì)讀者重新思考一些問(wèn)題，也有利于今后他們面對(duì)此類課題時(shí)能做出更加明智的決策。

可再生能源和建筑學(xué)科在過(guò)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(wèn)題。本書在盡量避免涉及過(guò)多的、過(guò)于復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)可再生能源系統(tǒng)和建筑設(shè)計(jì)的利弊進(jìn)行了科學(xué)的闡述，并在每一章的結(jié)尾對(duì)相關(guān)的基本原理和重要觀點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，最后則設(shè)計(jì)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(lái)，很多人都認(rèn)為人類的活動(dòng)與大自然的活動(dòng)相比實(shí)在渺小，對(duì)地球的影響也不是那么重要，但是現(xiàn)在看來(lái)，人類的活動(dòng)卻是能夠?qū)Φ厍虍a(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的。

目前，人類對(duì)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(duì)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(gè)全球范圍內(nèi)的可持續(xù)性發(fā)展的社會(huì)提供一個(gè)良性平臺(tái)。本書還盡可能地利用實(shí)際生活中的案例展開研究，為每個(gè)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(jì)并促使他們將之轉(zhuǎn)化成實(shí)踐行動(dòng)。本書的最終目的是向大家傳達(dá)這樣一個(gè)對(duì)未來(lái)充滿希望的觀點(diǎn)，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(yáng)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(jià)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(huì)。因此，本書在倡導(dǎo)不同領(lǐng)域間進(jìn)行討論和對(duì)話的基礎(chǔ)上，又引出了很多問(wèn)題，也提出了一些根據(jù)個(gè)人興趣可進(jìn)一步深入研究的觀點(diǎn)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(píng)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(shí)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(lái)比較不同材料的隔熱性能并評(píng)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(gè)基于R值的熱量轉(zhuǎn)移公式來(lái)對(duì)建筑物的熱量轉(zhuǎn)移進(jìn)行評(píng)估。

第三章主要介紹了通過(guò)被動(dòng)式太陽(yáng)能設(shè)計(jì)來(lái)建造一個(gè)舒適、節(jié)能的建筑結(jié)構(gòu)，即借助于可預(yù)測(cè)的太陽(yáng)活動(dòng)，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(shí)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(jué)更加自然的生活空間。

第五章可讓我們對(duì)能源有個(gè)基本的了解。首先，本章闡述了太陽(yáng)能是地球上幾乎所有能量的源頭的理論，然后對(duì)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(shí)，最后討論了太陽(yáng)能資源。第五章為介紹太陽(yáng)能熱水（第六章）和太陽(yáng)能發(fā)電（第七章）打下了基礎(chǔ)。

全社會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的廣泛關(guān)注及其快速的增長(zhǎng)使得本書將風(fēng)力發(fā)電放在了僅次于太陽(yáng)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(dòng)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(yáng)能派生出來(lái)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(lái)的通過(guò)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(diǎn)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(gè)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(lì)讀者消化吸收先前章節(jié)所學(xué)到的知識(shí)。這些特色包括：

-全彩和視覺(jué)強(qiáng)化設(shè)計(jì)。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(duì)有關(guān)知識(shí)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(jì)算（第二章），大地之舟哲學(xué)、被動(dòng)式年度熱量存儲(chǔ)（第四章），空氣動(dòng)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(gè)商用潮汐發(fā)電廠、地源熱泵（第十一章）。

-例題�；�于書中方程式和現(xiàn)實(shí)中案例，向讀者介紹數(shù)值計(jì)算方法。這些例題示范了很有價(jià)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(shí)生活中。

-調(diào)查現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問(wèn)題和證實(shí)本文觀點(diǎn)的案例研究。例如：印第安庫(kù)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(dòng)式太陽(yáng)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(dú)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(lì)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(wèn)題，且許多問(wèn)題都是開放式的；鼓勵(lì)讀者對(duì)人類歷史上的一些預(yù)想或者個(gè)人觀點(diǎn)進(jìn)行評(píng)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(duì)書中相關(guān)知識(shí)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(duì)的合作項(xiàng)目或者小測(cè)驗(yàn)。練習(xí)題的難度各有不同，讀者需要將所學(xué)知識(shí)與基本的代數(shù)技能結(jié)合起來(lái)加以解決。

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

盡管本書主要論述發(fā)生在美國(guó)的一些實(shí)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(guò)對(duì)一些國(guó)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(jià)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(wú)私貢獻(xiàn)和無(wú)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）