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。學習本書不需要高深的自然科學和數(shù)學知識，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期的通識教育課的教學用書。

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，然后闡述與之相應的基本的科學原理，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)學院和四年制大學的學生讀物，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、可持續(xù)性社區(qū)發(fā)展、物理學和非技術(shù)類的學科等。由于本書采用案例教學方法，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科在過去的十年當中均已發(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)計的利弊進行了科學的闡述，并在每一章的結(jié)尾對相關(guān)的基本原理和重要觀點進行了總結(jié)，最后則設(shè)計了一些應用了數(shù)學概念的復習題和練習題。

【本書出版目的】

一直以來，很多人都認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)生深遠影響的。

目前，人類對氣候變暖、能源短缺、空氣和水污染的擔憂，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。

當今的技術(shù)進步使得我們能夠?qū)⒈緯�所�?gòu)建的基本原理補充得更為完美。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，到最新的、具有潛在革命性意義的光伏組件，到鯨魚鰭形狀的風力發(fā)電機渦輪葉片，到氣化處理工藝的進步，再到由風傾草（學名：柳枝稷）制成的纖維素乙醇——為本書補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會。因此，本書在倡導不同領(lǐng)域間進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，并強調(diào)這能夠提高居民的居住舒適度、增強居民的社區(qū)概念和有效地保護環(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，目的是為了引導讀者明晰這些建筑材料應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。在第二章的深入學習單元，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)。

全社會對風力發(fā)電的廣泛關(guān)注及其快速的增長使得本書將風力發(fā)電放在了僅次于太陽能的位置上（第八章）進行介紹，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——潮汐能和地熱能。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熱能的技術(shù)，可作為許多在新能源技術(shù)新起點領(lǐng)域進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，有助于學生及廣大讀者的學習。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)所學到的知識。這些特色包括：

-全彩和視覺強化設(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。

-深入學習單元。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、被動式年度熱量存儲（第四章），空氣動力學升力的應用、洋流發(fā)電（第八章），早期的水車（第九章），用于交通運輸?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�；�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)最后的復習題和練習題，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），明尼蘇達大學莫里斯分校（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)末尾的復習題。鼓勵讀者整合和吸收章節(jié)學習中的概念。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想或者個人觀點進行評估。廣大師生可在課堂上圍繞部分復習題進行激烈的討論。

-章節(jié)末尾的練習題。這些練習題可強化讀者對書中相關(guān)知識的定量、定性理解。這些練習題可作為讀者的家庭作業(yè)、團隊的合作項目或者小測驗。練習題的難度各有不同，讀者需要將所學知識與基本的代數(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，這些人的無私貢獻和無上熱情為本書的完成做出了很大的貢獻和犧牲。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

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

斯科特·格林內(nèi)爾（Scott Grinnell）