开发一个完美的节能建筑相对容易——如果你不给建筑的居住者任何控制他们的环境的权利。由于没有人想要这样的建筑,克里斯托弗·莱因哈特教授把他的职业生涯集中在寻找使建筑更节能的方法,同时考虑到用户的需求。
“在建筑设计的这一点上,最大的不确定性来自于用户行为,”莱因哈特说,他是麻省理工学院建筑系可持续设计实验室的负责人。“一旦你理解了热流,你就会知道从一个空间吸收或增加多少热量,这是一门非常精确的科学。”
莱因哈特学的是物理学,他转到建筑学是因为他想应用他学到的科学概念,使建筑更舒适,更节能。如今,他在国际上因其在建筑师们所说的“采光”(利用自然光照亮建筑内部)和城市环境建筑性能分析方面的工作而闻名。来自他实验室的设计工具被90多个国家的建筑师和城市规划者所使用。
可持续设计实验室的工作还催生了两家分拆出来的公司:Mapdwell,为安装太阳能电池板提供个性化的成本效益分析;Solemma提供环境分析工具,如高度优化的采光和能源建模软件组件DIVA-for-Rhino。莱因哈特是Mapdwell的联合创始人和战略发展顾问,也是Solemma的首席执行官。
在这一切中,物理学一直是一个中心支柱。莱因哈特说:“我们实验室发展的一切都首先基于物理学。”莱因哈特在德国弗赖堡的Albert ludwig Universität和加拿大温哥华的西蒙弗雷泽大学获得了物理学硕士学位。
通知设计
莱因哈特是一名终生的环保主义者,他说他研究建筑的灵感部分来自于弗劳恩霍夫太阳能系统研究所的工作,该研究所于20世纪90年代初在弗赖堡建造了一座完全自给自足的太阳能住宅。
莱因哈特说,在完成他的硕士论文时,他还读了一篇文章,文章认为,在建筑师选择太阳能系统时,颜色等特征可能比性能更重要。这个想法促使他找到方法,让建筑师同时考虑美学和环境性能的设计。他在德国卡尔斯鲁厄技术大学(Technical University of Karlsruhe)开始研究日光。
莱因哈特说,从设计的角度来看,光是非常重要的——建筑师们常说“用光作画”——但在照明方面也存在着重大的技术挑战,比如如何管理热量和眩光。
“你需要好的天空模型,你需要好的渲染工具来建模光。你还需要计算机科学来提高速度——但这只是基础,”莱因哈特说。他指出,下一步是考虑人们如何感知和使用自然光。“正是这种细致入微的思维方式让日光变得如此有趣和有趣。”
例如,设计师通常在渲染建筑时让所有的百叶窗都打开。莱因哈特说,如果他们了解到,人们会在90%的时间内把百叶窗放下,他们可能会重新考虑它,因为“没有人想要那样”。
莱因哈特团队在1998年开发的采光分析软件就提供了这类信息。它被称为DAYSIM,现在世界各地都用它来模拟建筑物内部和周围每年的日光可用性。
莱因哈特还出版了关于采光的教科书:2014年出版了《采光手册I:日光基础和设计》,去年10月出版了第二卷《采光手册II:日光模拟和动态立面》。
莱因哈特说:“日光确实是我进入建筑领域的第一个途径。”他指出,他认为这个领域将天空建模等“坚如岩石的科学”与与用户体验相关的更主观的问题结合在一起是很奇妙的,比如:“什么时候阳光是一种责任?”以及“什么时候增加了视觉趣味?”
教学及谘询
2001年,莱因哈特在加拿大理工大学获得建筑学博士学位后,曾在加拿大麦吉尔大学短暂任教,之后被任命为哈佛大学设计研究生院建筑学副教授。2009年,该校的学生论坛将他评为年度最佳教员。
2012年,他加入了麻省理工学院的教员队伍,在那里他通常会指导七八个研究生,其中大约有三个在读博士。通常,他也有学生通过本科生研究机会计划在他的实验室工作。他说,一些主修计算机科学的学生被证明特别有帮助。
他说:“麻省理工学院的学生能够实现的东西令人惊叹。”
当然,莱因哈特还是一名讲师,主要教授4.401/4.464(建筑中的环境技术),重点是如何评估建筑的能源效率。
“没有什么比教授这些概念更有趣的了——尤其是在像麻省理工这样的机构里,”他说。
麻省理工学院能源计划(MITEI)目前正致力于通过MITx将这门课程放到网上,据MITEI的教育主任Antje Danielson说,这门课程有望成为计划中的能源研究生证书课程的一部分。
城市规模的建模
与此同时,莱因哈特将自己的研究扩大到模拟城市层面的能源使用。2016年,他和同事们为波士顿推出了一个能源模型,估算了这座城市中每座建筑的燃气和电力需求——他的团队随后对其他城市地区进行了评估。
这项工作向他强调了用户行为对计算能源使用的重要性。
莱因哈特说:“对于单个建筑,你可以获得用户行为的感觉,但如果你想模拟整个城市,这个问题就会爆发。”他指出,他的团队使用统计方法,如贝叶斯校准来确定可能的行为。
从本质上说,他们收集能源使用数据,训练计算机识别不同的场景,比如不同数量的人和设备使用的能源。
莱因哈特说:“我们把800个用户行为放在一个建筑样本上,因为我们知道这些建筑实际使用了多少能源,所以我们只保留那些能给我们提供正确能源使用的行为模式。”他解释说,重复这个过程会产生一条曲线,表明建筑最有可能的用途。“我们不知道人们具体在哪里,但在城市层面,我们是对的。”
莱因哈特说,在这么大的范围内确定能源是如何被使用的,为解决整个能源系统的需求提供了关键信息。这就是为什么莱因哈特目前正在与一家主要的国家能源供应商埃克斯隆公司合作,评估芝加哥的能源使用情况。他说:“我们可以说,让我们促进这些类型的升级,并基本上保证这是整个社区或特定变电站的能源负荷将如何变化——这正是公用事业公司想要知道的。”
食物-能量-水的关系
最近,莱因哈特也开始研究如何使粮食生产更加节能和可持续。他的实验室正在开发一个软件组件,可以估算粮食产量、相关的能源和水的使用,以及不同类型城市农场的碳排放。
例如,在一些城市(包括波士顿),一些公司正在推广水培集装箱农业——一种在类似海运集装箱的东西里无土壤种植食物的系统。莱因哈特说,这种系统通常比传统农业使用更多的电力,但这种能源消耗可以被减少的运输需求所抵消。莱因哈特的团队已经证明,在葡萄牙里斯本可用的土地上进行屋顶和集装箱种植,理论上可以满足城市的蔬菜总需求。
这项探索食物、能源和水之间关系的工作,只是莱因哈特致力于推动可持续发展事业的下一个复杂层次。幸运的是,他并不是唯一从事这项工作的人;他派遣了一批年轻的学者到世界各地研究类似的问题。
莱因哈特以前的研究生现在在康奈尔大学、哈佛大学、雪城大学和多伦多大学等大学工作,他继续与他们在项目上合作。
莱因哈特是两个孩子的父亲,他说,这就像一个不断壮大的家庭。“学生们从不离开。就像孩子一样。”
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