人造樹：將微藻融入永續建築，實現二氧化碳捕獲和城市效率—綜合分析-ony-translated人造樹：將微藻融入永續建築，實現二氧化碳捕獲和城市效率

文章

人造樹：將微藻堡永續建築，實現空中捕獲與城市效率－綜合分析

羅莎·塞爾維拉＊、瑪麗亞·羅莎·比利亞爾巴和哈維爾·桑切斯

引用：Cervera，R．；比利亞爾巴先生；
Sánchez，J．人造樹：
將微藻腫脹
永續建築
訴求和城市效率—
綜合分析。大樓
2024，14，4045． https：／／doi． org／10．3390／
建築物14124045

學術編輯：Jose－Manuel
阿莫多瓦－梅倫多

收稿日期：2024年10月31日
修訂日期：2024年12月2日
接受日期：2024年12月12日
發布日期：2024年12月20日

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西班牙馬德里阿爾卡拉大學建築學院，28801；mrosa． villalba＠edu． uah． es
馬德里理工大學工業工程師學院，28，040年馬德里，西班牙；franciscojavier． sanchez＠upm． es＊通訊
地址：rosa． cervera＠uah．

摘要：作者開發的人造樹計畫貫穿整合微藻系統，實現了高捕獲、生物質生產和城市吸附，為城市永續本發展提供了一種創新方法。研究評估了該計畫將城市家具改造成功能性光生物反應器，以提升環境感知培養的吸氣和效果。受自然美學的啟發，人造樹既可作為吸收器，也可作為生物肥料器。該系統利用柵藻微藻生產，每單位每年可抽取50公斤，並產生28個公斤生物物質，初始生物肥料時可進一步減少排放。為了評估其影響，採用了多標準決策分析（MCDA）方法，考慮了聚集捕獲、生物物質生產、社會參與、吸引力和可擴展性等因素。該方法包括一個三級定量表和專門的標準，比較至少運行三個月且具有微藻生產力數據的類似項目。結果表明，人造樹的間歇量比成熟樹木高出2.5其模組化和美觀的設計有利於推廣，並引發了更大規模的實施。該方案無縫整合功能性、藝術表達和公眾互動，以永續的方式重新定義了城市空間的巨大潛力。

關鍵字：建築光生物反應器；城市家具；永續城市；生物肥料；藻類生物物質；高吸收；高輻射；高平衡

1．引言當代城市已成為人類發展的重要樞紐。根據聯合國報告，自2007年以來，全球城市地區人口居住數量超過一半，預計2030年將達到

60 ％

都市化進程加上基礎設施的加速成長，增加了對排放管理、供水和衛生系統以及交通網路等基本服務的需求。然而，城市擴張加劇了嚴重的環境問題，包括空氣污染、碳排放增加以及「城市熱島」效應加劇。城市地區約佔全球碳排放量

70 ％

，消耗了超過

60 ％

的自然資源［1］。
為應對這種情況，要求開發能夠巴基斯坦建築的永續材料，以有效應對環境挑戰。本研究行為在於一種綜合方法，尋求一種美觀的元素來推廣應用，同時將能夠穿透光合作用將長大生物轉化為複雜有機化合物的複合物添加其中。該過程有助於廢水處理和透過自然元素吸收太陽輻射。雖然結構單一難以滿足所有這些需求，但
微藻生長系統已成為其潛在的革命性解決方案。這項研究提出了一種透過含有光合作用微藻的電路來利用陽光的組件，這些微藻是一個有吸引力且美觀的設計系統的一部分。這些微生物可以利用水生環境將太陽能和環境二氧化碳轉化為化學能。這項特性使得能夠利用污染物作為營養物來淨化廢水。此外，他們利用二氧化碳作為碳底物來生產高價值化合物，如藥品、化妝品、食品和生質燃料[ 2 ]。

本研究提出的方案是將城市家具改造成光生物反應器。這些元素本質上是對工業微藻培養系統的美學改造，能夠產生生物質和生物肥料，淨化廢水，改善建築物的熱性能，並吸收環境中的二氧化碳。從實際角度來看，這些城市結構不僅具有吸引力，還將在緩解氣候變遷和改善空氣品質方面發揮積極作用。這種創新方法鼓勵人們重新思考建築與自然的關係，促進更健康、更平衡的城市生態系統的發展。

光生物反應器 (PBR)，即微藻生長系統，可作為外牆和屋頂材料整合到現有建築中，帶來許多益處。微藻對各種環境的適應性極強，生長所需空間極小，可融入垂直和水平基礎設施。它們無需淡水即可生存，因此非常適合用於廢水處理。此外，它們對太陽輻射的反應能力使其能夠提供防曬保護，與城市花園的融合可以優化水循環，有助於二氧化碳封存和生物肥料的生產。該計畫不僅利用微藻的光合作用能力對有害排放物進行生物固定，還致力於在建築設計中引入新的美學維度。二氧化碳同化過程是光合作用中最耗能的環節，在微藻中效率極高，生物量產量高達每公頃每年100噸，光合效率高達

2.5 ％

相較之下，森林每年每公頃的生物量為 10 至 40 噸，光合作用效率為

0.25 ％

和

1 ％

，顯示微藻

60 ％

比森林更有效率[3]。

在先前的研究中，對該專案進行了技術分析，重點關註二氧化碳的影響，並評估了系統在建造過程中平衡二氧化碳排放所需的時間。分析包括生命週期評估和碳足跡計算，考慮了微藻生長和生物質作為肥料等因素。此外，還對擬建的光生物反應器 (PBR) 組件進行了技術評估，以確定最佳的建築材料 [4]。

本研究透過詳細描述該系統的設計和構建，闡述了所用材料、控制和收穫系統以及研究中使用的設備，從而擴展了分析。此外，本研究也與其他具有類似功能的元素進行了比較評估。本分析的主要目的是評估在建築中應用生物結構（特別是微藻）以開發可持續高效的城市解決方案的可行性。透過引入類似自然流動形態的生物活性系統，我們將城市結構轉變為動態的代謝實體，這些實體不僅與環境互動，還透過自主生產和淨化過程促進地球健康。這些建築元素模糊了功能性基礎設施與藝術設計之間的界限，體現了永續性與美學的和諧統一。

為了更好地解釋這項研究，其餘部分的結構如下：第 2 節介紹了文獻綜述，包括微藻的使用背景，強調了它的好處，並概述了現有可持續城市系統的創新，重點關注將微藻培養作為功能性城市元素的技術；第 3 節概述了用於分析的方法；第 4 節詳細描述了作者的原型項目，包括作為肥料使用產生的第 4 節生物評估計劃；節描述了將與作者的原型進行比較的另外兩個案例研究；第 6 節介紹了從研究中獲得的結果，總結了發現和觀察結果；第 7 節包括討論部分，其中分析和討論了含義、局限性和潛在的未來研究方向；最後，第 8 節給出了研究結論，並總結了研究結果的影響及其未來意義。

2.文獻綜述

2.1. 微藻的應用背景微藻用途廣泛，功能多樣，在各領域，尤其是在生物質生產領域，都表現優異。作為光合微生物，它們在最佳條件下可在1至10天內體積翻倍，並可容納高達

50 ％

乾重中富含脂質，使其成為生物燃料生產和其他高附加價值產品的有前景的來源[5]。工業界在微藻應用方面取得了顯著進展，尤其是在人類和動物食品生產、化妝品、藥品和生物燃料等領域。近年來，它們的用途已擴展到農業領域，可用作農業增強劑、生物肥料和土壤處理劑。然而，它們在建築領域的應用仍處於試驗階段。

在此框架下，將微藻融入城市環境將帶來許多優勢。它們卓越的適應性使其能夠在各種環境中茁壯成長，包括海洋和淡水，甚至在沙漠、熱帶、寒冷或極地氣候等極端條件下也能生長[6]。這種多功能性不僅有利於它們在不同環境中生長，還使它們能夠融入城市基礎設施，佔用空間極小，並能適應水平和垂直表面[7]。微藻培養系統可根據特定的環境條件設計，以適應不同的菌株，從而提高其在各種情況下的適用性和實用性。

此外，微藻需要水生介質才能生存，從而有可能利用替代水源，例如從建築物屋頂收集的雨水。這種方法不僅有助於系統的可持續性，而且還增加了水的價值，因為微藻可以將其轉化為有效的生物肥料。與樹木相比，微藻的用水效率更高，固定每公斤二氧化碳需要 140 至 200 公斤水，而樹木則需要 550 多公斤水 [2]。此外，微藻可以在低質水中茁壯成長，例如廢水或高鹽度水，這使其適合在其他水源不適用於農業或人類飲用的地區使用 [8]。此外，它們固定二氧化碳的能力很強，在光合微生物中名列前茅。它們的生長速度是陸生植物的 30 倍，可以在 1 至 10 天內收穫，使其成為緩解氣候變遷和減少城市污染的有效工具。此外，它們還具有作為適應性遮蔽物的潛力，可以透過吸收太陽輻射、增加介質密度和減少光線穿透來調節周圍環境的溫度。微藻吸收400至700奈米範圍內的輻射，相當於可見光。雖然它們目前只能將約15%的可用太陽輻射轉化為光合作用，但它們融入城市家具中，也可以透過蒸散作用增加濕度[2]。這意味著微藻系統的蒸發作用可以增加周圍環境的濕度，同時提供遮蔭。例如，陰涼表面可以達到20

45 F (11 - 二十五 碳)

比無遮蔭區域涼爽，蒸散作用可使夏季最高溫度降低

2 - 9 F (1 - 5 碳) [9]

。

最後，生物質生產及其作為生物肥料的應用是微藻技術的另一個有價值的應用。微藻具有巨大的商業潛力