低碳理念下城市設(shè)計策略的初探

(中南大學(xué) 湖南 長沙 410075)

一、引言

城市是人口和資源的集中營，也是交通、建筑、物流、工業(yè)的聚集地。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快速增長，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)過程中的高能耗、高碳排給人們賴以生存的地球環(huán)境帶來了許多問題，能源危機(jī)、全球變暖、熱島效應(yīng)等，也造成了城市擁擠、居住品質(zhì)下降的困境。因此發(fā)展低碳城市、低碳經(jīng)濟(jì)成為全世界關(guān)心的話題。在城市設(shè)計中，融入低碳理念，有助于改變原有的傳統(tǒng)的粗放型的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，集約經(jīng)濟(jì)，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，更好的實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

二、低碳城市設(shè)計的介紹

低碳城市設(shè)計是以原有的城市設(shè)計為基礎(chǔ)，以低碳理念為指導(dǎo)，以建設(shè)低碳城市為目的，利用現(xiàn)有的低碳技術(shù)、城市規(guī)劃理論、生態(tài)理論、交通理論，綜合協(xié)調(diào)城市建設(shè)與碳排放的關(guān)系，力求最大限度的節(jié)約能源、減少碳排，緩解熱島，改善人居環(huán)境[1]。實質(zhì)是在滿足城市建設(shè)的同時，更加注重人與環(huán)境的和諧發(fā)展，不以犧牲環(huán)境與資源為代價，努力創(chuàng)造資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的城市。

低碳城市設(shè)計引導(dǎo)城市向低碳層面發(fā)展，改變原有的單一型土地利用向功能混合的轉(zhuǎn)變，提倡公交先行，鼓勵步行和自行車交通，提倡低碳技術(shù)和綠色建筑的應(yīng)用。

三、國內(nèi)外低碳城市設(shè)計的理論與實踐

(一)國外低碳城市設(shè)計研究

國外低碳城市的研究起步較早，以發(fā)達(dá)國家為主，英國、美國、日本是研究先驅(qū)，其研究可概括總結(jié)為兩個方面。

1.碳排放因素的探究。通過分析城市形態(tài)、交通運(yùn)輸、建筑功能、能源類型在碳排放方面的影響研究，總結(jié)出不同的城市形態(tài)，交通模式，建筑使用對減少碳排放的作用，制定相關(guān)政策和進(jìn)行低碳生態(tài)城的實踐建設(shè)。

2.以能源管理為核心的社區(qū)規(guī)劃設(shè)計[2]。從土地利用，場地和單體設(shè)計、運(yùn)輸服務(wù)、能源供應(yīng)及輸送系統(tǒng)等多個方面，采取社區(qū)環(huán)境改善措施，提高社區(qū)可達(dá)性、高密度混合土地利用、高效運(yùn)輸系統(tǒng)、節(jié)能型基礎(chǔ)設(shè)施、可再生能源生產(chǎn)和食物供給6個板塊構(gòu)建“低碳鄰里單元模型”[3]

(二)國內(nèi)低碳城市設(shè)計的研究

國內(nèi)低碳城市設(shè)計的理論與實踐起步不久，起初是將低碳城市作為一種理念和城市定位來指導(dǎo)規(guī)劃編制，作為對現(xiàn)在規(guī)劃編制體系的補(bǔ)充完善，或者作為城市規(guī)劃組成部分而設(shè)立的專項規(guī)劃[4].

后期隨著研究的不斷深入，國內(nèi)學(xué)者開始以低碳城市與城市形態(tài)，空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能源系統(tǒng)、交通組織等這幾個方面進(jìn)行相關(guān)性分析。在緊湊、高密度的城市空間形態(tài)、公交先行的交通模式上達(dá)成共識。與美國這種低密度、郊區(qū)化和私人汽車主導(dǎo)的發(fā)展模式存在巨大的差別。

其次，另外一部分學(xué)者從實踐的角度出發(fā)，探討低碳城市設(shè)計策略研究，邱紅從碳源、碳排過程、碳匯的角度，提出減碳的策略[5]，劉路云則從設(shè)計方案階段，引入建筑、交通、產(chǎn)業(yè)、自然碳匯四大子系統(tǒng)，構(gòu)建多種碳排放情景模型，模擬評價不同設(shè)計方案的碳排水平[6]。祝正午則以寒冷地區(qū)中心商務(wù)區(qū)為研究對象，利用物理環(huán)境模擬技術(shù)和量化分析方法，探索節(jié)能減排策略、方案評價方法[7]。張云峰、范金龍對已有的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，從資源環(huán)境、交通組織、基礎(chǔ)設(shè)施、開放空間、土地利用、建筑設(shè)計、生活方式七個方面提出了設(shè)計策略建議[8]。

從國內(nèi)外對低碳城市設(shè)計的研究綜合來看，已建立一定理論基礎(chǔ)，在發(fā)展模式、城市形態(tài)、減碳策略方面基本達(dá)成共識。只是低碳城市規(guī)劃還缺乏成熟系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，尤其是城市設(shè)計層面缺乏對因子的深度剖析，和科學(xué)有效的方法指導(dǎo)。因此在前人研究的基礎(chǔ)上，再深層次剖析低碳城市設(shè)計策略，使其可以指導(dǎo)建設(shè)顯得格外重要。畢竟城市的發(fā)展實踐是豐富的且復(fù)雜的，不能剛性做出判斷，需理論與實踐并行，共同創(chuàng)新，才能為低碳城市設(shè)計體系添磚加瓦。

四、低碳城市設(shè)計的策略初探

城市設(shè)計是城市建設(shè)的引領(lǐng)者，對空間資源的配置起著調(diào)控作用，也是政府管制的手段。傳統(tǒng)的城市設(shè)計包含的內(nèi)容有空間布局、土地利用、交通形式，還涉及到建筑形態(tài)、密度、公共空間的設(shè)計。低碳城市設(shè)計是為減少社會經(jīng)濟(jì)活動產(chǎn)生碳排放而產(chǎn)生的，新的時代需賦予新的內(nèi)涵，在原有的城市設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，需融入綠色、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的理念，并從以下四個方面深入探索，以求實現(xiàn)低碳城市目標(biāo)。

(一)功能混合

1.用地功能混合

大量的研究證明，土地利用混合是實現(xiàn)低碳發(fā)展的關(guān)鍵。土地功能混合，有利于城市功能的自組織，促進(jìn)城市和諧健康發(fā)展，大力減少碳排放。因為當(dāng)一個地塊內(nèi)功能混合在一起，滿足人們?nèi)粘Ｉ习?、購物、休閑、娛樂、健身的需求時，可以減少人民的出行距離和出行時間，便于節(jié)約能源，減少碳排放。因此，從低碳城市設(shè)計的角度，可以從兩個方便考慮。

首先，土地功能混合的目的，是為了減少地塊內(nèi)部機(jī)動車的出行，積極鼓勵步行出行。在設(shè)計時，應(yīng)在城市主要干道圍合的地塊內(nèi)，設(shè)置以人行交通為主，車行交通為輔的路網(wǎng)體系，這些小而密集的路網(wǎng)體系，提供了充分的臨街面，易于用地功能的混合布置。

圖1 建設(shè)用地的功能混合

其次，城市用地分類應(yīng)增加“功能混合用地”與“活性用地”的分類[9]，我們應(yīng)該把城市看成有生命的且成長發(fā)展的有機(jī)體，給予其彈性發(fā)展的空間。增加“功能混合用地”與“活性用地”便于城市用地的管理，更加適應(yīng)市場和時代發(fā)展的足跡，靈活應(yīng)變市場需求。

2.建筑功能混合

在用地十分緊張，不能實現(xiàn)土地功能的混合時，建筑功能混合也可以解決人們?nèi)粘Ｉ钪械幕拘枨?，如我們可以在住宅底層設(shè)置沿街商業(yè)，也可以在商業(yè)上層設(shè)置娛樂、健身，還可以使辦公與居住相結(jié)合等等多種形式，真正實現(xiàn)生活愉快、工作便利、方便出行的格局。

圖2 建筑功能的混合

(二)低碳型交通模式

低碳交通對減碳發(fā)展有著十分重要的意義，從宏觀上說，城市低碳交通體系主要包括多中心空間布局、以公共交通為主的交通工具系統(tǒng)、低碳出行的慢行交通、發(fā)達(dá)的低碳交通技術(shù)和先進(jìn)的交通管理等五個有機(jī)組成部分。但是在低碳城市設(shè)計層面，可以從前三個方面積極引導(dǎo)。

1.多中心空間布局

多中心空間布局，可以緩解大城市病，疏導(dǎo)交通流，減少跨區(qū)域的車行交通。多中心空間布局，就是讓城市以組團(tuán)的形式，將城市劃分為幾個片區(qū)，每一個片區(qū)都有各自的中心區(qū)域，布置基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)設(shè)施，以滿足這個片區(qū)人們的生活需要，減少遠(yuǎn)距離交通。

2.以公共交通為主的交通工具系統(tǒng)

公共交通為主的交通體系有利于低碳城市建設(shè)是學(xué)術(shù)界達(dá)成一致的建議，事實證明公共交通運(yùn)輸效率高，人均排碳量少、節(jié)約空間，防止交通擁堵。因此在城市中，應(yīng)當(dāng)積極引導(dǎo)公交、電車、地鐵、輕軌和新能源公共交通工具的發(fā)展建設(shè)，和完善城市交通設(shè)施，實現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)交通的無縫對接。這就需要在城市設(shè)計中合理設(shè)計交通線路，路網(wǎng)密度、換乘樞紐。

3.低碳出行的慢行交通

慢行交通包括步行與非機(jī)動車的交通，在城市中非機(jī)動車主要為自行車，因此在設(shè)計中要采用TOD建設(shè)模式，以公共交通樞紐和車站為中心，倡導(dǎo)高效混合的土地利用，形成用地緊湊的社區(qū)單元，可以激勵人們長距離的通勤采用公共交通的形式。然后在社區(qū)內(nèi)，加大路網(wǎng)密度，創(chuàng)造小街坊的社區(qū)空間，完善步行和自行車交通體系。在方便步行的范圍設(shè)置辦公、居住、商業(yè)和公共活動空間等多元功能，實現(xiàn)短距離零碳交通的出行。

(三)低碳型基礎(chǔ)設(shè)施

城市中的基礎(chǔ)設(shè)施，是為生活在這個城市的人民服務(wù)的，主要包括交通設(shè)施、能源設(shè)施及公共服務(wù)設(shè)施。基礎(chǔ)設(shè)施是一個城市生活水平的集中體現(xiàn)，一個地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施水平越高、越完善，人民生活就會越便利，社會秩序越好，幸福度也越高。根據(jù)低碳理念，低碳型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，應(yīng)注重兩個層面。

一是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要合理布局與選址，合理的布局選址，不僅有利于能源的節(jié)約，更有利于基礎(chǔ)設(shè)施使用。如鐵路、公路、地鐵線路、公交線路的選線及站臺布置，這些線路承載著大運(yùn)量的交通，合理布局，對節(jié)約能源和減少碳排有著重要的作用。

二是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在大的區(qū)域?qū)用嫦嗷f(xié)調(diào)，避免重復(fù)建設(shè)和閑置，造成資源浪費。如國內(nèi)很多城市建設(shè)新區(qū)，在城市經(jīng)濟(jì)規(guī)模沒有達(dá)到一定程度的前提下，建設(shè)一些大型的展覽設(shè)施、大型體育設(shè)施和大型會展中心，除建設(shè)占地大、投資額大以外，耗能量也十分可觀，且使用率較低，在一些大型會議、賽事舉辦過后這些設(shè)施就處于閑置狀態(tài)，浪費場地資源。因此建設(shè)大型公建設(shè)施，不可各司其職，要結(jié)合城市的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和周邊的發(fā)展條件，發(fā)揮協(xié)調(diào)作用，合理布局、共用共享，這對節(jié)約能源、減少碳排有十分重要的意義[10]。

(四)低碳建筑

建筑是城市建設(shè)中最小的細(xì)胞體，也是人們居住的場所，與日常生活息息相關(guān)。根據(jù)研究表明，建筑碳排是主要碳源排放之一，如何利用建筑布局創(chuàng)造舒適的環(huán)境，提高環(huán)境自動調(diào)節(jié)能力，和如何將低碳技術(shù)與建筑相結(jié)合，推廣清潔能源的使用，減少溫室氣體排放，是我們可以開辟的新路徑。

1.建筑布局—建筑朝向

根據(jù)本地氣候特征，年主導(dǎo)風(fēng)向，合理布置建筑朝向，減少建筑本體額外的能源消耗。光照，有利于太陽能的利用儲存，風(fēng)向可以完善城市通風(fēng)廊道，根據(jù)城市通風(fēng)的斷面和均勻性，合理調(diào)整城市公共空間的開敞性，建筑界面的封閉度，道路暢通性，形成循環(huán)的“回路”，風(fēng)熱與建筑設(shè)計一體化，將有利于節(jié)能。

2.建筑表皮設(shè)計—光伏系統(tǒng)

低碳建筑倡導(dǎo)清潔能源的使用，太陽能作為大自然可再生的清潔能源，越來越成為能源焦點。建筑表皮是直接接受太陽光的載體，如何利用建筑表皮將太陽能轉(zhuǎn)化為光能是我們重點考慮的問題。光伏發(fā)電系統(tǒng)是采用太陽能電池，將光能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電設(shè)備，是一種可靠性高、無污染的發(fā)電技術(shù)，原理是半導(dǎo)體界面的光生伏特效。因此光伏系統(tǒng)與建筑表皮的結(jié)合，可以很好實現(xiàn)清潔能源的使用。

(1)光伏與建筑屋頂相結(jié)合

建筑屋頂分為平屋頂和坡屋頂，首先，坡屋頂可以直接作為光伏系統(tǒng)載體。平屋頂則較復(fù)雜，平鋪光伏板，發(fā)電效率會降低。為了增加發(fā)電效率，光伏系統(tǒng)與平屋頂結(jié)合時，光伏板需要傾斜一定的角度，通常為當(dāng)?shù)鼐暥鹊?5-20℃[11]。其次，光伏系統(tǒng)可與建筑挑檐相結(jié)合，挑檐是為排水、遮陽、保護(hù)墻體而突出外墻部位，也是設(shè)計的重點。最后光伏系統(tǒng)可與透光玻璃頂融為一體，設(shè)置在透明玻璃中間，由于光伏組件有不透光性，與玻璃結(jié)合，會在室內(nèi)形成光斑，可以防止夏季中庭溫度過高，熱舒適性差的問題。

圖3 光伏板與平屋頂結(jié)合(圖件來源網(wǎng)絡(luò))

圖4 光伏板與坡屋頂結(jié)合(圖件來源網(wǎng)絡(luò))

(2)光伏與建筑立面結(jié)合設(shè)計

建筑立面構(gòu)件主要是指墻身、陽臺及一些立面遮陽構(gòu)件。

建筑墻身面積較大，可利用范圍廣，但是光伏系統(tǒng)組件與墻身結(jié)合時，光伏組件會影響建筑立面效果，因此在設(shè)計過程中就對技術(shù)和藝術(shù)有了更高的要求。一方面，可以將光伏板制作成立面的點狀元素、線狀元素，對建筑立面進(jìn)行點綴，增強(qiáng)建筑立面美觀效果。另一方面，直接采用光伏板代替建筑外墻，同時為提高采光度，可傾斜一定角度。但是光伏系統(tǒng)自身顏色、形狀、肌理及光伏板排列組合形式會影響立面效果，在設(shè)計中應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。其次，可將光伏系統(tǒng)設(shè)置在建筑墻身外側(cè)形成雙層外墻墻身，在光伏系統(tǒng)與外墻板之間，有一層空氣層，不僅有助于光伏系統(tǒng)降溫，而且還有利于夏季降溫、冬季保溫。但是雙層幕墻，對采光有一定影響，這種方法適用于建筑改造。

建筑陽臺和遮陽設(shè)施，屬于建筑立面小型部件，在設(shè)計中，也可以采用同樣的方式，既可以將光伏系統(tǒng)與陽臺頂部與立面維護(hù)相結(jié)合，又可以與遮陽構(gòu)件的遮陽板，遮陽百葉，遮陽雨棚一體化設(shè)計，這種方式可以最大限度的利用太陽能，又可以增強(qiáng)遮陽效果[12]。

圖5 光伏板與立面結(jié)合(圖件來源網(wǎng)絡(luò))

圖6 光伏板與陽臺結(jié)合(圖件來源網(wǎng)絡(luò))

3.建筑節(jié)能改造

建筑節(jié)能改造，是對現(xiàn)有的建筑物老舊設(shè)施，高耗能系統(tǒng)，進(jìn)行更新設(shè)計，以降低能耗，目前主要的改造對象為公共建筑。一般主要從外維護(hù)系統(tǒng)性能改善、供電照明系統(tǒng)控制、采暖空調(diào)通風(fēng)與熱水供應(yīng)系統(tǒng)的更新三個方面進(jìn)行控制。

(1)外維護(hù)系統(tǒng)改造

外維護(hù)系統(tǒng)包括屋面、外墻、門、窗。屋面和外墻，可以采用與光伏系統(tǒng)相結(jié)合，有利于將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，供建筑能源的利用，減少傳統(tǒng)能源的消耗，也可以增設(shè)保溫層，提高節(jié)能效果，其次可以采用綠色種植，吸收太陽輻射熱，保持室內(nèi)環(huán)境的熱穩(wěn)定，或者可以對外墻涂飾反射隔熱涂料，反射太陽輻射熱量，對室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行降溫。老舊門窗、密閉性能差，保溫性能降低，不利于冬季保溫，應(yīng)及時更換，并提倡采用節(jié)能玻璃，對于性能較完善的門窗，可以設(shè)置雨陽棚，夏季遮陽，冬季擋風(fēng)。

(2)供電照明系統(tǒng)

供電照明系統(tǒng)，需準(zhǔn)確計算各種設(shè)備用電量，合理設(shè)置變壓器與配電箱，智能控制，改變傳統(tǒng)手動操作，與可再生的能源系統(tǒng)相連接，并采用低能高效率LED光源代替原有光源，增設(shè)照明傳感器，當(dāng)自然光照度滿足要求時，可自動關(guān)閉照明設(shè)施，節(jié)約用電量。

(3)空調(diào)通風(fēng)與熱水供應(yīng)系統(tǒng)

原有空調(diào)系統(tǒng)，由于多年損耗，運(yùn)行效果變差，送風(fēng)不均勻，增大了用電量，在改造中對空調(diào)風(fēng)機(jī)采用變頻控制，提高系統(tǒng)工作效率。冷熱水的供應(yīng)，也可設(shè)置溫度傳感器和流量計。

五、總結(jié)

低碳城市設(shè)計響應(yīng)了國家可持續(xù)發(fā)展的政策要求，既有利于應(yīng)對全球氣候變化、資源枯竭的困境，又為可持續(xù)發(fā)展開辟新的路徑。本文從功能混合、低碳型交通、低碳型基礎(chǔ)設(shè)施、低碳建筑四個方面提出了低碳城市設(shè)計的策略方法，希望能為低碳城市設(shè)計的發(fā)展提供一些思路。