碳中和目標(biāo)下體育場(chǎng)館的低碳建筑設(shè)計(jì)

朱云峰

(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引言

本文首先分析了低碳理論，通過(guò)理論和調(diào)查分析認(rèn)為：區(qū)域氣候、尺度、材料和結(jié)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)和使用是決定整個(gè)體育館低碳發(fā)展的重要因素，這四個(gè)因素是相互關(guān)聯(lián)的，是一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程。本文還論述了建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)階段體育館低碳化的總體設(shè)計(jì)方法，希望能在未來(lái)的體育場(chǎng)低碳設(shè)計(jì)創(chuàng)作中起到一定的指導(dǎo)作用。

1 我國(guó)體育建筑能耗現(xiàn)狀

當(dāng)前我國(guó)比較發(fā)達(dá)的中等城市普遍擁有1～2座大型體育場(chǎng)館，大城市通常擁有3座或更多體育場(chǎng)館。從第五次全國(guó)體育場(chǎng)地調(diào)查(截至2003年底)及第四次全國(guó)體育場(chǎng)地調(diào)查(截至1995年底)結(jié)果來(lái)看，全國(guó)體育場(chǎng)地總面積增加了110.28%，大約11.8億m2。多年來(lái)，體育館場(chǎng)館總投資達(dá)1 914.5億元。近10年來(lái)，隨著中國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng)，已成功承辦了2008年北京奧運(yùn)會(huì)、2010年廣州亞運(yùn)會(huì)、2011年深圳大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)和2013年沈陽(yáng)亞運(yùn)會(huì)等世界級(jí)和全國(guó)性大事[1]。我國(guó)對(duì)于能頻繁舉辦賽事的優(yōu)質(zhì)場(chǎng)館需求不斷增加，同時(shí)人民群眾生活質(zhì)量不斷提高，健康觀念逐步增強(qiáng)，對(duì)于全民健身體系構(gòu)建更加重視，這些因素推動(dòng)體育建筑大規(guī)模興建[2]。

目前，國(guó)內(nèi)的體育場(chǎng)館面積增長(zhǎng)較快，投資較大，耗材較多，能耗較高。經(jīng)調(diào)研與統(tǒng)計(jì)，中國(guó)體育場(chǎng)館的能源消耗與國(guó)際同類(lèi)場(chǎng)館相比，約高出40%，且同一種場(chǎng)館與相同場(chǎng)館在使用年限上存在較大差別。因此，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所在能源利用方面有著巨大的潛力。建筑材料的高排放，體育場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的耗能裝置產(chǎn)生的高能耗，舉辦大型比賽時(shí)的碳排放，以及體育場(chǎng)館拆除后的建材回收，以及是否會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，這些都為體育場(chǎng)館的節(jié)能減排指明了發(fā)展的方向。在“低碳”的背景下，體育場(chǎng)地的節(jié)能減排已不僅局限于其在使用過(guò)程中的能耗，更多地表現(xiàn)為其在整個(gè)壽命周期內(nèi)對(duì)其所產(chǎn)生的各種環(huán)境效應(yīng)[3]。在國(guó)家的節(jié)能減排目標(biāo)中，體育建筑的能源消耗與碳排放的控制是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 體育場(chǎng)館建筑設(shè)計(jì)全生命周期

2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段

在項(xiàng)目的起始階段，規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的決策將對(duì)后續(xù)的建設(shè)、使用和運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，為項(xiàng)目的順利實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段由于能源消耗導(dǎo)致的直接碳排放很小，基本可以忽略不計(jì)。盡管沒(méi)有特定的二氧化碳排放量，但是由于建筑物的位置，結(jié)構(gòu)類(lèi)型，所用材料，建造計(jì)劃，照明，加熱和通風(fēng)等都與規(guī)劃設(shè)計(jì)階段緊密聯(lián)系在一起。

2.2 施工建造階段

其中，建設(shè)期是對(duì)建筑物進(jìn)行“實(shí)體化”與“塑形”的過(guò)程。其內(nèi)容包括：建材及施工過(guò)程中產(chǎn)生的碳。在此過(guò)程中，需要耗費(fèi)大量的處理能源和輔料。施工中的各種工作十分繁復(fù)，與施工沒(méi)有多大關(guān)聯(lián)。

2.3 使用維護(hù)階段

建筑使用和維護(hù)階段是建筑碳排放時(shí)間概念最長(zhǎng)的階段，也是能耗和碳排放占比最大的階段。建筑工程節(jié)能的探索一直集中在這個(gè)環(huán)節(jié)中，包含保持工程建筑正常的中央空調(diào)、采暖、照明燈具、供電等服務(wù)所產(chǎn)生的碳排放。維修改造新項(xiàng)目應(yīng)用中產(chǎn)生的碳排放主要包含節(jié)能項(xiàng)目、設(shè)備升級(jí)和環(huán)境改造[4]。

2.4 拆除回收階段

在建筑拆除回收的過(guò)程中，在拆除時(shí)所產(chǎn)生的燃料等能源消費(fèi)，還有在拆除后所產(chǎn)生的廢舊建筑材料的運(yùn)輸、分揀、回收、處置等能源消費(fèi)，都會(huì)對(duì)這一過(guò)程中的碳排放造成一定的影響。

3 體育館低碳化影響因素

3.1 地域氣候

區(qū)域氣候一直是影響建筑低碳設(shè)計(jì)能耗的最基本條件，由于氣候因素的影響，各區(qū)域體育館的碳排放變化規(guī)律有較大的差別。由于各區(qū)域的氣候環(huán)境差異，導(dǎo)致了各場(chǎng)館的通風(fēng)規(guī)律也不盡相同。比如，在北方地區(qū)，冬天取暖的二氧化碳排放量明顯高于其它地區(qū)，而在南方地區(qū)則集中于夏天的冷卻過(guò)程。冬季北部場(chǎng)館的空調(diào)溫度比南部場(chǎng)館低得多一些，場(chǎng)館的設(shè)計(jì)若忽視了區(qū)域氣候的影響，一味追求大規(guī)模幕墻或透明房頂?shù)雀呖萍挤绞剑粌H會(huì)讓展覽館物理學(xué)環(huán)境惡化，還會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)。為了能追求時(shí)長(zhǎng)遮蓋，順從“低碳”這個(gè)概念，在沒(méi)有任何有效運(yùn)算可行性分析認(rèn)證的情形下，將太陽(yáng)能光伏板和建筑緊密結(jié)合，不但不會(huì)獲得良好的節(jié)能減排實(shí)際效果，并且可能導(dǎo)致極為厚重的經(jīng)濟(jì)壓力[5]。因而，考慮到氣候是體育場(chǎng)館低碳設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵參考標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以充分重視。

3.2 規(guī)模體量

體育場(chǎng)館通常被設(shè)計(jì)和建造為標(biāo)志性的公共建筑，因此，這些建筑的體積會(huì)變得更大，對(duì)建筑的要求也會(huì)變得更大，更多的材料，更多的能量，更多的二氧化碳。現(xiàn)如今，體育場(chǎng)館的建設(shè)大多都與大型賽事的舉辦有關(guān)，對(duì)座位尺寸的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于賽后的使用。場(chǎng)館規(guī)模過(guò)大，有時(shí)還會(huì)因?yàn)橐?guī)模過(guò)大造成的高能耗而難以運(yùn)營(yíng)，體育場(chǎng)在使用過(guò)程中最大的碳排放來(lái)自于空調(diào)、制冷、供暖和照明的能源消耗。

3.3 材料及結(jié)構(gòu)

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)技術(shù)也在不斷地進(jìn)步，在球場(chǎng)的設(shè)計(jì)上，經(jīng)常是以宏偉的效果為目標(biāo)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、材料等提出了特別的要求，從而產(chǎn)生了一些奇形怪狀的體育場(chǎng)，這類(lèi)建筑設(shè)計(jì)成本非常高。在設(shè)計(jì)層面，結(jié)構(gòu)與材料的選擇決定了建筑原材料的碳排放量。盡管在使用過(guò)程中不會(huì)造成過(guò)多的排除污染，但在建筑的整個(gè)生命周期中也是占比較大的一個(gè)方面(施工階段的碳排放主要來(lái)自材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸和加工)。忽視結(jié)構(gòu)效率，追求新穎獨(dú)特的形象，存在與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的建筑構(gòu)件進(jìn)行造型，造成了極大的材料浪費(fèi)，也導(dǎo)致了大量的碳排放(來(lái)自材料的生產(chǎn)和施工等)。體育場(chǎng)館的基本建設(shè)必須遵循方式以及構(gòu)造的統(tǒng)一，以體現(xiàn)其藝術(shù)美。太復(fù)雜和忽略結(jié)構(gòu)形式的體育場(chǎng)品牌形象，失去了對(duì)體育場(chǎng)層次感形象的要求[6]。因而，科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)形式和適度的原材料運(yùn)用是體育場(chǎng)低碳設(shè)計(jì)不可或缺的一部分。

4 體育館總體低碳規(guī)劃設(shè)計(jì)策略

4.1 融于地形氣候

不同地區(qū)的體育館設(shè)計(jì)要考慮不同的主要?dú)夂蛞蛩兀匦蔚孛驳恼嫌幸欢ǖ南嗨菩?。將其與天然地貌相結(jié)合，將會(huì)降低對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及周邊的干擾，進(jìn)而降低其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的沖擊。因?yàn)閳?chǎng)地很大，所以在地上和地下都有很大的空間。對(duì)這些土地進(jìn)行治理將耗費(fèi)巨大的能量，從而產(chǎn)生更多的二氧化碳。所以，在降低土建工程造價(jià)的同時(shí)，應(yīng)盡量使整個(gè)工程的土建工程造價(jià)達(dá)到均衡。地勢(shì)上的斜坡能與球場(chǎng)內(nèi)的大看臺(tái)形成呼應(yīng)，同時(shí)，地勢(shì)較低的地方也能被提升，從而形成一個(gè)與外部世界溝通的過(guò)渡空間。以不同的地形情況為依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行差異化的設(shè)計(jì)判定，這樣既可以有效地減少建設(shè)費(fèi)用，又可以將建筑與周?chē)沫h(huán)境完美地融合在一起，讓建筑的區(qū)域特征變得更為突出。

還需要采用不同的設(shè)計(jì)方案和方法，以適應(yīng)不同的需求和情況。自然采光、風(fēng)力發(fā)電等都需要合理設(shè)計(jì)布局，使之達(dá)到最好效果。在氣候?qū)W中，自然風(fēng)和太陽(yáng)是最基本、最生動(dòng)形象的元素，它們?cè)谧匀唤缰邪缪葜陵P(guān)重要的角色。根據(jù)地形特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)布局，使其自然形成良好空氣流動(dòng)條件。在規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中，必須充分考慮到場(chǎng)地內(nèi)自然風(fēng)的利用，以?xún)?yōu)化場(chǎng)館選址，提升場(chǎng)地內(nèi)部的自然氛圍。同時(shí)還要注重冬季寒冷地區(qū)體育館內(nèi)空氣流通，提高空氣濕度。通過(guò)運(yùn)用地形地貌、其他建筑結(jié)構(gòu)、配置綠色植物以及合理的水分配，將夏季輕風(fēng)引導(dǎo)至體育場(chǎng)區(qū)域，并科學(xué)規(guī)劃體育場(chǎng)方位，使得風(fēng)力能夠自由地穿越體育場(chǎng)，從而有效降低體育場(chǎng)自身溫度，同時(shí)盡可能避免風(fēng)陰影區(qū)建筑的自然通風(fēng)；同時(shí)也要加強(qiáng)對(duì)室外風(fēng)力的控制與管理，以降低風(fēng)速為主要目的，使其達(dá)到一定范圍內(nèi)的最小值[7]。在寒冷的季節(jié)里，安裝防風(fēng)林可以有效減緩冷氣速率，從而降低建筑本身的溫度變化。另外，為了保證體育活動(dòng)期間能夠提供足夠的空氣流度，應(yīng)盡可能多采用自然對(duì)流通風(fēng)方式。在考慮建筑系統(tǒng)軟件時(shí)，需要精心規(guī)劃和設(shè)置進(jìn)通風(fēng)口，以確保其有效性。根據(jù)不同地區(qū)氣候特點(diǎn)選擇合適的空調(diào)系統(tǒng)，以達(dá)到節(jié)能減排目的。為了充分利用陽(yáng)光，規(guī)劃中需要考慮引進(jìn)或阻擋輻射源以滿(mǎn)足體育場(chǎng)的需求，并在考慮到周邊建筑物和植物的屏蔽效果的前提下進(jìn)行。

4.2 營(yíng)造低碳健康的交通系統(tǒng)

傳統(tǒng)體育場(chǎng)平面設(shè)計(jì)圖必須傳送到社會(huì)發(fā)展主干路，有大面積硬人行道作為新時(shí)代所使用的消防疏散廣場(chǎng)和地下停車(chē)場(chǎng)。一種更直觀的辦法是減少私家轎車(chē)的應(yīng)用，減少停車(chē)場(chǎng)總面積，并且在城市的各地方增加公交車(chē)數(shù)量，以專(zhuān)車(chē)接送去往體育場(chǎng)的消費(fèi)者。充分考慮有很多人在低碳定義的幫助下步行或騎自行車(chē)去體育場(chǎng)，在計(jì)劃和設(shè)計(jì)里可以選擇自行車(chē)車(chē)道以及機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)道，使體育場(chǎng)里的機(jī)動(dòng)車(chē)輛與群體流線(xiàn)型徹底分離出來(lái)，不互相影響。步行系統(tǒng)軟件針對(duì)不同場(chǎng)所必須有著不同的設(shè)定，包含氣體、地面和地底。路面方式是很常用的一種，主要包含城市廣場(chǎng)、人行道以及機(jī)動(dòng)車(chē)道。一座新的體育場(chǎng)一般設(shè)在大規(guī)模的土地上，假如布局的步行系統(tǒng)和土地上的體育場(chǎng)地設(shè)施相符合，將在很大程度上激起周?chē)巳簠⒓渝懢毜臒崆楹图で閇8]。

4.3 綠化植被的配置

在降低能源消耗和降低溫室氣體排放量的同時(shí)，還需要考慮其對(duì)CO2的吸附作用，也就是增強(qiáng)其對(duì)大氣中CO2的吸附作用。在計(jì)劃階段，植物的布置以提高體育館周?chē)木G色植物為主，但也要自覺(jué)地把體育館自身與綠色植物相融合。

合理配置植物可以保證固定的二氧化碳排放量，同時(shí)提高綠化率。計(jì)算表明，生態(tài)復(fù)合綠化方式，即喬灌木花卉緊密種植的混合植物配置，可以最大限度地固定CO2。上述混合植物區(qū)40年每單位面積可固定CO約1 100kg，種植方式越簡(jiǎn)單，固定CO量越低，人工草坪幾乎無(wú)法固定CO。在植物配置上，盡量形成豐富的混種系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)更接近自然生態(tài)系統(tǒng)。除了吸收二氧化碳和直接減少排放外，植被也可以調(diào)節(jié)建筑的小氣候。首先，它能夠過(guò)慮太陽(yáng)輻射量。其次，綠色植物還可以起到一定的工程建筑導(dǎo)風(fēng)功效[9]。綠色植物自身能夠凈化室內(nèi)空氣，防護(hù)噪音和有機(jī)廢氣，降低戶(hù)外對(duì)室內(nèi)空間危害。

4.4 倡導(dǎo)低碳生活方式

體育場(chǎng)是一座大型的城市公共設(shè)施，具有很強(qiáng)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。所以，通過(guò)健身場(chǎng)所來(lái)推廣低碳的生活與鍛煉方法，是十分適當(dāng)且行之有效的。身為一名低碳體育館的用戶(hù)，要在思想上逐步對(duì)自己的行為進(jìn)行認(rèn)知，并樹(shù)立起自己對(duì)低碳生活的觀念。比如，在體育館中，人們可以盡可能地走路去看比賽或者參與活動(dòng)，距離比較遠(yuǎn)的人可以使用自行車(chē)或者公共交通工具；體育館樓層并不高，可以通過(guò)使用樓梯來(lái)輕松地到達(dá)每一層，如此就可以將電梯運(yùn)行的頻率降到最低[10]。此外，還可以進(jìn)行垃圾分類(lèi)等。從運(yùn)營(yíng)者的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，碳排放管理也很重要。比如說(shuō)，盡量利用自然氣流來(lái)通風(fēng)，減少使用空調(diào)系統(tǒng)，如果必須使用空調(diào)，也不要將溫度設(shè)得過(guò)低，同時(shí)在陽(yáng)光充足的情況下盡量不要使用人工照明，還要注意節(jié)約用電，比如及時(shí)關(guān)燈等。可以在體育館張貼有關(guān)節(jié)能減排技術(shù)的宣傳海報(bào)，讓公眾更深入地了解低碳技術(shù)，認(rèn)識(shí)到環(huán)保是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要持續(xù)不斷地參與。

5 結(jié) 語(yǔ)

在世界范圍內(nèi)，面對(duì)日趨嚴(yán)重的能源與環(huán)境問(wèn)題，建筑這一高能耗地區(qū)，其節(jié)能與減排問(wèn)題備受關(guān)注。場(chǎng)館占地面積大，能耗高，碳排放大，是我國(guó)最主要的能源消耗源。在低碳經(jīng)濟(jì)的背景下，對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。本文通過(guò)對(duì)體育場(chǎng)低碳設(shè)計(jì)的理論研究、實(shí)地調(diào)研和實(shí)際工程設(shè)計(jì)，總結(jié)出危害體育場(chǎng)碳排放量的因素包含氣候、經(jīng)營(yíng)規(guī)模、材料及構(gòu)造、高效運(yùn)行利用。這四個(gè)影響因素并不是獨(dú)立的，因此，體育場(chǎng)的低碳設(shè)計(jì)方案是一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程。從初步規(guī)劃、運(yùn)營(yíng)策略等方面把握?qǐng)鲳^低碳設(shè)計(jì)的總體方向；在設(shè)計(jì)初期，應(yīng)選擇安全方便的場(chǎng)地，并根據(jù)需求的定位和規(guī)模進(jìn)行周邊功能的整合，形成群體效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，執(zhí)行合理布局融入地形氣候、綠色生態(tài)配備回應(yīng)空間環(huán)境、交通出行設(shè)定追尋低碳健康的生活規(guī)劃策略。