低碳理念下城市設計策略的初探

(中南大學 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)濟發(fā)展的快速增長，城鎮(zhèn)化進程的加快，城市建設過程中的高能耗、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、全球變暖、熱島效應等，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)濟成為全世界關心的話題。在城市設計中，融入低碳理念，有助于改變原有的傳統(tǒng)的粗放型的發(fā)展狀態(tài)，集約經(jīng)濟，節(jié)約能源，保護環(huán)境，更好的實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

二、低碳城市設計的介紹

低碳城市設計是以原有的城市設計為基礎，以低碳理念為指導，以建設低碳城市為目的，利用現(xiàn)有的低碳技術、城市規(guī)劃理論、生態(tài)理論、交通理論，綜合協(xié)調(diào)城市建設與碳排放的關系，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。

低碳城市設計引導城市向低碳層面發(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，提倡低碳技術和綠色建筑的應用。

三、國內(nèi)外低碳城市設計的理論與實踐

(一)國外低碳城市設計研究

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

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

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

(二)國內(nèi)低碳城市設計的研究

國內(nèi)低碳城市設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規(guī)劃編制，作為對現(xiàn)在規(guī)劃編制體系的補充完善，或者作為城市規(guī)劃組成部分而設立的專項規(guī)劃[4].

后期隨著研究的不斷深入，國內(nèi)學者開始以低碳城市與城市形態(tài)，空間結構優(yōu)化、能源系統(tǒng)、交通組織等這幾個方面進行相關性分析。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成共識。與美國這種低密度、郊區(qū)化和私人汽車主導的發(fā)展模式存在巨大的差別。

其次，另外一部分學者從實踐的角度出發(fā)，探討低碳城市設計策略研究，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)，構建多種碳排放情景模型，模擬評價不同設計方案的碳排水平[6]。祝正午則以寒冷地區(qū)中心商務區(qū)為研究對象，利用物理環(huán)境模擬技術和量化分析方法，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進行梳理，從資源環(huán)境、交通組織、基礎設施、開放空間、土地利用、建筑設計、生活方式七個方面提出了設計策略建議[8]。

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

四、低碳城市設計的策略初探

城市設計是城市建設的引領者，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、公共空間的設計。低碳城市設計是為減少社會經(jīng)濟活動產(chǎn)生碳排放而產(chǎn)生的，新的時代需賦予新的內(nèi)涵，在原有的城市設計理論的基礎上，需融入綠色、經(jīng)濟、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。

(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)展的關鍵。土地功能混合，有利于城市功能的自組織，促進城市和諧健康發(fā)展，大力減少碳排放。因為當一個地塊內(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)部機動車的出行，積極鼓勵步行出行。在設計時，應在城市主要干道圍合的地塊內(nèi)，設置以人行交通為主，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 建設用地的功能混合

其次，城市用地分類應增加“功能混合用地”與“活性用地”的分類[9]，我們應該把城市看成有生命的且成長發(fā)展的有機體，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，更加適應市場和時代發(fā)展的足跡，靈活應變市場需求。

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拘枨螅缥覀兛梢栽谧≌讓釉O置沿街商業(yè)，也可以在商業(yè)上層設置娛樂、健身，還可以使辦公與居住相結合等等多種形式，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)達的低碳交通技術和先進的交通管理等五個有機組成部分。但是在低碳城市設計層面，可以從前三個方面積極引導。

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，布置基礎設施、公共服務設施，以滿足這個片區(qū)人們的生活需要，減少遠距離交通。

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是學術界達成一致的建議，事實證明公共交通運輸效率高，人均排碳量少、節(jié)約空間，防止交通擁堵。因此在城市中，應當積極引導公交、電車、地鐵、輕軌和新能源公共交通工具的發(fā)展建設，和完善城市交通設施，實現(xiàn)轉(zhuǎn)運交通的無縫對接。這就需要在城市設計中合理設計交通線路，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動車的交通，在城市中非機動車主要為自行車，因此在設計中要采用TOD建設模式，以公共交通樞紐和車站為中心，倡導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)低碳型基礎設施

城市中的基礎設施，是為生活在這個城市的人民服務的，主要包括交通設施、能源設施及公共服務設施?；A設施是一個城市生活水平的集中體現(xiàn)，一個地區(qū)基礎設施水平越高、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，低碳型基礎設施建設，應注重兩個層面。

一是基礎設施建設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，更有利于基礎設施使用。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。

二是基礎設施建設在大的區(qū)域?qū)用嫦嗷f(xié)調(diào)，避免重復建設和閑置，造成資源浪費。如國內(nèi)很多城市建設新區(qū)，在城市經(jīng)濟規(guī)模沒有達到一定程度的前提下，建設一些大型的展覽設施、大型體育設施和大型會展中心，除建設占地大、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施就處于閑置狀態(tài)，浪費場地資源。因此建設大型公建設施，不可各司其職，要結合城市的經(jīng)濟基礎和周邊的發(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

建筑是城市建設中最小的細胞體，也是人們居住的場所，與日常生活息息相關。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，和如何將低碳技術與建筑相結合，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，年主導風向，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，風向可以完善城市通風廊道，根據(jù)城市通風的斷面和均勻性，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”，風熱與建筑設計一體化，將有利于節(jié)能。

2.建筑表皮設計—光伏系統(tǒng)

低碳建筑倡導清潔能源的使用，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)電設備，是一種可靠性高、無污染的發(fā)電技術，原理是半導體界面的光生伏特效。因此光伏系統(tǒng)與建筑表皮的結合，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)與平屋頂結合時，光伏板需要傾斜一定的角度，通常為當?shù)鼐暥鹊?5-20℃[11]。其次，光伏系統(tǒng)可與建筑挑檐相結合，挑檐是為排水、遮陽、保護墻體而突出外墻部位，也是設計的重點。最后光伏系統(tǒng)可與透光玻璃頂融為一體，設置在透明玻璃中間，由于光伏組件有不透光性，與玻璃結合，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 光伏板與平屋頂結合(圖件來源網(wǎng)絡)

圖4 光伏板與坡屋頂結合(圖件來源網(wǎng)絡)

(2)光伏與建筑立面結合設計

建筑立面構件主要是指墻身、陽臺及一些立面遮陽構件。

建筑墻身面積較大，可利用范圍廣，但是光伏系統(tǒng)組件與墻身結合時，光伏組件會影響建筑立面效果，因此在設計過程中就對技術和藝術有了更高的要求。一方面，可以將光伏板制作成立面的點狀元素、線狀元素，對建筑立面進行點綴，增強建筑立面美觀效果。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，在設計中應謹慎考慮。其次，可將光伏系統(tǒng)設置在建筑墻身外側(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。

建筑陽臺和遮陽設施，屬于建筑立面小型部件，在設計中，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相結合，又可以與遮陽構件的遮陽板，遮陽百葉，遮陽雨棚一體化設計，這種方式可以最大限度的利用太陽能，又可以增強遮陽效果[12]。

圖5 光伏板與立面結合(圖件來源網(wǎng)絡)

圖6 光伏板與陽臺結合(圖件來源網(wǎng)絡)

3.建筑節(jié)能改造

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

(1)外維護系統(tǒng)改造

外維護系統(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，可以設置雨陽棚，夏季遮陽，冬季擋風。

(2)供電照明系統(tǒng)

供電照明系統(tǒng)，需準確計算各種設備用電量，合理設置變壓器與配電箱，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，增設照明傳感器，當自然光照度滿足要求時，可自動關閉照明設施，節(jié)約用電量。

(3)空調(diào)通風與熱水供應系統(tǒng)

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

五、總結

低碳城市設計響應了國家可持續(xù)發(fā)展的政策要求，既有利于應對全球氣候變化、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、低碳型基礎設施、低碳建筑四個方面提出了低碳城市設計的策略方法，希望能為低碳城市設計的發(fā)展提供一些思路。