基于能量流通結構類型的建筑氣候適應性設計策略研究

■ 陶思旻 TAO Simin 張 琪 ZHANG Qi 陳煥彥 CHEN Huanyan

0 引言

建筑物通過消耗能源來提供電力、照明、供暖或制冷，成為造成氣候變化的主要排放源之一。面對氣候適應下的節能減排問題，行業內逐漸形成了一種趨勢，即依賴堆砌各項所謂低碳新技術來達到指標要求。但這種做法可能會因技術設備生產過程中的資源消耗而造成更大的能源浪費，顯然不是綠色節能的最佳選擇。氣候問題和設計問題便在這樣的技術觀念下產生了割裂，造成建筑地域性特征的缺失。當下的建筑氣候適應性設計應當具備改變建筑元素、結構、組成方式和審美標準的能力，正如瑞士建筑師菲利普·拉姆所說，“氣候不再是一種目標，而應是一種媒介，整合到建筑項目中，融合到建筑本身的語匯中”[1]。

從熱力學的視角來看，建筑和生命體一樣，是開放非孤立的熱力學系統：氣候是系統的環境，建筑界面是系統的邊界，建筑不斷地與氣候環境進行能量與物質交換。因此，氣候是建筑系統外部的重要環境，氣候適應性設計的重點除了節能之外，還要積極尋找并利用氣候中的可再生能源，并與建筑形式相互結合。自奧戈雅于20 世紀60 年代提出“設計結合氣候”[2]，到后來建筑師在氣候、熱舒適與能耗三者之間建立了耦合聯系，再到當下伴隨數字技術發展的環境性能模擬工具，氣候已真正進入到建筑設計過程中。國內現有關于建筑和氣候關系的研究多集中于某個具體的氣候分區，而較少對其進行統籌化的類型溯源和系統梳理，更較少觸及以氣候為龐大能量來源對建筑形態直接影響的研究。隨著當代建造技術的不斷進步，出現了更大尺度的建筑類型（如高層建筑、大跨度大進深建筑等），其功能和空間需求較之前有了很大變化；且建筑應對氣候的經驗和建筑系統能量運作的方式也豐富了許多。因此，研究建筑的形式和空間組織如何引導能量流動以達到氣候適應的目的，具有十分重要的意義。

1 建筑中的能量流通結構

1978 年，美國學者米勒（James Grier Miller）針對開放自組織系統提出了“生命系統理論”（LST）。他認為，無論系統屬于哪個層級，都由多個關鍵子系統組成并用于能量、物質和信息的流通過程。對于建筑來說，能量流通結構是這些子系統在建筑形態中的呈現，主要包括捕獲行為和遞轉行為。其中，捕獲行為集中于建筑邊界，承擔了收集能量的能力；遞轉行為則深入建筑內部，承擔轉載能量的能力。合理的建筑邊界設計能夠最大化地獲取氣候中的可用能量；而合理的建筑內部組織能夠迅速傳輸和轉化這些能量并生成新的能量類型[3]。建筑形式就是這兩者的明確表達和有效統一。作為能量流通結構起點的捕獲行為位于建筑邊界，不僅是圍合內部空間的墻體或屋頂，更是一層過濾外部能量的界面系統。它阻擋了外部環境對建筑內部的不利影響，有選擇地捕獲外界氣候中的自然能量，再進一步傳遞并轉化給內部。建筑邊界捕獲了能量，作為能量流通結構內核的遞轉行為便會對其進行存儲、傳遞、轉換與再分配。這個過程與建筑的功能和空間組織有關，有效的組織能夠減少遞轉過程的能量損耗。根據捕獲行為和遞轉行為，可以將建筑中的能量流通結構分為3種類型（圖1），即：能量捕獲結構（energy capture）、能量協同結構（energy programming）和能量調控結構（energy regular）。其中，能量捕獲結構承擔捕獲行為，能量協同結構承擔遞轉行為，能量調控結構則同時對兩者進行干預和調節[4]。

圖1 能量流通結構的3 種類型

1.1 能量捕獲結構

建筑應對氣候的能量捕獲結構與建筑的界面形態關系緊密，如利用界面開口實現自然通風的內部降溫，合理設置反射板角度以提升建筑內部照度，采用結合建筑體形的多層界面形態，合理規劃界面朝向以達到良好的日照，采用界面間層設計以平衡輻射熱能等。根據外部氣候資源與內部需求的綜合判斷來重塑界面，不但可以實現對日照、通風、溫度和視線的控制，而且能夠調節流轉于建筑界面內外的能量，使內部人群獲得適宜的光照、流動的空氣和舒適的熱環境，并相應地降低照明、通風和供熱制冷能耗。

1.2 能量協同結構

建筑應對氣候的能量協同結構，設計重點是規劃空間功能和運用情況以平衡能量需求，提高能量流通的效率。吸收熱量的空間屬于“熱庫”（heat sink），產生熱量的空間屬于“熱源”（heat source），建筑師可通過組織熱源和熱庫在功能和位置上的關系，創造出最佳的空間組合，并營造出舒適的室內物理環境。能量協同設計最主要的操作方式是層化空間，即：運用并置、錯層和圍合等策略，將有相似能量需求的空間進行匯集。其中，并置策略指將不同能量需求類型的空間相鄰放置，可分為豎向和水平并置兩種方式，分別代表垂直與水平方向的能量傳遞；錯層策略是將不同功能的空間穿插布置于不同標高，以此構建錯落的空間形態；圍合策略則是以能量源為中心，功能沿四周分布圍合，按空間對能量的需求的遞減而按層次外退。

1.3 能量調控結構

隨著仿生學的發展和新材料研發的突飛猛進，生態技術在形體生成設計上的運用有了新的發展；同時，數字化技術和智能化技術的同步運用，也促進了數據收集與環境模擬分析技術的進步。建筑中的能量調控結構從原來的評價性指標升級成為建筑生成的邏輯之一，通過生態技術同建筑形態結合的設計手法，實現建筑環境性能的提升。其中具有代表性的建筑形體元素有：與屋面結合設計的光伏板、具有拔風功能的“煙囪”、隱藏式雨水收集系統等，它們從設計層面出發，固化能量于建筑形體之中。

2 不同能量調控結構類型下的建筑氣候適應性設計

基于能量調控結構的3 種基本類型，本文選取幾個位于不同氣候區的代表性案例（表1～3），從界面形態、空間形態和技術形態三方面進行比較分析，以此從能量利用的本質來揭示能量和形式之間關系，厘清建筑通過設計來應對氣候的核心機制。

表1 以能量捕獲機制為主的4 個案例

2.1 能量捕獲結構的界面形態適應2.1.1 科隆大樓

科隆大樓是著名紡織公司科隆的研發辦公樓，位于韓國首爾，在柯本氣候分類中屬于夏熱大陸性氣候（柯本氣候Dwa），設計時需要重視炎熱季節的通風遮陽。該辦公樓采用了不同于傳統的環境性能驅動垂直遮陽界面：①由纖維增強聚合物制成的“遮陽傘”構件相互搭接，懸于幕墻之外，選擇性地捕獲有利的自然光，以平衡遮陽和視線要求；②通向高中庭的內界面也是外懸式的結構化連續表皮，構件內置人工照明元件；③屋頂所收集的太陽輻射轉化為電能，為內界面的照明提供能量（圖2）。

圖2 科隆大樓外懸遮陽傘的能量捕獲

表2 以能量協同機制為主的4 個案例

表3 以能量調控機制為主的4 個案例

2.1.2 珊頓云尚

珊頓云尚是位于新加坡的高層建筑，屬熱帶雨林氣候（柯本氣候Af），需要應對全年的高溫高濕。建筑界面覆蓋了可調控的連續組合模塊，在立面上形成六角標志性圖案：①隱藏在模塊框架內部的通風槽能夠捕捉周邊氣流；②模塊單元由凸窗、空調架和陽臺組合而成，巧妙的板塊角度和遮亮度能夠反射光線、提供遮陽；③播種機位于立面幕墻背后，創造出一道垂直綠化屏障，進一步過濾光線和熱量（圖3）。

圖3 珊頓云尚組合模塊的能量捕獲

2.1.3 劍橋公共圖書館

這座公共圖書館位于美國波士頓，屬夏熱大陸性氣候（柯本氣候Dfa），外部氣候多變。因此，設計時需要減少環境波動對內部的影響。該建筑外圍護結構為雙層界面，類似一道緩沖“熱毯”（thermal blanket）：其外層玻璃幕墻帶遮陽面板和通風裝置；內層有可開啟窗扇；中間是空氣間層，能夠防止熱損失、眩光和過量熱增益。夏季開啟外層底部通風裝置，關閉內層窗扇，再調整界面頂端遮陽面板的角度，引導太陽輻射加熱界面空腔上部空氣，以促進雙層界面內的熱壓通風，帶走積蓄的熱量；冬季封閉內層窗扇和外層通風裝置，同樣調整遮陽面板角度引入陽光，加熱界面空腔；春秋季開啟內層窗扇底部外層通風裝置，促進自然通風（圖4）。

圖4 劍橋公共圖書館雙層空間界面的能量捕獲

2.1.4 社會城邦太陽塔

西班牙瓦倫西亞屬于地中海氣候（柯本氣候Csa），社會城邦太陽塔是當地一座高層保障性住房。建筑外界面采用新材料開啟窗扇以加強雙向對流通風，帶出室內的熱量和濕氣；透光部分采用高反射率玻璃以減少熱輻射對室內影響；平面形態則采用陣列算法得到反射率高的外部曲線輪，并輔以新型發射材料來減少熱交換。建筑通過平面輪廓所圍合出來的露臺空間、陽臺空間等半室外地帶，緩沖室內外的熱交換（圖5）。

圖5 社會城邦太陽塔曲面熱反射的能量捕獲

2.1.5 小結

在上述4 個案例中，科隆大樓和珊頓云尚代表了結構化的能量捕獲界面，將部分空間同界面結合在一起發揮捕獲氣流、光照、熱量等能量流的作用；劍橋公共圖書館代表雙層空間型界面，為內部提供了一個氣候緩沖層，是室內外的熱存儲中介；社會城邦太陽塔代表生態高性能材料結合外層緩沖空間的界面類型。其建筑界面擔負了熱傳導、熱對流、熱輻射的熱交換調控功能，部分復雜界面還具備有熱能存儲功能，這些功能均與界面的材料熱阻、表面積、粗糙程度以及界面的反射、入射、折射角度有關。

2.2 能量協同結構的空間形態適應

2.2.1 東門辦公樓

東門辦公樓座落于津巴布韋的哈拉雷，屬海洋亞熱帶高原氣候（柯本氣候Cwb）。這座大型辦公建筑以蓄熱體和自然通風為被動調控原則，在仿生學上參考了螞蟻的巢穴構造，將建筑功能以垂直緯度布置，利用“煙囪效應”實現能量的垂直流動：①兩座辦公樓沿著長邊平行布局，中庭頂部以玻璃覆蓋，提供充足采光；②辦公樓中央寬闊的走道中，有4 個剖面為V 形的通高豎井，豎井高高地伸出屋頂，使建筑底層和窗戶下方格柵流入的冷空氣通過頂部加熱不斷從豎井上升，形成天然的“拔風筒”（圖6）。

圖6 東門辦公樓豎向并置空間的能量協同

2.2.2 托倫特制藥研究室

托倫特制藥研究室位于印度艾哈邁達巴德，屬低緯度草原和沙漠氣候（柯本氣候Bsh）。該建筑根植于當地極端的高溫環境，以南亞次大陸傳統鄉土建筑的“捕風塔”為原型，設計了一種獨特的“被動式取風蒸發冷卻”（PDEC）系統，并在水平方向上將建筑功能依次展開以實現風的流動，從而帶動環境溫度改良：建筑群以5 棟3 層的實驗室建筑環繞中央大廳布置，高過建筑屋面的“捕風塔”設置在建筑外側并自動捕捉建筑頂部的氣流，氣流在塔頂部與冷卻水形成熱交換后流入建筑的中庭內，再分散到各層周邊的房間內，最終由排風管排出室外（圖7）。

圖7 托倫特制藥研究室水平并置空間的能量協同

2.2.3 巴塞羅那自治大學環境科學研究中心

西班牙的巴塞羅那屬地中海氣候（柯本氣候Csa），夏季炎熱干旱，冬季溫和多雨。該建筑是巴塞羅那自治大學的環境科學研究中心，建筑內部豐富的空間和錯落有致立面開口提供了良好的能量優化結構基礎：建筑主要材料為蓄熱良好的混凝土，外表皮采用生物性能表皮，內部使用功能采用木質材質形成若干“盒子空間”；同時，將熱源等散布在建筑各層，并在建筑內設置4 個風車狀的內庭院，以解決采光和通風需求。建筑各房間產生的熱量在夏季通過上述一系列復雜的綜合節能系統收集儲存，實現了能量的分季節使用和循環輸出（圖8）。

圖8 巴塞羅那自治大學的環境科學研究中心錯層操作空間的能量協同

2.2.4 柏林自由大學哲學系圖書館

德國柏林屬溫帶大陸性濕潤氣候（柯本氣候Cfb）。柏林自由大學哲學系圖書館是一個球形的集中體量，主體功能以一個雙層管鋼框架穹頂結構圍合：穹頂的外層構造層次依次為含通氣口的遮光玻璃、絕熱性能高的鍍膜金屬板和可調節金屬百葉；穹頂的內層是由可濾光、透光的半透明玻纖做成內膜，將透射進入穹頂內層的陽光發散，給圖書館室內以柔和光線。在春秋季等溫和季節，建筑表皮通風口開啟自然通風模式，使建筑底部的新鮮空氣通過核心筒加熱和分散；在冬夏季等耗能季節，建筑表皮百葉關閉，可通過核心筒內的大型空氣管道來實現空氣的加熱或冷卻，并給各房間輸送新風（圖9）。

圖9 柏林自由大學哲學系圖書館圍合操作空間的能量協同

2.2.5 小結

上述4 個案例中，包括太陽能煙囪、被動蒸發冷卻捕風塔、多天井通風采光系統、雙層穹頂與核心筒通風管道等形態都是能量流動調度的基本形態。這些結構雖然有著多樣的外在表現，但其內部構造仍然體現了能量流動調度的邏輯，并具有氣候適應型設計的地域智慧：東門辦公樓通過密集排列的拔風筒“煙囪效應”，來實現室內溫度調節；托倫特制藥研究室以高塔群組布置形成被動捕風蒸發冷卻系統，達到室內溫度調節的效果；巴塞羅那自治大學的環境科學研究中心以實驗室和休息空間的穿插，構成了能量流動的平衡；柏林自由大學哲學系圖書館以雙層穹頂包裹的集中體量，體現寒冷地區常見的集聚形態，其豎向的內部核心筒加上水平向底部通風層聯合形成建筑空腔，實現了空氣熱交換及新風供給。

2.3 能量調控結構的技術形態適應

2.3.1 索拉利斯

建筑位于新加坡One-north 科技園內，擁有超過8 000 m2的景觀綠化。①雙塔之間形成了巨大中庭，通過軟件模擬太陽入射角確定立面遮陽百葉的具體位置和角度，以減少立面的熱交換；②環繞建筑立面一圈且總長達1.5 km 的螺旋形立面廊道結合豐富的垂直綠化設計，形成了立體的立面遮陽體系，也為建筑提供了一道生態屏障；③廊道向上延伸至屋頂的花園，向下延伸到底部成為“地下生態引擎”，將風、光、水、綠延伸到建筑下方車庫層內，不僅改善了車庫生態環境，也承擔了雨水回收系統的作用（圖10）。

圖10 索拉利斯“垂直綠廊”的能量調控

2.3.2 麗德塔市場

麗德塔市場位于埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴，屬海洋亞熱帶高原氣候（柯本氣候Cwb），太陽輻射較強烈。傳統大型購物中心常見玻璃外墻和封閉形態，而麗德塔市場顛覆了這種模式，創造出一個氣候友好的多層當代集市。其建筑表皮原型來源于埃塞俄比亞傳統紡織品圖案，立面有經過計算的大小不一的開口，用于控制采光通風，遮擋了某些時刻的強烈輻射。屋頂的圓形光電生態傘既豐富了屋面景觀，又提供了遮陽；同時，在生態傘中設計隱藏式雨水收集系統，雨水經管道至地下室集水池儲存，過濾后可再應用于廁所等處。（圖11）。

圖11 麗德塔市場“生態之傘”的能量調控

2.3.3 韋德科學中心

韋德科學中心位于美國費城，屬亞熱帶濕潤氣候（柯本氣候Cfa），需要同時考慮夏季防熱、冬季防寒及雨水的收集利用。這座科學中心擁有諸多實驗室，屬于能源密集型建筑，它綜合考慮了自然采光、能量系統和雨水管理的系統化設計：①建筑外立面包裹著通風雨幕面板，將建筑內部和表皮隔離開來，使空氣能夠在兩者間的狹小空間內不斷循環，起到間層緩沖作用，減少熱傳遞；②雨水花園和屋頂花園采用循環系統設計，減少雨水徑流；③智能建筑監控系統綜合調節雨水收集和使用，提供每年、每月甚至每小時的監視器記錄（圖12）。

圖12 韋德科學中心“雨水花園”的能量調控

2.3.4 法國太陽能研究所

該建筑為法國太陽能研究所總部，位于法國中東部的尚貝里，屬溫帶海洋性氣候（柯本氣候Cfb）。它的特殊之處在于實驗室平日有較高熱負荷，因此，可采用智能控制系統和動態熱模擬來調整不同時段、不同季節的策略：①在30°角傾斜的巨型羽翼屋頂上安裝熱傳體感器和光伏，利用屋頂的傾角和方位分布，提供建筑運行所需的40%以上能量；② 面向海灣的立面凸窗遮陽可減少建筑制冷制熱的負荷；③中庭頂部自動控制開合的天窗優化了自然光分布（圖13）。

圖13 法國太陽能研究所“太陽之翼”的能量調控

2.3.5 小結

上述4 個案例中，建筑通過技術元素提高能量調控效率。索拉利斯將能量調控技術結合界面形態，利用環繞建筑外部的垂直綠廊串聯立面遮陽、屋頂花園和地下集水單元；麗德塔市場將能量調控技術結合構造形態，采用兩排光電遮陽傘形成特殊屋頂形式；韋德科學中心將能量調控技術結合景觀形態，將屋頂和周邊花園與雨水循環系統結合起來，采用智能監控系統統一調控各系統作用，提高效率；法國太陽能研究所將能量調控技術結合屋面形態，羽翼狀的屋頂聯合智能熱傳感器，實現了動態熱模擬以實時追蹤空間和設備的使用情況。各種技術元素同建筑本體緊密結合，分布在建筑各要素中，成為了建筑這個開放大系統中重要的子系統。

3 結語

作為熱力學系統的建筑依賴于氣候環境生存。在熱力學的視角下，物質意義上由風、光、雨、熱構成的氣候可看作是不同形式的能量來源，支撐著建筑系統的運轉。建筑需要借助合理的流通結構設計，來獲得能量、存儲能量和轉化能量。氣候和建筑之間的協同關系，是通過材料、構造、空間等方面來反饋系統能量流動組織的表現。這種系統轉換使得建筑從空間與結構的建構轉向了熱環境的建造——建筑由建構思維轉向氣候思維，再轉向能量思維。建筑構件（技術元素）和建筑整體形成了子母系統的關系，因而無論是在分析還是設計過程中，建筑師都必須以整體思維加以考量。本文以熱力學的系統思維分析氣候、能量和建筑之間的內在關系，從新的角度提供一種更為綜合客觀研究方式，思考建筑作為一個熱力學系統，其空間、結構和組織等的原型潛力和設計轉化[5]，探究建筑本體如何通過能量流動來化解人與氣候之間的必然矛盾，以期為相關人員提供參考。