(精品)低碳式建筑设计精品：低碳概念下的建筑设计应对策略(2013年优秀毕业设计)

低碳式建筑设计论文：低碳概念下的建筑设计应对策略【摘要】环境是人类赖以生存的条件，是人类社会持续发展的基础，建筑作为能耗最大的一种人类活动，其在设计建造以及使用过程中对环境的影响是非常巨大的。文章通过对建筑设计方法、过程、理念的分析，探讨低碳经济概念下，建筑设计的应对策略。【关键词】低碳;节能;可再生能源;建筑设计工业文明以来，人类社会经济发展对化石能源的依赖导致了大气中二氧化碳浓度显著提高，由此而引发的海平面上升、冰川融化、疾病的流行、物种的濒临灭绝等一系列问题，让我们认识到人类所面临着环境危机。2003年，英国能源白皮书我们的能源未来:创建低碳经济中提出了低碳经济概念，强调节约使用能源，特别是碳基能源，在减少总的能源需求的同时改善能源结构。作为地球能源消耗、污染物排放的大户，建筑的材料生产、建造过程、建成后使用、废弃后的处理等全过程都存在着巨大的能耗。在欧洲，大约有一半左右的生态和环境破坏是由建筑和工程造成的。在美国，甚至城市固体废弃物的60%以上都与建筑运行有关。因此，采取措施使建筑向节能转型，将会在很大程度上节约能源的消耗，并创造出更大的经济价值。截止到2010年，绿色建筑就将为美国带来超过600亿美元的经济价值1。我国处于建设发展的高速增长期，城市化、现代化进程还将持续很长的时间，而建筑业作为我国国民经济增长的重要支柱产业，在能源的有效利用、减少污染、保护生态环境等方面还处于起步与探索阶段，所面临的能源与环境问题更为突出。因此，对照我国的新能源发展规划与低碳经济的发展目标，积极尝试通过设计手段在建筑的设计、建造和运行中提高建筑能源利用效率，改善建筑的环境性能，引领低碳的生活方式，是当代建筑师所需肩负的责任。1从规划设计开始注入低碳理念建筑是人与自然进行能量信息交换的媒介。建筑师对建筑、市镇以及它们在空间上的分布所做的决策对能否实现“可持续发展”而言至关重要2，能源、原材料的消耗、碳排放水平等都将取决城市的发展模型。遵循非扩张性开发原则，从城市规划开始就贯穿低碳的理念，遵循保护、利用自然的设计策略，提高土地的使用效率，尽量减少开发带来的环境冲击，才能为一个建设项目打下良好的基础。坐落在天津滨海新区的中新天津生态城，规划区域内1/3是废弃盐田，1/3是盐碱荒地，1/3是有污染的水面，面对这样相当恶劣的资源约束条件，在生态节能的理念指导下，紧凑型的城市布局、方便快捷的绿色交通体系结合社区建设和滨水地区改造成为“资源节约型、环境友好型”宜居城市目标实现的手段。在交通节能规划设计中，构建以轨道交通为骨干、以清洁能源公交为主体的公共交通系统，覆盖全城的慢行交通网络、500m范围的服务半径、功能设施的配套设计使居民在适宜的步行范围内可以解决生活基本需求，减少对小汽车的依赖，交通出行的减少降低了交通产生的能耗。在节能的同时积极开发应用风能、太阳能、地热、生物质能等可再生能源，优化能源结构3。2007年在巴黎OIN项目中胜出的“Active Nature”，充分考虑利用自然资源与生产能力，保护既有的森林，在城镇的外围增加农业基地满足区域内生活的需要，通过“绿色电池”对水体与废物进行循环利用，通过规划满足该地域在未来三十年的“绿色”生活(图1)。合理的具有前瞻性的生态区域规划，是建筑设计可持续化的基础。2建筑设计中的低碳设计策略对于建筑来说，低碳设计意味着整个设计、建造、使用与废弃环节都要考虑到低能耗、低污染与低排放。在考虑建筑的耐久性设计的同时兼顾建筑的易拆除设计、节约资源设计和可再生能源利用设计等。2.1更多地考虑建筑的环境属性在全球化背景下，建筑师们创造出一批具有可识别性的标志性建筑，一种可以独立于其所建造的环境的商标性建筑，但是也有建筑师始终关注在具体环境中解答问题，让建筑成为特定环境所创造出的物体。安藤忠雄设计的很多建筑都是埋在地在的。他曾经说过:“不管出于什么样的自然环境中，我都试图创造一个从不凌驾于环境之上的建筑。”对场地地形的有效利用从而减少工程量，对风向、光线的有效利用从而减少建筑在使用中的能耗，已经成为大多数建筑师的共识。西班牙女设计师BelindaTato的临时搭建物“空气树”，在应对城市高温环境的长期命题、解决都市空间环境再循环的过程中，做出了有效地尝试。“树”由轻质可再生材料制成，可以轻易地拆卸并移动到其他地方。“树”的内部通过喷水管道以及各种攀缘植物如忍冬、常青藤等进行空气调节，吸收二氧化碳，净化空气。其冷却系统可以将内部气温下降至比街道其他地方低812，从而有效减轻大多数城市中心出现的热岛效应，成为居民休闲避暑的好去处。通过顶部安装太阳能电池板，“树”在能耗上实现自给自足的同时，多余的电量还会输送至电力公司，由此产生的利润用于建筑维护4(图2)这一举措增加了现存广场空间的树木密度，减少和重组交通线路，实现了城市空间环境发展的重新配置，使人工的环境更好地参与到自然环境的良性发展中去。2.2材料的多层次开发与高效利用2.2.1绿色建材的使用建筑与装修材料、设备管材的生产和建设环节是建筑大量产生能耗和污染的环节。很多常用的建筑材料会对环境产生不利影响，如新鲜加气混凝土会散发氡气，人造板材有大量甲醛挥发。在我国城市化进程中，建筑大多采用钢筋混凝土结构，而水泥是高耗能、高污染、高CO2排放的建筑材料，每建成1m2的钢筋混凝土建筑，将产生300400Kg的CO2，而且混凝土拆除物还会造成难以处理的废弃物。材料使用的不恰当在后期的使用和维护上带来很多的问题。因此，选用工业化成品或者可再生、循环利用的建筑材料，选取内含能源(embodiedenergy)5低的材料，是减少CO2排放，控制建设中、使用中和废弃后环境污染的一个有效途径。在开发新材料的同时，强调建筑材料的地域性和原生态性。西班牙建筑师的FOA事务所设计的“竹屋”，选用当地临时建筑上常用的竹子作为外围护材料，尝试将这种临时性的材料和构造用在建筑的永久结构上，寻求寻常材料的不寻常使用方式，“在建筑中引入自然界的消亡和再循环”(扎拉波罗)，试图使人造的城市逐渐向自然生态型转化。黄土高原地区的生土建筑维护结构主要是黄土直接加工成的生土材料，另外混入的麦草、芦苇等防止开裂。生土建筑具有施工简易、低能耗、便于就地取材等优势。生土制成的土坯砖造价仅为混凝土的1/5，用它做成外围护结构可以使建筑室内获得稳定舒适的环境。另外其加工制作过程也无需煅烧，污染很小，并且材料可以重复利用建设，甚至可以作为肥料在农业中使用6。在内部装修材料的选用上，选择简单有效、能源消耗少、施工便捷并且可以调节室内微气候的材料。比如日本零排放住宅中采用消石灰壁纸作为墙面装饰，对室内湿度的调节起到了很好的作用。2.2.2材料的高效利用老子曾云:“周行而不殆，可以为天下母。”低碳建筑设计节材策略的直接经济效益来自建筑垃圾减排。首先，建筑与室内设计一体化，可以减少构成建筑这个系统的要素，减少不必要的材料损失与能耗。其次，充分利用材料的特性，将材料性能与建造紧密的结合起来。采用高性能、低材耗、耐久性好的新型建筑体系，比如自重轻、可再生的钢结构构件，便于现场拼装搭建，可以减少施工环节与施工周期，节约施工成本，减少施工现场的材料浪费，降低废弃材料形成的污染。采用纸管结构与集装箱构成的Papertainer Museum，考虑建筑拆除后的材料回收再利用，减少整体的生态影响(图3)。汶川地震以后，刘家琨提出“再生砖计划”，利用破碎的废墟材料作为骨料，掺和切断的麦秸作纤维，加入水泥、沙等做成轻质砌块，用作灾区重建材料。这种低技低价、就地取材的环保材料，既是废弃材料在物质方面的“再生”，又是灾后重建在精神和情感方面的“再生”。控制体形系数，可以有效地节省维护用材，降低物能投入。美国可再生能源最早的使用倡议者富勒专注于对有限的物质资源进行最充分合理的设计。在Dymaxion住宅设计中7，他采用张力杆穹隆技术，近似于球形的外观完美地控制了体形系数，并且使结构体系与维护体系合二为一，在节约材料的同时，还免去了二次装修的材料消耗(图4)。2.3建筑空间的高效利用空间的高效利用可以降低总体的面积需求。对大量性的居住建筑而言，注重空间的充分利用，控制住房面积标准，必然降低建造的能耗。日本是一个土地资源贫乏的国度，其住宅设计中，往往将活动较频繁的空间作为枢纽来组织部分空间，以减少交通长度，达到节省空间的目的。减少建造也是节约能源的有效手段。建筑空间再利用(reuse)是建筑进入良性循环的有效手段，是城市发展的契机8。户型设计中考虑空间的灵活可变性，以及建筑随着时间的功能变更的可能性，既延长了建筑的使用寿命，又减少了建造量及建筑垃圾的产生，是降低建设费用、节省能源的途径。2.4建筑形式与能源消耗建筑的形式对建筑使用中的能耗有很大的影响。(图5)在规模、体量、建造年代等基本接近、采用相同的空调设备系统的情况下，由于内部空间、建筑形式、窗墙比等的不同，两栋建筑的能耗相差会将近一倍9。因此，从建筑的形式设计出发控制建筑使用中的能耗，是一种简单有效的手段。2.4.1形式与气候相适应中国文化总体上非常关注自然之道，从气候因素出发确定建筑的形式。传统的民居往往通过天井、庭院等形式改善室内的采光与通风。印度建筑师柯里亚的建筑形式往往随气候演变，在干旱的地区采用水体院落，在湿热临海的地区采用“管式”住宅把烟囱拔风原理应用于剖面设计中，实现对室内微气候的调节，并产生了直接反映气候性的建筑形象10(图6)。适宜的建筑形式，可以节约电能，减少对机械通风与空调系统的依赖，为人们提供更高的舒适感。窗是外围护结构中保温隔热的薄弱环节。公共建筑中玻璃幕墙大量采用，可开启窗扇的减少，在取得独特的造型及空间效果的同时带来了光污染，加大了能耗。因此，在满足采光的前提下，采用较小的窗墙比，采用中空隔热玻璃、铝制窗框及多种遮阳技术，对降低建筑运营中的能耗起到了重要作用。在以人工照明为主的公共建筑中，将采光形式与功能空间有机结合，还可以取得独特的空间效果。(图7)造型多样的遮阳设施设计在改善建筑热工性能的同时对立面的可塑性帮助也不小。选择合理的遮阳方式，可以改善建筑表皮对外部气候资源的利用，为建筑内部空间提供良好的气候环境。遮阳的手法有很多种，利用阳台、外廊等形体的凹凸变化形成的自遮阳、利用植物、建筑物之间相互遮挡遮阳、利用透光材料自遮阳、结合立面设计安装人工遮阳构件等，都是设计中可以考虑的方式。牵牛、葡萄藤、爬山虎等构成窗前垂直和水平遮阳，可以使有西向窗口的室内温度下降12。诺曼福斯特设计的马来西亚石油技术大学采用月牙形的高达挑檐在解决热带遮阳的同时提供了一个公共交流的空间，成为解决当地气候的一个具有独创性的答案(图8)。建筑清华大学能源11楼通过日照遮阳模拟，能耗预测分析和通风模拟组织的策略，确定建筑C形平面和阶梯状由北向南对称跌落的形态，并根据北京冬至和夏至正午太阳高度角设计遮阳系统。南侧退台遮阳板面层覆盖太阳能PV板，与配套设备构成太阳能发电系统，为中国城市建筑物温室气体排放的削减提供示范(图9)。2.4.2墙体的构造形式与太阳能的利用建筑物的墙体保温性能的好坏是影响建筑物节能指标的关键，是很多国家目前建筑节能开发的重点。墙体的颜色、材料、构造方式都会对建筑的能耗产生影响。自伦佐皮亚诺开创了建筑“双层表皮”以来，全世界大量办公建筑都运用这一技术进行节能化设计。随着新技术新材料的开发使用，建筑的外维护结构逐步从能量损失的系统变为吸收能量的系统。瑞士的Domat/Ems生态节能住宅墙体采用的TWD复合型材料，既可以在夏季阻挡热辐射，又可以在冬季吸收太阳能，具有很高的环境适应性。英国目前最大的光伏建筑项目CIS大厦在南向幕墙处采用多晶硅光伏材料，充分利用了太阳能提供建筑运营的能耗。2.5屋面的节能设计与构建立体绿化网络体系蓄水、架空、覆土种植屋面是目前比较常见的屋面的保温隔热设计的方式。屋面绿化与墙体垂直绿化相结合，在美化建筑、充分利用雨水、遮挡东西向日晒的同时，水分的蒸发还可以净化空气，调节屋面及室内温度，缓解城市“热岛效应”。大阪的Namba Park是一个购物中心与办公楼的综合体。设计师借用“峡谷”的理念，巧妙地将楼层和花园结合在一起，建筑宛如一个斜坡公园，从街道地平面上升至8层楼的高度，精心设计的多层次屋面绿化打破了室内外的空间界限，使冰冷的商业空间生龙活虎了起来。植物每天生长，每天都在改变建筑的样子，给人以新的体验。(图10) 3可再生能源的综合利用建筑的低碳化发展建设依赖于多种技术手段。在高度节能设计的同时，优化能源利用方式、发展可再生利用能源、新技术新材料的开发与应用，也是很关键的因素。3.1节能系统的选择建筑的能源消耗性存在地区差异性，应该根据不同地区的特点采取不同的能源利用方式。比如北方城市采暖能耗在总能耗中所占比重较高12，对煤炭的消耗也最大，就需要考虑在加强保温设计的同时寻求开发新的替代能源，大量缩减碳排放。南方城市对电能的消耗比较高，在加强隔热、遮阳设计同时，采用能耗低的电气设备，考虑建筑的通风与地冷的利用。改善城市的能源结构，尽量使用清洁能源，是当前建筑低碳设计的必然趋势。3.2可再生能源的综合利用在建筑全寿命周期内，充分考虑可以再生的非化石能源，包括风能、太阳能、水能、生物质能、地热能和海洋能等，满足建筑与环境之间的辨证关系。对太阳能的利用正在成为常规的能源利用手段。据悉，欧洲将开展太空太阳能电站实验，这个实验将收集太阳能，并通过红外线激光器，把能量传输给地球。上海世博会中国馆的屋面系统就安装了太阳能电池方阵，为一些设备系统和展厅照明提供电力。而对可再生能源的综合利用，更是建筑低碳化规划设计中发展的趋势。英国Graylingwell社区利用太阳能光电版和热电联产系统实现二氧化碳零排放，燃气热电联产设备不仅提供大部分的暖气和热水供应，而且能够发电将电能输送到电网或邻近的地块13。建于瑞典马尔默西部旧工业码头区的“明日之城BO01住宅”，广泛利用太阳能、风能和地热。小区99%的用电依靠风力发电，15%的供热依靠太阳能，85%由地热供热，100%利用地热制冷，是世界上第一个完整的具有一定规模的全部利用可再生能源的小区，为建筑、规划提供了可资借鉴的实例。3.3新技术开发3.3.1变废为宝的水体开发利用理念面对全球水资源的缺乏问题，将节水策略应与水环境系统设计有机结合起来。室外的铺装注意水体的循环、蒸发、吸收利用，减少热岛效应;考虑水的分类使用、循环使用与节水设计，加强水体处理应用于景观、灌溉用水，降低城市耗水量，从而降低城市污水处理的能耗，减少污水排放对水源的污染，达到节能减排的目的。利用非传统水源，将污水“变废为宝”。在天津公馆项目上成功应用“污水源热泵空调系统”，实现冷暖及生活热水的三联供，且该系统不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，环保效益显著。正如中国工程院院士江亿所言，“在具备污水的条件下，污水源热泵空调系统是目前最经济的热泵应用方式。”3.3.2建筑成为环境调节器如果人工的建筑物在降低能耗、利用可再生能源的同时可以同步改善现有的自然环境，那将是一件两全其美的事情。日本的“零排放住宅”，外墙表面的装饰材料“TAFCLEAR-E”超亲水涂料可以起到墙体自净、净化空气的作用。涂料中的“光解酶”成分，经过太阳照射后释放出的活性氧可以分解大气中的氮氧化物14。这种像自然界的生物一样可以“呼吸”的建筑，让我们看到了在低碳设计的道路上，理念与技术的相得益彰。4低碳设计理念的推广与建立完善的后评价机制通过政策法规的制定、专业机构的实施推进、经济杠杆的运用、设计师有目的的引导等手段进行低碳项目的推广，是行之有效的手段。一个理性的建筑设计过程加上一个具有延续性的环境性能评价过程，才能形成一个完整的循环。15由评价提供的反馈信息最终可以转化为设计的优化策略。比如在新材料新技术的推广应用上，不能单纯的从感觉上判断节能的效果，而是通过一个有效的评价机制，获得科学的严谨的数据，从而从经济、环保等方面综合判断其应用价值。如太阳能光电转化装置，成本较高、回收期较长，在大量的居住性建筑中推广就较为困难。5结语低碳经济核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新以及人类生存发展观念的根本性转变。中国的城市化、现代化进程还将持续很长的时间，只有选择节能减排的低碳发展模式，避免用孤立的眼光看待交通、污染、建筑、能源等问题，考虑整个生态系统的协同合作，建立建筑低碳排放体系，注重建设过程的每一个环节以有效控制和降低建筑的碳排放，并形成可循环持续发展的模式，才能有效解决城市发展中的各种问题。建筑始终是一门工程与艺术相结合的科学，在建筑中贯穿生态设计的理念意味着高新生态技术的运用的同时，让技术和审美时尚相融合，根据具体设计所处的区域特征，在常规的设计中寻求调整的方法，以最小的投入换取生态效益的最大化