12_适应_与_缓解_基于微气候循环_省略_山地城市低碳生态住区规划模式研究_徐煜辉

1、 徐煜辉 XU Yuhui张文涛 ZHANG Wentao（重庆大学建筑城规学院，重庆，400045）【摘 要】城市微气候循环的构建，以局地气候的良性循环实现建成环境对大气候环境的动态适应与优化，进而借助气候舒适度实现城市低碳节能的目的。本文基于微气候循环，一方面通过对重庆市的山地城市住区建设实践进行评价，对其与地形、自然环境、微气候的相互影响进行分析，总结评价山地住区布局微气候适应性；另一方面，以“热度”、“通风”、“湿度”、“日照”四 项影响山地微气候循环的制约要素作为评价因子，总结住区山地布局适应性、山地建筑特征和山地绿化组织三个层面的低碳生态规划模式，通过构建生态绩效的“三维耦合模型”

2、，提出“山地城市低碳生态住区规划模式”，以达到最终实现住区内热度、通风、 湿度、日照四项微气候因子的互补循环，进而达到额外能量微消耗、生态环境微冲击、二氧化碳微排放的山地低碳生态住区建设目标。 【关键词】气候适应；微气候循环；山地低碳生态住区；微气候因子；三维耦合模型；规划模式【中图分类号】TU981【文献标识码】A 【Abstract】 The construction of urban microclimate cycle is to achieve the local climate virtuous circle, in order to realize the building en

3、vironment dynamic adaption and optimization to climate, and then realize the target of low-carbon and energy saving with the improvement of climate comfort degree. Based on the micro-climate cycle, on the one hand, this paper is evaluating the existing settlements practice of the mountain city by ta

4、king Chongqing as the representative, to analyze the interaction between settlements and their topography, natural environment and micro-climate, afterwards to summary the micro-climate adaptability about the layout of the mountain settlements. On the other hand, taking four constraints factors affe

5、cting mountain micro-climate cycle as the evaluation factors, summarizing the planning model of low- carbon and ecological residential areas, which refers to the adaptability of mountain layout, characteristics of mountain buildings and organization of mountain green space. Then by establishing the

6、3D coupling model for low-carbon and ecological performance, we could multiple guide and integrate the planning model of low-carbon and ecological settlements, and eventually make the four-factors including Heat, Ventilation, Humidity, Sunlight achieve complementary cycle. So that the mountainous se

7、ttlements will achieve micro-consumption of additional energy, micro-impact of ecological environment and micro-emission of carbon dioxide. 【Keywords】 Climate Adaption; Microclimate Cycle; Low-carbon and Ecological Residential Areas in Mountain City; Microclimate Factors; Three-dimensional (3D) Coup

8、led Model; Planning Model覆盖状况等条件的差异，在近地面大气层中某些地方可以表现出与本地区一般气候有所不同的气候特征，这些也是建筑、城市形态特征形成的决定因素之一。应对全球气候变化，城市既要适应动态的气候环境，同时也要在适应的过程中缓解因碳排放带来的全球气候问题，因此城市可持续发展应该探索“适应”与“缓解”同步共赢的规划模式。传统工业技术的逐步升级，为人类征服自然创造了强大的 优势条件，然而大工业生产及快速的城市化带来的却是自然气候与人类居住要求的日益脱节。为适应全球气候问题，恰当的 对于山地城市，由于山地地理空间受地形等自然要素隔离，其山水之间生态环境及气候条件差异度

9、较大，山地生态系统的自我恢复能力较低，造成水平和垂直区位上的城市组团更易形成自己小片区群落的共生状态，所以山地城市的发展更应该重视不同片区组团生态环境的自我维护与循环。有学者提出，一个可持续市“必须具有便于步行、非机动车通行以及建立中彩页 32Urban Studies Vol.19 No.7 2012低碳生态城市发展模式更是尤为重要，适应并改善气候环境下公共交通设施的形态及规模，并具有一定程度的紧缩性以便于的城市建设则是先决条件。此外，伴随城市可持续发展模式的人们之间的社会性互动”2。零散分布的自足化社区是能满足 以上要求的城市形态之一，山地环境恰不断拓展，“重建城市微循环”也逐渐被引起关注

10、通过微好具备这样的条件。因此通过城市微气候循环实现山地住区低碳生态目标，也将成为山地城市可持续发展的有效途径。 冲击、微绿化、微能源 1 以及微气候循环来实现城市的生态化 转变，从而实现其可持续之路。所谓城市微气候是指由于地形、朝向、土壤特性以及地面 1. 城市微气候循环的应用基础 “适应”与“缓解” 基于微气候循环的山地城市低碳生态住区规划模式研究 “Adaption” and “Remission”:Study on the Planning Model of Low-carbon and Ecological Residential Areas Based on the Microcli

11、mate Cycle of Mountain City 表 1 重庆微气候特征分析 5 谷地：中等； 丘顶：偏高； 垭口：中等、易降； 山脊：中等、坡高热典型的夏热冬冷型气候，最低极限气温为 -3.8，最高极限气温可达 43.8 盆地：低； 冲地：低； 河漫地：低 谷地：谷地风； 盆地：静风多； 冲地：顺沟风； 河漫地：水陆风 谷地：大； 盆地：中等； 冲地：大； 河漫地：最大 谷地：差、阴影早； 盆地：差异较大； 冲地：差、阴影早； 河漫地：较好 热度坡（台）地：逆温东亚季风区，同时受到东北西南向平行岭谷地形影响，冬季盛行偏北风，夏季偏南风增多 丘顶：改变风向； 垭口：大风区； 山脊：改向、

12、加速通风坡（台）地：顺坡风、涡风、背风降水丰富，并且随地势增高而增加。三面环山、一面临江，平均相对湿度在 70% 80%，在全国属高湿区 丘顶：易干旱； 垭口：湿度小 ； 山脊：干旱 湿度坡（台）地：中等年日照时数为 1000 1400h， 日照百分率为 25% 35%，为全国年日照最少地区之一 丘顶：充足； 垭口：阴影早； 山脊：较少 日照坡（台）地：向阳坡多2 低碳生态住区的概念界定3.2 重庆城市微气候与低碳生态住区规划的相关性分析 作为低碳生态住区微气候循环的评价因子 , 热度、通风、湿度、日照四项微气候要素对山地布局适应、山地建筑特征、山地绿化组织三方面有明显的影响作用（图 2）。

13、住区热环境将直接影响居住者在室内外的舒适程度，过冷或过热都会降低人们对室外环境的利用率，增加室内空调等调温设备的利用，增加耗能；而住宅建筑的空间布局和绿化组织方式、建筑的耗能设施排热等又将反作用于住区热环境。 住区通风的好坏，在很大程度上间接决定了住区的热度和湿度因素，良好的通风可以提升住区微气候要素之间的动态平衡，但过大或过小的通风都不利于住区的低碳性与生态性打造。住区气流循环、风向及风速受建筑平面布局和竖向起伏度两方面影响，因此建筑布局也决定着住区空间的通风、防风效果。 住区湿度环境主要受住区建筑布局的通风性能和住区绿化组织（包括水体）的影响，其中通风性能主要是除湿作用， 而绿化主要是起到

14、为住区增湿及平衡湿度的作用。住区环境的干湿程度直接影响人们居住的舒适程度，良好的干湿环境进一步降低了人们采取主动除湿增湿措施可能性，从而降低能耗。 关于低碳生态住区概念，国内外至今未给出确切的界定。国外主要注重低碳与生态技术在微观层面的实践运用，成果丰硕，对于相关概念界定甚少；国内一方面从宏观和微观层面对低碳住区和生态住区的概念进行了相关界定（如黄文娟等人对低碳城市社区的内涵在城市层面上进行了界定，认为低碳城市社区是低碳城市中城市空间结构具体领域的概念延伸 3），另一方面，也强调了低碳理念在基层城市社区层面的实践（如辛章平等人总结低碳社区指在社区内除了将所有活动所产生的碳排放降到最低外，也希望

15、透过生态绿化等措施达到零碳排放的目标 4）。 本文认为，低碳生态住区应该是在尊重并充分利用住区地 域既有生态环境（包括地形环境、水环境、动植物状态、微气 候环境等）的基础上，融入低碳技术，通过再造环境、空间、 设施与既有生态环境的良好结合，来实现住区生态保护与生态 互补的最优化，从而通过整体良好的生态循环来建设低碳绩效 的新住区理念。本文所叙的低碳生态住区是住区整体性的低碳， 不仅包括技术植入式的建筑单体、市政设施等方面的节能减排， 更强调的是通过设计手段达到住区软环境与设施、空间之间的 物质能量循环沟通，即通过微气候循环来达到住区的低碳，而 主动式低碳技术的引入，将成为被动式低碳建设的放大点

16、或催化剂。 3. 重庆低碳生态住区规划存在的问题 3.1 重庆城市微气候特征 特殊的地理区位和山地条件，造就了重庆市独特的微气候 环境（表 1），根据重庆市山地条件下的微气候特征分析，得出重庆市山地条件下的微气候循环示意图（图 1） 图 2 微气候与低碳生态住区相关性示意图日照因素是最可控的因素，通过控制适当的建筑间距就可以满足住宅建筑的日照需求，但是不同的建筑布局形式带来住区空间日照量的不同，引起住区局部空间的温度和湿度的差异性变化，进而带来住区局部空间气场的交换流动，也将有助于协调微气候的其他三要素的平衡，并进一步改善住区环境，为降低住区能耗和运营成本创造条件 6。 良好的微气候循环必须建

17、立在对地区山地生态环境的最大适应与利用程度下来达到，因为只有充分适应原始生态环境才 图 1 微气候循环示意图中彩页 33城市发展研究 19 卷 2012 年第 7 期微气候要素微气候特征 地形 升高的中间的下降的 表 2 重庆住区微气候适应与低碳生态评价 平面平行等高线布局；横向天际线与山势耦合较 差；纵向分台层次较乱。 绿化覆盖率较低；开敞或廊道性绿化较少； 植物配置较单一。 建筑布局密度大；通透性开敞空间有限；建筑高度层次欠佳。 渝中 人民路小区组团 中 差 中 差 差 中 综合评价住区规划模式较差；微气候适应较差；生态环境较差；低碳生态绩效较低。点式交错排列；横向 建筑底层架空较多，密度

18、 绿化覆盖率高；开敞 大 杨 石组 村社区 天际线与山势基本耦合；纵向分台有序。 较高；通透性开敞空间较多，建筑高度层次单调。 和廊道性绿化较多； 植物配植层次丰富。 良 中 中 良 中 优团 综合评价住区规划模式较好；微气候适应较好；生态环境较好；但低碳绩效较弱。 绿化覆盖率好；绿化点式高层交错排列；天际 建筑布局密度较低；空间整体性。 与空间协调较；好绿 化植被层次丰富。 优 良 良 优 良 优香江花园 江北组团 线耦合山势；分台有序 连续性强；建筑高度层次单调 综合评价住区规划模式好；微气候适应较好；生态环境好；低碳生态绩效好。 注：三个住区的大的气候条件基本相同；评价以住区居民对微气候

19、的主观感受为依据，经调研总结定性分析；评价分优、良、中、差四个等级。 能最大的降低再造环境的能耗与额外浪费；只有最大程度地利用原始生态环境才能最大地提升建成住区微气候环境的地域归属性，从而提高微气候自我循环的流畅性，即山地低碳生态住区规划应该通过良好的微气候循环来实现，而山地布局适应、山地建筑特征、山地绿化组织三个方面则是构建良好微气候循环的必要途径。 3.3 山地低碳生态住区对重庆微气候适应性的评价 本文选取重庆主城区不同布局的三个住区，从山地布局适应、山地建筑特征、山地绿化组织三层面进行分析（表 2）， 并通过对微气候循环四要素的评价进行微气候适应性评价，通过耗能节能情况和生态环境状况来进

20、行低碳生态评价，得出以下评价： 住区布局平行或垂直等高线的模式有利于山谷风等风体能够形成较好的微气候循环（如香江花园）；建设方向相反的住区，往往会有热度、湿度、日照三方面的较差评价。 通过以上分析，本文对重庆低碳生态住区规划的模式与微气候循环关联性得出如下结论： 微气候适应度的优劣与低碳生态绩效评价是正相关，即保证优良的微气候循环是实现低碳生态绩效的有效途径； 保证住区良好的山地布局适应性、山地建筑特征、山地绿化组织模式是山地住区拥有良好微气候循环条件的必要条件； 山地住区规划模式的三个层面中，仅单层面的独自良好并不能达到住区整体微气候循环条件的良好。 顺应山体走势进入住区，提高住区的通风状态

21、（如村社区）； 根据国内外理论实践分析可以得出（表 3），国外低碳生 而没有从整体地域的微气候角度来进行建设的住区，既破坏了原有生态环境的完整度，又不利于建成环境与既有环境的互补 连接。 态住区发展与规划是建立在低碳高技术的创新与应用基础上， 通过成熟的高技术与生态设计手段的融合来间接实现微气候循 建筑布局采取低密度、开敞性和联系性较好的住区，在 环，进而达到住区低碳生态综合绩效；国内低碳技术虽尚不够通风、日照、湿度三项因子上均能得到良好的评价（如香江花 成熟，且多数低碳生态住区是在生态绿色住区的基础上植入低园）；而一些高密度住区往往因公共空间匮乏或空间开敞度不 碳技术，在微气候循环上并没有达

22、到较之国外更好的效果，但是自上而下的实施值得认可与推广。 够导致微气候环境较差。 绿地率高、绿化层次丰富且与开敞空间关系协调的住区 国内外低碳生态住区规划实践可以归纳为以下三种基本模 表 3 国内外低碳生态住区理论研究总结 发展阶段 关注方面 相 关 理 论 经 验 荆其敏提出生态城市的发展模式，并把建筑形式与生态城市建设结合起来，分析建筑形式与气候效应的相互关系 6； 徐坚主张摒弃单纯强调生态保护及平地概念的城市建设，要求对城市空间潜在的自然环境、地貌特征、气候要素等进行统筹思考，实行地域生态适应性地城市设计 5。 城市层面 起步较国内 晚，较 不成熟 颜京松对生态住宅和住区 5 大主题中的

23、生态循环、生态文化的具体内容和要求进行了阐述 7；住区层面 张力等人将生态位理论应用与居住区研究结合，把家庭月收入、户主文化程度作为“居住态”评价因素， 交通条件、区位、生活条件、自然环境作为“居住势”评价因素，构建居住生态位评价模型 8。 余晓平、付祥钊等，对夏热冬冷地区住宅室内热环境质量，夏热热冬冷地区的围护结构等方面都有研究 9； 王振对街区层峡的微气候要素与街区建筑空间的关系进行了研究 10。 街区和室内层面 英国早在 19 世纪 80 年代就已经在对城市区域及城市街区与能源的关系、住宅及建筑群与能源的关系、建筑及其形式与能源关系的研究过程中重视并考虑了气候因素； 主要从建筑单体 的气

24、候适应、生 起步较 国外 早，较 建筑师查尔斯科里亚提出“形式追随气候”的设计概念，他以从传统建筑中发掘出来的“开放式空 态适应性设计及研究发展衍生 间”（open-to-sky space) 为中心，凭借现代的但是较简单的建筑技术形成了很多适应气候的设计策略 11； 为成熟 西班牙建筑师 J巴尔巴提出“整合生物气候建筑”（Integrated Bioclimatic Architecture) 的概念，用景观学观点来决定建筑的供热、制冷和照明，建筑充分利用大自然的能源和资源，为居住者尽可能地提供最舒适、宜人的居住环境 12。 中彩页 34Urban Studies Vol.19 No.7 2

25、0124. 国内外低碳生态住区微气候适应性规划的经验借鉴 区位 既有住区 山地规划模式微气候适应评价低碳生态评价 山地布局适应山地建筑特征山地绿化组织热度 通风 湿度 日照 低碳 生态 能源技术植入模式生态优化塑造模式具有微气候适应性的 混合导向模式 图 3 国内外低碳生态住区规划实践模式总结图式（图 3）： 能源技术植入模式： 通过能源技术（包括节能减排技术、新能源技术、回收再利用技术等）在既有住区规划模式中的植入，实现住区建筑单体和市政设施方面的低碳，不足之处是基本没有考虑微气候效应。 生态优化塑造模式： 通过对既有生态环境的保护及绿化景观的组织来达到住区生态景观环境的最优化，但是由于通过

26、生态绿化引导住区建设， 所以欠缺生态环境与建筑及设施的协调组织，微气候效应下的 低碳绩效较弱。 具有微气候适应性的混合导向模式： 综合运用低碳节能技术及生态优化设计，更多地考虑建筑单体与周边环境的共存与交流，提升了住区建筑主体与环境之间的联系性，形成了具有明显的微气候循环效应，在低碳生态绩效上也逐渐突出。 图 4 山地城市低碳生态住区规划模式三维耦合模型 13 M 、MM 指代山地布局适应模式下关于山地地势、 01Z02Z0nZ水体、植被等的微气候优越性分项模式，M01X、M02XM0nX 指代山地建筑特征模式下关于山地建筑布局、空间组织等的微气候优越性分项模式，两种分项模式之间的耦合是双向协

27、调的过程，以耦合后不降低通风、日照因素的评价结果作为耦合条件。 5. 山地城市低碳生态住区规划模式的建立 5.1 模式建立的原则 该模式的建立必须以微气候循环作为实现低碳生态绩效的首要条件，同时以微气候循环绩效评价作为山地低碳生态住区规划的基本条件。 山地适应性原则：把握山地城市山地背景下的微气候循环、低碳生态绩效的实现，把握山地地势、山地水体、山地植被对微气候的影响及与建成环境的协调。 低碳最大化原则：以基于微气候循环的被动式低碳为宏观控制，汲取各种低碳技术（建设、管理、运营等）进行适应性地技术融入，催化低碳生态住区的低碳绩效最大化。 生态最优化原则：在保证生态足迹最小化的基础上，充分利用有

28、利于优化微气候循环的既有生态环境，为创建有利的微气候循环适应性地的再造生态环境。 5.2 规划模式的建立 5.2.1 三维耦合模型的构建 以山地建筑特征模式为 X 向量，山地绿化组织模式为 Y 向量， 山地布局适应性模式为 Z 向量建立山地低碳生态规划三维耦合模型。其中三维围合空间的对角线向量 0M 为低碳生态规划模式的集合 ( 图 4)。 在该模型中，以三种模式两两组成的三个面域作为两种模式的耦合，耦合过程则主要是通过微气候四要素的评价，耦合后的面域中的点（M01、M02、M03）对应的是相应轴线指代的微 气候优越性提取后的分项模式， M0 即为对应三个面域微气候最优评价后的耦合模式的集，所

29、有 M0 的集合构成 0M 向量。 图 5 微气候四要素评价耦合示意图 5.2.2 耦合过程分析 微气候四要素评价耦合过程分析如下（图 5）： 山地布局适应模式与山地建筑特征模式耦合。 山地绿化组织模式与耦合后的山地布局适应模式、山地建筑特征模式进行耦合。 山地绿化组织的分项模式 M01Y、M02YM0nY 与山地布局适应模式和山地建筑特征模式的分项模式的耦合是单向的，且采用绿化组织的同一分项模式与耦合一起的山地布局适应和山地建筑特征的分项模式进行耦合（如 M01Y 同时与耦合的 M01Z、M03X 进行耦合），从而实现了以能够保证良好的热度、湿度评价和能促进住区微气候通风、日照条件为基准进行

30、耦合； 三个模式下的分项模式耦合 s 成功后，得到三维耦合模型每个面域的分项耦合模式点 M01（M01Z，M01Y），M02（M02X， M02Z ），M03 （M03X，M01Y）， 进而得出耦合模式点 M0（M01，M02，M03），多个 M0 构成 0M 向量，即山地城市低碳生态住区 中彩页 35城市发展研究 19 卷 2012 年第 7 期 规划模式的集合。 5.2.3 规划模式框架建立 基于城市微气候循环的山地低碳生态住区规划模式框架由三个部分组成（图 6）：【注释】 采用能源技术植入模式的有：（1）德国弗莱堡太阳能社区应用光电子板收集太阳能；（2）英国伯丁顿低碳社区提高建筑能源使用

31、效率及可循环建筑材料应用；（3）保定低碳高新区采用光能、风能发电，利用储电输变电自动化技术。 采用生态优化塑造模式的有：（1）上海东滩生态城 生态理念出发，集约式开发布局，碳中和技术应用；（2）东京世田谷区深泽环境共生住区住区最大限度地使用一切自然 资源、减少环境负荷、降低使用成本，竭力打造一个生态节能、可持续性住区；（3）加拿大多伦多康狄赛尔住宅注重使用生态节能材料，注重屋面墙体的垂直绿化。 采用微气候适应性的混合导向模式的有：（1）日本福冈爱蓝岛照叶小区采用住宅节能技术，生态型住宅建筑设计，与自然共生的户外环境规划；（2）瑞典斯德哥尔摩汉马比 （Hammarby）居住区采用能源循环利用系统

32、的设计，系统化的规划设计方法和闭合生态循环系统的理念；天津中新生 态城以生态修复和保护为目标，以可再生能源利用为标志，加强节能减排，构建资源节约环境友好型社会。【参考文献】 建筑工业，2008：130-160. 分项。 三维模型（评价）耦合： 采用三维耦合模型，通过微气候四要素评价，对步提取出的分项模式进行耦合。如果微气候四要素评价为优是，则直接进入第步； 如果微气候四要素评价为差否。则模式流程返回第步， 从三类分项模式中剔除直接不能相关耦合的分项模式，再经过重复步骤，直到微气候四要素评价为优是。 利用耦合模式的方案生成： 通过、步过程，利用由山地布局适应、山地建筑特征、6 荆其敏. 生态建筑观J. 天津大学学报（社会科学版）， 2003，5(4)：308-311. 7 颜京松，汪敏 . 生态住宅和生态住区（）生态循环、和生态文化 J. 农村生态环境，2004，20(4)：9-11. 8 张力，李雪铭，张建丽 . 基于生态位理论的居住区位及居住空间分异 J. 地理科学进展，2010，29(12)：1548-1554. 9 余晓平，付祥钊 . 夏热冬冷地区民用建筑除湿方式的适用性分析 J. 建筑热能通风空调，2006，25(2)：65-69. 10 王振 . 绿色城市街区基于城市微气候的街区层峡设计研究 M. 南京：东南大学 ,