建筑设计与小气候改善？
一.项目背景
《生态效益战略设计》由美国生态建筑师威廉？WilliamMcDonough和他的合作伙伴* * *完成了加州大学戴维斯分校新校区的规划设计项目，旨在为近7000名新生和教职员工创造一个生态舒适的居住环境，并获得了2004年ASLA专业奖。在2001加州能源危机的背景下，如何节约能源成为这个项目的规划重点。根据美国部分城市年平均太阳辐射量的统计对比(如华盛顿州西雅图，3.67kWh/m2？阿拉斯加费尔班克斯d 3.99千瓦时/平方米？d)，设计师认为戴维斯城(5.10kWh/m2？d)具有优越的太阳能资源，因此太阳能光伏系统的利用被纳入项目的规划和设计中。
二、项目规划
1.建筑规划
(1)规划建筑方向向东偏转10度(图1中用网格表示)，既能保证南面采光，满足居民冬季采光需求，又能减少夏季建筑对午后太阳热量的吸收，减缓室温波动。此外，在夏季，午后风从南面和西南面穿过这一地区，可以为其自然降温提供机会。冬季风从南方吹进来时，由于西北楼墙的阻隔而分散减弱(如图1中波浪线所示)。流经这一带的水被引到背阴的北方和东北方，可以通过蒸发降温来弥补风力的不足，同时避免水的过度蒸发。(2)建筑高度的规划规划区内的建筑高度由冬季日照情况决定，应保证冬季建筑阴影不能完全覆盖街道。夏季，建筑南部和西部的太阳辐射强烈。在这个区域，可以使用特殊的建筑材料来减少室内温度的波动，可以适当种植一些落叶树木，为建筑提供阴凉。被建筑包围的大尺度庭院可以捕捉到风涡(如图2中的圆环所示)，庭院中精心种植的植物被用来分流微风。(3)建筑空间的扩展通过精心的设计可以维持和提高室外空间小气候的舒适度，可以刺激环境的使用，增加人们的室外停留时间，从而降低建筑的能耗。如图3所示，可以优化建筑的屋顶空间和竖向空间，形成可利用的私人或公共室外空间，通过设置地下停车场，可以进一步扩大室外空间的面积；在建筑内部形成开放空间，不仅可以改善建筑的采光和通风条件，还可以为居民提供更加舒适的休息空间。
2.单体建筑设计
设计师理想的建筑单体如图4所示。材料:在建筑南面安装大窗户，增加采光；在建筑内部使用能吸收并缓慢释放太阳热量的建筑材料来收集太阳能；在楼顶种植草皮形成绿色屋顶。设备:露天车库应用太阳能光伏板，既收集利用太阳能，又起到一定的遮挡作用；使用太阳能热水器，减少能源消耗；建筑内部采用地板辐射供暖，营造温度适宜的室内空间。在装置上:在朝南的窗户上部安装了活动遮阳板，以满足不同季节、不同时间段对太阳能光照的不同要求；推拉式通风器安装在建筑物的顶部，以增加空气流量。此外，还应在建筑南侧合理种植一些落叶乔木，以满足居民夏季遮阳和冬季采光的需要。
3.生态措施
图5显示了建筑规划中涉及的生态措施。除了使用太阳能光伏板和在上面提到的建筑顶部种植草皮之外，设计师还建议在建筑群体中使用透水路面，并设置带有废物处理系统的草池和具有先进节水技术的植被洼地，以加强对场地雨水的控制。另一方面，要求选择适应性强、易于管理的乡土树种，这也是目前生态园的一个关键问题。
三。项目采取的节能措施
1.供暖措施
(1)地热系统不同于空气，温度随季节波动明显，地下温度相对恒定。夏季，建筑物释放的热量被循环管道吸收，然后传递给大地；在冬季，循环管道从地球吸收热量，然后将其传输到地板和建筑物进行加热。地热系统的设计通常可以满足一栋建筑的全部制冷需求和80% ~ 100%的供暖需求，大大降低了暖通空调(室内或车内负责供暖、通风和空调的系统或相关设备)的能耗，高效节能；而且不易引起污浊空气对流，能保持室内空气清洁，是最舒适健康的供暖方式。然而，由于戴维斯寒冷季节较长，地热系统的“加热”很可能会延伸到周围环境，从而降低系统的有效性，直到冬季结束，因此在应用过程中应注意缓解这一问题。(2)热泵通过使用可再生热源(如地热能)，热泵可以为许多应用提供最节能的加热和冷却策略。它具有良好的转化率，并能降低能耗和二氧化碳等污染气体的排放。但由于热泵的性能高度依赖于热源的性质，在热源不稳定的情况下还需要其他辅助设备，成本相对较贵，因此在实际应用中需要根据配电网的容量来选择热源，最好使热源靠近热负荷(如学生宿舍)，以降低输配成本，达到最佳使用效率。
2.冷却措施
(1)植物降温绿植不仅可以在夏季形成凉爽舒适的视觉景观，还可以提供遮阳，改善空气质量，缓解夏季最高气温。在本项目中，设计师主要对地面绿化和屋顶绿化进行阐述和分析。就地面绿化而言，研究模拟加州萨克拉门托地面树木覆盖率提高30%(每户3棵树)，结果显示全年用于降温的能源节省了30%左右。就屋顶绿化而言，夏季气温可使砂岩屋顶表面温度提高到140℃ ~ 175℃，而同等条件下绿色屋顶温度不会超过77℃，这将大大降低制冷能量的消耗；此外，传统屋顶结构在20年后会开始劣化，而绿色屋顶通过减少日温、年温的波动，可以将劣化减缓到35年，从而延长房屋的使用寿命，降低维护和更换成本。当然，植物降温也有一定的局限性，比如树木养护有一定的技术和成本要求；另外，树木的生长需要阳光，这也对太阳能光伏板的使用有一定的限制。(2)通风降温通风可分为自然通风和机械装置(如风机)通风。自然通风是由空间内外的温差或建筑两侧的压差驱动的。为促进交叉通风，建筑物的相对两侧应设置通风孔或活动窗，其间应避开较大的障碍物(如墙壁)；在多单元建筑综合体中，住宅单元只有一个表面可以与外部连通。在这种情况下，在建筑顶部设置“空气通风管道”也可以促进内部空间的空气流通(图6)。据调查，在一个家庭一年的能源消耗中，使用风机等电器设备对室内空间进行通风所产生的能源消耗占了相当大的比重。本项目建议不使用或仅在最热的夏季和最冷的冬季使用电气设备，其余时间采用推拉式通风器(风力驱动)自然通风，尽量减少电气设备的使用时间。需要注意的是，在戴维斯，夏季的夜间温度通常比白天低很多，要控制夜间的降温时间，避免使用过度降温导致的加热设备，从而导致额外的能源消耗。
3.废水和雨水处理措施
本项目中，人工湿地主要用于废水和雨水的处理和利用，提出了四种基本应用:一是浅水沼泽系统，基于相当大的流域面积(通常大于1.67ha)，需要相当大的空间、稳定的基本流量或地下水供应来支持新种植的湿地植物；第二种是池塘湿地系统，包括一个池塘区和一个浅水沼泽区，其中池塘可以减缓流入径流速度，收集沉积物和清除污染物(这种系统需要的空间较小，被认为是最稳定的系统)；三是延长滞留湿地，具有临时蓄泄径流的功能，可以减少湿地占用的空间；第四种是口袋湿地，适用于没有稳定基本流源、水位波动频繁的较小场地，最适合干燥条件(不易监测，与其他系统相比不稳定)。考虑到戴维斯的年降雨量低以及卫生和气味问题，建议将湿地设在有废水处理系统的地方。
四、中国的应用现状及启示
环境污染导致的气候恶化，使人们过分依赖电器设备来获得适宜的室内气候环境，导致大量的能源消耗甚至污染气体的排放，反过来又加剧了气候恶化，形成严重的恶性循环。作为我国国民经济的支柱产业之一，建筑行业的节能减排已经引起了国内众多学者的关注和研究。“生态效益战略设计”项目中提出的生态理念和生态措施在中国得到了不同程度的应用和发展。
1.太阳能光伏
建筑能耗主要由建筑能耗和使用能耗产生。在现代城市中，建筑能耗在人类活动的所有能耗中占有相当大的比例，其中建筑使用过程中消耗的电能最多。泰能光伏发电系统可以将清洁可再生的太阳能直接转化为电能，在一定程度上降低建筑的电能消耗。目前，国内已有一些应用于建筑的案例。由东南大学建筑学院、东南大学建筑设计研究院、瑞典皇家理工学院工业生态系联合设计的中国普天信息产业上海产业园智能生态办公楼，在楼顶安装了10kW实验型太阳能光伏电池，可发电占建筑总用电量的4%，主要用于建筑立面照明和EPS系统充电。但由于成本等问题，太阳能光伏建筑在我国的应用仍处于探索阶段，未来的发展仍有赖于技术的提高和政府的支持。
2.绿色屋顶
与太阳能光伏发电系统相比，绿色屋顶的应用在中国更受欢迎。随着社会的发展和科技的进步，如今的绿色屋顶不仅仅是在楼顶铺上草皮那么简单，还可以种植各种花草树木，布置设施，打造舒适宜人的“空中花园”，还可以种植各种蔬菜，形成具有农家乐情趣的“空中农场”，或者作为教育基地，可以说是对楼顶的终极利用。被世界屋顶绿化协会授予“世界屋顶绿化科研教学示范基地”称号的南京紫东国际创意园，规划在园内所有建筑顶部建设屋顶花园或空中农场，实现100%屋顶绿化。空中农场种植的蔬菜不使用农药化肥，生产的有机蔬菜供应园区食堂。在相关政策和规范的推动下，北京、广州、上海等大城市的屋顶花园建设已初具规模，中小城市仍需政府的积极宣传和引导。
3.人工湿地
人工湿地作为一种新的污水处理措施，在我国起步较晚，但发展迅速，在理论和实践上都取得了一定的成果。人工湿地污水处理技术已应用于2006年沈阳世界园艺博览会环保园、2008年为迎接北京奥运会而建设的北京奥林匹克森林公园和2010年上海世博会后滩公园。其中，北京奥林匹克森林公园是中国第一个用再生水供应水系和主要景观用水的大型城市公园。位于南园的人工湿地公园总面积为41500m2，湿地氧化塘面积为30500m2。拥有中科院水生生物研究所自主研发的“复合垂直流人工湿地”专利技术，每天可处理清河污水处理厂再生水2600m3、园区主湖循环水20000m3，已种植香蒲、葱、芦苇、狼尾草等60吨。需要指出的是，虽然人工湿地有很多好处，但并不能完全取代自然湿地。在大力研发的同时，顺应自然规律，积极保护地球的“天然之肾”。
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