微气候，是由于自然或人为因素影响而产生的不同于周边气候大环境的小范围内气候环境，通过对地形、水体、植物以及构筑物等的设计布局，可以营造舒适宜居的气候环境，减少人们对于采暖、降温等电器设备的依赖，从而获得节能减排的生态效益。


一、项目背景


“生态效益的战略设计”是由美国生态建筑师威廉•麦唐纳（WilliamMcDonough）与其合作伙伴共同完成的一个对美国加州大学戴维斯分校新校区进行规划设计的项目，旨在为近7000名新生、教职工营造生态舒适的生活环境，荣获了2004年ASLA专业奖项。在2001年美国加州能源危机的背景下，如何节约能源成为该项目的规划重点。依据美国部分城市年平均太阳辐射量的统计数值比较（如华盛顿州的西雅图3.67kWh/m2•d，阿拉斯加州的费尔班克斯3.99kWh/m2•d），设计者认为戴维斯市（5.10kWh/m2•d）具有优越的太阳能资源，因而将太阳能光伏系统的利用纳入了项目的规划设计当中。


二、项目规划


1.建筑规划


（1）建筑方向的规划规划的建筑朝向向东偏转10度（图1中网格表示），既可保证南面的采光、满足冬季时住户对于光照的需求，也可减少夏季时建筑对午后太阳热量的吸收，缓减室温的浮动。此外，夏季时午后的风从南部和西南部穿过此区域，可为其提供自然降温的机会，冬季时当风从南面吹进时由于西北面建筑墙体的阻隔而被分散减弱（图1中波浪线表示）。流过该区域的水流则引向较为荫蔽的北部、东北部，通过蒸发降温来弥补风力的不足，同时也可避免水体的过度蒸发。（2）建筑高度的规划规划区域内的建筑物高度由冬季的日照决定，应保证冬季时建筑的阴影不能将街道完全覆盖。夏季，建筑的南部和西部太阳辐射强，此区域可通过使用特殊的建筑材料来缓减室内温度的波动，并适当配植一些落叶类树木，为建筑提供荫蔽；由建筑群围合成的大尺度庭院可以捕捉风漩涡（图2中环状表示），庭院内精心配植的植物则用以疏导微风。（3）建筑空间的扩展通过精心设计，维持并提升户外空间微气候的舒适度，可刺激环境的使用，增加人们的户外停留时间，从而减少建筑的使用能耗。如图3所示，建筑的屋顶空间和垂直空间都可以通过优化形成可用的私人或公共户外空间，而通过设置地下停车场则可进一步扩展户外空间的面积；在建筑内部形成开放空间，不仅可以改善建筑的光照和通风条件，也可为住户提供较为舒适的休憩空间。


2.建筑单体设计


设计者理想中的建筑单体如图4所示。材料上：在建筑南部安装大型窗户增加采光；建筑内部使用能吸收且缓慢释放太阳热力的建筑材料以收集太阳能；建筑顶部种植草皮形成绿色屋顶。设备上：将太阳能光伏板应用到露天车库中，在收集利用太阳能的同时也起到一定的遮蔽作用；使用太阳能热水器，减少能源消耗；建筑内部使用地面辐射供暖，创造温度适宜的室内空间。装置上：在南向窗户上部设置可移动遮阳板，满足不同季节、不同时间段对太阳光照的不同需求；建筑顶部设置推拉式通风机增加空气流动。此外，在建筑南侧还应合理配植一些落叶树种，满足住户夏季遮阴、冬季采光的需求。


3.生态措施


图5为建筑规划中涉及的生态性措施，除了前文中提过的在建筑顶部使用太阳能光伏发电板、种植草皮之外，设计者还提出在建筑组团内使用透水铺装，并设置含有废弃物处理系统的植草池、应用先进节水技术的植被洼地等来加强场地对雨水的控制。而植物配植方面则要求选用适应性强、便于管理的乡土树种，这也是时下生态园林中重点强调的问题。


三、项目采用的节能措施


1.采暖措施


（1）地热系统不同于空气温度会随着季节呈现明显的波动，地下温度是相对恒定的。夏季，建筑物释放的热量由循环管线吸收后转移到大地；冬季，循环管线从大地吸收热量再将其转移到地板上、建筑物上供人采暖。地热系统的设计通常可以满足一个建筑物全部的冷却需求，以及80%～100%供暖需求，大幅削减对于HVAC（室内或车内负责暖气、通风及空气调节的系统或相关设备）的能耗，高效节能；且不易造成污浊空气对流，可维持室内空气的洁净，是最舒适健康的供暖方式。但是，由于戴维斯寒冷季节的时间较长，地热系统的“加热”很可能延伸至周边环境，从而降低系统的有效性直至冬季结束，故而在应用过程中需注意缓解这一问题。（2）热泵通过使用可再生热源（如地热），热泵可以为诸多应用提供最节能的加热和冷却策略。其具有良好的转化率，可减少能源消耗以及二氧化碳等污染气体的排放量。但是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其他辅助设备，且造价较为昂贵，故而在实际应用中需根据配电网的能力进行选择，最好使热源靠近热负荷（如学生宿舍）以降低输配电成本，达到最佳的使用效率。


2.降温措施


（1）植物降温绿色植物不仅可以在夏季形成凉爽舒适的视觉景观，还具有提供遮阳、改善空气质量、缓解夏季最高温度等降温作用。在该项目中，设计者主要从地面绿化和屋顶绿化两个方面进行了阐述分析。就地面绿化来说，研究模拟在加利福尼亚州的萨克拉门托增加30%（每家3棵）的地面树木覆盖率，结果显示全年用于降温的能源节省了约30%。就屋顶绿化而言，夏季的空气温度可使砂石屋顶的表面温度升高到140℃～175℃，而同等条件下绿色屋顶的温度不会超过77℃，这将大大减少制冷能源的消耗；此外，传统的屋顶结构经过20年便会开始退化，而绿色屋顶通过减小日温度和年温度的浮动，可将退化减慢至35年，在延长房屋使用寿命的同时降低维修和更换成本。当然，植物降温也具有一定的局限性，例如对于树木的维护有一定的技术与费用需求；另外，树木的生长需要阳光，这对太阳能光伏电板等的使用也具有一定限制。（2）通风降温通风的方式可分为自然通风和机械装置（如风扇）通风。自然通风是由空间内部和外部之间的温度差，或建筑物两侧的压力差驱动产生的。为了促进交叉通风，一个建筑物相对的两侧应设有通风孔或可活动的窗户，且需避免在两者之间设置大型障碍物（如墙壁）；在多单元建筑群中的某个住宅单位往往只有一个面可与外部连通，这种情况下在建筑顶部设“空中通风道”也可促进内部空间的空气流通（图6）。调查显示，在一户人家全年的能源消耗中，使用风扇等电器设备为室内空间通风所产生的能耗占显著比例。在该项目中建议不使用或只在夏季最热和冬季最冷时期使用电器设备，其余时间则通过推拉式通风机（以风力为动力）进行自然通风，尽量将对于电器设备的使用时间最小化。需要注意的是，在戴维斯，夏季的夜间温度通常白天低很多，夜间冷却的时间应加以控制，避免过度冷却而造成的对于取暖设备的使用，从而导致额外的能源消耗。


3.废水与雨水处理措施


项目中主要采用人工湿地来对废水与雨水进行处理与利用，并提出了4个基本应用：一是浅层沼泽系统，以相当大的流域面积为基础（通常超过1.67ha），需要相当大的空间、稳定的基流或地下水供应以供养新植的湿地植物；二是池塘湿地系统，包括一个池塘区域和一个浅层沼泽区域，其中池塘可以减缓流入的径流流速，汇集沉积物并去除污染物（此系统需要的空间较小，并被认为是最稳定的系统）；三是延长滞留的湿地，具有临时径流调蓄功能，可缩小湿地占用的空间；四是袖珍湿地，适用于不具有稳定基流来源、水位波动频繁的较小型场地，最适合干旱的条件（不易监测，相比其他的系统不稳定）。考虑到戴维斯的年降雨量较低，以及卫生和气味等问题，湿地建议选址在具有废水处理系统的场地。


四、我国的应用现状与启示


环境污染带来的气候恶化使得人们过分依赖于电器设备来获得适宜的室内气候环境，从而造成大量的能源消耗甚至污染气体的排放，继而加重气候的恶化，形成严重的恶性循环。作为我国国民经济的支柱产业之一，建筑业的节能减排已引起了国内众多学者的关注与研究，“生态效益的战略设计”项目中提出的生态理念与运用的生态措施在国内已有不同程度的应用与发展。


1.太阳能光伏


建筑能耗主要由建筑的建造能耗与使用能耗两部分产生。现代城市中，建筑能耗在人类活动所有能耗中占据相当大的比重，其中又以建筑使用过程中消耗的电能为最。太能光伏发电系统可以将清洁可再生的太阳能直接转换为电能，在一定程度上减少建筑的电能消耗，目前在国内已有一些将其应用到建筑中的案例。由东南大学建筑学院、东南大学建筑设计研究院与瑞典皇家工学院产业生态系联合设计的中国普天信息产业上海工业园智能生态办公楼，其在建筑顶面安装有10kW实验性太阳能光伏电池，可产生占建筑总用电量4%的电能，主要用于建筑外立面的照明与EPS系统充电。但是由于成本等问题，太阳能光伏建筑在国内的应用尚处于探索阶段，今后的发展还需依赖于技术的完善与政府的扶持。


2.绿色屋顶


相较于太阳能光伏发电系统，绿色屋顶在我国的应用则更为普及。随着社会的发展与科技的进步，如今的绿色屋顶已不仅仅局限于在建筑顶面铺设草皮那么简单，可以种植各类花木、安置小品设施营造舒适宜人的“空中花园”，也可以栽培各种蔬菜形成具有农家趣味的“空中农场”或是作为教育基地，对于建筑顶面的利用可以说是到了极致。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，其园区内所有建筑的顶面均规划建设为屋顶花园或空中农场，实现100%屋顶绿化，对于空中农场中种植的蔬菜均不使用农药、化肥，产出的有机蔬菜供应园区食堂。在相关政策、规范的推动下，屋顶花园的建设在我国北京、广州、上海等大型城市已初具规模，中小型城市还需政府的积极宣传与引导。


3.人工湿地


人工湿地这一新型污水处理措施虽然在我国的起步较晚，但发展迅速，不论是理论方面还是实践方面均取得了一定成果。在2006年沈阳世界园艺博览会的环保园，2008年为迎接北京奥运会而建的北京奥林匹克森林公园以及2010年上海世博园的后滩公园等三个举办大型国际盛会的园区中都有人工湿地污水处理技术的应用。其中，北京奥林匹克森林公园更是国内第一个全面以中水供给园内水系及主要景观用水的大型城市公园。位于其南园的人工湿地园总面积为41500m2，湿地氧化塘面积为30500m2，采用中国科学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，每天可处理来自清河污水处理厂的2600m3再生水和来自公园主湖的20000m3循环水，并种植了香蒲、水葱、芦苇、千屈菜、菖蒲等10余种水生植物，在净化水质的同时也营造了良好的景观环境。需要指出的是，人工湿地虽然具有诸多效益，但并不能完全代替天然湿地，我们在大力研究与发展的同时更应该顺应自然规律，积极保护地球的“天然之肾”。


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