从—理论到实践新加坡绿色建筑自然通风策略的实施

刘少瑜 宋易凡 / LIU Shaoyu, SONG Yifan

1 自然通风：绿色、健康的有效策略

面对有限的生存空间和资源，以及对空间日益增长的需求，高密度、高效率的空间利用是人类生存和发展的必然及有效途径。在高密度城市，大量的垂直空间、紧凑的城市功能和高效的公共交通系统使人们的生活更加便捷，却也导致人群的过分聚集。在亚洲，以新加坡、香港、澳门为代表的国家和地区的人口日益密集。新加坡统计局（Statistics Singapore，2017）公布的数据显示，2017年新加坡的人口密度为7796/km2，排名世界第三。

城市的高密度发展、人口密度的增加已经引发一系列城市问题。一方面，城市生态环境遭到严重破坏，加重了空气污染，导致雾霾天气频繁出现，城市和建筑的通风环境质量极差，进而引发疾病的传播。另一方面，高度集中的建筑物和人类活动消耗大量能源，形成城市热岛效应，进而降低了暖通空调系统在夏季的能量转换效率（Skelhorn et al.，2016）。因此，对于新加坡等热带气候区的国家和地区而言，热岛效应会大幅增加全年建筑能耗。大量能耗形成热岛效应，热岛效应反过来又增加能耗，如此形成恶性循环。此外，大体量和高密度建筑导致人与自然缺乏联系，室内封闭式空调环境会削弱人体热适应能力（Brager et al.，1998）。长期在这种环境下生活，不仅会引发居住者的病态建筑综合症（Sick Building Syndrome，SBS），还会使下一代人对自然缺乏兴趣，这些都与时下倡导的健康建筑的思想背道而驰。

为此，不少研究人员正努力通过被动式建筑设计策略来解决上述问题。被动设计策略的运用可减少世界上2.35%的能源消耗（Ahmad Zaki et al.，2012），自然通风策略可减少居住建筑23.6%的年度总能耗（Taleb，2014）。另一方面，生活质量的提高使人们更加关注健康，人们逐渐意识到久居封闭式室内空调环境的弊处，从而向往在接近自然的半开放和开放空间活动。在此类自然通风空间中，人们不再是人工环境的被动接收者，而是自然环境的主动调节者。因此，被动式建筑设计策略，特别是自然通风策略，不但是保护自然环境的关键方法，还是提高居住者健康的有效手段。

自然通风是压力作用下的结果，主要包括热压和风压。热压，即烟囱效应，主要取决于温差和建筑高度，常用的建筑设计策略是在出风口通过吸收太阳辐射提高温度，或者增加建筑高度。烟囱效应可以产生相对稳定的气流，在干热地区和夏热冬冷地区非常具有潜力。研究发现，许多建筑设计因素都与风压效果息息相关，包括城市风流、方向、建筑覆盖率、场地风环境、建筑布局、建筑间距、建筑高度、防风林，以及建筑的形状、朝向、围护结构开口或开窗形式、开口位置和形状、开间进深等（Ayo et al.，2014；Ahmad Zaki et al.，2012；Yuan et al.，2016；Thomas et al.，2007；Passard et al.，1990；Grabe et al.，2014；Shetabivash et al.，2015；Gan，2000）。夏季是采用风压通风的最佳季节，但需注意渗入风的冷却处理；冬季应避免过度通风，以减少热量损失。新加坡属于典型的热带气候区，适用与风压原理相关的技术策略，新加坡绿色建筑标准很好地诠释了这一点。

表1 Green Mark一级分类、分值和权重

表2 Green Mark中通风相关指标所属二级分类、分值和权重

2 新加坡自然通风的绿色标准

目前，世界上许多国家和地区都制定了各自的绿色建筑标准。大部分标准的指标分类都类似，包括场地、能源、水、资源、室内环境质量、提高与创新，但不同地方因气候、文化、政策等不同，各指标的权重及具体的评估细则往往存在较大差异。

在温带气候区国家，绿色建筑标准并不是新事物，2005年之前，几乎所有标准，譬如英国建筑研究院环境评估方法（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM）、美国能源与环境设计先锋奖（Leadership in Energy and Environmental Design，LEED）、日本建筑环境效率综合评价系统（Comprehensive Assessment System，CASBEE）等，都集中在温带气候区。新加坡“绿色标志”（Green Mark）于2005年推出，是为热带地区制定的第一个绿色建筑评估标准，由高到低分为铂金奖、超金奖、黄金奖和认证奖4个等级，其中，认证奖在2015年最新版中被取消，认证建筑有效期为3年。

新加坡Green Mark有多个版本，包括2008年1月31日至2010年12月1日的第3版，之后推出的第4版，以及2016年8月31日实施的2015版（GM NRB 3.0，2008；GM NRB 4.0，2010；GM NRB，2016）。鉴于2015版具有与之前版本不同的评估分类，笔者将选取可比内容进行比较，如若有无法比较的重要相关内容，则另行对2015版单独进行内容分析。

从表1中不难看出，同大部分绿色建筑标准一样，旧版Green Mark遵循能源、水、资源、室内环境质量、提高与创新的分类法，但缺少场地的评估分类，更强调“能源效率”，所占比例超过60%。在“能源效率”分类中，Green Mark有别于其他绿色建筑标准，将评估分为两条支线，分别是“空调区域”和“非空调区域”，两者不是平行关系，而是重叠关系。譬如，如果某一建筑获得第4版“空调区域”的42分和“非空调区域”的55分，最后总得分为55分，而不是两者之和97分。这就意味着，在设计阶段，项目利益相关者需要在这两条支线中做出选择，他们通常会选择“空调区域”作为得分目标，而非“非空调区域”，因为前者更易得分。两者在第3版中具有相同权重（26.25%），但在第4版中有所变化，“空调区域”下降到22.11%，“非空调区域”上升到28.95%，表明新加坡政府对自然通风环境持鼓励态度。但事实上，许多项目的利益相关者仍然不会选择“非空调区域”作为得分目标，“空调区域”和“非空调区域”的地位并不平等，Green Mark任重道远。

2015年，Green Mark发生重大变化。“能源效率”被分为“气候响应设计”和“建筑能源性能”。“气候响应设计”提取原“能源效率”中“非空调区域”的被动式建筑设计评估指标，并增加场地相关指标，包括对微气候、风环境的分析等。至此，原有的重叠关系转换为平行关系。另外，“用水效率”和“环境保护”合并为“资源管理”。随着前三者总权重下降27.83%，后两者的权重大幅上涨。“智能健康建筑”在原“室内环境质量”的基础上增添了人类福祉、智能控制等相关指标。Green Mark 2015版的分类调整和更新显示出新加坡政府对被动式建筑设计的鼓励和对人与建筑健康互动的重视。

在Green Mark评价体系中，关于通风的指标分布在“自然通风”“建筑围护结构”“公共区域通风”“停车场通风”和“室内空气质量”。从上文对一级分类的分析可获悉，“非空调区域”从第3版到第4版上涨13分，具体体现在“自然通风”上涨7分，“建筑围护结构”上涨6分（表2），没有产生新指标，只是增加原有指标的分值。“自然通风”所有指标的分值大幅上涨，包括“建筑布局”建筑设计指标和“通风模拟”技术性指标，“建筑围护结构”则是提高“建筑西立面所占面积比”和“建筑西立面外墙热透射率U值”这两个指标的分值。“公共区域通风”和“停车场通风”都对自然通风和机械通风提出要求，公共区域自然通风的得分率是机械通风的3倍，自然通风的停车场则可直接获得满分。

直到Green Mark 2015版，“自然通风”改名为“通风性能”，新增“热舒适模拟”“空气质量模拟”两种模拟方法和“空间进深与层高之比”指标，把单侧及双侧通风策略、空间尺度设计、人的健康和热舒适纳入评估范畴，这也是新加坡政府首次针对自然通风区域提出有关热舒适的评估要求（表3）。随着Green Mark对健康舒适愈发重视，空调区域的热舒适评估也从指标变为先决条件（Pre-requisite），相当于中国绿色建筑评价标准中的评分项变为控制项。

“热带墙体性能”最显著的变化是旧版只关注西立面和屋顶，而新版评估所有立面和屋顶。此二级分类的一句隐性提示“分布于建筑西立面的非空调次要空间，如楼梯间、电梯间、洗手间等，所属面积不纳入西立面面积计算”在新版本中被作为新的指标与“公共区域通风”一同组成“室内空间布局”，强调采用被动式建筑设计。另外，新版中公共区域自然通风与机械通风的得分率从3倍增加到4倍。停车场取消对自然通风的评估，更名为“停车场系统效率”，对机械通风系统和照明系统能源效率的评估更加全面和详细。“室内空气质量”引入对“室外空气”的评估要求，自然通风空间可在该项获得满分。

总之，Green Mark紧跟全球绿色建筑运动、健康建筑运动的步伐，在分类上越来越全面和均衡。自然通风区域（即非空调区域）一直是新加坡建设局重点研究和调整的对象，新版中“气候响应设计”这一一级分类显示出政府对热带被动式建筑设计十分推崇。自然通风区域也随之获得与空调区域平等的地位，除了建筑布局、建筑通风模拟之外，新加入场地风环境分析、单侧及双侧通风策略、空间尺度设计、自然通风环境中人的健康和热舒适等评估要求，涵盖大部分与风压原理有关的自然通风设计策略。可见，Green Mark是尊重环境、气候，鼓励被动设计策略，强调地方特色，追求健康福祉的绿色建筑标准。

3 热带地区自然通风策略的应用

新加坡绿色建筑评估推崇气候响应设计，鼓励自然通风策略。建筑师的工作便是协调建筑与周边环境的响应，并用尽可能多的被动设计手段来达到既节能又舒适的绿色效果。本章将选择典型的绿色建筑案例，分析其自然通风设计手段，并回顾相关文献，探讨热带地区流行和有效的自然通风策略。

新加坡等热带地区的传统建筑可追溯到马来西亚、印度尼西亚和越南的传统房屋。常用自然通风策略有大遮阳坡屋顶、人体活动高度的开口设计、室内开放空间、底层架空（Ngoh，2015）。气候、环境、建筑和人之间的协调关系是亘古不变的话题，现如今，这些传统策略仍得到广泛应用，由于房屋逐渐向大体量高层建筑发展，其应用形式略有不同。

图1 新加坡国家图书馆

表3 Green Mark热舒适相关指标分值

作为生态设计美学观念的倡导者，热带地区著名绿色建筑大师杨经文（Ken Yeang）先生一直专注于热带城市建筑的可持续性研究。从1975年至今，他已在热带地区建造了各种类型的气候响应和生态建筑，诸如双顶屋（Roof-Roof House）、梅纳拉大厦（Menara Tower）、新加坡国家图书馆（National Library of Singapore），分别是自然通风房屋、自然通风高层建筑、绿色建筑自然通风设计的代表作品。双顶屋与热带传统建筑非常相似：建筑朝向由当地主导风向决定，巨大的弧形屋顶投下阴影，并与特殊格栅后门、“风翼墙”一起引导风流；庭院中的喷泉作为蒸发冷却装置，用于提前冷却进入房屋的东南风；屋顶中央的百叶窗吸纳热空气，形成微型烟囱效应。1994年竣工的梅纳拉大厦是自然通风建筑的教学范式：电梯和楼梯间实现了自然通风，并且被布置在建筑东部边缘以阻挡太阳辐射热；自然通风的螺旋形天空走廊和大型中庭促进空气循环并经由渗透墙体实现双侧通风，其空中花园繁盛的绿色植物为循环空气提供富氧环境。作为首批获得Green Mark最高白金奖认证的建筑之一，新加坡国家图书馆采用最佳的建筑朝向和形态来缓冲太阳辐射热（图1），实现自然通风和自然采光。该建筑由两座通过桥梁相连的楼组成，两楼中间形成一个巨大的半开放空间，东西两侧开口偏大，中间狭窄，形如漏斗，以便引入自然风，使双侧通风最大化（图2），该空间开口处的遮阳叶片和第五立面的百叶顶棚既遮阳防雨又引导风流。

以上建筑尺度的自然通风策略也可运用于小尺度设计，譬如前文提到的水景绿植预冷却和遮阳防雨策略也可以在进风口设计中实现。北立面的进风口被设计在绿植后面，让自然微风通过这些绿植变得更凉爽清新后进入室内，而南立面的进风口则朝下打开，既遮阳挡雨防噪音，又可以使自然风流入（图3）。

自2005年第1版Green Mark颁布后，新加坡开始了由具体标准引导绿色建筑运动的潮流。继新加坡国家图书馆之后，获得Green Mark认证的绿色建筑不断涌现，其中便有新加坡第一座公共空间依赖自然通风的商业建筑、自然通风绿色建筑的典范——星悦汇（The Star Vista，图4）。该建筑的整个设计过程从始至终紧紧围绕自然通风展开，采用了3个策略：建筑朝向和形式遵循减少东西向暴露的宗旨以减少得热；南北向内街联通公共空间以加速室内自然风流；剧院起到“天棚”的作用，为其下的公共空间提供庇护（图5）。对上述策略所涉及空间进行热环境测试（图6）：A点为南北向内街，风速普遍偏高，最高可达1.3m/s，可以吹散行人的酷热；B点为“天棚”下半开放空间，风速维持在0～0.3m/s，适合人在此静坐和休憩；C点是东南向开口处，此点没有遮蔽，风速几乎为0。虽然3个空间都是自然通风环境，但不同的自然通风策略导致不同的风速，进而导致人们可进行的活动类型也不同。星悦汇超越了传统的零售模式，开放和自然的空间体验引领新的城市生活方式。

图2 新加坡国家图书馆一层、四层与五层平面

图3 北立面（左）与南立面（右）进风口设计概念示意

图4 星悦汇

图5 星悦汇一层平面与剖面

图6 星悦汇热环境测试

以气候响应设计为宗旨的热带地区自然通风策略，展现出一种特有的模式——“遮”与“导”。建筑形态、屋顶设计、底层架空、东西立面次要空间布局等是建筑自遮阳策略，再加上遮阳叶片、百叶等遮阳构件和水景、绿植等降温设施，可共同被视为“遮”。顺应主导风向的建筑朝向、进风口设计、南北向风廊和半开放公共空间则可被视为“导”。“遮”与“导”密不可分，缺一不可，每个策略之间是相辅相成的关系。

4 结语

城市高密度快速发展的今天，生态破坏、全球变暖、能源消耗等问题日益严重，逐渐唤起了建筑师重拾被动设计的责任。自然通风作为被动冷却策略，是关键的被动气候控制手段，被当代设计师广泛接受和采用，以回应绿色、健康的建筑思流。不同气候区意味着不同的自然通风设计策略，而热带高密度城市新加坡适用风压技术策略，这从当地绿色建筑标准Green Mark中可以看出。

在Green Mark的十年发展之路上，新加坡建设局重点关注自然通风评估的革新，并于最新版中增设新的“气候响应设计”一级分类，提出用于评估基于自然通风的被动设计的新方案，向世人展现了新加坡对“环境（气候）-建筑（建筑与空间设计）-人（舒适与健康）”三维关系的绿色解读（图7）。在绿色建筑策略的实际应用中，热带自然通风策略是“遮”与“导”的耦合模式，包括：建筑形态、屋顶设计、底层架空、东西立面次要空间布局等建筑自遮阳策略；遮阳叶片、百叶等立面遮阳策略，水景、绿植等降温策略；顺应主导风向的建筑朝向、南北向风廊、半开放公共空间、进风口设计等由大到小的导风策略。

图7 “环境-建筑-人”三维关系

从标准到案例，可以发现，案例中的自然通风策略种类远远多于标准中的自然通风策略指标，从自然通风理论到自然通风实践具有明显差异，作为理论指导的标准建设存在滞后性，而实践往往蕴含无限可能性，可以激发建筑师的创造力，从而使他们突破理论限制，追求创新与进步。这是发展的规律，无论是发达国家，还是发展中国家，都存在此类现象，之所以称之为现象而非问题，是因为它是中性的。标准设有创新项就是为了给建筑师提供在实际操作中有更多的创新空间，如果标准的评估要求、权重等设计不合理，将导致创新项形同虚设，绿色建筑利益相关者会只关注容易达到的得分项，打击建筑师的创新积极性，此时，现象就会演变为问题，阻碍绿色建筑发展。新加坡Green Mark 2015版中，虽然自然通风相关指标的地位上升，但只涵盖实际应用的部分，并没有具体的创新指标来评估建筑师的创新设计。标准，作为建筑师的理论指导，必须小心地将自然通风等被动设计策略简化为指标，并尽力通过其自身的评估要求和体系来激励实际设计过程的创新，这是正面推力而非逆向阻力，是标准颁布的初衷，也是推进绿色建筑运动和可持续发展的必然要求。