低碳理念下城市设计策略的初探

(中南大学 湖南 长沙 410075)

一、引言

城市是人口和资源的集中营，也是交通、建筑、物流、工业的聚集地。随着我国经济发展的快速增长，城镇化进程的加快，城市建设过程中的高能耗、高碳排给人们赖以生存的地球环境带来了许多问题，能源危机、全球变暖、热岛效应等，也造成了城市拥挤、居住品质下降的困境。因此发展低碳城市、低碳经济成为全世界关心的话题。在城市设计中，融入低碳理念，有助于改变原有的传统的粗放型的发展状态，集约经济，节约能源，保护环境，更好的实现可持续发展。

二、低碳城市设计的介绍

低碳城市设计是以原有的城市设计为基础，以低碳理念为指导，以建设低碳城市为目的，利用现有的低碳技术、城市规划理论、生态理论、交通理论，综合协调城市建设与碳排放的关系，力求最大限度的节约能源、减少碳排，缓解热岛，改善人居环境[1]。实质是在满足城市建设的同时，更加注重人与环境的和谐发展，不以牺牲环境与资源为代价，努力创造资源节约型、环境友好型的城市。

低碳城市设计引导城市向低碳层面发展，改变原有的单一型土地利用向功能混合的转变，提倡公交先行，鼓励步行和自行车交通，提倡低碳技术和绿色建筑的应用。

三、国内外低碳城市设计的理论与实践

(一)国外低碳城市设计研究

国外低碳城市的研究起步较早，以发达国家为主，英国、美国、日本是研究先驱，其研究可概括总结为两个方面。

1.碳排放因素的探究。通过分析城市形态、交通运输、建筑功能、能源类型在碳排放方面的影响研究，总结出不同的城市形态，交通模式，建筑使用对减少碳排放的作用，制定相关政策和进行低碳生态城的实践建设。

2.以能源管理为核心的社区规划设计[2]。从土地利用，场地和单体设计、运输服务、能源供应及输送系统等多个方面，采取社区环境改善措施，提高社区可达性、高密度混合土地利用、高效运输系统、节能型基础设施、可再生能源生产和食物供给6个板块构建“低碳邻里单元模型”[3]

(二)国内低碳城市设计的研究

国内低碳城市设计的理论与实践起步不久，起初是将低碳城市作为一种理念和城市定位来指导规划编制，作为对现在规划编制体系的补充完善，或者作为城市规划组成部分而设立的专项规划[4].

后期随着研究的不断深入，国内学者开始以低碳城市与城市形态，空间结构优化、能源系统、交通组织等这几个方面进行相关性分析。在紧凑、高密度的城市空间形态、公交先行的交通模式上达成共识。与美国这种低密度、郊区化和私人汽车主导的发展模式存在巨大的差别。

其次，另外一部分学者从实践的角度出发，探讨低碳城市设计策略研究，邱红从碳源、碳排过程、碳汇的角度，提出减碳的策略[5]，刘路云则从设计方案阶段，引入建筑、交通、产业、自然碳汇四大子系统，构建多种碳排放情景模型，模拟评价不同设计方案的碳排水平[6]。祝正午则以寒冷地区中心商务区为研究对象，利用物理环境模拟技术和量化分析方法，探索节能减排策略、方案评价方法[7]。张云峰、范金龙对已有的文献进行梳理，从资源环境、交通组织、基础设施、开放空间、土地利用、建筑设计、生活方式七个方面提出了设计策略建议[8]。

从国内外对低碳城市设计的研究综合来看，已建立一定理论基础，在发展模式、城市形态、减碳策略方面基本达成共识。只是低碳城市规划还缺乏成熟系统的理论指导，尤其是城市设计层面缺乏对因子的深度剖析，和科学有效的方法指导。因此在前人研究的基础上，再深层次剖析低碳城市设计策略，使其可以指导建设显得格外重要。毕竟城市的发展实践是丰富的且复杂的，不能刚性做出判断，需理论与实践并行，共同创新，才能为低碳城市设计体系添砖加瓦。

四、低碳城市设计的策略初探

城市设计是城市建设的引领者，对空间资源的配置起着调控作用，也是政府管制的手段。传统的城市设计包含的内容有空间布局、土地利用、交通形式，还涉及到建筑形态、密度、公共空间的设计。低碳城市设计是为减少社会经济活动产生碳排放而产生的，新的时代需赋予新的内涵，在原有的城市设计理论的基础上，需融入绿色、经济、环保的理念，并从以下四个方面深入探索，以求实现低碳城市目标。

(一)功能混合

1.用地功能混合

大量的研究证明，土地利用混合是实现低碳发展的关键。土地功能混合，有利于城市功能的自组织，促进城市和谐健康发展，大力减少碳排放。因为当一个地块内功能混合在一起，满足人们日常上班、购物、休闲、娱乐、健身的需求时，可以减少人民的出行距离和出行时间，便于节约能源，减少碳排放。因此，从低碳城市设计的角度，可以从两个方便考虑。

首先，土地功能混合的目的，是为了减少地块内部机动车的出行，积极鼓励步行出行。在设计时，应在城市主要干道围合的地块内，设置以人行交通为主，车行交通为辅的路网体系，这些小而密集的路网体系，提供了充分的临街面，易于用地功能的混合布置。

图1 建设用地的功能混合

其次，城市用地分类应增加“功能混合用地”与“活性用地”的分类[9]，我们应该把城市看成有生命的且成长发展的有机体，给予其弹性发展的空间。增加“功能混合用地”与“活性用地”便于城市用地的管理，更加适应市场和时代发展的足迹，灵活应变市场需求。

2.建筑功能混合

在用地十分紧张，不能实现土地功能的混合时，建筑功能混合也可以解决人们日常生活中的基本需求，如我们可以在住宅底层设置沿街商业，也可以在商业上层设置娱乐、健身，还可以使办公与居住相结合等等多种形式，真正实现生活愉快、工作便利、方便出行的格局。

图2 建筑功能的混合

(二)低碳型交通模式

低碳交通对减碳发展有着十分重要的意义，从宏观上说，城市低碳交通体系主要包括多中心空间布局、以公共交通为主的交通工具系统、低碳出行的慢行交通、发达的低碳交通技术和先进的交通管理等五个有机组成部分。但是在低碳城市设计层面，可以从前三个方面积极引导。

1.多中心空间布局

多中心空间布局，可以缓解大城市病，疏导交通流，减少跨区域的车行交通。多中心空间布局，就是让城市以组团的形式，将城市划分为几个片区，每一个片区都有各自的中心区域，布置基础设施、公共服务设施，以满足这个片区人们的生活需要，减少远距离交通。

2.以公共交通为主的交通工具系统

公共交通为主的交通体系有利于低碳城市建设是学术界达成一致的建议，事实证明公共交通运输效率高，人均排碳量少、节约空间，防止交通拥堵。因此在城市中，应当积极引导公交、电车、地铁、轻轨和新能源公共交通工具的发展建设，和完善城市交通设施，实现转运交通的无缝对接。这就需要在城市设计中合理设计交通线路，路网密度、换乘枢纽。

3.低碳出行的慢行交通

慢行交通包括步行与非机动车的交通，在城市中非机动车主要为自行车，因此在设计中要采用TOD建设模式，以公共交通枢纽和车站为中心，倡导高效混合的土地利用，形成用地紧凑的社区单元，可以激励人们长距离的通勤采用公共交通的形式。然后在社区内，加大路网密度，创造小街坊的社区空间，完善步行和自行车交通体系。在方便步行的范围设置办公、居住、商业和公共活动空间等多元功能，实现短距离零碳交通的出行。

(三)低碳型基础设施

城市中的基础设施，是为生活在这个城市的人民服务的，主要包括交通设施、能源设施及公共服务设施。基础设施是一个城市生活水平的集中体现，一个地区基础设施水平越高、越完善，人民生活就会越便利，社会秩序越好，幸福度也越高。根据低碳理念，低碳型基础设施建设，应注重两个层面。

一是基础设施建设需要合理布局与选址，合理的布局选址，不仅有利于能源的节约，更有利于基础设施使用。如铁路、公路、地铁线路、公交线路的选线及站台布置，这些线路承载着大运量的交通，合理布局，对节约能源和减少碳排有着重要的作用。

二是基础设施建设在大的区域层面相互协调，避免重复建设和闲置，造成资源浪费。如国内很多城市建设新区，在城市经济规模没有达到一定程度的前提下，建设一些大型的展览设施、大型体育设施和大型会展中心，除建设占地大、投资额大以外，耗能量也十分可观，且使用率较低，在一些大型会议、赛事举办过后这些设施就处于闲置状态，浪费场地资源。因此建设大型公建设施，不可各司其职，要结合城市的经济基础和周边的发展条件，发挥协调作用，合理布局、共用共享，这对节约能源、减少碳排有十分重要的意义[10]。

(四)低碳建筑

建筑是城市建设中最小的细胞体，也是人们居住的场所，与日常生活息息相关。根据研究表明，建筑碳排是主要碳源排放之一，如何利用建筑布局创造舒适的环境，提高环境自动调节能力，和如何将低碳技术与建筑相结合，推广清洁能源的使用，减少温室气体排放，是我们可以开辟的新路径。

1.建筑布局—建筑朝向

根据本地气候特征，年主导风向，合理布置建筑朝向，减少建筑本体额外的能源消耗。光照，有利于太阳能的利用储存，风向可以完善城市通风廊道，根据城市通风的断面和均匀性，合理调整城市公共空间的开敞性，建筑界面的封闭度，道路畅通性，形成循环的“回路”，风热与建筑设计一体化，将有利于节能。

2.建筑表皮设计—光伏系统

低碳建筑倡导清洁能源的使用，太阳能作为大自然可再生的清洁能源，越来越成为能源焦点。建筑表皮是直接接受太阳光的载体，如何利用建筑表皮将太阳能转化为光能是我们重点考虑的问题。光伏发电系统是采用太阳能电池，将光能转化为电能的发电设备，是一种可靠性高、无污染的发电技术，原理是半导体界面的光生伏特效。因此光伏系统与建筑表皮的结合，可以很好实现清洁能源的使用。

(1)光伏与建筑屋顶相结合

建筑屋顶分为平屋顶和坡屋顶，首先，坡屋顶可以直接作为光伏系统载体。平屋顶则较复杂，平铺光伏板，发电效率会降低。为了增加发电效率，光伏系统与平屋顶结合时，光伏板需要倾斜一定的角度，通常为当地纬度的15-20℃[11]。其次，光伏系统可与建筑挑檐相结合，挑檐是为排水、遮阳、保护墙体而突出外墙部位，也是设计的重点。最后光伏系统可与透光玻璃顶融为一体，设置在透明玻璃中间，由于光伏组件有不透光性，与玻璃结合，会在室内形成光斑，可以防止夏季中庭温度过高，热舒适性差的问题。

图3 光伏板与平屋顶结合(图件来源网络)

图4 光伏板与坡屋顶结合(图件来源网络)

(2)光伏与建筑立面结合设计

建筑立面构件主要是指墙身、阳台及一些立面遮阳构件。

建筑墙身面积较大，可利用范围广，但是光伏系统组件与墙身结合时，光伏组件会影响建筑立面效果，因此在设计过程中就对技术和艺术有了更高的要求。一方面，可以将光伏板制作成立面的点状元素、线状元素，对建筑立面进行点缀，增强建筑立面美观效果。另一方面，直接采用光伏板代替建筑外墙，同时为提高采光度，可倾斜一定角度。但是光伏系统自身颜色、形状、肌理及光伏板排列组合形式会影响立面效果，在设计中应谨慎考虑。其次，可将光伏系统设置在建筑墙身外侧形成双层外墙墙身，在光伏系统与外墙板之间，有一层空气层，不仅有助于光伏系统降温，而且还有利于夏季降温、冬季保温。但是双层幕墙，对采光有一定影响，这种方法适用于建筑改造。

建筑阳台和遮阳设施，属于建筑立面小型部件，在设计中，也可以采用同样的方式，既可以将光伏系统与阳台顶部与立面维护相结合，又可以与遮阳构件的遮阳板，遮阳百叶，遮阳雨棚一体化设计，这种方式可以最大限度的利用太阳能，又可以增强遮阳效果[12]。

图5 光伏板与立面结合(图件来源网络)

图6 光伏板与阳台结合(图件来源网络)

3.建筑节能改造

建筑节能改造，是对现有的建筑物老旧设施，高耗能系统，进行更新设计，以降低能耗，目前主要的改造对象为公共建筑。一般主要从外维护系统性能改善、供电照明系统控制、采暖空调通风与热水供应系统的更新三个方面进行控制。

(1)外维护系统改造

外维护系统包括屋面、外墙、门、窗。屋面和外墙，可以采用与光伏系统相结合，有利于将太阳能转化为电能，供建筑能源的利用，减少传统能源的消耗，也可以增设保温层，提高节能效果，其次可以采用绿色种植，吸收太阳辐射热，保持室内环境的热稳定，或者可以对外墙涂饰反射隔热涂料，反射太阳辐射热量，对室内热环境进行降温。老旧门窗、密闭性能差，保温性能降低，不利于冬季保温，应及时更换，并提倡采用节能玻璃，对于性能较完善的门窗，可以设置雨阳棚，夏季遮阳，冬季挡风。

(2)供电照明系统

供电照明系统，需准确计算各种设备用电量，合理设置变压器与配电箱，智能控制，改变传统手动操作，与可再生的能源系统相连接，并采用低能高效率LED光源代替原有光源，增设照明传感器，当自然光照度满足要求时，可自动关闭照明设施，节约用电量。

(3)空调通风与热水供应系统

原有空调系统，由于多年损耗，运行效果变差，送风不均匀，增大了用电量，在改造中对空调风机采用变频控制，提高系统工作效率。冷热水的供应，也可设置温度传感器和流量计。

五、总结

低碳城市设计响应了国家可持续发展的政策要求，既有利于应对全球气候变化、资源枯竭的困境，又为可持续发展开辟新的路径。本文从功能混合、低碳型交通、低碳型基础设施、低碳建筑四个方面提出了低碳城市设计的策略方法，希望能为低碳城市设计的发展提供一些思路。