低碳理念在城市建筑空间上的实现——以兰州市为例

张旺锋，易 洋，马彥强，张瑞霞

（兰州大学 资源环境学院，兰州730000）

低碳是指较低（更低）的温室气体（二氧化碳为主）排放。它的提出，源自全球温度的迅速提高。为了抵御全球变暖，实现低碳世界已经形成了各国的共识。伴随着全球城镇化的快速发展，越来越多的人口聚集在城市中生活，城市空间的密度正在逐年剧增。据相关部门统计，城市的碳排放量占了全球碳排放总量的75%。要实现全球的低碳化，关键是实现城市低碳化。因此，在未来城市建设中，灌入低碳理念，从而减缓城市的碳排放量是必要的。

兰州市地处河谷盆地，属于典型的“两山夹一川”的地形，城市经济的发展主要依托石油化工、冶金、机电等重化工产业，其碳排放的强度可想而知。低碳化的实现对兰州市而言是更加迫切的，也是更具有挑战性的。如何实现兰州城市建设的低碳化，并且落实到空间实体中，是笔者研究的重点。技术和制度来减少温室气体的排放[1]。在中国，“低碳”也引起了相关专家的注意。“低碳消费”、“低碳生产”、“低碳生活”进而发展到“低碳城市”、“低碳城市群”跃入了人们的生活。伴随着这些字眼的出现，中国掀起了一场“低碳风”。

减少温室气体的排放、改变生活理念和生活方式、以低的能源消耗获得最大产出等已经成为对低碳发展的路径共识。如图1所示，低碳理念的实现主要体现在生产、消费和生活上。如何在西部欠发达地区实现这3方面低碳，对兰州这样一个依靠重工业发展的城市是一个巨大的挑战。

图1 低碳理念的实现

1 低碳理念与城市建筑空间

1.1 低碳理念

“低碳”的提出源自全球气候的变化，以及针对生产和生活中减少碳排放。这个概念的出现来自英国2003年《能源白皮书》中的“低碳经济”，它是指通过减少自然资源的消耗和环境污染，来获得更多的经济产出，进而创造更高的生活标准和更好的生活质量，并为发展、应用和输出先进技术创造新的商机和更多的就业机会。随后，日本也提出了“低碳社会”的建设，试图通过改变消费理念和生产方式，实行低碳

1.2 城市建筑空间

城市建筑空间是指人们人为的为了满足人们生产或生活的需要，运用各种建筑要素与形式所构成的内部空间与外部空间的统称。它包括墙、地面、屋顶、门窗等围成建筑的内部空间，以及建筑物与周围环境中的树木、山峦、水面、街道、广场等形成建筑的外部空间。广义的城市建筑空间可以泛指整个城市空间，狭义的建筑空间及只限于建筑单体的内部空间和建筑之外的开敞空间。笔者论述的是狭义的城市建筑空间，建筑外部空间如图2所示。

图2 建筑外部空间的构成

1.3 两者的有效结合

将低碳理念有效地融入城市建筑空间，从而达到城市生产、生活以及人们消费的低碳化，是一种行之有效的方法。这个理念的实现可以体现在城市建筑空间的各个方面。

从建筑内部空间的角度来看，低碳理念可以通过构筑建筑综合体来实现。从建筑外部空间的角度来看，主要通过调整建筑的朝向和间距，使得建筑群充分利用自然采光、自然通风，从而降低建筑耗能，达到低碳的效果，见图3所示。

图3 低碳理念与城市建筑空间的结合

2 低碳理念在建筑空间上的实现

2.1 建筑的内部空间

建筑的内部空间是指建筑本身，通过墙、地面、屋顶、门等元素构成的空间结构。如何在这些元素构成的空间上实现低碳，这就要求建筑内部空间组合的最优化。按照建筑物的使用性质来分，建筑可以分成生产性建筑和生活性建筑。生产性建筑主要应用在工业生产方面，生活性建筑则用于居住和日常公共活动。由于生产性建筑主要与工业或者农业的性质有关，完全可以通过工艺处理来达到低碳的效果。因此，本文着重关注低碳理念在生活性建筑空间上实现的问题。

要实现生活性建筑空间的低碳化，最有效的方法是实现建筑功能的综合化，也就是建造建筑综合体[2]。芝加哥建筑综合体的创始人B·谷博（Bertrard Goldberg）曾经提出建筑综合体是“一种空间的结合物，用于全部的生活，其密度如此之高以至于获得了一种苛求的体量，它是自我更新的、经济和有生命力的综合载体”[3]。根据《雅典宪章》对城市的功能定位，城市具备居住、工作、游憩和交通四种功能[4]。这4种功能分别体现在不同用途的社会生活空间上，然后通过性质各异的建筑组合成城市的建筑空间。

它的组织形式可以是由分散的空间综合组织成的街区、或一座巨型的综合大楼、或一组紧凑的建筑群体。这3种组织形式都不仅有利于发挥建筑空间的协同作用，而且对于调整城市空间结构、减少城市交通负荷，进而减少交通排碳量和建筑排碳量。

以街区形式出现的建筑综合体最常见的是步行街。就兰州市而言，典型的实例就是张掖路步行街。这条步行街内设置了大型商场、精品店、专卖店、以及各种餐饮店，具备了购物、休闲、旅游等多功能。这种城市建筑空间组织形式在满足了消费者多方位需求的同时，有效地起到了降低交通排碳量的目的。

以综合大楼形式出现频率最高的是商住结合建筑。一般这种建筑都沿街而建，包括“底商上宅”和“前店后宅”两种形式。这两种形式分别是水平方面和垂直方向的商业和居住功能的结合。在兰州市，最常见的是“底商上宅”的形式，分布在各条经济繁荣的街道上，或者是商业中心。针对冬季采暖的兰州市，这种建筑体可以综合使用一套采暖系统，不仅可以有效地节约建筑材料，还可以减少建筑群体间的热量散失，做到既保温又节能。同时，还可以有效借助太阳能采暖系统，为商业和居住提供部分热能，从而实现低碳的效果。

以建筑群的形式出现的建筑综合体最早出现在纽约最繁华的商贸金融中心——曼哈顿岛上。早在1928年，洛克菲勒就在这里修建了一座集商业建筑、办公楼、旅馆、公寓大楼以及剧场和电影院等娱乐设施，并结合地下步行系统、零售设施、地铁车站以及各种不同用途的建筑物连成一体，形成一个由21幢大厦围合而形成的城市空间。在兰州，典型的实例要属新建的瑞德摩尔商业中心，那里集中了餐饮、购物、娱乐、居住等城市功能，是兰州市新兴的商业建筑群。各个建筑体的功能都有机联系在一起，消费者可以在内享受各个层次的服务，无需长途奔波，有利于减缓因交通量大带来的高碳效应。

图4 低碳理念在城市建筑内部空间的实现

无论建筑综合体是以街区、综合大楼的形式出现，还是以建筑群体的形式出现，在兰州市未来的发展中都是必不可少，而且是缺一不可的城市建筑体组织形式。伴随着城市低碳化的理念灌入，越来越多的建筑体将会采用建筑综合体的形式，并且会朝着综合化程度更高的方向发展。

2.2 建筑的外部空间

2.2.1 建筑的朝向 建筑的朝向不仅会影响建筑接受的太阳辐射，而且也会对建筑内部以及整个建筑群体通风的顺畅程度造成影响。而建筑接受的太阳辐射以及自然通风情况将直接或者间接地影响建筑耗能的大小，从而影响建筑向空气排放的二氧化碳的量。这种关系可以从下图可以看出。基于低碳的原则，通过合理设置建筑的朝向，将会很好地减少建筑耗能，从而达到低碳的目的。

图5 低碳理念在城市建筑朝向上的实现

1）太阳辐射。冬季建筑得热最有利的朝向。兰州地处中国西北，日照较强，平均年日照时数为2 446.4h，年有效积温为3 315℃，冬季较冷，属于采暖区，建筑的朝向应该以尽量获得太阳辐射为主[5]。通过分析太阳高度角与辐射能量的关系表达式——辐射能量＝h（sina）（其中：高度角是a；h是一个常数，其值等于90°时太阳辐射的能量。）可知，当a达到最大值时，太阳辐射的能量就达到最大值。

在冬季，太阳直射南半球，兰州市的太阳高度角低于90°，当太阳直射南回归线时，兰州市的太阳高度角达到一年中最低值。由太阳高度角的计算公式——sin h＝sinφ·sinδ＋sinφcosδcos t（其中t表示地方时，φ表示地理纬度，δ表示太阳赤纬）得知，当正午时时角为0时，H＝90°－（φδ）。又由于太阳直射点位于南半球，而兰州市位于北半球，所以 H＝90°－（φ＋δ），计算得出太阳高度角 H＝30°34′。

一天当中，13：00—14：00的时候，太阳的高度角最大，为30°34′，建筑所接受的太阳能辐射的热量最大，根据下述公式计算可以得出建筑接受热量最大的太阳高度角。

兰州地区的P在冬至日取0.614[7]，通过上式可以计算出a＝0.079，b＝－0.479，hav＝44.03°。

由于hav＞H，所以从建筑得热最大化的角度来看，建筑的最佳朝向为正南方向，最有利于建筑充分接受太阳辐射量，从而降低建筑取暖所排放的含碳气体。

夏季散热最有利朝向。在夏季，建筑朝向应该尽量避免设置为太阳辐射得热最多的朝向。兰州市夏至日p取0.695，通过计算可得hav＝37.21°。

此时，通过太阳高度角的计算公式可以得出，夏至日，兰州市的太阳高度角为 H1＝77°23′，H2＞Hav，通过公式COS A＝sin·sinψ－sinδ／（cos·cosψ）（其中，A为太阳方位角，ψ为地理纬度，δ为太阳赤纬）得出A＝49.16°。

综合上述分析，同时结合图6（建筑物俯视图，其中A表示太阳方位角，α表示建筑方位角）可得，最有利于兰州市建筑充分利用太阳辐射，同时又避开夏季得热最多的方向为南偏西0°～49.16°。

图6 建筑方位图

2）自然通风。夏季通风。自然通风是利用自然的资源来改变室内环境状态的一种纯“天然”的建筑环境调节手段，合理的自然通风组织可有效调节建筑室内的气流效果、温度分布，对改变室内热环境的满意度可以起到明显效果[8]。因此，有效的自然通风可以起到降低建筑能耗以及加速空气流通的目的。建筑能耗的降低可以降低碳的排放，而空气流通速度的提高可以稀释二氧化碳的浓度，从而减缓增温的效果，达到低碳的目的。

自然通风的其中一个很重要的作用是当室外温度高于室内温度时，能起到降低室内温度的作用。这与建筑物充分接受太阳辐射从而降低建筑能耗的原理不同。太阳辐射降低建筑能耗是在冬季有效提高建筑的温度，从而减缓暖气的供应量。而自然通风降低建筑能耗则主要作用于夏季，建筑内温度高于建筑外时，降低室内的温度，从而降低建筑能耗。兰州市虽然夏季无酷暑，但是历史绝对最高气温曾将达到39.1℃。伴随着全球气候变暖的趋势，越来越多的居民在夏季选择使用空调等降温工具，这对原本能耗较大的兰州市提出了新的挑战。利用自然通风降温，是一个解决问题的良好办法。

自然通风的另一个重要作用是可以加速建筑空间的空气流动，可以有效地降低二氧化碳的浓度。图7表示的是，前面楼高与两楼间距为1∶1.44时，建筑间的气流组织图。从中得知，风向与建筑群体不同的入射角可以直接影响建筑群体间的气流组织。当风向与建筑群体的夹角为0°与60°时，建筑群体内部产生了大量的涡流，不利于外部的气流进入整个建筑群体，同时也不利于建筑群体间气流顺畅。当两者的夹角为30°和45°时，建筑群内部产生的涡流较少，建筑间风向近似平行于后排的建筑，有利于整个建筑群的空气流通，可以有效地疏散内部的二氧化碳的浓度，达到“低碳”的效果。

图7 不同入射角的建筑群通风情况

兰州市在夏季盛行东南风，要使整个建筑群内通风顺畅，就需要保证风向与建筑的入射角为30°～45°，那么建筑的朝向也即为南偏西0°～15°。

冬季避风。在冬季，兰州市盛行西北风。由于兰州市地处西北，气候比较寒冷，建筑的朝向需要避开主导风向。当建筑朝向为南偏西0°～15°时，也同时满足要求。

综合满足建筑群在夏季避开太阳辐射得热最多的方向以及满足自然通风顺畅的要求，兼顾冬季采暖和防风的需求，得出，兰州市建筑的朝向应该设置为南偏西0°～15°。

2.2.2 建筑单体的间距 日照时间是该建筑物在规定的某一日内接收到的日照时数为计算标准，其时间的长短决定了建筑采光的长短，也决定了建筑耗能的大小[9]。建筑接受日照时间的长短取决于建筑单体的间距，在实际应用中，常常用日照间距系数来计算，即建筑的间距与前面建筑高度的比值。图8所示，H表示的为前排建筑的高度，H1表示的为后排建筑窗台的高度，h为太阳高度角，D为两排建筑的间距。日照间距系数即为α＝（H－H1）／D 的值[10]。

根据中国建筑气候区规划图，兰州市位于北纬36°03′，属于Ⅱ类建筑气候区，住宅建筑日照标准应保证在有效日照时间带（8：00－16：00）不低于大寒日日照2h的标准。兰州市保证大寒日2h日照标准的日照间距系数为1.44。然后通过公式D＝α×ΔH（D为日照间距；ΔH为前排建筑与后排窗台高度差；α为日照间距系数。）进行计算后，即可得出建筑单体间的合适距离，从而最大限度地接受自然采光，进而减少建筑耗能，达到低碳的目的。

图8 低碳理念与建筑间距的关系

3 结 论

图9 日照间距示意图

城市建筑空间是宏观城市空间中重要的一部分。一个良好的城市设计离不开优良的城市建筑空间的设计。人是城市的主人，因而要实现城市建筑空间的最优化离不开以人为本。要达到以人为本，就要让城市的发展尽量使人们生产、生活舒适。目前，城市升温加速的问题在一定程度上影响了人们的生活。如何降低城市的温室效应，进而达到城市低碳化，是当前研究的热点。同样，对于处于西部以重化工业为主的兰州，由于其地形的限制，要求实现低碳的愿望就更加强烈。只有把低碳的理念灌入城市建筑空间的设计以及整个城市发展的方方面面才能使这个城市健康、持续的发展。

1）尽量打造城市建筑综合体。要实现建筑内部空间的低碳化，就要实现城市建筑综合体的最大化，也就是尽可能地打造建筑综合体。通过构建生活综合服务步行街区、集多功能于一体的综合大楼、综合性的建筑群，来实现建筑内部空间的低碳化。

2）在居住区的平面布局上实现低碳化。根据上文的阐述可知，在兰州市，建筑的朝向设置为南偏西0°～15°时，最有利于建筑在冬季最大化接受太阳辐射，也有利于建筑群体间的自然通风。在建筑间距方面，要实现建筑空间的低碳化就要保证日照间距系数为1.44。具体到居住区的平面布局上，可以通过合理设置居住区内部住宅群体的平面组合形式来实现低碳化。

居住区内部住宅群体的平面布局形式主要有行列式和周边式两种。当住宅群体的平面组合为行列式时，低碳主要通过整个建筑群体的朝向设置为南偏西0°～15°来实现，建筑间距也要满足其间的日照间距系数为1.44。当住宅群体的平面组合为周边布置时，就要满足其主出日入口与夏季主导风向平行，有利于夏季通风，同时避开冬季主导风，具体到兰州市而言，即设置为东南方为宜。

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