基于能量流通结构类型的建筑气候适应性设计策略研究

■ 陶思旻 TAO Simin 张 琪 ZHANG Qi 陈焕彦 CHEN Huanyan

0 引言

建筑物通过消耗能源来提供电力、照明、供暖或制冷，成为造成气候变化的主要排放源之一。面对气候适应下的节能减排问题，行业内逐渐形成了一种趋势，即依赖堆砌各项所谓低碳新技术来达到指标要求。但这种做法可能会因技术设备生产过程中的资源消耗而造成更大的能源浪费，显然不是绿色节能的最佳选择。气候问题和设计问题便在这样的技术观念下产生了割裂，造成建筑地域性特征的缺失。当下的建筑气候适应性设计应当具备改变建筑元素、结构、组成方式和审美标准的能力，正如瑞士建筑师菲利普·拉姆所说，“气候不再是一种目标，而应是一种媒介，整合到建筑项目中，融合到建筑本身的语汇中”[1]。

从热力学的视角来看，建筑和生命体一样，是开放非孤立的热力学系统：气候是系统的环境，建筑界面是系统的边界，建筑不断地与气候环境进行能量与物质交换。因此，气候是建筑系统外部的重要环境，气候适应性设计的重点除了节能之外，还要积极寻找并利用气候中的可再生能源，并与建筑形式相互结合。自奥戈雅于20 世纪60 年代提出“设计结合气候”[2]，到后来建筑师在气候、热舒适与能耗三者之间建立了耦合联系，再到当下伴随数字技术发展的环境性能模拟工具，气候已真正进入到建筑设计过程中。国内现有关于建筑和气候关系的研究多集中于某个具体的气候分区，而较少对其进行统筹化的类型溯源和系统梳理，更较少触及以气候为庞大能量来源对建筑形态直接影响的研究。随着当代建造技术的不断进步，出现了更大尺度的建筑类型（如高层建筑、大跨度大进深建筑等），其功能和空间需求较之前有了很大变化；且建筑应对气候的经验和建筑系统能量运作的方式也丰富了许多。因此，研究建筑的形式和空间组织如何引导能量流动以达到气候适应的目的，具有十分重要的意义。

1 建筑中的能量流通结构

1978 年，美国学者米勒（James Grier Miller）针对开放自组织系统提出了“生命系统理论”（LST）。他认为，无论系统属于哪个层级，都由多个关键子系统组成并用于能量、物质和信息的流通过程。对于建筑来说，能量流通结构是这些子系统在建筑形态中的呈现，主要包括捕获行为和递转行为。其中，捕获行为集中于建筑边界，承担了收集能量的能力；递转行为则深入建筑内部，承担转载能量的能力。合理的建筑边界设计能够最大化地获取气候中的可用能量；而合理的建筑内部组织能够迅速传输和转化这些能量并生成新的能量类型[3]。建筑形式就是这两者的明确表达和有效统一。作为能量流通结构起点的捕获行为位于建筑边界，不仅是围合内部空间的墙体或屋顶，更是一层过滤外部能量的界面系统。它阻挡了外部环境对建筑内部的不利影响，有选择地捕获外界气候中的自然能量，再进一步传递并转化给内部。建筑边界捕获了能量，作为能量流通结构内核的递转行为便会对其进行存储、传递、转换与再分配。这个过程与建筑的功能和空间组织有关，有效的组织能够减少递转过程的能量损耗。根据捕获行为和递转行为，可以将建筑中的能量流通结构分为3种类型（图1），即：能量捕获结构（energy capture）、能量协同结构（energy programming）和能量调控结构（energy regular）。其中，能量捕获结构承担捕获行为，能量协同结构承担递转行为，能量调控结构则同时对两者进行干预和调节[4]。

图1 能量流通结构的3 种类型

1.1 能量捕获结构

建筑应对气候的能量捕获结构与建筑的界面形态关系紧密，如利用界面开口实现自然通风的内部降温，合理设置反射板角度以提升建筑内部照度，采用结合建筑体形的多层界面形态，合理规划界面朝向以达到良好的日照，采用界面间层设计以平衡辐射热能等。根据外部气候资源与内部需求的综合判断来重塑界面，不但可以实现对日照、通风、温度和视线的控制，而且能够调节流转于建筑界面内外的能量，使内部人群获得适宜的光照、流动的空气和舒适的热环境，并相应地降低照明、通风和供热制冷能耗。

1.2 能量协同结构

建筑应对气候的能量协同结构，设计重点是规划空间功能和运用情况以平衡能量需求，提高能量流通的效率。吸收热量的空间属于“热库”（heat sink），产生热量的空间属于“热源”（heat source），建筑师可通过组织热源和热库在功能和位置上的关系，创造出最佳的空间组合，并营造出舒适的室内物理环境。能量协同设计最主要的操作方式是层化空间，即：运用并置、错层和围合等策略，将有相似能量需求的空间进行汇集。其中，并置策略指将不同能量需求类型的空间相邻放置，可分为竖向和水平并置两种方式，分别代表垂直与水平方向的能量传递；错层策略是将不同功能的空间穿插布置于不同标高，以此构建错落的空间形态；围合策略则是以能量源为中心，功能沿四周分布围合，按空间对能量的需求的递减而按层次外退。

1.3 能量调控结构

随着仿生学的发展和新材料研发的突飞猛进，生态技术在形体生成设计上的运用有了新的发展；同时，数字化技术和智能化技术的同步运用，也促进了数据收集与环境模拟分析技术的进步。建筑中的能量调控结构从原来的评价性指标升级成为建筑生成的逻辑之一，通过生态技术同建筑形态结合的设计手法，实现建筑环境性能的提升。其中具有代表性的建筑形体元素有：与屋面结合设计的光伏板、具有拔风功能的“烟囱”、隐藏式雨水收集系统等，它们从设计层面出发，固化能量于建筑形体之中。

2 不同能量调控结构类型下的建筑气候适应性设计

基于能量调控结构的3 种基本类型，本文选取几个位于不同气候区的代表性案例（表1～3），从界面形态、空间形态和技术形态三方面进行比较分析，以此从能量利用的本质来揭示能量和形式之间关系，厘清建筑通过设计来应对气候的核心机制。

表1 以能量捕获机制为主的4 个案例

2.1 能量捕获结构的界面形态适应2.1.1 科隆大楼

科隆大楼是著名纺织公司科隆的研发办公楼，位于韩国首尔，在柯本气候分类中属于夏热大陆性气候（柯本气候Dwa），设计时需要重视炎热季节的通风遮阳。该办公楼采用了不同于传统的环境性能驱动垂直遮阳界面：①由纤维增强聚合物制成的“遮阳伞”构件相互搭接，悬于幕墙之外，选择性地捕获有利的自然光，以平衡遮阳和视线要求；②通向高中庭的内界面也是外悬式的结构化连续表皮，构件内置人工照明元件；③屋顶所收集的太阳辐射转化为电能，为内界面的照明提供能量（图2）。

图2 科隆大楼外悬遮阳伞的能量捕获

表2 以能量协同机制为主的4 个案例

表3 以能量调控机制为主的4 个案例

2.1.2 珊顿云尚

珊顿云尚是位于新加坡的高层建筑，属热带雨林气候（柯本气候Af），需要应对全年的高温高湿。建筑界面覆盖了可调控的连续组合模块，在立面上形成六角标志性图案：①隐藏在模块框架内部的通风槽能够捕捉周边气流；②模块单元由凸窗、空调架和阳台组合而成，巧妙的板块角度和遮亮度能够反射光线、提供遮阳；③播种机位于立面幕墙背后，创造出一道垂直绿化屏障，进一步过滤光线和热量（图3）。

图3 珊顿云尚组合模块的能量捕获

2.1.3 剑桥公共图书馆

这座公共图书馆位于美国波士顿，属夏热大陆性气候（柯本气候Dfa），外部气候多变。因此，设计时需要减少环境波动对内部的影响。该建筑外围护结构为双层界面，类似一道缓冲“热毯”（thermal blanket）：其外层玻璃幕墙带遮阳面板和通风装置；内层有可开启窗扇；中间是空气间层，能够防止热损失、眩光和过量热增益。夏季开启外层底部通风装置，关闭内层窗扇，再调整界面顶端遮阳面板的角度，引导太阳辐射加热界面空腔上部空气，以促进双层界面内的热压通风，带走积蓄的热量；冬季封闭内层窗扇和外层通风装置，同样调整遮阳面板角度引入阳光，加热界面空腔；春秋季开启内层窗扇底部外层通风装置，促进自然通风（图4）。

图4 剑桥公共图书馆双层空间界面的能量捕获

2.1.4 社会城邦太阳塔

西班牙瓦伦西亚属于地中海气候（柯本气候Csa），社会城邦太阳塔是当地一座高层保障性住房。建筑外界面采用新材料开启窗扇以加强双向对流通风，带出室内的热量和湿气；透光部分采用高反射率玻璃以减少热辐射对室内影响；平面形态则采用阵列算法得到反射率高的外部曲线轮，并辅以新型发射材料来减少热交换。建筑通过平面轮廓所围合出来的露台空间、阳台空间等半室外地带，缓冲室内外的热交换（图5）。

图5 社会城邦太阳塔曲面热反射的能量捕获

2.1.5 小结

在上述4 个案例中，科隆大楼和珊顿云尚代表了结构化的能量捕获界面，将部分空间同界面结合在一起发挥捕获气流、光照、热量等能量流的作用；剑桥公共图书馆代表双层空间型界面，为内部提供了一个气候缓冲层，是室内外的热存储中介；社会城邦太阳塔代表生态高性能材料结合外层缓冲空间的界面类型。其建筑界面担负了热传导、热对流、热辐射的热交换调控功能，部分复杂界面还具备有热能存储功能，这些功能均与界面的材料热阻、表面积、粗糙程度以及界面的反射、入射、折射角度有关。

2.2 能量协同结构的空间形态适应

2.2.1 东门办公楼

东门办公楼座落于津巴布韦的哈拉雷，属海洋亚热带高原气候（柯本气候Cwb）。这座大型办公建筑以蓄热体和自然通风为被动调控原则，在仿生学上参考了蚂蚁的巢穴构造，将建筑功能以垂直纬度布置，利用“烟囱效应”实现能量的垂直流动：①两座办公楼沿着长边平行布局，中庭顶部以玻璃覆盖，提供充足采光；②办公楼中央宽阔的走道中，有4 个剖面为V 形的通高竖井，竖井高高地伸出屋顶，使建筑底层和窗户下方格栅流入的冷空气通过顶部加热不断从竖井上升，形成天然的“拔风筒”（图6）。

图6 东门办公楼竖向并置空间的能量协同

2.2.2 托伦特制药研究室

托伦特制药研究室位于印度艾哈迈达巴德，属低纬度草原和沙漠气候（柯本气候Bsh）。该建筑根植于当地极端的高温环境，以南亚次大陆传统乡土建筑的“捕风塔”为原型，设计了一种独特的“被动式取风蒸发冷却”（PDEC）系统，并在水平方向上将建筑功能依次展开以实现风的流动，从而带动环境温度改良：建筑群以5 栋3 层的实验室建筑环绕中央大厅布置，高过建筑屋面的“捕风塔”设置在建筑外侧并自动捕捉建筑顶部的气流，气流在塔顶部与冷却水形成热交换后流入建筑的中庭内，再分散到各层周边的房间内，最终由排风管排出室外（图7）。

图7 托伦特制药研究室水平并置空间的能量协同

2.2.3 巴塞罗那自治大学环境科学研究中心

西班牙的巴塞罗那属地中海气候（柯本气候Csa），夏季炎热干旱，冬季温和多雨。该建筑是巴塞罗那自治大学的环境科学研究中心，建筑内部丰富的空间和错落有致立面开口提供了良好的能量优化结构基础：建筑主要材料为蓄热良好的混凝土，外表皮采用生物性能表皮，内部使用功能采用木质材质形成若干“盒子空间”；同时，将热源等散布在建筑各层，并在建筑内设置4 个风车状的内庭院，以解决采光和通风需求。建筑各房间产生的热量在夏季通过上述一系列复杂的综合节能系统收集储存，实现了能量的分季节使用和循环输出（图8）。

图8 巴塞罗那自治大学的环境科学研究中心错层操作空间的能量协同

2.2.4 柏林自由大学哲学系图书馆

德国柏林属温带大陆性湿润气候（柯本气候Cfb）。柏林自由大学哲学系图书馆是一个球形的集中体量，主体功能以一个双层管钢框架穹顶结构围合：穹顶的外层构造层次依次为含通气口的遮光玻璃、绝热性能高的镀膜金属板和可调节金属百叶；穹顶的内层是由可滤光、透光的半透明玻纤做成内膜，将透射进入穹顶内层的阳光发散，给图书馆室内以柔和光线。在春秋季等温和季节，建筑表皮通风口开启自然通风模式，使建筑底部的新鲜空气通过核心筒加热和分散；在冬夏季等耗能季节，建筑表皮百叶关闭，可通过核心筒内的大型空气管道来实现空气的加热或冷却，并给各房间输送新风（图9）。

图9 柏林自由大学哲学系图书馆围合操作空间的能量协同

2.2.5 小结

上述4 个案例中，包括太阳能烟囱、被动蒸发冷却捕风塔、多天井通风采光系统、双层穹顶与核心筒通风管道等形态都是能量流动调度的基本形态。这些结构虽然有着多样的外在表现，但其内部构造仍然体现了能量流动调度的逻辑，并具有气候适应型设计的地域智慧：东门办公楼通过密集排列的拔风筒“烟囱效应”，来实现室内温度调节；托伦特制药研究室以高塔群组布置形成被动捕风蒸发冷却系统，达到室内温度调节的效果；巴塞罗那自治大学的环境科学研究中心以实验室和休息空间的穿插，构成了能量流动的平衡；柏林自由大学哲学系图书馆以双层穹顶包裹的集中体量，体现寒冷地区常见的集聚形态，其竖向的内部核心筒加上水平向底部通风层联合形成建筑空腔，实现了空气热交换及新风供给。

2.3 能量调控结构的技术形态适应

2.3.1 索拉利斯

建筑位于新加坡One-north 科技园内，拥有超过8 000 m2的景观绿化。①双塔之间形成了巨大中庭，通过软件模拟太阳入射角确定立面遮阳百叶的具体位置和角度，以减少立面的热交换；②环绕建筑立面一圈且总长达1.5 km 的螺旋形立面廊道结合丰富的垂直绿化设计，形成了立体的立面遮阳体系，也为建筑提供了一道生态屏障；③廊道向上延伸至屋顶的花园，向下延伸到底部成为“地下生态引擎”，将风、光、水、绿延伸到建筑下方车库层内，不仅改善了车库生态环境，也承担了雨水回收系统的作用（图10）。

图10 索拉利斯“垂直绿廊”的能量调控

2.3.2 丽德塔市场

丽德塔市场位于埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴，属海洋亚热带高原气候（柯本气候Cwb），太阳辐射较强烈。传统大型购物中心常见玻璃外墙和封闭形态，而丽德塔市场颠覆了这种模式，创造出一个气候友好的多层当代集市。其建筑表皮原型来源于埃塞俄比亚传统纺织品图案，立面有经过计算的大小不一的开口，用于控制采光通风，遮挡了某些时刻的强烈辐射。屋顶的圆形光电生态伞既丰富了屋面景观，又提供了遮阳；同时，在生态伞中设计隐藏式雨水收集系统，雨水经管道至地下室集水池储存，过滤后可再应用于厕所等处。（图11）。

图11 丽德塔市场“生态之伞”的能量调控

2.3.3 韦德科学中心

韦德科学中心位于美国费城，属亚热带湿润气候（柯本气候Cfa），需要同时考虑夏季防热、冬季防寒及雨水的收集利用。这座科学中心拥有诸多实验室，属于能源密集型建筑，它综合考虑了自然采光、能量系统和雨水管理的系统化设计：①建筑外立面包裹着通风雨幕面板，将建筑内部和表皮隔离开来，使空气能够在两者间的狭小空间内不断循环，起到间层缓冲作用，减少热传递；②雨水花园和屋顶花园采用循环系统设计，减少雨水径流；③智能建筑监控系统综合调节雨水收集和使用，提供每年、每月甚至每小时的监视器记录（图12）。

图12 韦德科学中心“雨水花园”的能量调控

2.3.4 法国太阳能研究所

该建筑为法国太阳能研究所总部，位于法国中东部的尚贝里，属温带海洋性气候（柯本气候Cfb）。它的特殊之处在于实验室平日有较高热负荷，因此，可采用智能控制系统和动态热模拟来调整不同时段、不同季节的策略：①在30°角倾斜的巨型羽翼屋顶上安装热传体感器和光伏，利用屋顶的倾角和方位分布，提供建筑运行所需的40%以上能量；② 面向海湾的立面凸窗遮阳可减少建筑制冷制热的负荷；③中庭顶部自动控制开合的天窗优化了自然光分布（图13）。

图13 法国太阳能研究所“太阳之翼”的能量调控

2.3.5 小结

上述4 个案例中，建筑通过技术元素提高能量调控效率。索拉利斯将能量调控技术结合界面形态，利用环绕建筑外部的垂直绿廊串联立面遮阳、屋顶花园和地下集水单元；丽德塔市场将能量调控技术结合构造形态，采用两排光电遮阳伞形成特殊屋顶形式；韦德科学中心将能量调控技术结合景观形态，将屋顶和周边花园与雨水循环系统结合起来，采用智能监控系统统一调控各系统作用，提高效率；法国太阳能研究所将能量调控技术结合屋面形态，羽翼状的屋顶联合智能热传感器，实现了动态热模拟以实时追踪空间和设备的使用情况。各种技术元素同建筑本体紧密结合，分布在建筑各要素中，成为了建筑这个开放大系统中重要的子系统。

3 结语

作为热力学系统的建筑依赖于气候环境生存。在热力学的视角下，物质意义上由风、光、雨、热构成的气候可看作是不同形式的能量来源，支撑着建筑系统的运转。建筑需要借助合理的流通结构设计，来获得能量、存储能量和转化能量。气候和建筑之间的协同关系，是通过材料、构造、空间等方面来反馈系统能量流动组织的表现。这种系统转换使得建筑从空间与结构的建构转向了热环境的建造——建筑由建构思维转向气候思维，再转向能量思维。建筑构件（技术元素）和建筑整体形成了子母系统的关系，因而无论是在分析还是设计过程中，建筑师都必须以整体思维加以考量。本文以热力学的系统思维分析气候、能量和建筑之间的内在关系，从新的角度提供一种更为综合客观研究方式，思考建筑作为一个热力学系统，其空间、结构和组织等的原型潜力和设计转化[5]，探究建筑本体如何通过能量流动来化解人与气候之间的必然矛盾，以期为相关人员提供参考。