閔天怡 / MIN Tianyi

生物氣候地方主義建筑設(shè)計(jì)理論與方法研究

閔天怡 / MIN Tianyi

在對(duì)氣候與建筑進(jìn)行關(guān)聯(lián)性思考的基礎(chǔ)上，本文系統(tǒng)論述了生物氣候主義建筑設(shè)計(jì)的理論與方法，探討建立在氣候分析與熱舒適理論之上、以被動(dòng)式氣候調(diào)控策略為主導(dǎo)的生物氣候?qū)W方法模型，并比對(duì)分析中國(guó)南京和美國(guó)洛杉磯所在的兩個(gè)氣候區(qū)的生物氣候以及氣候控制策略，期望能夠在可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)代議題下，為重新思考低能耗建筑的自主性法則提供知識(shí)基礎(chǔ)。

生物氣候建筑 氣候設(shè)計(jì) 熱舒適 被動(dòng)式控制策略

1 引言

1.1 歷史維度

拉爾夫 · 厄斯金（Ralph Erskine）曾經(jīng)這樣表述：“如果沒(méi)有氣候問(wèn)題，人類(lèi)也就無(wú)需建筑?！睔夂騿?wèn)題催生了人類(lèi)建筑的兩個(gè)基本動(dòng)機(jī)“遮蔽”和“開(kāi)啟”：“遮蔽”提供了居住空間，形成明確的氣候邊界以抵御和延緩氣候的影響；“開(kāi)啟”作為內(nèi)與外的連接方式，提供生活的入口以及光、風(fēng)、熱等自然能量。馬爾庫(kù)斯 · 維特魯威 · 波利奧（Marcus Vitruvius Pollio）在《建筑十書(shū)》（Ten Books on Architecture）中，就對(duì)作為“庇護(hù)所”的建筑和決定其之所以生成的氣候條件進(jìn)行了關(guān)聯(lián)性討論。受之影響，后來(lái)的建筑理論闡述中經(jīng)常出現(xiàn)對(duì)此命題的探討。

工業(yè)革命以后，19世紀(jì)～20世紀(jì)前半葉，學(xué)界一直貫穿著對(duì)于“原始小屋”的特殊偏愛(ài)。約瑟夫 · 里克沃特（Joseph Rykwert）指出，在居所的基本類(lèi)型、建造起源的理論探索方面，馬克-安托萬(wàn) · 洛吉耶（Marc-Antoine Laugier）、佩羅（Perrault）、威廉 · 錢(qián)伯斯（William Chambers）等學(xué)者在“居所首先是庇護(hù)所”這一觀點(diǎn)上是基本一致的。約翰 · 拉斯金（John Raskin）和莫里斯（Morris）也提出根據(jù)自然（尤其是氣候）的影響而不是以模仿進(jìn)行建筑創(chuàng)作的重要性。這種對(duì)于初始形態(tài)的迷戀并非源于建筑考古，而是期望能夠基于考古學(xué)與人類(lèi)學(xué)的發(fā)現(xiàn)，清楚地揭示出自然力和社會(huì)、技術(shù)之間的耦合關(guān)系以及建筑范式，這一形式理論旨在將原始建筑或原生鄉(xiāng)土建筑類(lèi)型的形式意義蛻變?yōu)橐环N當(dāng)代的設(shè)計(jì)方法。

1.2 現(xiàn)代危機(jī)

1973年的能源問(wèn)題使世界環(huán)境出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折性的變化，隨后，在減少能耗成為全球共識(shí)以及有效使用成為努力方向后，占總能耗40%的建筑業(yè)不可避免地成為矛盾的被指向者。1970年代以來(lái)，以可持續(xù)為核心的建筑理念被一再?gòu)?qiáng)調(diào)與熱議，加之當(dāng)下不同學(xué)科間日益交織滲透，傳統(tǒng)建筑學(xué)的自主性理論似乎日漸言輕。如何立足于能量議題，重構(gòu)建筑的自主性能化發(fā)展體系具有十分重要的意義。

伊納吉 · 阿巴羅斯（Inki Abalos）通過(guò)對(duì)“外部”和“內(nèi)部”概念的辨析，追溯至兩種廣義的地域氣候（寒冷地區(qū)和溫暖地區(qū)）所產(chǎn)生的基本建筑原型——“溫室”和“遮陰棚”，并指出不同氣候背景下處理內(nèi)外環(huán)境時(shí)兩種截然相反的建筑范式——“拒絕”與“接納”。

在現(xiàn)代建筑的發(fā)展過(guò)程中，能量議題也包含兩個(gè)發(fā)展方向。以1902年空調(diào)誕生為元年，機(jī)械環(huán)境發(fā)展逐漸占據(jù)主流，氣候的主導(dǎo)地位日漸式微，“隔離與控制”成為建筑回應(yīng)外部環(huán)境的主導(dǎo)策略。作為技術(shù)的踐行者，理查德 · 巴克敏斯特 · 富勒（Richard Buckminster Fuller）于1960年提出了被肯尼斯 · 弗蘭姆普敦（Kenneth Frampton）稱(chēng)為“無(wú)情的都市之肺”的設(shè)想：以一個(gè)直徑3.2km的透明穹頂覆蓋曼哈頓中心區(qū)，使城市中心的運(yùn)轉(zhuǎn)免受外界環(huán)境的“干擾”，從而成為機(jī)械控制論的極端構(gòu)想（圖1）。作為拒絕氣候的“對(duì)抗策略”，這一以“溫室”為原型的構(gòu)想在2010年漢堡“氣候膠囊”展覽中被重新提及（圖2）。在1967年蒙特利爾世博會(huì)上，富勒以測(cè)地線球頂造就了“美國(guó)館”與世隔絕的內(nèi)部小氣候，為保證其舒適性，在內(nèi)部使用了大量的通風(fēng)管和遮陽(yáng)設(shè)施（圖3）?；鶢?· 莫（Kiel Moe）在《隔離的現(xiàn)代主義》（Insultating Modernism）中批評(píng)了保溫隔熱等所謂的熱工手法，并指出專(zhuān)注于隔離系統(tǒng)的構(gòu)建其實(shí)是對(duì)氣候平衡自然法則的背離。

在機(jī)械設(shè)備占據(jù)主流意識(shí)的同時(shí)，仍有一批學(xué)者堅(jiān)持研究以氣候設(shè)計(jì)為主導(dǎo)、以自然要素為對(duì)象的環(huán)境設(shè)計(jì)方法，即為現(xiàn)代建筑能量議題的另一發(fā)展方向。與前者相比，他們更偏重于學(xué)科方法的探索與研究，以控制性較強(qiáng)的技術(shù)策略為旨意。在1963年，維克多 · 奧戈雅（Victor Olgyay）綜合其在普林斯頓大學(xué)的研究成果編著《設(shè)計(jì)結(jié)合氣候：建筑地方主義的生物氣候研究》（Design with Climate:Bioclimatic Approach to Architectural Regionalism），首次提出“生物氣候建筑地方主義”設(shè)計(jì)理論與“生物氣候設(shè)計(jì)法”，通過(guò)氣候與設(shè)計(jì)兩個(gè)概念的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)以自然方式而非機(jī)械手段來(lái)實(shí)現(xiàn)使人體熱舒適的小氣候。1970年代，美國(guó)環(huán)境與建筑領(lǐng)域的科技工作者巴魯克 · 吉沃尼（Baruch Givoni）對(duì)奧戈雅“生物氣候設(shè)計(jì)法”進(jìn)行了補(bǔ)充與改進(jìn)，提出“氣候設(shè)計(jì)”方法（Givoni法）。而后唐納德 · 沃特森（Donald Watson）、P. O.范格爾（Povl Ole Fanger）、O. H.柯尼斯伯格（O. H. Koenigsberger）、約翰 · 埃文斯（John Evans）等多名研究者在生物氣候設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了完善。長(zhǎng)久以來(lái)，眾多學(xué)者致力于此方向的研究，力圖構(gòu)建一種將氣候環(huán)境和人體舒適需求多場(chǎng)耦合的全系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法模型，使之能夠?yàn)榻ㄖ煹脑O(shè)計(jì)過(guò)程提供調(diào)節(jié)氣候環(huán)境以使其滿(mǎn)足人體熱舒適的依據(jù)條件，最終形成控制性策略。

圖2 2010年漢堡“氣候膠囊”展覽

圖3 蒙特利爾世博會(huì)美國(guó)館

2 氣候設(shè)計(jì)

全球大多數(shù)氣候區(qū)的室外氣候條件與室內(nèi)熱舒適需求都存在不同程度的偏離，“氣候控制”即是試圖縮小這種環(huán)境差異，使之無(wú)限接近熱舒適需求的調(diào)控手段。換言之，氣候控制的完美邊界即是室外實(shí)際氣候條件與室內(nèi)熱舒適期望值之間的差值，通常做法是使其無(wú)限接近。控制手段通常是基于低能耗原則，以典型氣象資料為依據(jù)，針對(duì)不同的溫度振幅及水蒸汽壓力所構(gòu)成的環(huán)境條件，利用熱質(zhì)量效應(yīng)、氣流效應(yīng)、控制輻射、蒸發(fā)冷卻等被動(dòng)式策略形成“氣候設(shè)計(jì)方法”。氣候設(shè)計(jì)的最終目的是創(chuàng)造低能耗甚而零能耗的高效能建筑，在最少資源消耗的情況下實(shí)現(xiàn)最高的熱工性能，通過(guò)被動(dòng)式方法調(diào)節(jié)內(nèi)外氣候環(huán)境，在人、氣候、建筑之間兼顧有效性和合理性（圖4）。

圖4 氣候設(shè)計(jì)

被動(dòng)式性能調(diào)控方式體現(xiàn)為“靜態(tài)控制”與“動(dòng)態(tài)控制”兩個(gè)方面，即通過(guò)針對(duì)建筑的不變要素（建筑方位、圍護(hù)界面的熱容量及隔熱設(shè)計(jì)等）與可變要素（建筑開(kāi)啟系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行氣候控制。根據(jù)熱力學(xué)的3種傳熱原理，在建筑內(nèi)外熱量交換的過(guò)程中存在4種熱交換控制途徑：允許外部熱量進(jìn)入內(nèi)部，拒絕外部熱量進(jìn)入內(nèi)部，保持穩(wěn)定內(nèi)部熱源熱量，快速排出內(nèi)部熱源熱量。上述4種熱量傳遞的控制途徑與3種傳熱方式、一個(gè)絕熱（蒸發(fā)冷凝）過(guò)程相組合，構(gòu)建了建筑氣候調(diào)控的基本策略。

在生物氣候設(shè)計(jì)法的工作中（圖5），提出整體設(shè)計(jì)目標(biāo)，環(huán)境氣候及生物熱舒適層面涉及較為專(zhuān)業(yè)的技術(shù)知識(shí)和計(jì)算方法，技術(shù)策略層面則是基于前面的分析工作做出理性推導(dǎo)和正確選擇。其中，推演過(guò)程由生物氣候設(shè)計(jì)方法模型——生物氣候圖完成，根據(jù)圖表可以得出一個(gè)與周?chē)目諝鉁囟?、相?duì)濕度、氣流速度、平均輻射溫度等自然因素相關(guān)聯(lián)的人體舒適區(qū)，并將其結(jié)果作為確定被動(dòng)式控制策略的核心依據(jù)。

圖5 氣候設(shè)計(jì)的工作方法

3 熱舒適理論

3.1 生物感覺(jué)表征

熱舒適（Thermal Comfort）是受環(huán)境氣候、身體活動(dòng)情況、生理、心理等多種變量影響的基于主觀感受的復(fù)雜概念。在形成具體的理論方法以前，研究者與建筑師是基于氣候的經(jīng)典理論、氣候常識(shí)以及模型試驗(yàn)的結(jié)果（包括個(gè)人對(duì)氣候、材料、建筑形式與舒適性等的綜合體驗(yàn)）進(jìn)行設(shè)計(jì)的。1923年F. C.霍頓（F. C. Houghton）等人確立了有效溫度指標(biāo)，并將熱感覺(jué)定義為“舒適”或“不舒適”，人體熱舒適的研究由此真正展開(kāi)。1950年代，熱舒適感覺(jué)替代了傳統(tǒng)的“中性條件”，成為環(huán)境工程師共同追求的積極目標(biāo)。1960年代，美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)、丹麥哥本哈根大學(xué)相繼建立了人體熱感覺(jué)專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)室。1970年代，范格爾確定了熱感覺(jué)的6個(gè)影響因素，進(jìn)而提出熱平衡與熱舒適方程。生物學(xué)家米歇爾 · 卡巴納克（Michel Cabanac）在關(guān)于局部溫度刺激的實(shí)驗(yàn)中，將感覺(jué)的差異性作為行為性溫度調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力，但在具體應(yīng)用中，能夠表述為“舒適”的條件范圍十分狹窄（圖6），因而研究者們一直努力嘗試在熱環(huán)境的評(píng)價(jià)需求下逐步建立評(píng)價(jià)的量化指標(biāo)。

圖6 熱感覺(jué)的適應(yīng)性

3.2 熱指標(biāo)：ET（有效溫度）與HSI（熱應(yīng)力指標(biāo)）

1923～1925年，霍頓、C. P.亞格羅（C. P. Yaglou）及威廉 ·米勒（William Miller）等人在ASHRAE（American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，美國(guó)采暖、 制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)）實(shí)驗(yàn)室的研究中提出了“等線舒適”（Lines of Equal Comfort）概念，認(rèn)為影響熱舒適的3個(gè)環(huán)境變量即空氣溫度、相對(duì)濕度及氣流速度，在3者任意組合得出相同的溫度時(shí)，人體產(chǎn)生的熱感覺(jué)相同。在此基礎(chǔ)之上研究者們提出了ET①（Effective Temperature，有效溫度）。ET是應(yīng)用最為廣泛的熱指標(biāo)之一，在生物氣候建筑的研究中，被柯尼斯伯格等人作為判斷濕熱地區(qū)氣候環(huán)境舒適程度的標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)被用于馬霍尼（Mahoney）生物氣候法，作為界定舒適條件的主要?dú)夂騾?shù)（圖7）。

圖7 ET（有效溫度）諾模圖

1955年，貝爾丁（Belding）和哈奇（Hatch）計(jì)算給定的熱環(huán)境中作用于人體的外部熱應(yīng)力，據(jù)此提出了HSI（Heat Stress Index，熱應(yīng)力指標(biāo)）。HSI將環(huán)境對(duì)人體產(chǎn)生的熱應(yīng)力的各項(xiàng)作用因素分別定量考慮，這一點(diǎn)具有非凡的理論意義，并且為吉沃尼氣候法舒適要求的評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)（圖8）。

3.3 熱舒適方程與PMV-PPD評(píng)價(jià)模型

1970年，范格爾在人工氣候?qū)嶒?yàn)室的研究基礎(chǔ)上，提出了范格爾熱舒適六要素②，進(jìn)而在人工氣候?qū)嶒?yàn)結(jié)果的回歸分析中得出人體熱平衡方程和舒適條件方程，并將二者聯(lián)立，組建了著名的范格爾熱舒適方程。為使其能夠直接應(yīng)用于任何給定環(huán)境變量的組合所產(chǎn)生的熱感覺(jué)評(píng)價(jià)，范格爾同時(shí)建立了劃定為7個(gè)標(biāo)度的“表征人體熱反應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)”（Predicted Mean Vote，PMV）和“預(yù)測(cè)不滿(mǎn)意百分比指標(biāo)”（Predicted Percentage of Dissatisfied，PPD），以概率分析方法給出兩者的定量關(guān)系，創(chuàng)建了PMV-PPD評(píng)價(jià)體系。

范格爾熱舒適方程為業(yè)內(nèi)普遍接受并被當(dāng)作目前最全面、可靠的界定，由此衍生了一系列的國(guó)家、地方標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)PMV-PPD熱舒適模型也是最早的人體體溫調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型，為生物氣候設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于不同氣候條件奠定了理論基礎(chǔ)。盡管后來(lái)的一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)意見(jiàn)，但均未脫離其框架要素③。

3.4 熱感覺(jué)標(biāo)度與ASHRAE熱舒適范圍

美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)的ASHRAE55－94標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO7730將熱舒適定義為“人體對(duì)環(huán)境感覺(jué)滿(mǎn)意的一種主觀感覺(jué)”。

貝德福德（Bedford）于1936年提出的7點(diǎn)舒適標(biāo)度被人工氣候?qū)嶒?yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所普遍采用，其與ASHRAE的7點(diǎn)標(biāo)度是目前應(yīng)用最廣泛的兩種標(biāo)度。范格爾的標(biāo)準(zhǔn)同樣分為7級(jí)，但為了方便讀取，中點(diǎn)標(biāo)數(shù)為0，兩端分別為+3和-3。F. H.羅勒斯（F. H. Rohles）與R.G.內(nèi)文斯（R. G. Nevins）的熱感覺(jué)指標(biāo)（TSENS）分為10級(jí)，除冷端增加1級(jí)、熱端增加2級(jí)外，其余內(nèi)容與范格爾的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)（表1）。

ASHRAE認(rèn)為，熱舒適的滿(mǎn)意程度與環(huán)境因素、個(gè)體因素等多種變量有關(guān)，所以ASHRAE55－2004標(biāo)準(zhǔn)考慮了所有環(huán)境變量而非單一定量值（如ET），采用溫濕圖表定義冬夏兩季80%人數(shù)滿(mǎn)意的熱舒適區(qū)（圖9）。

3.5 不對(duì)稱(chēng)性

此前對(duì)于舒適的討論都建立在人體是均勻、對(duì)稱(chēng)地受熱或受冷的假定基礎(chǔ)之上，然而現(xiàn)實(shí)環(huán)境卻并非如此。事實(shí)上，由于環(huán)境中的輻射源、局部氣流以及不同的冷、熱表面（家具、地板等），外部環(huán)境是不均勻的。

對(duì)于單側(cè)輻射，A.P.蓋奇（A. P. Gagge）等人指出：在低至10℃的環(huán)境中，借助局部輻射加熱器，同樣能夠達(dá)到可接受的條件。例如人們于火爐前烤火，局部皮膚受熱也會(huì)使其感到舒適。F. A.克任柯（F. A. Chrenko）根據(jù)對(duì)頂棚散熱片的研究，建議頭部附近的輻射溫度不可超過(guò)平均輻射溫度2℃。布賈內(nèi) · W.奧利森（Bjarne W.Olesen）等人提出在靜風(fēng)條件下不對(duì)稱(chēng)輻射的限值。同時(shí)，局部氣流所造成的室內(nèi)環(huán)境不對(duì)稱(chēng)也會(huì)帶來(lái)同一人群的冷感差異，即局部調(diào)節(jié)策略的引入同樣會(huì)帶來(lái)全局效果。

4 生物氣候?qū)W方法模型

建筑學(xué)范疇內(nèi)的“生物氣候?qū)W”（Bioclimatology）研究主要著眼于氣候與人的關(guān)系，探討人應(yīng)如何適應(yīng)氣候變化規(guī)律，滿(mǎn)足自身對(duì)生存環(huán)境的需求?！吧餁夂蛟O(shè)計(jì)法”（Bioclimatic Design Method），從簡(jiǎn)單定性到復(fù)雜定量地分析了建筑各要素與建筑熱環(huán)境、熱舒適性之間的關(guān)系，是一種由人體熱舒適的角度分析地區(qū)內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)和太陽(yáng)輻射等氣候要素的變化特征，從而給出具體建筑設(shè)計(jì)技術(shù)策略的系統(tǒng)分析方法。

生物氣候模型可反映地區(qū)內(nèi)全年度的氣候條件，分析年度溫度、日照、風(fēng)向、降水、濕度的數(shù)據(jù)，據(jù)此指導(dǎo)具體條件下如何達(dá)到或更加接近熱舒適范疇。模型反映了地區(qū)內(nèi)建筑基礎(chǔ)性的氣候需求，溫度需求定義出建筑形態(tài)，日照需求定義了最佳的朝向、位置與向陽(yáng)面的開(kāi)啟，通風(fēng)需求定義了開(kāi)啟的大小與位置，過(guò)熱地區(qū)需要采用減少輻射措施與遮陽(yáng)裝置，晝夜溫差大的地區(qū)需采用蓄熱性強(qiáng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)要進(jìn)行整體絕熱。因而，只有深刻理解氣候要素和生物需求并充分獲取自然能量，建筑才可能達(dá)到或接近氣候平衡，再通過(guò)人工設(shè)備對(duì)不足之處作適當(dāng)補(bǔ)充。

圖8 HSI（熱應(yīng)力指標(biāo)）

圖9 ASHRAE熱舒適區(qū)與傳統(tǒng)熱舒適區(qū)比較

表1 4種熱感覺(jué)標(biāo)度

4.1 生物氣候圖

生物氣候圖以溫濕圖表（Psychrometric Chart，圖10）為繪制工具，用以確定空氣的狀態(tài)和4個(gè)基本參數(shù)（空氣溫度、含濕量、大氣壓力和水蒸汽分壓力）之間的關(guān)系，其邊界代表了環(huán)境要素的極端情況?？諝鉁囟龋ˋT）、相對(duì)濕度（RH）、空氣流動(dòng)（AV）和平均輻射溫度（MRT）的某些特定組合能夠形成大多數(shù)人認(rèn)可的熱舒適，反映在溫濕圖表上就是舒適區(qū)域（Comfort Zone）。舒適區(qū)域的左側(cè)適用于冬季，右側(cè)適用于夏季，而一年中能夠出現(xiàn)在舒適區(qū)域內(nèi)的氣候狀態(tài)十分少見(jiàn)，可以借助一定的調(diào)節(jié)策略對(duì)舒適區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，使控制邊界發(fā)生變化，從而使舒適性區(qū)域產(chǎn)生移動(dòng)（圖11）。若向上移動(dòng)潛熱增加，應(yīng)變方式是除濕策略；向下移動(dòng)潛熱減少，應(yīng)變方式是加濕策略；向左移動(dòng)顯熱減少，應(yīng)變方式是加熱策略；向右移動(dòng)顯熱增加，應(yīng)變方式是冷卻策略（圖12）。在氣候設(shè)計(jì)過(guò)程中，可借此直觀地了解建筑室內(nèi)外的氣候狀況以及相較舒適區(qū)的偏離程度。

4.2 生物氣候模型

在進(jìn)行地區(qū)內(nèi)氣候條件評(píng)價(jià)時(shí)，生物氣候模型（表2）綜合了典型氣象年365天（共計(jì)8763h）地面逐時(shí)溫度與相對(duì)濕度的氣象數(shù)據(jù)，以等分的狀態(tài)顯示出地區(qū)內(nèi)的一般氣候特點(diǎn)。通常以每10天的參數(shù)數(shù)據(jù)形成連續(xù)封閉的曲線，通過(guò)曲線的分布情況判斷對(duì)應(yīng)的氣候控制策略；每月的24h數(shù)據(jù)形成的封閉曲線常以間歇的螺旋形式上升至7月，然后下降回歸至1月。所以，將生物氣候模型轉(zhuǎn)譯為時(shí)間刻度表，可以直接讀取一年內(nèi)任意一天的氣候要素資料，也可清晰呈現(xiàn)地區(qū)內(nèi)氣候參數(shù)間的相對(duì)比重。

得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以?shī)W戈雅和吉沃尼的圖表為基礎(chǔ)，發(fā)展了如MATLAB、Ecotect等計(jì)算軟件。生物氣候建筑設(shè)計(jì)日趨數(shù)字化與高技化，對(duì)設(shè)計(jì)的影響與參與權(quán)重也明顯增加。同時(shí)，生物氣候建筑逐漸向全方位性能建筑轉(zhuǎn)變，從空間調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向性能調(diào)節(jié)，從對(duì)氣候與人體舒適區(qū)域的關(guān)注轉(zhuǎn)向?qū)θ伺c建筑長(zhǎng)久、系統(tǒng)的生態(tài)性的重視（圖13）。

圖10 溫濕圖表

圖11 溫濕圖表中的舒適與非舒適區(qū)域

圖12 空氣溫濕度變化分析

4.2.1 Ologay方法

奧戈雅最早提出了氣候設(shè)計(jì)的概念與方法，不同于ET、PMV等熱舒適指標(biāo)，該生物氣候模型更關(guān)注人體主觀熱感覺(jué)，且為便于判斷只設(shè)一個(gè)指標(biāo)值，表示了4個(gè)環(huán)境變量（干球溫度、相對(duì)濕度、空氣流速、太陽(yáng)輻射）和熱舒適度的關(guān)系，用以判斷外部氣候要素對(duì)人體熱舒適的影響程度。

將氣候因子綜合于一張圖表便于直接轉(zhuǎn)譯為設(shè)計(jì)要素，通過(guò)調(diào)整朝向、開(kāi)啟的位置和尺寸，采用遮陽(yáng)設(shè)施等具體措施，對(duì)外部不利環(huán)境給予一定的補(bǔ)償，通過(guò)前文提到的4種熱交換方式可以達(dá)到控制目的（圖14）。

Ologay方法是氣候條件、人體舒適和設(shè)計(jì)策略建立聯(lián)系的最早嘗試，基于熱舒適的氣候設(shè)計(jì)方法對(duì)大批的歐美學(xué)者與建筑師產(chǎn)生了深刻影響。但此方法以外部氣候狀況而非建筑內(nèi)部的預(yù)期條件作為生物需求的判定基礎(chǔ)，忽略了內(nèi)外氣候條件的差別，主要適用于二者差別不大且更依賴(lài)通風(fēng)的濕熱地區(qū)。

表2 生物氣候設(shè)計(jì)方法模型比對(duì)分析

圖13 生物氣候設(shè)計(jì)法的歷時(shí)性發(fā)展

圖14 奧戈雅生物氣候圖

4.2.2 Givoni方法

吉沃尼發(fā)展了奧戈雅的生物氣候設(shè)計(jì)法，并且將舒適性通風(fēng)、蒸發(fā)降溫、主動(dòng)及被動(dòng)式太陽(yáng)能等調(diào)節(jié)方式的適用范圍表示在同一溫濕圖中，構(gòu)成了“建筑氣候設(shè)計(jì)分析圖”（圖15）。

圖15 吉沃尼生物氣候圖

在吉沃尼建筑氣候設(shè)計(jì)分析圖中，舒適性通風(fēng)區(qū)域表示通風(fēng)策略可達(dá)到的舒適范圍，高性能保溫材料區(qū)域表示無(wú)通風(fēng)情況下憑借調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度可獲得舒適條件的范圍，蒸發(fā)降溫區(qū)域表示適宜采用蒸發(fā)散熱達(dá)到舒適要求的范圍。

舒適性通風(fēng)上限的設(shè)定條件是室內(nèi)平均輻射溫度、水蒸汽壓力與室外環(huán)境相同，此條件傾向于熱阻較低的建筑外圍護(hù)材料。當(dāng)環(huán)境條件超出太陽(yáng)能采暖、蒸發(fā)降溫等被動(dòng)式策略能夠調(diào)節(jié)的范圍時(shí)，需采用空調(diào)設(shè)備等機(jī)械調(diào)節(jié)手段。吉沃尼建筑氣候設(shè)計(jì)分析圖表建立了氣候要素和可供選擇的適宜策略的關(guān)聯(lián)，讀取方便清晰、便于應(yīng)用，是現(xiàn)今工作方法的原型。

4.2.3 其他方法

1983年，沃特森在吉沃尼的工作基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，針對(duì)吉沃尼氣候調(diào)節(jié)方法的模糊邊界進(jìn)行明確詳細(xì)的說(shuō)明，同時(shí)對(duì)不同的溫度振幅和水蒸汽壓力組成的環(huán)境狀況補(bǔ)充了大量的機(jī)械調(diào)控措施，將設(shè)備調(diào)控的主動(dòng)式方法和建筑自身調(diào)節(jié)的被動(dòng)式策略結(jié)合起來(lái)，繪制在一張圖表內(nèi)以便設(shè)計(jì)者進(jìn)行比較和決策，最后針對(duì)采暖需要提出了更多的設(shè)計(jì)建議。沃特森氣候分析圖由17個(gè)區(qū)組成，每一個(gè)區(qū)代表一種類(lèi)別的氣候控制方法，相對(duì)完善且比Givoni法更加詳細(xì)。

倫敦建筑協(xié)會(huì)的柯尼斯伯格等人在研究熱帶地區(qū)建筑時(shí)，提出了基于另一思路的Mahoney列表生物氣候法。以ET為根據(jù)，引入馬霍尼表格分析氣候特征，使系統(tǒng)的氣候分析投影至每個(gè)設(shè)計(jì)階段，并從中獲取可以初步制定建筑空間形態(tài)、布局、朝向等的設(shè)計(jì)參數(shù)。

埃文斯（Evans）認(rèn)為，基于空氣溫度和相對(duì)濕度的Ologay法和Givoni法均側(cè)重于穩(wěn)定的氣候環(huán)境，而在周期溫度波動(dòng)較大的氣候區(qū)，溫度波動(dòng)與舒適感覺(jué)的關(guān)系應(yīng)成為氣候設(shè)計(jì)中的重要議題。據(jù)此，埃文斯以平均溫度振幅值替代濕度，并將其納入氣候分析，用于描述一個(gè)典型日的變化范疇，提出針對(duì)被動(dòng)式建筑的溫度波動(dòng)與人體熱舒適關(guān)系的“熱舒適三角方法”。

5 基于建筑被動(dòng)式氣候控制區(qū)的設(shè)計(jì)策略比對(duì)分析

5.1 中國(guó)南京地區(qū)氣候控制策略分析

南京地區(qū)位于北緯32o8′，東經(jīng)118o8′，屬于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，冬冷夏熱，四季分明。年均溫度15.4℃，1月平均溫度2.25℃，7月平均溫度28.8℃，氣溫的平均年較差26.6℃。

根據(jù)南京地區(qū)生物氣候焓濕圖可以了解到自然年中每個(gè)月的相對(duì)舒適時(shí)間比，以及通過(guò)被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖、自然通風(fēng)、熱質(zhì)量效應(yīng)、熱質(zhì)量效應(yīng)結(jié)合夜間通風(fēng)、蒸發(fā)冷卻降溫等被動(dòng)式氣候調(diào)節(jié)策略能夠增補(bǔ)的時(shí)間比（圖16）。

圖16 南京地區(qū)生物氣候焓濕圖及被動(dòng)式氣候控制區(qū)

結(jié)果表明，南京地區(qū)全年無(wú)需任何調(diào)節(jié)措施的舒適時(shí)間比為8.2%，共30天，主要集中在5月、9月和10月；采用被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖調(diào)節(jié)策略的全年整體性效用最為明顯，可以增加42.5%的舒適時(shí)間；夏季熱、濕共存，引導(dǎo)自然通風(fēng)是有效對(duì)策，6～9月通過(guò)加強(qiáng)自然通風(fēng)可以使全年的舒適時(shí)間比增加26.3%（尤其在6月和9月，可以使90%以上的天數(shù)達(dá)到熱舒適度）；9月通過(guò)增加建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料蓄熱性能或者采用蒸發(fā)冷卻降溫措施可以增補(bǔ)6.3%；建筑的蓄熱性能結(jié)合夜間通風(fēng)策略，可增補(bǔ)16.6%的時(shí)間比。因此，通過(guò)被動(dòng)式調(diào)節(jié)策略全年共計(jì)可增補(bǔ)250天舒適天數(shù)，為全年時(shí)間比的68.2%（表3）。

圖17 洛杉磯地區(qū)生物氣候焓濕圖及被動(dòng)式氣候控制區(qū)

5.2 美國(guó)洛杉磯地區(qū)氣候控制策略分析

洛杉磯位于美國(guó)南加州的西南部，北緯34o05′，西經(jīng)118o22′，屬于地中海氣候帶，常年干燥少雨，冬雨為主，日間炎熱、晝夜溫差大，年平均溫度23.1℃，平均最低溫度13.2℃。

根據(jù)美國(guó)國(guó)家氣象數(shù)據(jù)中心的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行生物氣候模型及焓濕圖分析，可獲取設(shè)計(jì)控制策略的氣候調(diào)節(jié)范圍（圖17）。

利用熱質(zhì)量效應(yīng)結(jié)合夜間通風(fēng)策略的全年整體性效用突出，調(diào)節(jié)范圍覆蓋12個(gè)月，全年熱舒適性能可提升47.9%；而只利用自然通風(fēng)僅在7～9月作用明顯，可增補(bǔ)3.3%時(shí)間比；由于加州日照充足，利用被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖在全年整體獲益方面作用最為顯著，可提升全年性能約61.6%，結(jié)合實(shí)際需求后，1～4月份與11、12月份的增補(bǔ)率接近100%；在當(dāng)?shù)販睾偷臍夂驐l件下利用直接蒸發(fā)冷卻降溫策略收效甚微，結(jié)合間接蒸發(fā)冷卻策略后主要作用于7～9月，8月份可提升近31%，全年熱舒適時(shí)間比增補(bǔ)3.6%（表4）。

6 結(jié)語(yǔ)

不論是將建筑看作富有神話色彩的庇護(hù)所，還是一種能對(duì)之進(jìn)行科學(xué)分析的“熱障”（Thermal Barriers），用以回應(yīng)氣候時(shí)它們并無(wú)兩樣，人們對(duì)于此二者的探索也從未間斷。可以肯定的是，在人類(lèi)身處的連續(xù)空間與時(shí)間的系統(tǒng)之中，氣候以一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的能量與質(zhì)量系統(tǒng)，構(gòu)建了人與建筑的特殊環(huán)境；建筑則以消耗或轉(zhuǎn)變能量流與質(zhì)量流的方式，從外部氣候中劃定一種具體環(huán)境，在兩種環(huán)境之間是能量的不斷流動(dòng)。通過(guò)知識(shí)體系的構(gòu)建，生物氣候設(shè)計(jì)法以自然要素為能量來(lái)源，合理安排建筑要素，實(shí)現(xiàn)了建筑性能“空間調(diào)節(jié)”的最大化。

生物氣候建筑將建筑形式的自主性與能量的流動(dòng)性聯(lián)系在一起，站在了現(xiàn)代主義封閉、隔離的建筑形式的對(duì)立面，從能量與生物氣候?qū)W角度出發(fā)，使建筑的本體價(jià)值與工具價(jià)值得以融合。同時(shí)重新思考了能量流動(dòng)、氣候應(yīng)對(duì)、生物感知與體驗(yàn)、物理環(huán)境與建筑性能之間的交互作用。借助生物氣候方法模型的建立，將空間思考轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康牧鲃?dòng)思考，從而導(dǎo)向一種氣候?qū)W、熱力學(xué)語(yǔ)境下的建筑設(shè)計(jì)語(yǔ)言和?范式。與現(xiàn)代建筑的“形式追隨功能”相呼應(yīng)，“形式追隨能量”致力于實(shí)現(xiàn)能量在建筑中的自主平衡，并將之作為可持續(xù)的、全球性事業(yè)的一部分。

表3 南京地區(qū)氣候調(diào)節(jié)策略各月有效時(shí)間比

表4 洛杉磯地區(qū)氣候調(diào)節(jié)策略各月有效時(shí)間比

注釋

① 有效溫度以單一指標(biāo)反映出空氣溫度、相對(duì)濕度及氣流速度對(duì)人體冷、熱舒適感覺(jué)的綜合影響，但并未考慮輻射溫度的作用。

② 范格爾熱舒適六要素，即兩個(gè)人體變量：衣服熱阻、代謝率（活動(dòng)量）；4個(gè)環(huán)境變量：空氣溫度、相對(duì)濕度、平均輻射溫度和氣流速度，此為首次建立起人體熱舒適與環(huán)境變量、服裝類(lèi)型和活動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系。

③ PMV指標(biāo)最初實(shí)驗(yàn)的1600名受試者均來(lái)自美國(guó)和歐洲，奧雷西姆斯（Auliciemes）等人在長(zhǎng)期實(shí)證后發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)于長(zhǎng)期生存的氣候條件具有更多的適應(yīng)性和生理習(xí)慣性，PMV指標(biāo)忽略了地域差異，因而更適用于相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)械調(diào)節(jié)環(huán)境，奧雷西姆斯據(jù)此又提出了具有改進(jìn)意義的適應(yīng)性熱舒適方程。范格爾本人在后來(lái)的文獻(xiàn)中也指出，對(duì)于不同國(guó)家地區(qū)和氣候條件，應(yīng)分別采納相應(yīng)的修正系數(shù)，我國(guó)所用的修正系數(shù)為0.7。我國(guó)現(xiàn)有《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736－2012）規(guī)定“采暖與空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱舒適性應(yīng)按照《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測(cè)定及熱舒適條件的規(guī)定》（GBT18049－2000），采用預(yù)計(jì)的平均熱感覺(jué)指數(shù)（PMV）和預(yù)計(jì)不滿(mǎn)意者的百分率（PPD）評(píng)價(jià)，其值宜為：-1≤PMV≤+1，PPD≤27%。”

[1]ASHRAE Handbook Fundamentals 1994[M]. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 1994.

[2]V. Olgyay. Design with Climate: Bioclimatic Approach to Architectural Regionalism[M]. Princeton: Princeton University Press, 1963.

[3]B. Givoni. Man, Climate and Architecture[M]. 2th ed. London:Applied Science, 1976.

[4]B. Givoni. Climate Consideration in Building and Urban Design[M].New York: John Wiley & Sons, Inc., 1998.

[5]D. Leatherbarrow, M. Mostafavi. Surface Architecture[M].Cambridge: The MIT Press, 2005.

[6]R. Thomas, T. Garnham. The Environments of Architecture:Environmental Design in Context[M]. London: Taylor & Francis Group, 2007.

[7]李麟學(xué). 知識(shí)á話語(yǔ)á范式. 能量與熱力學(xué)建筑的歷史圖景及當(dāng)代前沿[J]. 時(shí)代建筑, 2015(02).

[8]劉念雄, 秦佑國(guó). 建筑熱環(huán)境[M]. 2版. 北京：清華大學(xué)出版社, 2016.

[9]閔天怡, 張彤. 蘇州地區(qū)鄉(xiāng)土民居“開(kāi)啟”要素的氣候適應(yīng)性淺析[J]. 西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2015(02).

[10]楊柳. 建筑氣候?qū)W[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2010.

RESEARCH ON BIOCLIMATIC REGIONALISM ARCHITECTURE DESIGN THEORY AND METHOD

Based on the associated thinking of climate and building, this paper systematically discusses the bioclimatic architecture design theory and method. Afterwards, by introducing bioclimatic model which is established on the climate analysis and thermal comfort theory, with the aid of comparative analysis of biological climate and passive climate adjusting strategies between Suzhou and Los Angeles, expecting to provide the knowledge base for rethinking the autonomy rule of low-energy consumption building under the sustainable development issues.

Bioclimatic Architecture, Climatic Design, Thermal Comfort, Passive Controlled Method

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題項(xiàng)目（編號(hào)：2016YFC0700203）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：51238011）。

閔天怡，博士研究生，東南大學(xué)建筑學(xué)院

2017-06-29