在自然人文地理概念中,江南水乡古镇所处的江南地区特指长江中下游以南。该地区山少,水多,地势较为平缓,河湖水网密布。从气候条件来看,属于亚热带气候区(段进,季松,等,2002),具有典型的季风气候,光照充足,雨水丰沛,四季分明,冬季低温少雨,夏季高温多雨,空气湿度大。在夏季,高温高湿使得人体散热困难,尤其是春夏之交的梅雨季节,气压低,常使人感到胸闷不适。在冬季,低温高湿常会使人感到更加阴冷。
适应自然条件的江南古镇传统建筑布局与空间形态
传统江南水乡古镇的营造基于自然地理和气候条件,形成了一系列人居环境的生态营建策略,以较低的代价满足了一定的生活舒适度要求。
江南水乡地区以前都是冲积平原,随着泥沙沉积以及土地开垦,逐步形成了水网密布的自然环境。江南水乡古镇多位于水网密集处,“因水成街、因水成市、因水成镇”,以水系为骨架,形成了道路及建筑顺应河流发展的城镇格局。
这种城镇格局不仅保持了原有自然环境特征,更重要的是,具有显著的调节城镇内部生态小气候的作用。首先,由于水的比热容较高,在炎热的夏季,水面的温度较低。因此,密布的水网不仅可以使周边的环境温度降低,而且可以由冷热温差造成的空气流动,使开放的河道成为风的通道(鲍莉, 2008)(图1)。其次,平行于水系的街巷一般较为开敞,与水系一同组成风的通道(图2)。而垂直于水系的街巷则一般较为狭窄,两侧建筑也较高(图3),使其通常处于阴影之中,从而温度较低,同样可以由冷热温差加速空气流动,与水系一起构成古镇风道体系。最后,古镇主要传统建筑布局形式为多进院落式,而顺水而建的宅院多朝向河道,甚至会因此放弃可以获得较多日照的南北朝向而选择东西朝向。这不仅是因为在过去,水系是古镇交通及日常生活、交流的主要场所,而且建筑朝向水系,门窗的开启可以使水面的凉风进入建筑内部,带走屋内的湿热、获得冬暖夏凉、昼冷夜热的舒适小气候(图4)。

图1 开放河道成为通风廊道(同里古镇)
Fig.1 Open river space becoming wind corridor(Tongli historic town)
资料来源:笔者绘制.

图2 较为宽敞的沿河街道
Fig.2 The open streets parallel to the rivers
资料来源:http://weibo.com/tonglitravel?refer_fla.

图3 通往河流的街道一般较窄
Fig.3 The streets perpendicular to the rivers are generally narrow
资料来源:笔者拍摄.

图4 建筑朝向方便水面凉风进入
Fig.4 Architectural orientation facilitates the blowing of cool wind into the building interior
资料来源:笔者拍摄.
江南水乡古镇的建筑布局对自然气候的适应体现在以下几点:其一,院落式的布局,主要建筑朝向水系及院落的立面较为开敞,山墙面较为封闭。各个建筑开敞的立面门窗相对,使得房屋前后空间贯通,有利于形成穿堂入户的畅顺自然风道(图5);其二,各组建筑山墙面紧密相邻,有些建筑甚至共用山墙,减少了与室外大气直接接触的外墙面积,可以控制冬季热量的散失和夏季热辐射的增加(李学,宋德萱,2004)(图6);其三,江南水乡古镇传统建筑布局中有天井和暗弄两个较为特殊的空间。天井面积较小,四周建筑较高,使得即便在夏天,也能长时间避免阳光直晒。因此,天井的温度相对较低,在冷热温差的作用下,室内热空气可以进入天井,然后向上升腾排出,从而降低了室内气温,加强了建筑通风(图7)。暗弄是原来大户人家中仆人进出的通道,位于建筑的一侧,连接前后各个主要建筑(图8)。暗弄的空间封闭,阳光直射不到,气温较低,而且空间较为狭长,同样在冷热温差的作用下,可以起到带动院落空气流动的作用。

图5 正立面开敞而侧立面封闭的古镇传统建筑
Fig.5 Traditional architecture of the historic town featuring open front and closed gable wall
资料来源:笔者拍摄.

图6 紧密临接的建筑外墙
Fig.6 Closely abutting gable walls
资料来源:笔者拍摄.

图7 狭小的天井
Fig.7 Small patio
资料来源:笔者拍摄.

图8 狭长的暗弄
Fig.8 Long and narrow subsidiary passageway
资料来源:笔者拍摄.
在建筑设计与材料层面,江南水乡古镇建筑同样体现了对自然气候的适应。首先,建筑多采用双坡屋顶,在人们日常活动区域的上方形成了一个剖面为三角形的空间。当夏季阳光直晒屋顶使屋内气温升高时,这个空间可以形成一定的缓冲,避免室内人们活动区域气温的迅速上升(张宏儒,刘秉衡,等,2010)。同时,在山墙面的高处往往开小窗,可以使这部分热空气通过小窗排到室外(图9)。其次,部分建筑一层有披檐,有些建筑还设置了外廊,使得在夏季太阳高度角高的时候避免阳光直晒室内,而且在冬季太阳高度角低时,不影响阳光进入室内(图10)。最后,由于江南地区雨水充足,为了防止雨水对墙体的侵蚀以及防止潮气侵蚀室内地面,古镇建筑一方面会用石材抬高宅基,使室内地面高于室外街道或院落,另外一方面,在建筑的外墙面也会用石材或抹灰做勒脚,避免雨水滴落后溅到墙体之上,而且可以阻挡地面潮气渗透进墙体。

图9 坡屋顶形成的缓冲空间
Fig.9 Buffer area formed by the double-pitch roof
资料来源:笔者拍摄.

图10 带有披檐和外廊的传统建筑不同季节的日照情况
Fig.10 Different direct radiation of sunshine into the buildings in different seasons with canopies
and verandahs
资料来源:鲍莉,2008.
工业时代社会经济文化变迁带来的问题与面临的挑战
江南水乡古镇的传统营建重视了对自然环境的适应,但随着工业时代的到来,社会经济文化的变迁,这一时期的营造多考虑经济性,对古镇的自然生态环境及居民生活水平造成了一些不良影响。
新中国建立之后,人民生活极为贫困,为了发展经济,古镇经历了大炼钢铁等工业发展进程(《同里镇志》编纂委员会,2007)。在改革开放之后,工业发展更为迅速,许多工厂如煤球厂、晶体管厂、印染厂等,在古镇内部及周边建立起来。不论是大炼钢铁还是工厂的生产,其多采用传统化石能源,能源消耗产生的废水、废气直接排入水系、大气,对古镇的自然环境造成了严重的污染。
随着旅游业的发展,许多古镇中的工厂已经停产并迁出。但是多数古镇周边依然有少数工厂持续对环境造成污染(图11)。另外,在古镇居民的供热和炊事方面,天然气和煤炭依然是主要能源,燃烧的废气对古镇环境造成了一定负面影响(图12)。

图11 古镇周边的工厂
Fig.11 The factories around a historic town
资料来源:笔者拍摄.

图12 古镇居民炊事使用煤炭
Fig.12 Coal used in residents' cooking
资料来源:上海同济城市规划设计研究院, 2016.
毋容置疑,供电、供水、污水、供气等现代化的市政设施给人们的生活带来了便利,能够显著提高人们生活水平。但对于江南水乡古镇来说,现代化基础设施的铺设面临较大的挑战,主要来自于以下两个方面:①由于管线架空对古镇风貌影响较大,因此多数古镇的市政管线采用埋地的方式。但是,江南水乡古镇的街巷较为狭窄,很少有大于6m的街巷(图13),多数在1m—3m之间,而且街巷自由曲折,对不同类型市政管线的管径及间距造成了限制,带来了困难。②建筑肌理致密,而且许多为历史保护建筑。在不破坏历史建筑的前提下,市政入户管线的铺设难度较大,成本较高。

图13 同里古镇部分典型街道宽度统计
Fig.13 The widths of selected streets in Tongli Historic Town
资料来源:笔者绘制.
在古镇狭窄曲折街巷及致密肌理的限制下,目前江南水乡古镇基础设施管线规模偏小,供应量也较小,普遍存在供应不足的状况,以供电网络为例,随着生活水平的提高,居民家电的增多,用地负荷已经超过了管线负荷,经常会出现跳闸停电的现象。另外,一些燃气等市政基础设施难以铺设,使得目前居民多采用燃气罐,影响了古镇居民水平的提升。
在古镇的发展过程中,一些历史建筑被拆除,取而代之的是多层行列式的现代住区,大型商业街区、工厂建筑等。这些更新的现代建筑大多数采用模式化的框架结构、在中国各地到处可见的多层行列式布局,并没有对江南水乡古镇所特有的自然环境做出针对性的回应。因此,在江南水乡古镇的现代建筑中,往往需要不断消耗各种能源来满足舒适度,增加了大量的能源消耗。以江南水乡古镇的部分商业建筑为例,大面积的玻璃幕墙在炎热的夏季需要通过足够功率的空调来降温、满足顾客消费体验需求,带来了大量的能源消耗(图14)。

图14 商业建筑的大面积玻璃幕墙
Fig.14 Large area glass curtain walls of commercial buildings
资料来源:笔者拍摄.
与工业时代相伴到来的是新中国的成立。经过抗日战争、解放战争,江南水乡古镇中的宅院有许多空置,同时,一些地主、资本家的房屋也被政府没收,收归国有,并按照一定标准分配给群众(《同里镇志》编纂委员会,2007)。这样,原本属于一家的大型宅院被被分给几户甚至十几户居民居住,使得古镇区中人口密度极高,对市政基础设施带来了较大的压力。以供电网络为例,在江南水乡古镇原本属于一户的大型宅院暗弄中,常常可以见到10个以上的电表,表明了该宅院中居住户数的同时,体现了人口密度给供电市政设施带来的压力(图15)。

图15 被33 户人家占据的宅院
Fig.15 A courtyard that was meant to accommodate one household originally was assigned to 33 households
资料来源:笔者拍摄绘制.
应用新型能源技术解决问题与应对挑战的策略与方法
随着新型能源技术的发展,结合历史文化遗产保护理念、生态可持续发展理念的深入人心,古镇的生态可持续发展、社区生活水平的提升面临新的时代机遇,进一步,需要对新型能源技术在江南水乡古镇中的应用策略与方法进行探讨。
清洁、可再生能源在近些年来发展迅速,相关技术也趋于成熟与稳定。由于江南水乡古镇的肌理较为致密,内部空间较小,因此在应用清洁、可再生能源时,在古镇外围及古镇内需采取不同的策略与方法。在古镇外围,首先,可以充分利用江南地区充足的太阳能,挖掘古镇周边可利用的空间资源,结合农业大棚、鱼塘、工业厂房屋顶建设兆瓦级光伏电站(图16),光伏电站就近接入35kV或110kV电网,通过降压向古镇供电(上海同济城市规划设计研究院,2016)。另外,可以结合周边的工厂、旅馆等的建筑与场地,建设天然气热电冷三联供系统,将热能和冷能主要面向周边各类旅馆、商业等公共建筑,电力就近接入电网。

图16 农光互补光伏电站
Fig.16 The megawatt photovoltaic power station on the roof of greenhouse
资料来源:上海同济城市规划设计研究院,2016.
在古镇内部,首先,可以见缝插针利用停车场、不影响风貌的建筑屋顶、路灯等建筑及设施建设小型太阳能光伏发电项目,产生电量以就地消纳为主,接入低压电网。其次,江南水乡古镇地下水资源非常丰富,是古镇地区条件较好的可利用再生资源。利用古镇中普遍存在的各类古井,建设小型水源热泵系统,就近解决住户冷热用能,赋予古井新功能(图17)。最后,可以结合路灯等小型设施,利用江南地区季风气候特征,布置风力发电系统。另外,结合国家发展政策,可以同时在古镇外及古镇内推广新能源交通工具,采用电动汽车,布置充电桩,减少高污染车辆的使用。

图17 震泽古镇古井
Fig.17 The wells in Zhenze historic town
资料来源:笔者拍摄
随着技术的发展,基础设施如电缆、电线等的供给容量、稳定性,各类基础设施管线集成技术等均有所提升与发展,为应对古镇致密肌理、曲折狭窄街巷及较高人口密度所带来的挑战提供了有力的解决方案。以同里古镇为例,原来古镇中采用的是6mm2、10mm2毫米的电缆,随着旅游业的发展、居民生活水平的提高,该规格电缆已经无法承担不断增长的用地负荷,因此古镇在2016年开展了店里基础设施改造升级工程,将电缆升级为16mm2,同时对弄堂里的民用线路进行梳理、归并,满足了古镇居民及游客的用电需求。基础设施管线集成方面以乌镇西栅古镇为例,通过利用特殊材料,减少不同管线之间的影响,缩短了不同管线之间的安全间距,从而可以在狭窄的古镇街巷中,将雨水、污水、电力、电信、燃气等不同管线同时埋入地下,满足古镇对不同基础设施的需求。
经过几十年的发展,绿色生态建筑技术已经较为成熟。在中国,国家也陆续颁布了《绿色建筑标准》、《关于加快推动中国绿色建筑发展的实施意见》、《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)》等政策及技术文件推动绿色生态建筑的发展。通过对已经较为成熟的绿色生态建筑技术的研究,可以发现很多技术可在不破坏江南水乡古镇建筑风貌的前提下,应用到江南水乡古镇建筑上。首先,古镇建筑屋顶可采用与传统小青瓦风貌相协调的仿古式屋顶光伏项目,生产并就地使用太阳能绿色能源(图18)。而在屋顶之下,可以采用屋面保温做法(图19),减少能源消耗。其次,对于古镇建筑的外墙同样可以通过做保温系统减少建筑能耗,同时应严格控制外墙上热桥的产生,对建筑外围护结构进行无热桥设计(中华人民共和国住房和城乡建设部, 2015)。而在保温系统外,可以在饰面层继续选择传统粉墙工艺,保证与传统古镇风貌的延续。最后,在外窗的选择上可以采用木窗、木铝复合(木包铝) 窗等型材配合Low-E中空真空玻璃,同时注意边部密封等方式来提升门窗性能,并与古镇传统的木门窗风貌协调。

图18 仿古式屋顶光伏项目
Fig.18 The archaized photovoltaic rooftops
资料来源:上海同济城市规划设计研究院,2016.

图19 屋面保温做法示意图
Fig.19 The schematic diagram of roof thermal insulation
资料来源:中华人民共和国住房和城乡建设部,2015.
同里古镇的新型能源技术实践
同里古镇位于江苏省苏州市吴江区东部,东经120°44’,北纬31°09’处,是典型的江南水乡古镇。2016年10月31日,第二届国际能源变革论坛在同里闭幕,同时对外公布了《同里新能源小镇建设发展规划》。同里古镇将在严格执行历史文化名镇保护规划的基础上,打造具有江南水乡特色和利民惠民的新能源小镇,到2020年,新能源利用量将占古镇能源消费总量近100%。
由于政策的支持及重要事件的推动,同里古镇目前主要在以下几个方面应用了新技术与新能源:一、古镇区已实施“一公里充电圈”,在古镇周围停车场投运了2座城市快充站、4个大巴充电桩和60个分布式交流充电设施,方便游客电动汽车充电。二、在部分变电房上部安装了智能电网巡查机器人行走轨道,机器人在巡检时可上可下,收集设备相关数据并作出分析,能最大程度发现问题,大大缩减了人力成本。三、将电缆升级为16mm2,同时对弄堂里的民用线路进行梳理、归并、下地;四、道路两旁的路灯增加了太阳能面板和风力发电球,成为集风能与太阳能一体发电的绿色能源载体。这些实际实施的项目应用状况良好,各建构筑物及设施注重采用古镇传统建筑的材质、色彩、装饰等,在体量上也与古镇传统建筑相协调,在给古镇的生态可持续发展及居民生活水平的提升带来了显著效果的同时,保证了古镇风貌的延续。
结 语
随着社会经济的变化、生活方式的改变和生活标准的提高,虽然传统江南水乡古镇的建筑布局与空间形态充分利用与适应当地自然条件,以较低的代价满足了一定的生活舒适度要求,但其已经不能完全满足现代生活需求。同时,工业时代传统化石能源的污染,没有充分利用当地自然环境条件的现代建筑的建造也给古镇带来了问题与挑战。新型能源的发展给古镇带来了新的机遇,可以使古镇在保持传统建筑布局及空间形态特征与特色的基础上,解决传统能源使用、传统营建方法等带来的问题,促进古镇生态可持续发展和居民生活水平的提升。
随着我国新型能源技术的快速发展,其对经济发展、能源结构调整的影响越来越大,但新型能源技术的成本也一直是各方关注的重要问题。过往一些研究认为新型能源技术成本高,需要政府补贴政策来推动发展,长时间的补贴资金投入会造成大量财政亏空,影响可持续发展。然而,随着新型能源技术的逐渐成熟,关键设备价格及基础材料成本持续下降、设备及材料的利用效率显著提升、土地费用及税费等非技术成本呈下降趋势等,新型能源技术成本已显著降低并呈持续下降的趋势。已有学者以我国风电与火电为例,将新能源与传统能源的成本进行比较,得出即使不考虑新能源发电的政策补贴和传统能源发电对生态环境的影响,在长期投资平均成本上,风电项目依然比火电项目具有明显的优势,否定了对新能源成本过高的固有认识(蓝澜,刘强,陈梓,等,2013)。
另外,同里古镇已有的成功经验用实例探索了新型能源技术在江南水乡古镇中的应用可行性,由于江南水乡古镇的气候、空间环境等方面较为类似,可以预见新技术、新能源在江南水乡古镇的广阔前景,应对其进行积极的探索与应用。
董征 上海同济城市规划设计研究院有限公司 雄安智慧规划设计研究院 规划师