基于綠色建筑理念的嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑節(jié)能設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王 亮 潘佳庚

(吉林建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院,長春 130118)

1 綠色建筑

綠色建筑是在全球范圍內(nèi)對環(huán)境問題的高度重視，以及對現(xiàn)代生活與消費(fèi)方式深刻反思的背景下應(yīng)運(yùn)而生，隨著綠色生活理念的日益普及，人們開始向往在綠色建筑中輕松愉快地生活和工作.《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50378-2006)把綠色建筑定義為:在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑[1].

2 工程概況

項(xiàng)目基地位于我國嚴(yán)寒地區(qū)的吉林省吉林市，地處中緯度歐亞大陸的東側(cè)，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，春季干燥風(fēng)大，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長[2].

吉林科龍建筑節(jié)能科技股份有限公司綜合樓(以下簡稱科龍辦公樓)建筑工程位于吉林市工業(yè)園區(qū)，東至緯三街，西臨福緣達(dá)食品公司，南至經(jīng)二路，北至規(guī)劃302國道綠化帶，該綜合樓是一棟集辦公、科研和宿舍于一體的多層公共建筑，總建筑面積8 000m2(見圖1和圖2).

圖1 規(guī)劃總平面圖

圖2 整體鳥瞰圖

圖4 光導(dǎo)照明系統(tǒng)安裝示意圖

3 科龍辦公樓節(jié)能設(shè)計(jì)策略

3.1 被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)集成方案設(shè)計(jì)

從建筑設(shè)計(jì)角度來看，在堅(jiān)持因地制宜和可持續(xù)發(fā)展的原則下，通過建筑造型設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、自然通風(fēng)、自然采光等幾個(gè)方面，降低建筑用能負(fù)荷的設(shè)計(jì)峰值和運(yùn)行峰值，減少建筑能源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，以此來實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能.

3.1.1 優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)

建筑造型及維護(hù)結(jié)構(gòu)形式對建筑物性能有決定性影響，不同的建筑形式會(huì)造成能耗的巨大差別，本項(xiàng)目是在保持原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，并根據(jù)吉林省地方標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189-2005、DB22/T436-2007)相關(guān)條文，利用能耗模擬軟件Design builder進(jìn)行模擬優(yōu)化，最終把科龍辦公樓的建筑朝向調(diào)整為南偏西3°，建筑體形系數(shù)為0.26，每個(gè)朝向的窗(包括透明幕墻)墻面積比為0.60，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案.

3.1.2 自然通風(fēng)

(a) 封閉式內(nèi)循環(huán) (b) 開敞式外循環(huán)圖3 通風(fēng)式玻璃幕墻

自然通風(fēng)是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中慣用的一項(xiàng)技術(shù)手段，在我國應(yīng)用越來越多的是風(fēng)壓與熱壓相結(jié)合的方式，科龍辦公樓的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)充分結(jié)合了吉林市盛行冬季西北風(fēng)、夏季東南風(fēng)的氣候特征，采用通風(fēng)式玻璃幕墻(見圖3)，包括封閉式內(nèi)循環(huán)和開敞式外循環(huán)兩種形式，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成由內(nèi)外兩層玻璃組成，內(nèi)部相當(dāng)于一個(gè)溫室，腔體的內(nèi)外表面上設(shè)有開口，在溫室效應(yīng)下腔體的空氣溫度升高產(chǎn)生熱壓，熱氣流上升進(jìn)入建筑內(nèi)部，同時(shí)室外新風(fēng)和室內(nèi)空氣被吸入腔體進(jìn)行循環(huán)加熱，在冬季通常對雙層玻璃間的空氣進(jìn)行預(yù)熱，可以有效地降低建筑熱損失，同時(shí)由于外層玻璃的存在，降低了內(nèi)層玻璃上的風(fēng)壓;在雙層玻璃空氣間層設(shè)置遮陽百頁比單層玻璃的百頁有更佳的遮陽效果，可以降低室內(nèi)冷負(fù)荷，通過自然通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，能有效減少夏季空調(diào)運(yùn)行的時(shí)間、降低空調(diào)能耗、改善室內(nèi)環(huán)境.

3.1.3 自然采光

建筑被動(dòng)式天然光利用技術(shù)是通過合理的建筑透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以及天然采光新技術(shù).充分利用太陽的光、熱特性，一方面降低建筑的冷負(fù)荷并節(jié)約照明能耗；另一方面提高建筑內(nèi)部空間的光環(huán)境質(zhì)量[3]，這種利用室外自然光為室內(nèi)提供照明的系統(tǒng)被稱為光導(dǎo)照明技術(shù).又稱自然光照明.

科龍辦公樓安裝的光導(dǎo)照明系統(tǒng)是通過采光裝置聚集室外的自然光線并導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部.再經(jīng)過特殊制作的導(dǎo)光裝置強(qiáng)化與高效傳輸后，由系統(tǒng)底部的漫射裝置把自然光線均勻?qū)氲绞覂?nèi)任何需要光線的地方(見圖4).

3.2 主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)集成方案設(shè)計(jì)

3.2.1 土壤源熱泵系統(tǒng)

土壤源熱泵是一種利用地下土壤作為熱泵的低位熱源，通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實(shí)現(xiàn)熱量從低溫位向高溫位轉(zhuǎn)移的熱泵系統(tǒng)[4].

科龍辦公樓選用土壤源熱泵為基礎(chǔ)的冷熱源，為整棟建筑提供冬季采暖用熱和夏季空調(diào)制冷.主要原理是通過利用熱泵技術(shù)，冬季將蓄存于地下土壤中的熱量取出來用于供暖，同時(shí)把冷量蓄存于地下土壤中，夏季又將蓄存的冷量從地下土壤中取出來用于空調(diào)制冷系統(tǒng)，如此往復(fù)的在冷熱源交替應(yīng)用過程中，真正實(shí)現(xiàn)了能源的可再生化高效利用，是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展的新能源形式，因此，土壤源熱泵系統(tǒng)是一種可再生能源開發(fā)和利用的技術(shù)(見圖5).

圖5 土壤源熱泵系統(tǒng)示意圖

圖6 太陽能利用示意圖

3.2.2 太陽能利用

可再生能源包括太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等多種形式，開發(fā)利用可再生能源是持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分.太陽能既是一次性能源，又是可再生能源，資源豐富，環(huán)保無污染，應(yīng)大力提倡在建筑中廣泛應(yīng)用.

根據(jù)對科龍辦公樓的能耗特點(diǎn)分析，主要集中在照明、空調(diào)、采暖、電梯、電腦、給排水系統(tǒng)、熱水供應(yīng)等方面，尤其是吉林深處嚴(yán)寒地區(qū)，采暖期較長，是主要的耗能大戶.本項(xiàng)目對太陽能的利用主要體現(xiàn)在太陽能板和太陽能光伏系統(tǒng)兩種模式.

吉林省太陽能資源豐富，平均日照時(shí)數(shù)為2 200h～3 000h，年太陽總輻射量為5 021.7J/m2，適于太陽能光伏系統(tǒng)的使用.科龍研發(fā)中心辦公區(qū)屋頂及建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)安裝太陽能光伏系統(tǒng)，以收集太陽輻射能，并通過供熱管道把加熱的水、空氣等熱媒輸送至房間，為辦公樓提供供暖.鑒于太陽能具有不穩(wěn)定性、分散、間斷等特點(diǎn)，根據(jù)基地環(huán)境對建筑物進(jìn)行合理布局，科學(xué)設(shè)計(jì)建筑外部形體和內(nèi)部空間的被動(dòng)式太陽能采暖，以達(dá)到節(jié)能減排的要求.太陽能板的利用主要體現(xiàn)在建筑屋面以及綜合樓辦公、生活區(qū)東西山墻和科研區(qū)西側(cè)安裝太陽能光電幕墻，收集太陽能資源，既為辦公空間提供了室內(nèi)照明用電，又為員工宿舍提供生活熱水用電，成功避免了綜合樓西曬(見圖6).

3.2.3 照明節(jié)能技術(shù)集成應(yīng)用

首先，基于照明使用功能分析，研究科龍辦公樓對光源、燈具、照明指標(biāo)、照明方式和控制方法的使用需求，在滿足照明使用功能的基礎(chǔ)上，分析能耗組成特點(diǎn).通過改進(jìn)照明設(shè)計(jì)方法、選擇高效光源燈具、優(yōu)化照明控制方式等手段，探求照明節(jié)能新技術(shù)和新方法.然后通過Dialux和Daysim軟件，對所提出的“基于使用功能的照明節(jié)能新技術(shù)和新方法”進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬研究，分析其照明效果及能耗狀況，進(jìn)而對技術(shù)方法進(jìn)行修改和完善.

其次，在上述研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行照明節(jié)能控制監(jiān)測硬件和軟件開發(fā).通過光線檢測模塊、聲音控制模塊、紅外探測模塊和觸控模塊的綜合應(yīng)用，并與光源特點(diǎn)相結(jié)合開發(fā)照明節(jié)能控制監(jiān)測系統(tǒng).在時(shí)間上，該系統(tǒng)可根據(jù)人流情況進(jìn)行照明開啟時(shí)間調(diào)節(jié);在空間上，根據(jù)人群分布進(jìn)行照明開啟區(qū)域調(diào)節(jié);在指標(biāo)上.根據(jù)自然光分布進(jìn)行自適應(yīng)照度調(diào)節(jié);最終同時(shí)實(shí)現(xiàn)綜合照明能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控，形成一套集聲控、光控、觸控及人體感應(yīng)于一體的綠色照明節(jié)能控制監(jiān)測系統(tǒng).

3.2.4 地板輻射供熱制冷

低溫地板輻射采暖系統(tǒng)是一種將加熱埋管置于混凝土埋管層中，讓低溫?zé)崴诠軆?nèi)循環(huán)流動(dòng)加熱整個(gè)地面，然后通過輻射和部分對流供暖方式向室內(nèi)散熱的一種供暖形式[5]，在科龍辦公樓內(nèi)安裝低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，采用“分戶計(jì)量，分室調(diào)溫”的方式，具有節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便、使用壽命長、高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益可觀等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且地板輻射供冷系統(tǒng)沒有風(fēng)機(jī)，大大降低了耗電量，有效改善室內(nèi)環(huán)境.通常地板輻射供冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30%～40%.例如美國勞倫斯伯克里實(shí)驗(yàn)室使用美國全境各地氣象參數(shù)對商用建筑進(jìn)行模擬試驗(yàn)得出結(jié)論，地板輻射供冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30%.

4 結(jié)語

綠色建筑是一種氣候適宜性建筑，即遵循氣候特點(diǎn)設(shè)計(jì)出低耗能建筑.本文在總結(jié)相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，以吉林科龍建筑節(jié)能科技股份有限公司綜合樓為工程案例，結(jié)合東北嚴(yán)寒地區(qū)的氣候條件、資源條件等，圍繞建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)要求，提出采用技術(shù)集成優(yōu)化、主動(dòng)式和被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)、可再生能源應(yīng)用等，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能設(shè)計(jì)的措施，實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)空間生態(tài)自然化、自我凈化和調(diào)節(jié)、自給能耗資源等，將綠色生態(tài)引入建筑內(nèi)部，在滿足建筑形式上空間美感的同時(shí)，還提供了更加人性化的綠色辦公場所.與此同時(shí)，還要考慮到建筑節(jié)能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和維護(hù)成本，避免造成理論與現(xiàn)實(shí)之間的巨大差距.在建造的過程中必須統(tǒng)籌兼顧投資成本和節(jié)能設(shè)計(jì)的效果，采取經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行以及社會(huì)和環(huán)境可以承受的措施.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] GB 50378-2006綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[2] 譚清川,梁 健,譚清華.吉林省高校引入麒麟鞭運(yùn)動(dòng)探討[J].長春師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,(4)32:161-163.

[3] 王書曉,林若慈,張 濱.被動(dòng)式天然光導(dǎo)光技術(shù)發(fā)展概述[C].廣州：華南理工大學(xué)出版社,2008.

[4] 王 輝.嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)供暖長期運(yùn)行性能特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[5] 盧 奇.太陽能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2013.