夏熱冬冷地區(qū)公共建筑的綠色節(jié)能優(yōu)化措施淺析

鄭 琳, 張 煒, 金翔宇

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610065)

夏熱冬冷地區(qū)公共建筑的綠色節(jié)能優(yōu)化措施淺析

鄭 琳, 張 煒, 金翔宇

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610065)

為應(yīng)對全球氣候變化，能源短缺的問題，綠色節(jié)能建筑成為建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域里研究的熱點(diǎn)方向。而公共建筑能耗高，節(jié)能潛力大。特別是圖書館建筑存在著巨大的節(jié)能空間。文章以成都地區(qū)某圖書館為例，淺析了公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的方法。文章在原有的建筑設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對圖書館建筑進(jìn)行了綠色節(jié)能改造。結(jié)合圖書館建筑類型的特點(diǎn)從主動式設(shè)計(jì)與被動式設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。并且對圖書館建筑進(jìn)行了軟件能耗模擬分析與節(jié)能措施經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，更加直觀的得到綠色圖書館建筑的節(jié)能效果。文章對夏熱冬冷氣候條件下圖書館類型建筑的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

公共建筑； 綠色建筑； 圖書館； 節(jié)能改造； 節(jié)能技術(shù)； 計(jì)算

隨著氣候變化與能源的匱乏，資源與環(huán)境成為人們越來越重視的問題。對綠色建筑的研究是節(jié)約能源提高能源利用率的一種有效手段。在既有建筑能耗中，公共建筑的能耗問題尤為突出[1]。因此未來的建筑學(xué)不僅僅要考慮建筑本身的安全性、實(shí)用性、美學(xué)性，更要將“綠色，節(jié)能”的概念深入到設(shè)計(jì)中去。綠色建筑即在建筑的全壽命周期內(nèi)，建筑的設(shè)計(jì)可以最大程度的節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和減少污染[2]。能夠?yàn)槿藗兲峁┙】?、舒適，與自然和諧共生的建筑。綠色建筑并不是指一般意義的在建筑上實(shí)施綠化手段，而是復(fù)合現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的一種潮流。又稱為可持續(xù)發(fā)展建筑、生態(tài)建筑、節(jié)能環(huán)保建筑[3]。

公共建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)要遵循相應(yīng)的法律法規(guī)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的節(jié)能要求。同時(shí)在設(shè)計(jì)中要注重建筑的熱工設(shè)計(jì)與空調(diào)設(shè)計(jì)[4]。要遵循以人為本的理念，最大程度的節(jié)能，并且保護(hù)環(huán)境。隨著人類進(jìn)入信息化社會，傳統(tǒng)的圖書館設(shè)計(jì)已經(jīng)落后于時(shí)代的需求，所以要以可持續(xù)發(fā)展的思想設(shè)計(jì)新型現(xiàn)代化的綠色圖書館建筑[5-6]。

綠色圖書館建筑要追求自然、健康、低能耗、無污染的特點(diǎn)。其中，綠色的含義有四點(diǎn)：第一，節(jié)能。即在綠色圖書館的設(shè)計(jì)中，可以利用到可再生能源與清潔能源；第二，節(jié)地。即在綠色圖書的設(shè)計(jì)要充分利用已有空間，做到空間利用最大化；第三，節(jié)水。在綠色圖書館的設(shè)計(jì)中，要充分回收水資源，循環(huán)使用水資源；第四，節(jié)材。即在綠色圖書館的建造中，要節(jié)約材料，使用無污染無輻射的建筑材料，減少廢棄物的污染，增加廢料的可重復(fù)使用率，不破壞生態(tài)平衡。除了這四點(diǎn)，綠色圖書館的設(shè)計(jì)還要考慮室內(nèi)空氣品質(zhì)，要保證圖書館內(nèi)人員的舒適度[7]。圖書館是人們獲取知識和學(xué)習(xí)的重要場所，是文化傳播的載體?，F(xiàn)代圖書館的功能已經(jīng)不僅僅是閱讀作用，更是信息交流、舉辦講座、知識培訓(xùn)的場所，對圖書館的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)研究具有重要的意義[8-9]。本文針對夏熱冬冷氣候條件下的圖書館建筑進(jìn)行了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)改造，在原有基礎(chǔ)上，通過主動式技術(shù)與被動式技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行了最大程度的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)。

1 建筑概況與地域性氣候分析

該圖書館位于四川省成都市四川大學(xué)江安校區(qū)，屬于夏熱冬冷氣候區(qū)。亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，雨量充沛，日照較少。該棟圖書館的外形設(shè)計(jì)和空間布局如圖1所示，建筑北向?yàn)楹＝ㄖ娣e為8 630 m2，梯形結(jié)構(gòu)。建筑設(shè)計(jì)各部分之間相互分割，但又緊密聯(lián)系，各個(gè)流線自然順暢，營造出一種多變的空間秩序。

圖1 圖書館外觀與空間布局

根據(jù)ECOTECT軟件得到該位置的氣候條件(圖2)。成都的年平均氣溫是16.5 ℃，年平均降雨量為904 mm，年平均相對濕度為84 %。全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北東(NNE)，根據(jù)風(fēng)向圖得到建筑設(shè)計(jì)的最佳朝向?yàn)闁|偏南68.5°～71°。通過焓濕圖分析可知，通風(fēng)占據(jù)很大的能耗負(fù)荷。著重改善通風(fēng)這一措施，可以有效的提高節(jié)能效果。所以在該圖書館的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)中，要著重考慮通風(fēng)。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，在設(shè)計(jì)中夏季放熱是節(jié)能設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)[10]。根據(jù)特定的氣候條件與軟件分析，在圖書館的綠色建筑設(shè)計(jì)上會突出自然通風(fēng)、太陽能輔助式熱源與相變蓄冷圍護(hù)結(jié)構(gòu)這三種技術(shù)。

圖2 氣候分析

2 被動式節(jié)能技術(shù)

被動式節(jié)能技術(shù)是指以非機(jī)械電氣設(shè)備干預(yù)手段降低建筑能耗的技術(shù)，在具體的建筑設(shè)計(jì)中，主要通過對建筑朝向的設(shè)計(jì)、遮陽的設(shè)計(jì)、利于自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)等手段和措施[11]來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。在被動式節(jié)能技術(shù)的設(shè)計(jì)中，還要考慮到美觀和與自然的協(xié)調(diào)性。對于綠色圖書館的設(shè)計(jì)來說，還要滿足人體的舒適性和空間布局的合理性，室內(nèi)空氣的新鮮與干凈，營造出一個(gè)合適大家閱讀的良好的環(huán)境[12]。在此次的設(shè)計(jì)中，被動式設(shè)計(jì)主要有圖3所示的三個(gè)方面。

圖3 圖書館被動式綠色技術(shù)設(shè)計(jì)

(1)入口處的設(shè)計(jì)。入口處設(shè)計(jì)成架高的凹字形，高度差造成空氣溫度的不同，從而與周圍的湖面形成熱壓，帶來自然通風(fēng)。入口周圍裝有雨水收集系統(tǒng)，收集夏季的雨水并用于自然循環(huán)，能夠有效的節(jié)約雨水資源。在入口平臺處安裝有發(fā)電地磚，它可以從行人腳步的踩踏中收集機(jī)械能，并轉(zhuǎn)化為電能，收集到的電能加以利用到路燈系統(tǒng)中。

(2)中庭玻璃空間的設(shè)計(jì)[13]。中庭玻璃空間，要比屋頂高出2 m，類似于風(fēng)帽設(shè)計(jì)。玻璃材料使用low-e玻璃，中庭頂部透明，這樣在增大自然采光的同時(shí)，不增加太陽輻射，從一定程度上降低空調(diào)的熱負(fù)荷。并且，在柱體的側(cè)面安裝通風(fēng)百葉窗，再加上圖書館內(nèi)部上升的熱氣流與風(fēng)口處較冷的空氣形成熱壓，這兩個(gè)方面都增強(qiáng)了自然通風(fēng)。

(3)屋頂上的會議室，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，將相變蓄熱材料滲入到現(xiàn)有的建筑材料中，制成相變蓄能圍護(hù)結(jié)構(gòu)，增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱功能，減弱室內(nèi)和室外的熱流波動幅度，改善房間的熱性能，提高了舒適度，降低了空調(diào)設(shè)計(jì)符合和運(yùn)行能耗。并且在相變蓄熱墻體中設(shè)置風(fēng)道，利用夜間通風(fēng)，在冬季將墻體白天的蓄熱帶進(jìn)室內(nèi)，在夏季可以將室內(nèi)的熱量帶出室外。

3 主動式節(jié)能技術(shù)

主動式節(jié)能技術(shù)是指通過可再生資源利用減少電能的消耗。在對圖書館的主動式技術(shù)設(shè)計(jì)方面主要有圖4所示的三個(gè)方面。

圖4 太陽能輔助式水源熱泵系統(tǒng)

(1)在該圖書館的設(shè)計(jì)中主要使用了太陽能輔助式水源熱泵系統(tǒng)，末端采用毛細(xì)管輻射吊頂?shù)哪Ｊ健Ｋ礋岜孟到y(tǒng)加太陽能輔助熱源，因地制宜，充分利用了圖書館旁邊的可再生能水資源。當(dāng)冬季溫度比較低的時(shí)候，湖水的溫度也會降低，這種低溫的水進(jìn)入系統(tǒng)換熱后，換熱溫差增大，就會有脹裂管道的危險(xiǎn)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，為防止這種故障發(fā)生，一般的熱泵系統(tǒng)都會設(shè)置進(jìn)水溫度保護(hù)裝置，當(dāng)水溫低于設(shè)定值時(shí)，機(jī)組保護(hù)停機(jī)，水溫恢復(fù)到設(shè)定值以上時(shí)，機(jī)組重新開機(jī)。如果水溫反復(fù)變化，機(jī)組就會出現(xiàn)頻繁的開停機(jī)，嚴(yán)重影響機(jī)組的壽命，也影響建筑物的空調(diào)效果，這種情況就可以采取輔助熱源的形式保證機(jī)組的正常運(yùn)行。

(2)根據(jù)氣候條件用太陽能輔助熱源。冬季時(shí)，太陽能用于輔助水源熱泵進(jìn)行換熱，并可以提供圖書館內(nèi)少量生活熱水的供應(yīng)。在夏季時(shí)候，太陽能集熱器可以進(jìn)行開水箱的預(yù)熱，節(jié)約了一部分電能。在過渡季節(jié)采用獨(dú)立的全新風(fēng)系統(tǒng)，全新風(fēng)系統(tǒng)給圖書館內(nèi)部空間帶來良好品質(zhì)的空氣，提高人們的舒適性與閱讀體驗(yàn)。

(3)空調(diào)系統(tǒng)的末端采用毛細(xì)管網(wǎng)輻射吊頂系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以創(chuàng)造出“頭冷腳熱”的環(huán)境，更加舒適，沒有冷風(fēng)感。該系統(tǒng)的能耗是其他常規(guī)空氣系統(tǒng)的十分之一。毛細(xì)管網(wǎng)輻射過程的持續(xù)發(fā)生，能不斷調(diào)節(jié)人體與室內(nèi)家具其他物品表面溫度，就像皮膚中的毛細(xì)血管一樣柔和的調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，從而滿足人體高舒適度要求。

4 節(jié)能計(jì)算與可行性計(jì)算

該建筑的空調(diào)制冷系統(tǒng)有三種備選方案，第一種為吸收式制冷機(jī)組；第二種為水源熱泵；第三種為水冷式冷水機(jī)組結(jié)合燃?xì)忮仩t。三種方案分別的經(jīng)濟(jì)性分析如下。

(1)A方案。選用2臺吸收式制冷機(jī)組(總制冷量為 950×2=1 900 kW總制熱量為630×2=1 260 kW)夏季制冷主機(jī)配電負(fù)荷為5.2×2=10.4 kW，輸配系統(tǒng)配電負(fù)荷為71.4×2=142.8 kW，系統(tǒng)總配電負(fù)荷為153.2 kW。冬季采暖主機(jī)配電負(fù)荷為5.2×2=10.4 kW，輸配系統(tǒng)配電負(fù)荷為52×2=104 kW，系統(tǒng)總配電負(fù)荷為114.4 kW。全年總配電267.6 kVA。

(2)B方案。選用3臺螺桿式水源熱泵機(jī)組(總制冷量為630×3=1 860 kW，總制熱量為 504×2=1 008 kW)夏季制冷主機(jī)配電負(fù)荷3.4×3= 10.2 kW，輸配系統(tǒng)配電負(fù)荷為98 kW，系統(tǒng)總配電負(fù)荷108.2 kW。冬季采暖配電負(fù)荷為2.9×2=5.8 kW。系統(tǒng)總配電需58 kVA。全年總配電需166.2 kVA。

(3)C方案。選用冷水機(jī)組3臺，鍋爐1臺(總制冷量為700×3=2 100 kW，總制熱量為1 000 kW)夏季制冷主機(jī)配電負(fù)荷92×3=276 kW，輸配系統(tǒng)配電負(fù)荷為165 kW，系統(tǒng)總配電負(fù)荷為441 kW。冬季采暖鍋爐配電負(fù)荷為4.4 kW，輸配系統(tǒng)配電負(fù)荷為96.8 kW，系統(tǒng)總配電負(fù)荷為101.2 kW。全年總配電需542.2 kVA。

根據(jù)《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》太陽能熱源能耗計(jì)算，太陽能集熱器總面積計(jì)算如下：

(1)

系統(tǒng)年節(jié)約能量效益評估：

(2)

全年節(jié)能費(fèi)用計(jì)算如下：

(3)

其中：C為水的比熱容；Q為平均日熱水量；Tr為集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度；Ta為環(huán)境溫度；f為太陽能保證率；Jt為年平均日太陽輻射照量；ηt為熱損失率；ηcd為集熱器效率；L最高日用水定額

由計(jì)算分析得到方案B的全年配電量最小，因此選用該方案是最節(jié)能的。即該棟建筑的空調(diào)制冷系統(tǒng)采用水源熱泵系統(tǒng)，并且結(jié)合太陽能輔助熱源。

5 結(jié)論

在圖書館的建筑設(shè)計(jì)上，采取整體迎湖面縱向退臺式設(shè)計(jì)和橫向流線型設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了自然采光與通風(fēng)。屋頂中庭采光天井采用low-e玻璃，在增加采光的同時(shí)減少了太陽輻射，降低了室內(nèi)的空調(diào)冷負(fù)荷，達(dá)到了節(jié)能的目的。太陽能熱源輔助水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)有效的節(jié)約了電能的消耗，毛細(xì)管網(wǎng)末端保證了室內(nèi)的空氣品質(zhì)和環(huán)境。

基于可行性分析與計(jì)算得到，該圖書館的設(shè)計(jì)在節(jié)能后能夠有效的節(jié)約電能。這種以被動式節(jié)能技術(shù)為主，主動式節(jié)能為輔的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)，能夠解決圖書館建筑類型能源消耗比較大的問題。但是目前制約公共建筑節(jié)能改造的主要問題還是成本問題。一方面，建造圖書館的造價(jià)比較高；另一方面，綠色節(jié)能設(shè)計(jì)中用到的節(jié)能材料往往造價(jià)很高。所以在進(jìn)行綠色圖書館節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)不僅要嚴(yán)格負(fù)荷公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范，更要考慮建筑技術(shù)的可操作性。

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國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號：51508352)；深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(四川大學(xué))開放課題基金資助項(xiàng)目(編號：DUSE201702 )；成都市科技惠民項(xiàng)目 (編號：2015-HM01-00244-SF)

鄭琳(1993～)，女，碩士研究生。

張煒(1981～)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能技術(shù)與可再生能源應(yīng)用。

TU201.5

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[定稿日期]2017-06-24