可再生能源技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)一體化設(shè)計(jì)探索
——以國(guó)家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心一期項(xiàng)目為例

陳果

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

綠色建筑作為當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)的重要內(nèi)涵和發(fā)展方向，對(duì)提高資源利用效率與建筑經(jīng)濟(jì)性有著至關(guān)重要的意義，而可再生能源的使用正是綠色建筑評(píng)定體系中的關(guān)鍵。因此，探索可再生能源與建筑設(shè)計(jì)的結(jié)合，從項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)到建設(shè)運(yùn)行各個(gè)階段將綠色建筑理念引入建筑設(shè)計(jì)，無(wú)疑有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和引導(dǎo)價(jià)值。

1 項(xiàng)目實(shí)踐

筆者參與了國(guó)家電網(wǎng)公司客戶服務(wù)中心的設(shè)計(jì)實(shí)踐，項(xiàng)目將綠建設(shè)計(jì)理念與國(guó)家電網(wǎng)公司在清潔能源互聯(lián)網(wǎng)方面的經(jīng)驗(yàn)與發(fā)展目標(biāo)相結(jié)合，在可再生能源與建筑的結(jié)合上做出了一些有益創(chuàng)新，項(xiàng)目建成后得到了社會(huì)及行業(yè)的關(guān)注，順利實(shí)現(xiàn)了既定目標(biāo)。

項(xiàng)目緣起于一次國(guó)際方案征集，國(guó)家電網(wǎng)公司新組建的客戶服務(wù)中心希望通過(guò)國(guó)際方案征集謀劃未來(lái)的規(guī)劃與發(fā)展。筆者所在設(shè)計(jì)單位也參與征集活動(dòng)且有幸在競(jìng)賽中勝出，并在此后完成了后續(xù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)，將可再生能源設(shè)計(jì)理念融入了建筑設(shè)計(jì)的策劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的全過(guò)程，保證了理念的完整實(shí)現(xiàn)。

基地位于天津市東麗旅游度假區(qū)，項(xiàng)目建成后將作為業(yè)務(wù)用房及配套設(shè)施，為全國(guó)95598客戶及電子商務(wù)版塊提供統(tǒng)一服務(wù)。園區(qū)總用地面積317畝，建筑面積約14.3萬(wàn)m2，其中地上部分11.5萬(wàn)m2，地下部分2.7萬(wàn)m2，由四棟業(yè)務(wù)配套建筑和六棟后勤配套建筑組成。

2 可再生能源的策劃

該項(xiàng)目的建筑策劃特指為可再生能源技術(shù)在策劃階段所設(shè)定的目標(biāo)。開展正式設(shè)計(jì)之前，經(jīng)過(guò)業(yè)主方、顧問(wèn)方與設(shè)計(jì)院的反復(fù)策劃與研究，建設(shè)單位對(duì)項(xiàng)目定位日漸清晰，希望在完成基本功能外，更要成為國(guó)家電網(wǎng)公司的窗口，通過(guò)項(xiàng)目倡導(dǎo)可再生能源在建筑園區(qū)的綜合利用，響應(yīng)國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展構(gòu)想，體現(xiàn)由單一電力供應(yīng)商向綜合能源服務(wù)商的角色轉(zhuǎn)換，實(shí)踐能源企業(yè)的社會(huì)責(zé)任。

1 園區(qū)南側(cè)鳥瞰

2 園區(qū)主入口

項(xiàng)目最終確定了全球能源技術(shù)和服務(wù)創(chuàng)新交流平臺(tái)、世界領(lǐng)先公共服務(wù)平臺(tái)、國(guó)際一流生態(tài)主題體驗(yàn)平臺(tái)的三大定位，這為可再生能源創(chuàng)新性利用及其與建筑設(shè)計(jì)的整合提出了示范性的要求，確立了高標(biāo)準(zhǔn)。

圍繞這一預(yù)設(shè)主題，設(shè)計(jì)搭建了廣泛的可再生能源系統(tǒng)，涵蓋地源熱泵、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱水、太陽(yáng)能空調(diào)等作為主要的新能源使用來(lái)源。另外輔助以冰蓄冷、水蓄熱、微網(wǎng)儲(chǔ)電能系統(tǒng)與新能源系統(tǒng)組成峰谷調(diào)節(jié)體系，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，提高可再生能源及峰谷能源利用效率。此外還設(shè)有少量風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電樹、發(fā)電單車、發(fā)電地磚等輔助手段，提高項(xiàng)目的展示性。

3 可再生能源技術(shù)的理性展示

基于打造“全球能源技術(shù)和服務(wù)創(chuàng)新交流平臺(tái)”的定位，可再生能源設(shè)計(jì)與建筑技術(shù)的有機(jī)結(jié)合成為最直接有效的手段。

3.1 可再生能源技術(shù)融入立面形式邏輯

薄膜太陽(yáng)能電池板和晶硅太陽(yáng)能電池板是兩種常見的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換技術(shù)，薄膜太陽(yáng)能電池板由于其半透明性的深色材質(zhì)肌理而富有生命力，設(shè)計(jì)充分挖掘該材料的視覺特性，探索與建筑立面的整合設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的可再生能源技術(shù)往往關(guān)注于功能的實(shí)現(xiàn)，而忽略了與建筑空間、形式的結(jié)合，更多是在方案確定后根據(jù)綠建評(píng)星需求在后期設(shè)計(jì)中增加可再生能源技術(shù)部分，因此難以與方案設(shè)計(jì)整合。本項(xiàng)目中，可再生能源技術(shù)的策劃與設(shè)計(jì)同步推進(jìn)，在方案階段即明確需要體現(xiàn)可再生能源建筑的發(fā)展趨勢(shì)。我們將可再生能源技術(shù)手段作為立面設(shè)計(jì)的重要考量因素，預(yù)設(shè)出具有建構(gòu)理性的立面肌理，不同材質(zhì)與立面的組合拓展了建筑的表現(xiàn)手法，便于太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置與建筑立面整合。

3 光伏發(fā)電膜與連廊豎向遮陽(yáng)的結(jié)合

4 由太陽(yáng)能光伏板和集熱器統(tǒng)一的第五立面

5 光伏發(fā)電膜與水平遮陽(yáng)的結(jié)合

6 可自動(dòng)調(diào)節(jié)角度的追蹤式槽式集熱器

7 綠色復(fù)合能源網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控平臺(tái)展示系統(tǒng)

設(shè)計(jì)采取了光伏發(fā)電-幕墻整合的設(shè)計(jì)建造手段，在裙房立面利用光伏膜的半透明性與幕墻整合設(shè)計(jì)作為建筑遮陽(yáng)，使光伏發(fā)電膜與幕墻構(gòu)造形成統(tǒng)一整體，同時(shí)利用光伏發(fā)電膜的半透明性也保證了室內(nèi)外視線的通透，與光影一起在立面上形成節(jié)奏和韻律。在位置的選擇上，光伏發(fā)電膜均設(shè)置于裙房較低處，便于人在園區(qū)能夠清晰觀察到光伏發(fā)電膜與建筑幕墻的結(jié)合，體現(xiàn)出園區(qū)建筑作為國(guó)家電網(wǎng)公司窗口的科技特征。

3.2 可再生能源技術(shù)與建筑第五立面的結(jié)合

通常，公共建筑設(shè)計(jì)側(cè)重于對(duì)空間及城市關(guān)系的關(guān)注，建筑的第五立面因功能性的考慮，如各類設(shè)備用房和機(jī)電管線等，鳥瞰效果較為消極。而新能源系統(tǒng)中各類太陽(yáng)能利用設(shè)施，如太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置、太陽(yáng)能集熱器等，往往需要設(shè)置在屋面，保證最高效的太陽(yáng)能利用效率。兩者的不同訴求在這里找到了結(jié)合點(diǎn)，項(xiàng)目在屋面采取了架空構(gòu)架層的做法形成上下兩層設(shè)備空間。下層空間設(shè)置設(shè)備機(jī)房及管線，上層按照統(tǒng)一模數(shù)、統(tǒng)一角度布置太陽(yáng)能光伏發(fā)電板、集熱器等形成矩陣元素，在城市空間中形成完整的第五立面。

項(xiàng)目采用太陽(yáng)能空調(diào)作為其中一個(gè)單體研發(fā)樓的主要能源，也是可再生能源利用的一個(gè)創(chuàng)新。太陽(yáng)能空調(diào)雖出現(xiàn)較早，但較少在建筑中運(yùn)用。為實(shí)現(xiàn)高效的集熱效果，采用了追蹤式槽式集熱器，基本單元為弧形截面，可根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行角度調(diào)整方向?qū)崿F(xiàn)高效能源轉(zhuǎn)換。不同于太陽(yáng)能光伏發(fā)電板，槽式集熱器本身具有較強(qiáng)的科普價(jià)值和外觀可識(shí)別度，設(shè)計(jì)時(shí)特將組件設(shè)置在較矮屋面上，且周邊不設(shè)裝飾與遮擋，讓技術(shù)構(gòu)件作為可再生能源的標(biāo)志特征，在建筑的形體上予以充分體現(xiàn)。

3.3 可再生能源技術(shù)與智能系統(tǒng)的結(jié)合

考慮建筑領(lǐng)域可再生能源利用的現(xiàn)狀，如何突出項(xiàng)目在此方面的探索創(chuàng)新意義一直是策劃及設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)。項(xiàng)目通過(guò)綠色復(fù)合能源網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控平臺(tái)的建立，實(shí)現(xiàn)了可再生能源智能利用的創(chuàng)新。

策劃著眼于可再生能源之間的互聯(lián)互通，提出智慧能源網(wǎng)概念，搭建系統(tǒng)構(gòu)架，通過(guò)能源中央管理系統(tǒng)建構(gòu)能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將各種可再生能源系統(tǒng)植入此平臺(tái)，并結(jié)合全釩液流儲(chǔ)能、水蓄熱、冰蓄冷、微電網(wǎng)等儲(chǔ)能調(diào)控平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)集成，展示本項(xiàng)目的可再生能源運(yùn)行情況。

（1）能源空間顯示：將園區(qū)各個(gè)可再生能源系統(tǒng)以三維空間圖示的形式在系統(tǒng)中直觀顯示，準(zhǔn)確反映實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

（2）能源分類管理：對(duì)園區(qū)內(nèi)各項(xiàng)能源使用情況，按照分項(xiàng)和區(qū)域集中顯示和控制。

（3）能源優(yōu)化調(diào)度：根據(jù)各可再生能源系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)模型，結(jié)合氣象預(yù)測(cè)信息計(jì)算最優(yōu)化的能源供應(yīng)方案，安排能源的最優(yōu)化生產(chǎn)，最大限度利用不同氣候條件下的優(yōu)勢(shì)能源。

以上可控制管理系統(tǒng)、控制終端設(shè)置在園區(qū)的中央智能控制室，實(shí)現(xiàn)了集中的可視化界面，并成為項(xiàng)目對(duì)外參觀展示的重要界面。

4 項(xiàng)目的完成與評(píng)估

在各方的不懈努力下，項(xiàng)目最終實(shí)現(xiàn)了較高的可再生能源使用比例，共計(jì)設(shè)置地源熱泵系統(tǒng)總供冷量3 585kW，供熱量3 801kW，提供占園區(qū)總熱負(fù)荷36%比例的熱量；設(shè)置了13 000m2的光伏發(fā)電設(shè)施，共計(jì)880kWp的功率，年均發(fā)電107.0976萬(wàn)kW·h；太陽(yáng)能空調(diào)制冷容量350kW，制熱容量210kW；太陽(yáng)能熱水集熱器980m2。

在實(shí)現(xiàn)多能源綜合利用的同時(shí)，項(xiàng)目也建立起一套混合電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，將可再生能源發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)組成微電網(wǎng)，將光伏發(fā)電盈余電量存儲(chǔ)，結(jié)合智能電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)用作微電網(wǎng)技術(shù)研究。同時(shí)另外采取冰蓄冷系統(tǒng)（10 000噸級(jí)）與水蓄熱系統(tǒng)（2 500噸級(jí)），利用峰谷電能優(yōu)勢(shì)最大化新能源系統(tǒng)效率。此外本項(xiàng)目還創(chuàng)新性使用光伏發(fā)電樹、發(fā)電單車及國(guó)內(nèi)首個(gè)應(yīng)用于工程實(shí)踐的發(fā)電地磚等。

項(xiàng)目于2015年5月基本建成，在不到一年半的建設(shè)周期內(nèi)成功完成了從土建施工到新能源系統(tǒng)安裝并集成化運(yùn)行的全過(guò)程。經(jīng)過(guò)四個(gè)年度使用周期的磨合，可再生能源的運(yùn)用基本實(shí)現(xiàn)了最初策劃的理念，各項(xiàng)分布能源系統(tǒng)運(yùn)行正常，中央能源管理系統(tǒng)可直觀展示性強(qiáng)，信息采集、能源生產(chǎn)規(guī)劃調(diào)度運(yùn)行狀態(tài)良好，得到了社會(huì)和業(yè)界的認(rèn)可。

同時(shí)，項(xiàng)目順利通過(guò)了綠色三星設(shè)計(jì)及運(yùn)行標(biāo)識(shí)。由于在可再生能源技術(shù)方面的創(chuàng)新性探索以及在國(guó)際業(yè)界上的影響力，項(xiàng)目于2018年9月被APSEC（亞太經(jīng)合組織可持續(xù)能源中心）授予首個(gè)國(guó)際培訓(xùn)基地，基本實(shí)現(xiàn)了打造全球能源技術(shù)和服務(wù)創(chuàng)新交流平臺(tái)的目標(biāo)。