現(xiàn)代綠色建筑設(shè)計(jì)研究

文/王凱

一、背景

由于人類社會在過去兩百年間的迅猛發(fā)展，已經(jīng)有至少2800億噸二氧化碳被排入大氣。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，氣候的改變越發(fā)迅速與激烈，人們保護(hù)環(huán)境的意愿愈發(fā)強(qiáng)烈，綠色城市的理念應(yīng)運(yùn)而生，其中的重要組成部分便是綠色建筑概念。綠色建筑是從設(shè)計(jì)伊始便將能源利用效率、能源生產(chǎn)方式、能源的循環(huán)利用與使用材料等對環(huán)境的影響因素考慮在內(nèi)的建筑形式，無論是在建造過程中，還是在后期使用過程中，都能盡可能地減少對環(huán)境排放廢棄物，甚至能吸收其他建筑的廢氣排放。

二、綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)原則

綠色建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)，需要系統(tǒng)化、體系化考量，不僅是一個(gè)設(shè)備或者幾個(gè)設(shè)備的運(yùn)用，而是不同類別的系統(tǒng)通過合適的轉(zhuǎn)化途徑將優(yōu)先級能源轉(zhuǎn)化成次級能源。在這一轉(zhuǎn)化過程中，損耗的能源變成某一種能被利用的能源。此類建筑的能源轉(zhuǎn)換方法、實(shí)際應(yīng)用等都須依地形、氣候、建筑需求、建筑外形等進(jìn)行有針對性的分析與設(shè)計(jì)，不能如傳統(tǒng)建筑的設(shè)計(jì)般遵循特定的步驟、指定的方法。如上海中心這樣的建筑，上至能源配置，下至采光分配，都經(jīng)過設(shè)計(jì)人員的精心設(shè)計(jì)與反復(fù)實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到滿意的效果。

綠色建筑的設(shè)計(jì)原則可以被概括為三點(diǎn)：一是在設(shè)計(jì)的全流程貫徹環(huán)保節(jié)能的思想；二是對于需要達(dá)到的環(huán)保要求需要有清楚的認(rèn)識；三是對于建筑所在的環(huán)境需要作充分的調(diào)研。

三、綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的發(fā)展

綠色建筑理念最早可以追溯到二十世紀(jì)中葉。美籍意大利建筑師保羅.索萊里把生態(tài)學(xué)與建筑學(xué)合并為生態(tài)建筑學(xué)。1963年，維克多.歐爾焦伊在《設(shè)計(jì)結(jié)合氣候：建筑地方主義的生物氣候研究》中提出了建筑設(shè)計(jì)需要與地域、氣候相協(xié)調(diào)的理念。隨后四十余年來，建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)形成了整體性、綜合性與多學(xué)科交叉的特點(diǎn)。伴隨著可持續(xù)發(fā)展的思想在全世界的推廣，綠色建筑的概念開始逐步在世界范圍內(nèi)被行業(yè)從業(yè)者甚至普通民眾所認(rèn)可。1993年，國際建筑師協(xié)會第十八次大會發(fā)表了《芝加哥宣言》，該宣言意在號召全世界建筑師把環(huán)境與社會的可持續(xù)性列入建筑師職業(yè)及責(zé)任的核心。2012年5月，財(cái)政部下發(fā)了《關(guān)于加快推動我國綠色建筑發(fā)展的實(shí)施意見》。該意見旨在鼓勵(lì)我國在綠色建筑領(lǐng)域的發(fā)展，并放開某些限制，提供相關(guān)的政策性或經(jīng)濟(jì)性扶持以推動綠色建筑與能源在我國的應(yīng)用。在地方層面上，各地政府都出臺了以省市為單位的階段性發(fā)展策略。

四、綠色節(jié)能理念在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略

（一）能源的分配模式

能源的分配是綠色建筑的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。其中，自然能源的利用與分配、能源的循環(huán)和二次利用是所有方面中最為重要的環(huán)節(jié)。通過對外部自然能源的攝取和內(nèi)部能源的循環(huán)利用，可減少建筑對于電力或天然氣的依賴，同時(shí)可保證建筑的空間結(jié)構(gòu)、功能布局和傳統(tǒng)建筑相同，在滿足人們?nèi)粘Ｊ褂眯枨蟮幕A(chǔ)上優(yōu)化建筑的舒適程度，使建筑和自然的結(jié)合達(dá)到全新的高度。目前的自然能源利用中，太陽能與風(fēng)能因其廣泛性與通用性的特點(diǎn)成為主流。在太陽能的應(yīng)用中，不僅可以將太陽能資源變成熱能，也能依靠單晶硅板將太陽能轉(zhuǎn)化成電能。例如，在住宅樓的樓頂安裝太陽能熱水器就是最簡單的利用方式之一，居民可以節(jié)約使用燃?xì)鉄崴骰螂姛崴鞯馁M(fèi)用。又如，在建筑外形的設(shè)計(jì)中，可以將頂部擴(kuò)大或者設(shè)計(jì)向日傾角以安裝太陽能板，從而向建筑提供一部分電力。甚至可以對采光玻璃的種類、陽光的入射角度、遮光簾遮光罩的安置位置進(jìn)行研究，使室內(nèi)采光均衡，并使室內(nèi)的熱量不會讓人感到不適。對于風(fēng)能的有效利用體現(xiàn)在房屋內(nèi)部的布局上，尤其是門窗、墻體等易遮風(fēng)結(jié)構(gòu)的布置。例如，對于高層，可利用自然風(fēng)進(jìn)行室內(nèi)換氣，從而減少使用新風(fēng)系統(tǒng)的時(shí)長與頻率，同時(shí)保證建筑不會因此而發(fā)生讓人不適的擺動。又如，將通風(fēng)管道與電梯管道、消防通道結(jié)合，將新風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到最佳效果。以上兩點(diǎn)都需要設(shè)計(jì)人員不僅擁有豐富的多元設(shè)計(jì)知識與經(jīng)驗(yàn)，還要花費(fèi)大量時(shí)間考量、調(diào)研、優(yōu)化、模擬。

（二）生態(tài)植物選擇

植物的選擇表面上是為了建筑內(nèi)外的美化，其實(shí)在現(xiàn)代綠色建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)中，植物能形成良好的功能屏障，這能從功能性角度提升建筑的使用性能。例如，在條件合適的情況下設(shè)計(jì)建造生態(tài)樓頂，在樓頂培育一些低矮的植物，從而使泥土、植物作為建筑的第一道屏障來抵御炎炎夏日對樓頂?shù)某掷m(xù)熱輻射。又如，在室內(nèi)種植植物以實(shí)現(xiàn)遮陽、改善光照、凈化空氣等功能性需求。建筑與室內(nèi)外的植物需要相互呼應(yīng)，最大程度上保證種植的合理性，也要便于后期的維護(hù)。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)可以使建筑與自然成為一體化的生態(tài)系統(tǒng)。

（三）建筑材料的使用

對材料的選擇，不僅體現(xiàn)了對于房屋質(zhì)量的要求，也體現(xiàn)了對循環(huán)利用、低碳環(huán)保的追求。所以，需要關(guān)注建筑材料對于生態(tài)環(huán)境的影響。這影響不僅包括前期制造所造成的排放，也包括后期使用過程中對環(huán)境的影響，甚至是在全生命周期的維護(hù)、回收過程中對環(huán)境的影響。目前仍然無法規(guī)避鋼筋混凝土這種不環(huán)保的材料，但卻可以通過選擇合適的強(qiáng)度，添加如纖維和煅燒高嶺土粉等添加劑以減少單位體積混凝土的二氧化碳排放。此外，利用回收材料進(jìn)行室內(nèi)的裝潢、制作隔熱隔音層，可在保證建筑性能的前提下提高建筑的生態(tài)節(jié)能水平。

（四）內(nèi)部資源利用管理

在建筑的日常使用過程中，能源的消耗，是影響建筑生態(tài)屬性的重要指標(biāo)之一。在建筑設(shè)計(jì)的過程中，需要設(shè)計(jì)人員對相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并針對所有需要使用的能源設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)墓闹笜?biāo)與控制計(jì)劃，以凸顯其對能源利用的規(guī)劃。例如，在水資源的日常使用過程中，需要對各用水流程和用水地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，添加整體或局部的水資源管理和循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)盡可能地利用自然降水，以減少對市政用水的依賴。這樣不僅會顯著減少日常使用中對市政供水的依賴，也會減少污水的排放量，從而減輕城市污水處理的負(fù)荷。

（五）案例分析

上海中心作為上海的地標(biāo)性建筑，使用了分布式能源系統(tǒng)，采用了集中生產(chǎn)、批量傳送的方法，通過點(diǎn)對點(diǎn)的能量輸送，實(shí)現(xiàn)多功能、多目標(biāo)的精準(zhǔn)能量利用。

分布式能源系統(tǒng)主要有三個(gè)方面的特點(diǎn)。第一，直接面向用戶進(jìn)行小規(guī)模精準(zhǔn)傳送，沒有額外的中轉(zhuǎn)過程。這使得能量損耗大幅降低。同時(shí)，因?yàn)閭鬏斅肪€是點(diǎn)對點(diǎn)，且相對簡單，所以其穩(wěn)定性與安全性也相對更好。第二，由于是面向用戶進(jìn)行小規(guī)模精準(zhǔn)傳送，其需求較小，相對傳統(tǒng)的集中式功能系統(tǒng)，其規(guī)模較小，可以節(jié)約占地。第三，隨著可再生能源的推廣與應(yīng)用，能源的形式與種類開始多元化，此系統(tǒng)使用戶可以指定能源的種類與輸入形式，從而更好地迎合客戶的多元需求。

此外，上海中心是世界上第一座雙認(rèn)證的綠色超高層建筑，在設(shè)計(jì)階段即遵循中國綠色建筑評價(jià)體系和美國LEED綠色建筑認(rèn)證體系要求。例如之前提到的分布式能源系統(tǒng)，項(xiàng)目位于上海中心地下二樓，總投資3789萬元，主機(jī)房占地面積約365平方米。建有2臺1165千瓦的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)、2臺1047千瓦的熱水型溴化鋰機(jī)組、2臺1368千瓦的板式熱水換熱器，為大廈的低區(qū)部分（地下5層至地上7層）提供冷、熱、電能源供應(yīng)服務(wù)。2臺機(jī)組各通過1回10千伏線路接入110千伏上海中心用戶站#1主變的10千伏母線。該CCHP系統(tǒng)與上海中心市政電網(wǎng)、其他冰蓄冷、鍋爐、電制冷機(jī)組等共同構(gòu)成大廈的低區(qū)能源中心，供能總面積為27.97萬平方米。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)綜合能源利用率81.4%，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排放量為＜250毫克/標(biāo)準(zhǔn)立方米，機(jī)房噪聲＜55分貝，設(shè)計(jì)年供冷3.1萬吉焦、供熱1.67萬吉焦、供電1236萬千瓦時(shí)。對分布式能源及分散供冷、供熱、供電兩種形式在輸出同等冷、熱、電情況下的燃料及耗電作分析計(jì)算，并折算到標(biāo)煤進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，與分散供能相比，每年可節(jié)約標(biāo)煤1890噸，減少二氧化碳排放4855噸，減少二氧化硫排放38噸，節(jié)能率可達(dá)33%。

在一年供熱期中，1月份熱負(fù)荷最大，為10.0兆瓦；12月份熱負(fù)荷最小，為6.1兆瓦。在一年供冷期中，7月份冷負(fù)荷最大，為12.9兆瓦；3月份冷負(fù)荷最小，為0.9兆瓦。全年冷、熱負(fù)荷大于1兆瓦的時(shí)長為約6320小時(shí)，冷、熱負(fù)荷大于3兆瓦的時(shí)長為約3680小時(shí)，冷、熱負(fù)荷大于5MW的時(shí)長為約1620小時(shí)，冷、熱負(fù)荷大于10兆瓦的時(shí)長為約70小時(shí)。按照基礎(chǔ)冷負(fù)荷運(yùn)行在3920小時(shí)以上，基礎(chǔ)熱負(fù)荷運(yùn)行1440小時(shí)以上，總利用不小于5360小時(shí)的原則，根據(jù)延時(shí)利用小時(shí)數(shù)曲線，確定上海中心低區(qū)設(shè)計(jì)最大裝機(jī)冷負(fù)荷為約2.2兆瓦，設(shè)計(jì)最大裝機(jī)熱負(fù)荷2.7兆瓦左右。項(xiàng)目最終設(shè)計(jì)采用2臺1165千瓦燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，配套板式換熱器及熱水型溴化鋰機(jī)組，年設(shè)計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)不低于5360小時(shí)，年發(fā)電量12488.8兆瓦時(shí)，年供熱量16651吉焦，年供冷量31729吉焦。

六、總結(jié)

綠色建筑是大勢所趨，在未來的發(fā)展過程中，設(shè)計(jì)人員需要逐步深入，擴(kuò)展能力，使綠色建筑不斷與時(shí)俱進(jìn)。