綠色建筑技術(shù)在公共建筑改造中的應用研究

王 卓

（建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司，北京 10007）

在經(jīng)濟基礎(chǔ)飛速發(fā)展條件下，城鎮(zhèn)化進程不斷加快，以人為本的建筑理念深入人心。無論是從國家戰(zhàn)略層面還是從建筑業(yè)發(fā)展的層面，綠色建筑都是人民對于居住環(huán)境或者活動空間更為高層次的要求[1]。建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅追求安全與適用，還逐步向節(jié)能與環(huán)保發(fā)展[2]。人本思想的發(fā)展推動了建筑在全生命周期都應關(guān)注節(jié)能與健康，節(jié)能環(huán)保和綠色健康也成為我國建筑業(yè)發(fā)展的新方向。在節(jié)能方面，大量公共建筑的修建，使得內(nèi)部人員密集、建筑空間巨大，消耗了大量的能量用于供暖和制冷，相比于民用建筑，在單位面積的耗能上，前者能耗可能達到后者能耗的20 倍以上，存在著巨大的節(jié)能空間，在我國現(xiàn)有的公共建筑存量巨大，基于綠色建筑理念對這些公共建筑的改造應符合生態(tài)建筑學的原理，在保證公共建筑結(jié)構(gòu)使用功能的基礎(chǔ)上，綠色建筑不僅僅是停留在建筑物所使用的材料保障人生理狀況的健康，而且是能夠讓使用者在精神上產(chǎn)生愉悅、舒適和放松。

1 基于綠色建筑理念的既有公共建筑能耗特征分析

公共建筑是一個城市乃至一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的物質(zhì)象征，它明顯有別于工業(yè)建筑和住宅建筑，建筑體系和能耗龐大且復雜[3]。在我國，隨著城市化進程的逐步推進，人口和財富都向城市集聚，建設(shè)了大量的公共建筑為城市居民提供服務每年新增公共建筑面積約6 億m2，公共建筑的保有數(shù)量巨大，公共建筑的發(fā)展趨勢也朝著大規(guī)模、超高層、多功能、重資金、智能化的方向發(fā)展，在教育、文化、衛(wèi)生、體育等各種行業(yè)體系中均有涉及并大量涌現(xiàn)，大量的公共建筑不僅消耗了大量能源，也給周邊環(huán)境造成不良影響，不利于我國“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)。

公共建筑的體系劃分目前在學術(shù)上并沒有明確的界線，從不同的角度可以劃分出不同的公共建筑類別[4]。按照公共建筑的功能屬性劃分，可以大致分為辦公公共建筑、衛(wèi)生公共建筑、商業(yè)公共建筑以及交通運輸公共建筑等；按照建筑的面積大小劃分，大致可以分為大型公共建筑（單體面積超過2.0 萬m2）、中型公共建筑以及小型公共建筑；按照建筑所在行政區(qū)劃的劃分，可以分為農(nóng)村公共建筑、城鎮(zhèn)公共建筑和大城市公共建筑；按照建筑所在的地理氣候劃分，可以大致分為寒區(qū)公共建筑、溫帶公共建筑和熱帶公共建筑。無論是何種公共建筑劃分，為滿足其功能需求，都需要配備一定的聲、光、電等系統(tǒng)，因此可以按照消耗的能源類別進行特征分析，其能耗特征都表現(xiàn)出一定的規(guī)律[5]。統(tǒng)計2010-2020 年，我國公共建筑的能耗情況，結(jié)果如表1和圖1 所示。

從表1 和圖1 中可以看出，2010-2020 年期間，我國公共建筑的耗電量隨著時間的增加呈近線性增加，從2010 年的1554.48 億kWh 增加到了5380.50 億kWh，漲幅為246%；與耗電量的變化趨勢類似，2010 年至2020 年期間，我國公共建筑的耗煤量（標準煤）隨著時間的增加呈近線性增加，從2010 年的1910.46 億tce 增加到了6612.01 億tce，漲幅為246%；2010-2020 年期間，我國公共建筑的采暖耗能隨著時間的增加逐漸增加，但增幅較緩并呈現(xiàn)一定的波動性，從2010 年的1672.81 億tce 增加到了2899.12 億tce，漲幅為73%；2010-2020 年期間，我國公共建筑的總能耗隨著時間的增加呈現(xiàn)近線性增加，從2010 年的3583.27 億tce 增加到了9511.12 億tce，漲幅為165%。在能耗比例上，2010 年至2020 年期間，我國公共建筑的耗電比例隨著時間的增加呈現(xiàn)近線性增加，從2010 年的54.39%增加到了70.91%，公共建筑的采暖比例則相反，隨著時間的增加呈現(xiàn)近線性降低，從2010 年的47.61%降低到了31.09%。

表1 2010-2020 年我國公共建筑能耗統(tǒng)計

圖1 2010-2020 年我國公共建筑能耗曲線

2 基于綠色建筑理念的公共建筑墻體保溫材料研究

公共建筑墻體是室內(nèi)外熱量交換的中間載體，其導熱性能和冷熱空氣的滲透性能是影響建筑節(jié)能的重要因素，因此提高公共建筑墻體的保溫性能成為控制建筑能耗的重點工作[6]。在綠色建筑理念下，人們對于建筑的節(jié)能環(huán)保需求日益增大，在建筑資源節(jié)約的研究上也日益增多，提高建筑的綜合效益以及提供舒適的室內(nèi)活動溫度，滿足綠色建筑理念的要求。一般而言，保溫結(jié)構(gòu)是通過膠結(jié)劑將保溫層粘貼在外墻基層上，同時為了避免保溫結(jié)構(gòu)的開裂，使用抗裂保護層對保溫層進行涂刷?；诰G色建筑理念下的公共建筑墻體保溫層由于受到自然氣候因素的作用，其材料的選擇需要考慮保溫層具有一定的耐久性，強度較高以及無毒，不會出現(xiàn)開裂引起雨水侵蝕或者脫落；其次，作為公共建筑的墻體保溫層應考慮防火性能；再次，在功能上具有良好的保溫隔熱性能，能夠在輕質(zhì)條件下具有較低的導熱系數(shù)，不易被刺穿或敲擊破碎，保持整體性；在施工上，能夠極大地縮減工序和施作時間，達到外墻保溫結(jié)構(gòu)快速施工的目的。

目前，可以應用于綠色建筑理念下的公共建筑墻體保溫結(jié)構(gòu)的保溫材料主要有7 種，各種保溫材料的物理力學特性如表2 所示[7]。由于公共建筑墻體保溫構(gòu)造施工時具有較多的工序和多層結(jié)構(gòu)體系施作，在選取保溫材料時應該考慮室內(nèi)外潮濕氣體的影響、施工技術(shù)的影響、墻體和保溫層結(jié)構(gòu)骨架的影響以及飾面層對保溫層的影響，以保證公共建筑墻體保溫構(gòu)造的隔熱保溫功能實現(xiàn)。

表2 基于綠色建筑理念的公共建筑墻體保溫隔熱材料性能

以北京市某公共建筑改造項目為例，建筑工程位于北京市東側(cè)2019-CM 地塊，建筑功能定位為科技辦公大樓，建筑的總面積約9250m2，地上建筑工3 層，設(shè)計的建筑空間包含辦公室、會議室、產(chǎn)品展示廳、商業(yè)零售、門廳、公共衛(wèi)生間、餐廳、活動室以及網(wǎng)絡中心等，地下建筑為3 層，地下1 層為廚房、地下2 層為車庫、地下3 層為人防空間。在改造工程中，原有外墻結(jié)構(gòu)無保溫層，為普通水泥砂漿層覆蓋，年久失修，導致冬夏兩季建筑物的能耗非常大，經(jīng)過改造設(shè)計采用了硅質(zhì)改性聚苯板，保溫層的施作方法如圖2 所示，改造后大大降低了公共建筑的能耗量，改善了建筑使用者的舒適度。

圖2 公共建筑硅質(zhì)改性聚苯板的施作方法

3 基于綠色建筑理念的公共建筑通風空調(diào)系統(tǒng)改造

在公共建筑中，通風空調(diào)系統(tǒng)是它最為重要的組成系統(tǒng)之一，其運行效果的優(yōu)劣直接關(guān)系到建筑的工作狀態(tài)和使用品質(zhì)[8]。在大型的超高層建筑或者體量龐大的醫(yī)院、政府辦公樓等，由于其具備的公共建筑屬性，人員密集，對室內(nèi)的空氣質(zhì)量和流通性，室內(nèi)溫度的恒定性都具有較高的要求，但公共建筑又存在人員流動的問題，造成室內(nèi)空氣與室外空氣頻繁交換，導致公共建筑的耗能加大。為了提供更為優(yōu)質(zhì)的空氣質(zhì)量和恒定的室內(nèi)溫度，基于綠色建筑理念下的公共建筑通風空調(diào)系統(tǒng)可以采取一定的節(jié)能減排措施進行改造。由于公共建筑配備的通風空調(diào)系統(tǒng)復雜，涉及的安裝內(nèi)容眾多，包含空調(diào)冷熱水循環(huán)系統(tǒng)，空調(diào)水系統(tǒng)、空調(diào)新風系統(tǒng)以及空調(diào)機組等，這些系統(tǒng)都配備了不同材質(zhì)的風管、水管，管材的質(zhì)量、口徑大小不一，影響著設(shè)備和管材的安裝質(zhì)量和改造效果[9]。在公共建筑的通風系統(tǒng)的改造方案中，展開了以下3 個方面的研究。

（1）通風空調(diào)系統(tǒng)的安裝調(diào)試分析

通風空調(diào)安裝完成后的調(diào)試過程較長、調(diào)試工作量大。由于通風空調(diào)的施工工作量大，在安裝完成之后正式啟用之前，需要對通風空調(diào)安裝系統(tǒng)進行調(diào)試，以檢查其安裝質(zhì)量和保證其運行效果。但是，公共建筑通風空調(diào)系統(tǒng)涉及的專業(yè)廣，比如機電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供風系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)等，各個專業(yè)的施工質(zhì)量控制要點多，節(jié)點多，調(diào)試參數(shù)多，導致公共建筑通風空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)試過程十分復雜，調(diào)試質(zhì)量的要求高，工作量巨大。

（2）通風空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)確定

在公共建筑通風空調(diào)系統(tǒng)改造時，需要對公共建筑的通風空調(diào)系統(tǒng)的性能系數(shù)COP 系數(shù)進行確定，性能系數(shù)定義為制冷設(shè)備的制冷量Q與輸入功率N 之比，如公式（1）、公式（2）所示[3]。

式中：Q為供冷季節(jié)，需要提供新風冷負荷量；G為建筑物每小時接受到的新鮮冷風總量；h0為室外的空氣比熵；hi為室內(nèi)的空氣比熵。

（3）基于虛擬模型的通風空調(diào)系統(tǒng)改造技術(shù)

對于公共建筑通風空調(diào)系統(tǒng)的改造可以借助BIM 模型技術(shù)，在管線的排布和虛擬建造上達到可視化的目的，并可以大大提高改造效率。基于北京市某公共建筑改造項目為例，采用Revit 軟件建立建筑模型如圖3 所示。在建筑虛擬模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建機電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供風系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)等BIM 模型，從而對模型進行分解、梳理及安排，編制施工組織計劃，確定具體施工方案。由于公共建筑工程設(shè)計涉及到的管線復雜、種類眾多、數(shù)量巨大、材質(zhì)不一，包含給排水管線、暖通管線、網(wǎng)絡通信管線等，各個管線之間相互穿插，存在交叉碰撞的可能，以空調(diào)風系統(tǒng)和空調(diào)水系統(tǒng)為例，本項目中基于BIM 模型技術(shù)對管線復雜部位進行了改造，結(jié)果如圖4 所示。

圖3 基于BIM Revit 軟件的公共建筑模型

圖4 基于綠色建筑理念和BIM Revit 軟件的公共建筑通風空調(diào)系統(tǒng)改造

4 結(jié)語

公共建筑具有體量大、人員集聚、內(nèi)外能量交換大等特點，使得公共建筑的能耗巨大，存在巨大的節(jié)能潛力。在現(xiàn)代綠色健康理念的不斷普及下，人類對于居住環(huán)境和活動空間的要求也日益提高?；诰G色建筑理念下的公共建筑追求以人為本的思想，不僅提供安全環(huán)保的使用空間，而且能夠讓使用者在精神上舒適和愉悅。對公共建筑改造作為經(jīng)濟發(fā)展到一定程度的必然要求，也是未來建筑的發(fā)展新方向之一。