基于綠色理念的建筑設(shè)計(jì)

王文輝

隨著建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展，一些新的理念不斷涌現(xiàn)。在當(dāng)前節(jié)能環(huán)保形勢下，綠色建筑成為建筑行業(yè)的新焦點(diǎn)。綠色建筑本身具有節(jié)能、環(huán)保、低碳的獨(dú)特優(yōu)勢，有助于促進(jìn)建筑行業(yè)的良性發(fā)展。但是，綠色建筑理念依然在探索階段，在未來發(fā)展中還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對環(huán)保理念以及綠色技術(shù)手段的應(yīng)用。

1 綠色理念在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用要點(diǎn)

1.1 應(yīng)用價(jià)值

綠色理念在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在以下方面：第1，增進(jìn)人與自然之間的和諧度。在綠色理念下，突出了資源的節(jié)約和可持續(xù)利用，緩解了資源再生、環(huán)境保護(hù)等一系列問題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和資源的循環(huán)利用，既帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又解決了人類社會發(fā)展過程中對自然環(huán)境的破壞性利用問題。第2，提高建筑設(shè)計(jì)的水平。新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)和材料的運(yùn)用，從根本上契合當(dāng)前社會的主流需求，能夠滿足業(yè)主方和用戶群體的訴求，同時(shí)也是建筑設(shè)計(jì)工作與時(shí)俱進(jìn)、不斷創(chuàng)新發(fā)展的直接表現(xiàn)，綠色理念的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)，直接與建筑設(shè)計(jì)主體的專業(yè)水平呈正相關(guān)。第3，有效控制建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)和后期運(yùn)營成本。在建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)和后期運(yùn)營中，建筑所選用的材料、能源以及與相關(guān)要求相匹配的技術(shù)應(yīng)用是影響成本的關(guān)鍵，綠色理念中強(qiáng)調(diào)的“節(jié)能減排”“可持續(xù)”等，將建筑所涉及的相關(guān)技術(shù)與材料引向了便捷化和重復(fù)利用的方向，新型材料與技術(shù)不僅更契合現(xiàn)代化建筑工程需要，通過專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的操作直接加快了工程進(jìn)度，同時(shí)還能有效降低一次性能源與材料耗損，為整個(gè)項(xiàng)目提供了成本支撐，更有益于實(shí)現(xiàn)建筑的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。

1.2 應(yīng)用要點(diǎn)

任何一項(xiàng)工程的開展與落實(shí)都應(yīng)該結(jié)合工程所在地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行勘查與檢測，從而制定出適合所在區(qū)域發(fā)展規(guī)劃與實(shí)際需求的建設(shè)方案，因此綠色建筑的設(shè)計(jì)方案必須遵循因地制宜的基本原則。一方面，對所在地區(qū)的氣象因素進(jìn)行統(tǒng)籌把握和實(shí)際研究，經(jīng)過一定的分析，合理發(fā)揮與利用當(dāng)?shù)氐墓庹?、風(fēng)力等多種自然因素，在此過程中必須嚴(yán)格貫徹落實(shí)綠色環(huán)保的生態(tài)理念。另一方面，通過深入探究當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和地緣屬性，結(jié)合綠色環(huán)保的思維模式合理利用有限的自然資源。

相關(guān)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量降低建筑能耗，以創(chuàng)新的方式取代常規(guī)能源，盡可能利用可再生資源，以維持生態(tài)平衡。以太陽能利用為例，可以將太陽能電池板安裝在房屋的各部位，如房頂、墻面等，采用光電轉(zhuǎn)化的方法將光能轉(zhuǎn)化為電能，從而降低建筑物自身能耗，方便使用者的日常生活[2]。適當(dāng)?shù)臐穸?、充足的光照等是改善居民生活環(huán)境的關(guān)鍵。在住宅建筑設(shè)計(jì)中增加園林綠化，可以提高居住空間的美觀度和舒適度。另外，將海綿城市與循環(huán)用水的理念相融合，在地下停車場及房屋屋頂進(jìn)行景觀綠化布置，不僅可預(yù)防水患，而且能起到雨水聚集作用。后期可根據(jù)需求進(jìn)行二次利用，如社區(qū)衛(wèi)生間沖洗、綠化澆灌等，改變?nèi)粘Ｓ盟Ｊ健?/p>

2 綠色理念在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐

某項(xiàng)目位于四川省成都市錦江區(qū)白鷺灣科技生態(tài)園內(nèi)，毗鄰繞城高速，西側(cè)為城市主干道錦陽大道，東側(cè)為三圣花鄉(xiāng)自然公園。該項(xiàng)目用地面積7.2 萬m2，總建筑面積為28.5 萬m2，包含2 個(gè)地塊，主要業(yè)態(tài)為辦公、商業(yè)及配套設(shè)施用房。該項(xiàng)目秉承低碳理念，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)、能源和設(shè)備系統(tǒng)、照明、智能控制等方面盡可能采用可再生能源材料，打造低能耗建筑，以綠色建筑構(gòu)造城市。

2.1 雨水回收系統(tǒng)

屋面及地面清潔雨水回收處理后主要用于綠化灌溉、車庫及道路沖洗、洗車用水、景觀用水等。工程中的雨水收集系統(tǒng)建設(shè)，主要包括雨水收集與凈化再利用2 個(gè)方面，雨水量的計(jì)算參照公式：

式中：W為雨水的徑流總量，單位m3；a為項(xiàng)目系數(shù)，取0.6；ψ為雨量徑流系數(shù)；h為設(shè)計(jì)降雨厚度，單位mm；F為匯水面積，單位m2。

雨水收集項(xiàng)目設(shè)計(jì)雨水量與匯水面積如表1 所示。

表1 雨水收集項(xiàng)目設(shè)計(jì)雨水量與匯水面積

2.1.1 雨水收集

依據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，園內(nèi)雨水收集除降雨外，收集對象還包含部分噴灌水資源，涉及的水量較大。擬在區(qū)域雨水收集網(wǎng)終端放置200 m3定制超大型玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Glass Fiber Reinforced Plastic，GFRP）罐作為存儲器，包含雨水的棄流、沉沙、過濾、排洪等功能和程序。前期收集的雨水所含雜質(zhì)較多，直接排至雨水井中，至雨水充足且水質(zhì)變好后將棄流口關(guān)閉，雨水經(jīng)過濾網(wǎng)后集中于雨水收集池。收集池中的水積滿后溢出至復(fù)合井排出，并將雜物一并帶出進(jìn)入雨水管網(wǎng)。集水用超大型GFRP 罐綜合結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 集水用超大型GFRP 罐綜合結(jié)構(gòu)（來源：網(wǎng)絡(luò)）

2.1.2 雨水凈化再利用

設(shè)計(jì)方案合理利用紫外線消毒、雨水過濾等對收集的雨水進(jìn)行多步驟凈化處理，并儲存于集水池中供后續(xù)使用。集水池中分別設(shè)計(jì)不同的液位實(shí)現(xiàn)水泵控制，自下而上依次為排污終止液位（20 cm）、回用泵終止與排污啟動(dòng)液位（40 cm）、自來水補(bǔ)水啟動(dòng)液位（50 cm）、回用泵啟動(dòng)（70 cm）、自來水補(bǔ)水終止（85 cm）以及自來水超限警戒液位（100 cm）?；赜帽貌捎米冾l恒壓控制，當(dāng)存儲雨水使用完畢后控制電動(dòng)閥補(bǔ)充自來水。設(shè)計(jì)2 個(gè)回用泵，其中一個(gè)為備用，通過變頻恒壓進(jìn)行控制。雨水使用的優(yōu)先級高于自來水，當(dāng)雨水存量不足時(shí)自動(dòng)打開自來水補(bǔ)水開關(guān)。排污泵與回用泵聯(lián)動(dòng)控制，當(dāng)液位達(dá)到40 cm 時(shí)，回用泵停止，排污泵開啟，當(dāng)液位達(dá)到20 cm 時(shí)排污泵停止。雨水量和水位由系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測，當(dāng)達(dá)到水池補(bǔ)水位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)水，遇特殊情況可進(jìn)行手動(dòng)控制[3]。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

西側(cè)主塔樓建筑屋頂及會議中心屋頂采用光伏一體化技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、蓄電池和控制器等組成，可將太陽能轉(zhuǎn)化為電能供建筑使用，是當(dāng)代綠色建筑的典型技術(shù)之一。不同于大型光伏發(fā)電站，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮系統(tǒng)的安全性及電能轉(zhuǎn)換與利用效率，不盲目使用高指標(biāo)設(shè)備，逆變器使用無變壓器型號。蓄電池的選擇需要考慮到負(fù)荷沖擊、放電深度、環(huán)境溫度等因素，蓄電池的容量合理預(yù)留一定空間，以保證整個(gè)電網(wǎng)的可靠性。原則上光伏組件的輸出量應(yīng)小于控制器輸入量，本項(xiàng)目中光伏組件輸出量相對較大，選用較大功率的控制器?？紤]控制器安裝環(huán)境的限制，保護(hù)級別的選擇為室內(nèi)IP54、室外IP65?？紤]光伏組件本身易受破壞，設(shè)計(jì)防護(hù)措施，在組件兩面設(shè)置5 mm 的鋼化玻璃。電池板安裝的螺栓使用彈簧墊圈，避免螺栓松動(dòng)，且在連接處采取防銹措施。

光伏組件所轉(zhuǎn)化的電能通過配電系統(tǒng)輸送，由匯流箱實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的綜合防護(hù)。除主要的熔斷器外，額外設(shè)置防反二極管對元件熱斑效應(yīng)進(jìn)行防護(hù)，同時(shí)設(shè)置防雷器防護(hù)雷電事故。配電系統(tǒng)匯流箱多重防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。機(jī)房內(nèi)設(shè)置18 個(gè)匯流箱，箱殼為不銹鋼材質(zhì)，尺寸50 cm×40 cm×20 cm。基于匯流箱的特殊性，采用室外IP65 的防護(hù)等級設(shè)計(jì)，可滿足–20 ～60℃的工作條件，箱體內(nèi)部線路間距不小于15 mm。

圖2 配電系統(tǒng)匯流箱多重防護(hù)結(jié)構(gòu)（來源：網(wǎng)絡(luò)）

設(shè)計(jì)機(jī)房選用空間為80 m2，內(nèi)部設(shè)備的間距為5 cm，場地內(nèi)設(shè)置通風(fēng)設(shè)備與通風(fēng)孔，避免室內(nèi)集熱影響設(shè)備性能。在機(jī)房一側(cè)設(shè)置電纜橋架，設(shè)置6 個(gè)蓄電池支架，支架間距為1.0 ～1.5 m，以便后期維護(hù)通行。電纜選擇以低能耗、高效率為標(biāo)準(zhǔn)，使用最新光伏發(fā)電專用電纜，此電纜具有較強(qiáng)的抗折性和抗高溫老化特性。電纜經(jīng)特定線孔穿出，由橋架實(shí)現(xiàn)控制，連接光伏組件與機(jī)房內(nèi)設(shè)備，設(shè)計(jì)主要電纜70 根，單根直徑10 mm。

本工程光伏發(fā)電系統(tǒng)控制方式為并網(wǎng)控制，用電狀態(tài)的轉(zhuǎn)化依靠逆變器和直流電/直流電（Direct Current/Direct Current，DC/DC）變換器實(shí)現(xiàn)。母線與第二變換器連接，且變換器在升壓狀態(tài)下處于主線路，在非升壓狀態(tài)下處于支線路。由于光伏組件光電轉(zhuǎn)化率較高，電網(wǎng)負(fù)擔(dān)相對較大，并網(wǎng)方式需要進(jìn)行性能增強(qiáng)，可采用分布式發(fā)電并網(wǎng)方式以滿足電壓特點(diǎn)。在兼容性方面，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，并于安裝過程中進(jìn)一步調(diào)試逆變器及相應(yīng)組件性能，確定電網(wǎng)滿足發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行需求。

2.3 活動(dòng)外遮陽

路演大廳的幕墻外采用可調(diào)節(jié)外遮陽，保障夏季太陽得熱系數(shù)小于0.15，冬季太陽得熱系數(shù)大于0.4。將建筑活動(dòng)外遮陽系統(tǒng)區(qū)分為南北與東西向，不同朝向的外遮陽設(shè)計(jì)思路因日照情況不同而采取差異化處理。

以夏季為主要分析季節(jié)，根據(jù)日照情況計(jì)算遮陽的臨界角度下的間距與深度，以此為設(shè)計(jì)角度上限。根據(jù)冬季日照情況計(jì)算出遮陽臨界角度的最小值，以此為遮陽設(shè)計(jì)角度下限。但是考慮冬季可能無須遮陽而需要采取被動(dòng)采暖，因此下限數(shù)值可以不用過于精準(zhǔn)要求。

依據(jù)自然規(guī)律，每年太陽活動(dòng)軌跡在冬至與夏至日之間循環(huán)，而且具體的太陽直射角度、移動(dòng)規(guī)律等因地區(qū)不同而存在差異，因此首先調(diào)查并收集地區(qū)氣候資料，分析太陽活動(dòng)周期內(nèi)的高度角變化，從而獲取最佳臨界角度值的計(jì)算結(jié)果，以此作為外遮陽設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在夏季時(shí)外遮陽須滿足對太陽直射輻射的完全遮擋，同時(shí)需要滿足漫射輻射的部分遮擋。但是由于遮陽百葉增大會導(dǎo)致光傳播系數(shù)減小，間距與深度比值增大會導(dǎo)致光傳播系數(shù)增大，需要根據(jù)《建筑節(jié)能手冊》計(jì)算采光系數(shù)。以夏至日為例，取遮陽時(shí)間段為07:00—18:00，查取太陽方位角為103°22′，則遮陽角度為13°22′。在偏角度的限制下求取百葉偏轉(zhuǎn)角度限值，確保百葉在調(diào)整情況下始終擁有最佳遮陽效果和視線曝光角[4]。

2.4 高效照明系統(tǒng)

設(shè)計(jì)選用節(jié)能型發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED） 燈 具進(jìn)行智能控制，全面降低照明能耗，既要滿足照明需求又要滿足低耗能要求。設(shè)計(jì)采用新型LED 燈具、數(shù)字無線互聯(lián)模塊、K 波段雷達(dá)探測器與可調(diào)型光驅(qū)電源等結(jié)合為一體。K 波段雷達(dá)探測器的信號經(jīng)過調(diào)理電路和無線組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模塊微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）采樣后，通過模式識別算法智能分析判斷本網(wǎng)段內(nèi)LED 燈具應(yīng)進(jìn)入何種工作狀態(tài)，并將相應(yīng)的控制命令發(fā)送給LED 燈具內(nèi)置的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）。燈具內(nèi)CPU 通過控制燈具的電源驅(qū)動(dòng)執(zhí)行無線組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模塊的控制命令，實(shí)現(xiàn)燈具0%～100%的調(diào)光輸出，并反饋燈具狀態(tài)給無線組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模塊[5]。無線組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模塊記錄該次信息，并通過現(xiàn)場總線將信息上傳至網(wǎng)關(guān)。無線組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模塊同時(shí)將判斷的情況通過無線網(wǎng)絡(luò)接力給下一個(gè)路徑的無線節(jié)點(diǎn)模塊，以便下一個(gè)模塊提前進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)。無線組網(wǎng)模塊查詢網(wǎng)關(guān)是否下達(dá)新的節(jié)能控制策略，若有則下載新的策略并執(zhí)行。無線通信協(xié)議采用曼徹斯特編解碼和循環(huán)冗余校核（Cyclic Redundancy Check，CRC），系統(tǒng)通信采用跳頻機(jī)制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

3 結(jié)語

將綠色建筑理念引入建筑設(shè)計(jì)中，可以有效減少能源和資源的消耗，滿足城市的發(fā)展需要，重視生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，為人類的生活和發(fā)展做出貢獻(xiàn)。在建筑設(shè)計(jì)中，工作人員需要重視對綠色建筑理念的學(xué)習(xí)及應(yīng)用探討，以便有效改善建筑能耗與污染問題，實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。