面向運(yùn)營(yíng)的綜合節(jié)能設(shè)計(jì)策略在會(huì)展建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

0 引言

我國(guó)建筑總能耗約占社會(huì)總能耗的20.7%，其中，面積占比僅為15.0%的公共建筑用能占全部建筑能耗的28.3%，而在公共建筑中，大型公共建筑面積占比僅為8.3%，但用能占比卻達(dá)28.0%[1]。大型公共建筑的節(jié)能降耗對(duì)我國(guó)的節(jié)能事業(yè)具有重要意義。

我國(guó)綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)已更新到第3版，綠色建筑理念已逐漸滲透到建筑行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于建筑設(shè)計(jì)行業(yè)來(lái)說(shuō)，尋找適合綠色建筑的新設(shè)計(jì)理念和方法將成為行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)展方向。

本文以深圳國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目為例，探討以舒適和高效為最終目的，以節(jié)能為導(dǎo)向的建筑整合化設(shè)計(jì)方法，注重技術(shù)的應(yīng)用，從工程實(shí)際出發(fā)闡述性能化分析技術(shù)與被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)技術(shù)的融合，優(yōu)化傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，提升設(shè)計(jì)品質(zhì)，適應(yīng)綠色建筑的發(fā)展。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于深圳，占地約125萬(wàn)m2，集展覽、會(huì)議、商務(wù)、餐飲、娛樂(lè)、體育等多種功能為一體，總建筑面積約154萬(wàn)m2，包括16個(gè)2萬(wàn)m2的標(biāo)準(zhǔn)展廳、2個(gè)2萬(wàn)m2的多功能展廳、1個(gè)5.3萬(wàn)m2的超大展廳及2個(gè)6.6萬(wàn)m2的登錄大廳，見(jiàn)圖1。

注：C1～C4、C6～C9、A1～A4、A6～A9 為標(biāo)準(zhǔn)展廳；C11、C12 為多功能展廳；A11 為超大展廳；A5、C5為南登錄大廳；A10、C10為北登錄大廳。圖1 項(xiàng)目展廳分布

2 技術(shù)路線(xiàn)

會(huì)展類(lèi)建筑具有體量大、功能復(fù)雜、人流密集、建筑用能負(fù)荷變化大的特點(diǎn)。該項(xiàng)目以節(jié)能為導(dǎo)向進(jìn)行建筑整合設(shè)計(jì)，將可持續(xù)設(shè)計(jì)理念融入建筑設(shè)計(jì)中，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行細(xì)化和分解，基于建筑的地域和氣候特點(diǎn)，在建筑的平面布局、空間形體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、機(jī)電系統(tǒng)等各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，采用恰當(dāng)?shù)慕ㄖ?jié)能技術(shù)措施。

實(shí)現(xiàn)提高建筑能源利用率、降低建筑能耗、提高空間舒適度的整體目標(biāo)涉及到建筑設(shè)計(jì)方面的多個(gè)要素。分析建筑設(shè)計(jì)的各要素，考慮各要素之間的相互關(guān)系并理清相關(guān)性，優(yōu)化設(shè)計(jì)并融合建筑與各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)措施，是系統(tǒng)性地解決建筑綜合節(jié)能的關(guān)鍵。

建立以目標(biāo)為導(dǎo)向的全過(guò)程技術(shù)控制策略。根據(jù)該項(xiàng)目的各項(xiàng)目標(biāo)，如：綠色建筑、物理環(huán)境優(yōu)化、水資源高效利用、綜合節(jié)能等，將目標(biāo)按照技術(shù)要求及建筑組團(tuán)層面分解到各個(gè)專(zhuān)業(yè)，并通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)書(shū)進(jìn)一步落實(shí)到單體的施工圖設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段通過(guò)外部及內(nèi)部專(zhuān)家審查確保設(shè)計(jì)質(zhì)量，并進(jìn)行施工階段的專(zhuān)項(xiàng)施工方案落實(shí)；竣工驗(yàn)收階段通過(guò)單項(xiàng)驗(yàn)收及綜合性能驗(yàn)收保證項(xiàng)目最終完美呈現(xiàn)；最后，通過(guò)后評(píng)估及運(yùn)行策略?xún)?yōu)化確保項(xiàng)目長(zhǎng)久良好運(yùn)營(yíng)。具體流程見(jiàn)圖2。

該項(xiàng)目于2019年獲得國(guó)家綠色建筑二星級(jí)標(biāo)識(shí)、英國(guó)BREEAM三星級(jí)標(biāo)識(shí)、美國(guó)LEED金級(jí)標(biāo)識(shí)。

該項(xiàng)目綜合利用多項(xiàng)業(yè)界領(lǐng)先的綠色技術(shù)，測(cè)算得年節(jié)約用電2 630萬(wàn)kW·h，年節(jié)約用水42萬(wàn)t，年減少碳排放1.3萬(wàn)t，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3 300 t。

采用的綠色技術(shù)(節(jié)選)如表1所示。限于篇幅，本文僅對(duì)部分技術(shù)進(jìn)行介紹。

表1 采用的綠色技術(shù)(節(jié)選)

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)

根據(jù)《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2008》，太陽(yáng)輻射透過(guò)外窗進(jìn)入室內(nèi)的熱量占夏季冷負(fù)荷的1/3，其余熱量為：1) 室內(nèi)發(fā)熱量和通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量；2) 通風(fēng)系統(tǒng)的傳熱量。在夏熱冬暖地區(qū)，外遮陽(yáng)系統(tǒng)對(duì)于降低冷負(fù)荷顯得至關(guān)重要。

通過(guò)設(shè)置遮陽(yáng)系統(tǒng)，可以有效降低室內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱，東西向遮陽(yáng)優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

無(wú)屋頂遮陽(yáng)時(shí)，全年累計(jì)太陽(yáng)輻射得熱量東立面為537.87 kW·h/m2，西立面為575.34 kW·h/m2；有屋頂遮陽(yáng)時(shí)，全年累計(jì)太陽(yáng)輻射得熱量東立面為151.42 kW·h/m2，西立面為260.88 kW·h/m2；有遮陽(yáng)與無(wú)遮陽(yáng)相比，太陽(yáng)得熱量東立面下降71.85%，西立面下降54.66%。設(shè)置遮陽(yáng)對(duì)于降低室內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱量非常必要。

此外，該項(xiàng)目南北向進(jìn)深較小，東西向進(jìn)深較大。為兼顧遮陽(yáng)及采光要求，根據(jù)遮陽(yáng)系統(tǒng)所處的位置及環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，西立面、南立面采光優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

遮陽(yáng)系統(tǒng)透光率為0時(shí)，西立面和南立面的太陽(yáng)輻射得熱量分別為260.882、153.351 kW·h/m2；透光率為15%時(shí)，西立面和南立面的太陽(yáng)輻射得熱量分別為298.533、158.895 kW·h/m2；2種透光率下，西立面和南立面的太陽(yáng)輻射得熱量分別相差15%、3%。

根據(jù)圖4優(yōu)化結(jié)果，該項(xiàng)目選擇在東、西側(cè)采用不透光水平遮陽(yáng)，南側(cè)采用透光率為15%的水平遮陽(yáng)。

綜合考慮外窗熱工及屋頂隔熱等節(jié)能措施，該項(xiàng)目綜合負(fù)荷降低達(dá)12.66%(基于深圳市強(qiáng)制節(jié)能標(biāo)準(zhǔn))，經(jīng)測(cè)算，僅此一項(xiàng)措施年可節(jié)電約440萬(wàn)kW·h。

2.2 室內(nèi)自然采光與照明設(shè)計(jì)

會(huì)展建筑因室內(nèi)布展的需求不同，需要設(shè)置不同的室內(nèi)光環(huán)境。既往項(xiàng)目往往采用人工照明解決這一問(wèn)題，既不符合在室人員健康需求，也不節(jié)能。有研究表明，如果未能正常感受自然光線(xiàn)，人體內(nèi)的節(jié)律鐘可能受到干擾甚至偏離正常節(jié)律，從而導(dǎo)致睡眠障礙[1]。

該項(xiàng)目采用自然光和人工照明結(jié)合的方式進(jìn)行室內(nèi)照明，根據(jù)室外自然光全天的變化情況，制定室內(nèi)的照明策略，標(biāo)準(zhǔn)展廳室內(nèi)照度模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)展廳室內(nèi)照度模擬結(jié)果

結(jié)合室內(nèi)自然采光的效果，制定室內(nèi)照明控制策略，如圖6所示。

注：該控制策略適用于展廳C12北側(cè)，C11南側(cè)，A11、A12南側(cè)及北側(cè)，A9、C9北側(cè)，A6、C6南側(cè)，A4、C4北側(cè)，A1、C1南側(cè)。圖6 室內(nèi)照明控制策略

項(xiàng)目采用智能燈光管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燈的啟動(dòng)與關(guān)閉，應(yīng)用多種燈具調(diào)光技術(shù)對(duì)不同電氣特性與光照特性的燈具進(jìn)行調(diào)光控制。依據(jù)展館內(nèi)的照明需求，使用高效LED燈具結(jié)合DALI單燈調(diào)光技術(shù)對(duì)展廳照明進(jìn)行控制，最大化利用自然光照明，合理調(diào)節(jié)人工照明的啟閉與亮度。

除智能控制之外，為最大化節(jié)能，該項(xiàng)目在展廳非精裝區(qū)域均采用高效LED燈具，共設(shè)置燈具約4 200盞，功率共計(jì)約1 000 kW。與傳統(tǒng)90 lm/W的LED燈具相比，高效LED燈具光通量可達(dá)142 lm/W，壽命長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)h以上，相對(duì)節(jié)約電能75%，累計(jì)年減少用電151.9萬(wàn)kW·h。

2.3 過(guò)渡空間的降溫設(shè)計(jì)

大型建筑中往往存在較多過(guò)渡空間，這些空間雖非辦公場(chǎng)所，但卻是人經(jīng)?；顒?dòng)的區(qū)域。該項(xiàng)目設(shè)有一條貫穿南北的連廊，總長(zhǎng)度1.7 km。建成后，該區(qū)域?qū)⒊蔀楦鱾€(gè)展廳之間的連接場(chǎng)所。但由于場(chǎng)地限制等其他原因，該區(qū)域無(wú)法安裝空調(diào)，故提出采用加強(qiáng)機(jī)械通風(fēng)緩解該區(qū)域的熱環(huán)境。為驗(yàn)證機(jī)械通風(fēng)對(duì)熱環(huán)境的改善作用，進(jìn)行相關(guān)分析如下。

1) 分析標(biāo)準(zhǔn)。

相對(duì)于常規(guī)的非人工環(huán)境，該項(xiàng)目的連廊屬于人員快速通過(guò)的區(qū)域，非長(zhǎng)久停留區(qū)域。本文探討的是人員短暫停留區(qū)域的熱舒適問(wèn)題，故參照GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[2]進(jìn)行分析，該標(biāo)準(zhǔn)引入APMV指標(biāo)對(duì)非人工冷熱源下的熱濕環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，其定義為

(1)

式中λ為修正系數(shù)，PMV≥0時(shí)取0.21，PMV<0時(shí)取-0.49。

評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)的APMV見(jiàn)表2。

表2 評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)的APMV

該項(xiàng)目也參考了美國(guó)ASHRAE 55-2013[3]標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，該標(biāo)準(zhǔn)采用PMV作為熱舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

PMV是評(píng)價(jià)人體熱反應(yīng)的指標(biāo)。在非空調(diào)環(huán)境下，人的熱舒適反應(yīng)與傳統(tǒng)的適用于穩(wěn)態(tài)空調(diào)環(huán)境的PMV指標(biāo)預(yù)測(cè)值存在一定偏差，F(xiàn)anger教授提出了在溫暖氣候條件下非空調(diào)房間PMV修正模型，引入了一個(gè)值為0.5～1.0的心理期望因子e來(lái)修正當(dāng)量穩(wěn)態(tài)空調(diào)條件下計(jì)算出來(lái)的PMV，即PMV′=ePMV。

根據(jù)深圳的氣候特點(diǎn)，e的取值為0.9。

根據(jù)ASHRAE 55-2013可知，適宜長(zhǎng)時(shí)間停留的體感溫度上限為31.5 ℃，對(duì)應(yīng)PMV=0.9。

2) 模擬分析。

限于篇幅，本文僅對(duì)連廊部分的自然通風(fēng)+機(jī)械通風(fēng)工況進(jìn)行描述。為進(jìn)一步增強(qiáng)通風(fēng)對(duì)熱舒適度的改善作用，比較自然通風(fēng)+機(jī)械通風(fēng)與純自然通風(fēng)的差異，從而找到利用自然通風(fēng)的極限條件。圖7顯示了PMV及APMV的模擬結(jié)果。

圖7 PMV及APMV模擬結(jié)果

通過(guò)分析可知，當(dāng)室外天氣晴朗、溫度達(dá)到29 ℃時(shí)，利用風(fēng)道加強(qiáng)空氣流動(dòng)，可以使得風(fēng)道周邊人行高度處的APMV位于0.9～1.1之間，PMV位于1.0～1.2之間。按照我國(guó)GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)價(jià)，已達(dá)到Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的上限；按照ASHRAE 55-2013標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，PMV指標(biāo)略高，但仍在可容忍范圍內(nèi)，已基本達(dá)到人員長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)的極限舒適度。

圖8顯示了室內(nèi)溫度及風(fēng)速模擬結(jié)果。由圖8可見(jiàn)，風(fēng)管下方多數(shù)人員活動(dòng)區(qū)域溫度介于30～31 ℃，風(fēng)速介于1.0～4.5 m/s，可以滿(mǎn)足日常的人員活動(dòng)需求(再增加機(jī)械送風(fēng)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速超過(guò)人體舒適上限)。

圖8 室內(nèi)溫度及風(fēng)速模擬結(jié)果

圖9、10分別顯示了4—10月09:00—17:00的逐時(shí)溫度和相對(duì)濕度。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，4—10月09：00—17:00溫度<29 ℃、空氣相對(duì)濕度<70%的時(shí)長(zhǎng)共353 h，占比為18.32%。

圖9 4—10月09:00—17:00逐時(shí)溫度分布

圖10 4—10月09:00—17:00逐時(shí)相對(duì)濕度分布

由于空氣流動(dòng)加強(qiáng)，人體在室外對(duì)相對(duì)濕度的敏感度有所降低[4]。若放寬相對(duì)濕度上限至80%，采用機(jī)械通風(fēng)則有望解決41.40%時(shí)段的熱環(huán)境問(wèn)題。可見(jiàn)機(jī)械通風(fēng)可以改善區(qū)域熱環(huán)境。

2.4 建筑中能量傳遞和機(jī)電設(shè)計(jì)的有機(jī)整合

將建筑與其使用功能融合，是建筑機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，也是降低建筑能耗的主要保障。會(huì)展建筑不同于常規(guī)辦公建筑，其功能更復(fù)雜。會(huì)展建筑空間布局上高度不高、底面積較大，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱負(fù)荷大，受季節(jié)影響較大，從而導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷全年峰谷差異較大。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將有10年的培育期，期間展館的使用率將穩(wěn)步上升?？照{(diào)負(fù)荷受展館使用率的影響較為顯著。故從運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，應(yīng)努力使空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行在各個(gè)負(fù)荷段，從而適應(yīng)不同情境模式的運(yùn)行需求。

在前期策劃階段，通過(guò)分析不同使用場(chǎng)景組合下的全年逐時(shí)負(fù)荷特性(見(jiàn)圖11)，為項(xiàng)目機(jī)組選型提供參考?？紤]到建筑平面布置、后期運(yùn)營(yíng)管理的便捷性，該項(xiàng)目從南到北設(shè)置5個(gè)制冷站，提高空調(diào)系統(tǒng)在小型展覽期間的能效，減少空調(diào)系統(tǒng)輸送距離，降低輸送能耗。其中1#、3#、4#制冷站(各制冷站制冷量均為22 172 kW)為標(biāo)準(zhǔn)展廳供冷，2#、5#制冷站(各制冷站制冷量均為31 672 kW)為標(biāo)準(zhǔn)展廳及登錄大廳供冷，該項(xiàng)目的制冷站分布見(jiàn)圖1。

圖12顯示了2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)展廳全年的冷負(fù)荷區(qū)間分布。由圖12可以看出，標(biāo)準(zhǔn)展廳的負(fù)荷介于30%～70%總負(fù)荷的占比最高，累計(jì)占比達(dá)到48.34%。

圖11 不同組合下的全年負(fù)荷

圖12 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)展廳全年冷負(fù)荷區(qū)間分布

因此該項(xiàng)目為普通制冷站(即1#、3#、4#制冷站)配備了三大(5 627 kW/臺(tái))一小(2 813 kW)的冷源機(jī)組，為蓄冷制冷站(即2#、5#制冷站)配備了三大(6 330 kW/臺(tái))一小(3 165 kW)的冷源機(jī)組。

以未設(shè)蓄冷的3#制冷站為例，在只供應(yīng)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)展廳的情況下，其最低負(fù)荷段對(duì)應(yīng)的冷負(fù)荷為1 270.2 kW，1臺(tái)2 813 kW的離心式冷水機(jī)組(變頻)可處于較高效運(yùn)行狀態(tài)，如圖13所示。

圖13 制冷量為2 813 kW冷水機(jī)組COP曲線(xiàn)

通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、機(jī)電系統(tǒng)整合及運(yùn)營(yíng)策略調(diào)節(jié)，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了較大幅度節(jié)能降耗。eQUEST軟件8 760 h動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果顯示，該項(xiàng)目年平均綜合能耗約為70.98 kW·h/m2，為深圳市公共建筑能耗定額[5]所規(guī)定的A類(lèi)一般購(gòu)物中心(最為接近的業(yè)態(tài))引導(dǎo)值的70%；相較于美國(guó)大型會(huì)展類(lèi)建筑的151.84 kW·h/m2(綜合底特律、丹佛、芝加哥、麥考密克展覽中心的運(yùn)營(yíng)能耗得到)降低幅度約為53.25%。

3 結(jié)語(yǔ)

深圳國(guó)際會(huì)展中心是亞太地區(qū)首個(gè)達(dá)到國(guó)家二星級(jí)、美國(guó)LEED金級(jí)、英國(guó)BREEAM三星級(jí)的會(huì)展類(lèi)建筑，也是目前世界上單體面積最大的建筑，面臨多種展覽需求，存在各種設(shè)計(jì)矛盾。筆者力求通過(guò)可持續(xù)的綠色設(shè)計(jì)理念，探索一種適合氣候特征和建筑特點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，解決圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)采光、過(guò)渡空間、機(jī)電設(shè)備等方面的矛盾關(guān)系，具體表現(xiàn)在：1) 通過(guò)精細(xì)化分析遮陽(yáng)系統(tǒng)，平衡節(jié)能、遮陽(yáng)及采光之間的矛盾關(guān)系；2) 精細(xì)化分析自然采光和照明的關(guān)系，針對(duì)運(yùn)營(yíng)提出分時(shí)分區(qū)控制策略；3) 挖掘自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)的降溫潛力，緩解非空調(diào)區(qū)域的不舒適性；4) 將運(yùn)營(yíng)控制思路融入到機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)營(yíng)提供了基礎(chǔ)。

該項(xiàng)目作為深圳市的地標(biāo)建筑，充分實(shí)踐和應(yīng)用綠色建筑技術(shù)，有助于提升場(chǎng)館的持久競(jìng)爭(zhēng)力，乃至提升所在大空港片區(qū)的品質(zhì)和影響力，促進(jìn)區(qū)域綠色建筑的發(fā)展。