綠色、超低能耗地標(biāo)性文化建筑研究與實踐
——高星級綠色建筑的打造

史 旭，楊 虎，羅智星

（1、廣州華森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司 廣州 510045；2、西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑國家重點實驗室 西安 710055）

超低能耗建筑通過因地制宜地采用高性能保溫隔熱非透明圍護結(jié)構(gòu)，高保溫氣密性外窗，無熱橋、高氣密性、高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，充分利用可再生能源等技術(shù)手段，可以大幅降低建筑能耗［1］。作為節(jié)能建筑的一種高級表現(xiàn)形式，超低能耗建筑逐漸得到研究機構(gòu)和各級政府的重視［2，3］。目前許多國家都在積極制定超低能耗建筑發(fā)展目標(biāo)和技術(shù)政策，建立適合本國特點的超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)技術(shù)體系，使超低能耗建筑正在世界范圍內(nèi)成為建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢［4］。近年來，已有很多學(xué)者對超低能耗建筑設(shè)計方法與實踐開展了研究，如廖超［5］總結(jié)了被動式超低能耗建筑的設(shè)計策略與要點，并基于中南地區(qū)某住宅項目進行了案例研究；伍小亭［6］提出了一套超低能耗綠色建筑設(shè)計方法，并將該方法應(yīng)用于實際項目中；魏燕麗等人［7］探討了夏熱冬冷地區(qū)綠色辦公建筑適宜的超低能耗技術(shù)路線；李慧星等人［8］對嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)與可再生能源利用系統(tǒng)進行了研究等。在“雙碳”目標(biāo)背景下，國內(nèi)節(jié)能減排的發(fā)展形勢要求建筑節(jié)能做出更大貢獻［9］。也有研究表明，采用高性能圍護結(jié)構(gòu)與高效建筑系統(tǒng)的建筑不僅可以大幅降低建筑能耗與碳排放，在建筑的全壽命周期內(nèi)，建筑的經(jīng)濟效益也有大幅提升［10，11］。因此，發(fā)展超低能耗與近零能耗建筑，不僅有助于建筑業(yè)完成“雙碳”目標(biāo)，也有利于社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

目前，對住宅、辦公、商業(yè)等建筑類型的研究已比較完善，但對于大型文化建筑的超低能耗技術(shù)與設(shè)計方法的研究較少，文化綜合體建筑承載著文化活動所衍生的各種社會經(jīng)濟活動，是城市文化地域性得以實現(xiàn)的重要載體［12］，具有功能多元復(fù)合、空間靈活交融、建筑形態(tài)整體多樣的特征［13］，但由于體量巨大、功能空間復(fù)雜多樣，文化綜合體建筑往往具有高能耗、高排放的特點，適用于辦公建筑、商業(yè)建筑的超低能耗設(shè)計手法可能并不適用與文化綜合體建筑［14］。因此，需要對于大型文化綜合體建筑綠色、超低能耗設(shè)計策略進行研究。

本文以廣東佛山某文化中心為案例，充分考慮夏熱冬暖地區(qū)的氣候條件、項目建筑特點、能耗負(fù)荷及可再生能源利用等要素，探索了夏熱冬暖地區(qū)大型文化綜合體建筑超低能耗建筑的技術(shù)路徑。

1 項目概況

某大型文化項目位于廣東省佛山市南海區(qū)中軸線核心地段，項目北至海五路，南至海四路，西接南六路，東臨千燈湖公園（見圖1、圖2）。用地南北縱深約400 m，東西寬約150 m，地勢平坦。

圖1 總體鳥瞰圖Fig.1 Overall Aerial View

圖2 項目位置Fig.2 Project Location

本項目擬建成一座高標(biāo)準(zhǔn)、多功能的文化中心，集科技館、圖書館、美術(shù)館、非遺文創(chuàng)館、文化館、青少年宮等六大功能為一體的大型文化綜合體項目（見圖3）；作為活躍佛山文化事業(yè)，促進社會經(jīng)濟發(fā)展，滿足人民精神文明建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。定位為“佛山市南海區(qū)四大文化建筑之一”，建成后將成為南海區(qū)千燈湖中軸線上的地標(biāo)性建筑。

圖3 功能布局Fig.3 Functional Layout

本項目規(guī)劃用地面積為55 806.40 m2，總建筑面積為169 561.42 m2。其中，地下室建筑面積72 107.65 m2；計容面積94 417.46 m2，基底面積27 026.53 m2。

整體建筑包括2 層地下室（埋深10.0 m）、科技館（建筑高度52.0 m）、圖書館（建筑高度47.0 m）、美術(shù)館（建筑高度42.0 m）、非遺文創(chuàng)館（建筑高度32.0 m）、裙房功能為文化館及青少年宮（建筑高度20.9 m）。

科技館、美術(shù)館位于基地北側(cè)及東側(cè)，與千燈湖公園自然景觀相望；美術(shù)館、非遺文創(chuàng)館沿基地西側(cè)及南側(cè)布置，裙房2層架空為市民廣場，起到聯(lián)系四館的作用，形成即獨立又相互聯(lián)系的總圖布局關(guān)系（見圖4）。

圖4 市民廣場效果Fig.4 Renderings of Citizen Square

本項目地下建筑功能涵蓋了餐飲、體育休閑、觀演、劇場、車庫等功能。地上建筑功能涵蓋科技展覽、圖書閱覽、美術(shù)展覽、非遺文創(chuàng)、文化館、青少年宮等六大建筑功能類型。本項目的特點和難點為建設(shè)規(guī)模大、建筑功能分布及內(nèi)部空間復(fù)雜、適用規(guī)范種類繁多。

本項目以綠色建筑為載體，在建筑的選址、設(shè)計、建設(shè)、使用、維護、拆除及廢棄物處理的全壽命周期內(nèi)，通過合理運用綠色建筑技術(shù)，從建筑選址到單體設(shè)計，從圍護結(jié)構(gòu)到通風(fēng)、采光、能源高效利用等方面都切實貫徹節(jié)能理念，最大限度地做到“安全耐久”、“健康舒適”、“生活便利”、“資源節(jié)約”、“環(huán)境宜居”，提供節(jié)能、環(huán)保和高效的使用環(huán)境；以被動式技術(shù)為主，低成本主動式技術(shù)為輔達到低能耗、低排放的綠色建筑的設(shè)計理念。設(shè)計目標(biāo)定為國標(biāo)三星綠色建筑，能效控制目標(biāo)符合《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 51350—2019》中超低能耗公共建筑能效指標(biāo)。預(yù)期實現(xiàn)建筑綜合節(jié)能率≥50%。建筑本體節(jié)能率符合表5.0.4的相關(guān)要求。

2 設(shè)計原則及設(shè)計難點分析

2.1 以綠色建筑的內(nèi)涵為基礎(chǔ)

充分考慮廣東地區(qū)的氣候、地理環(huán)境、自然資源等方面的因素；從建筑方案優(yōu)化、能源控制利用、水資源規(guī)劃、材料選用、噪聲控制等多個方面進行分析，最大程度優(yōu)化“安全耐久”、“健康舒適”、“生活便利”、“資源節(jié)約”、“環(huán)境宜居”等。

2.2 以被動式技術(shù)為主，主動式技術(shù)為輔

考慮建筑本體的空間形式、圍護結(jié)構(gòu)、建筑材料、自然通風(fēng)、自然采光與構(gòu)造設(shè)計等被動式技術(shù)來實現(xiàn)建筑節(jié)能；當(dāng)被動式節(jié)能無法滿足建筑舒適性及防護要求，需要空調(diào)等輔助設(shè)備時，才考慮使用適宜的主動式節(jié)能，最后才是高性能、高投入的設(shè)備。

2.3 以最小的成本爭取最大的利益

對所有采用的綠色專項技術(shù)進行嚴(yán)密的可行性分析及投資效益分析，促成項目實現(xiàn)用最小的成本投資達到低能耗、低排放的綠色建筑目標(biāo)。

項目建筑功能繁多，特殊房間必須考慮防潮、防水、防日光及紫外線照射，且其全年的溫、濕度要求及控制精度要求高；采用的空調(diào)系統(tǒng)形式、冷源的設(shè)計需要滿足各部分不同功能需求?？照{(diào)系統(tǒng)形式除了滿足功能的要求外，還要解決節(jié)能問題。

3 技術(shù)體系及亮點

3.1 被動式技術(shù)體系

3.1.1 采光及遮陽

建筑立面的玻璃幕墻和屋面采光天窗保證了各功能房間有充足的采光，并且在保證充足采光的同時做好必要的防眩光措施；項目地處夏熱冬暖地區(qū)，夏季隔熱是主要考慮因素。首先建筑方案在規(guī)劃設(shè)計時就充分考慮了建筑本體自遮陽，通過對不同朝向的立面采取相應(yīng)的遮陽措施；根據(jù)太陽高度角，利用外墻對不同朝向的玻璃幕墻形成固定的外遮陽，既減少了增量成本又實現(xiàn)了對太陽輻射的遮擋作用。東、西、南3 個方向在固定外遮陽的基礎(chǔ)上增加可調(diào)節(jié)內(nèi)遮陽簾。通過Ladybug 軟件對比分析得出：太陽輻射量東向減少46%、西向減少57%、南向減少64%、北向減少5%，綜合太陽輻射量減少30.4%（見圖5）。

圖5 建筑本體遮陽Fig.5 Shading of the Building Body

建筑各方位太陽輻射量對比如表1所示。

表1 各方位太陽輻射量對比Tab.1 Comparison Table of Solar Radiation in All Directions

3.1.2 自然通風(fēng)

通過中庭設(shè)計，有效減小建筑進深，改善自然通風(fēng)。利用室內(nèi)外氣流的交換，降低室內(nèi)溫度和排除濕氣；同時，通過空氣流動，加強人體對流和蒸發(fā)散熱，提高熱舒適（見圖6）。改善室內(nèi)自然通風(fēng)的措施有：①利用建筑本身布局，立面增加開啟面積，加大室內(nèi)流速，且室內(nèi)進出風(fēng)口保持適當(dāng)?shù)母卟?，形成良好的自然通風(fēng)；②適當(dāng)開啟屋頂玻璃采光頂，并對各立面幕墻合理分隔，設(shè)置開啟扇，形成良好的室內(nèi)自然通風(fēng)。

圖6 中庭自然通風(fēng)Fig.6 Natural Ventilation in Atrium

3.1.3 高性能外圍護結(jié)構(gòu)

綠建三星和超低能耗建筑需要建筑的圍護結(jié)構(gòu)有良好的保溫隔熱性能。項目的非透明圍護墻體構(gòu)造系統(tǒng)采用復(fù)合蜂窩巖板+金屬防水板+110 mm 厚巖棉保溫板+室內(nèi)裝飾背板的做法（見圖7），幕墻式屋面采用110 mm 厚泡沫玻璃保溫層，天窗采用LOW-E（6+12A+6）中空玻璃（見圖8）；外墻、樓層板與幕墻之間、架空或外挑樓板等部位采用無熱橋技術(shù)（見圖9）；在裙房屋面設(shè)置屋面綠化，減低熱島效應(yīng)。

圖7 非透明圍護墻體構(gòu)造Fig.7 Non-transparent Enclosure Wall Structure

圖9 層間無熱橋技術(shù)Fig.9 No Thermal Bridge Technology between Floors （mm）

外立面幕墻玻璃選用LOW-E（6+12A+6）中空玻璃，具有保溫、避免光污染等優(yōu)點，夏季有效阻止室外熱輻射進入室內(nèi)，有效減少空調(diào)制冷能耗。

3.1.4 預(yù)制裝配式+BIM信息技術(shù)

通過BIM 建筑信息模型正向設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計階段的協(xié)同設(shè)計，施工階段建造全過程一體化與運營階段對建筑物的智能化維護與設(shè)施管理，有效提高項目整體進度效率，降低風(fēng)險，減少浪費（見圖10）。

圖10 BIM信息模型Fig.10 BIM Information Model

通過鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配減少大量現(xiàn)場作業(yè)量，不僅具有安裝速度快、節(jié)省工期的優(yōu)勢，同時能夠大幅減少現(xiàn)場作業(yè)的粉塵、噪音、污水污染，建造過程更加節(jié)能、環(huán)保。

3.2 主動式技術(shù)體系

綠色建筑及超低能耗建筑應(yīng)將可再生能源進行一體化設(shè)計，通過有限的可再生能源的運用，如太陽能光伏發(fā)電、空氣源熱泵等有效減低建筑整體能耗。

3.2.1 光伏發(fā)電

經(jīng)過計算分析比較，光伏板安裝位置選擇在南側(cè)市民休閑公園室外連廊頂部與裙房屋頂處。光伏板安裝面積約為1 200 m2，選用高效光伏發(fā)電組件以達到超低能耗公共建筑能效指標(biāo)的要求，所需光伏板提供電量為217 419.39 kWh，設(shè)計光伏板可提供電量220 454 kWh，且項目預(yù)計光伏板安裝的投資回報期約為4年（見圖11）。

圖11 光伏板發(fā)電分析Fig.11 Photovoltaic Panel Power Generation Analysis

3.2.2 空氣源熱泵

本項目有運動休閑及SPA 的建筑功能，因此對熱水有一定的需求供應(yīng)量，采用空氣源熱泵為建筑提供生活熱水供應(yīng)。結(jié)合項目建筑使用功能及美觀的需求，在B1 層熱泵機房內(nèi)設(shè)置兩組熱水儲水罐，將熱泵室外機組設(shè)置在北側(cè)下沉廣場內(nèi)，空氣源熱泵承壓熱水系統(tǒng)利用方案綜合節(jié)能效果明顯，達到不影響建筑外觀的目的。

3.2.3 照明節(jié)能設(shè)計

本項目功能房間照明燈具均采用LED 燈具等節(jié)能型燈具，為達到《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50378—2019》的得分要求，功率密度值均不應(yīng)高于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB 50034—2013》規(guī)定的目標(biāo)值，并全部采用智能照明控制系統(tǒng)。

3.2.4 高效冷熱源系統(tǒng)

本項目在采用了被動式技能技術(shù)措施，將冷熱負(fù)荷降低之后，剩余的冷熱負(fù)荷由高效冷熱源系統(tǒng)提供。為解決空調(diào)系統(tǒng)能耗高的問題，項目冷源中心合理規(guī)劃，冷源采用高效冷機、二次泵系統(tǒng)、冷卻塔免費供冷系統(tǒng)等節(jié)能技術(shù)措施；末端空調(diào)系統(tǒng)高大空間采用分層空調(diào)技術(shù)，實現(xiàn)一個高效的空調(diào)能源系統(tǒng)，節(jié)能減碳。

⑴冷源規(guī)劃：為節(jié)約水泵的輸送能耗，在冷源規(guī)劃上將空調(diào)冷源中心分南北向設(shè)置2 個，避免長距離輸送空調(diào)冷水（見圖12）。

圖12 冷源規(guī)劃Fig.12 Cold Source Planning

⑵ 冷水機組的大小搭配策略和高效冷機的使用：冷源中心主機采用3大1小搭配，小冷機采用磁懸浮冷機，其中3臺大冷機中的1臺也采用磁懸浮冷機。較小的部分負(fù)荷下，小冷機可高效運行；在大冷機臺數(shù)調(diào)節(jié)時出現(xiàn)1 臺不是滿負(fù)荷運行的情形下，可使用磁懸浮的大冷機變頻運行。以上臺數(shù)的搭配和大小冷機的磁懸浮選型策略，使得整個冷源在不同的負(fù)荷情形下均能實現(xiàn)高效運行。

⑶二次泵系統(tǒng)：考慮各館相互獨立管理，使用時間不同，且系統(tǒng)較大，阻力較高，各環(huán)路負(fù)荷特性相差較大，壓力損失相差懸殊，空調(diào)水系統(tǒng)采用二次泵系統(tǒng)，進一步降低水泵的輸送能耗。其中一次泵為定流量系統(tǒng)，臺數(shù)調(diào)節(jié)；二次泵為變流量系統(tǒng)，變頻調(diào)節(jié)運行；每個館各設(shè)計一套二次泵系統(tǒng)，二次泵均設(shè)在規(guī)劃的兩個集中冷凍機房內(nèi)。冷源設(shè)置如表2所示。

表2 冷源設(shè)置Tab.2 Cold Source Settings

⑷冷卻塔免費供冷系統(tǒng)：本項目地下商業(yè)存在全年空調(diào)冷負(fù)荷。在冬季和過渡季對該部分的空調(diào)系統(tǒng)采用冷卻塔免費供冷系統(tǒng)，空調(diào)水系統(tǒng)采用分區(qū)兩管制實現(xiàn)切換。項目在設(shè)計工況下，冷卻塔的供冷能力滿足房間的冷量需求。

⑸分層空調(diào)：本項目根據(jù)各館功能空間需求，不同的高大空間采用噴口、地板、旋流風(fēng)口等不同的氣流組織和送風(fēng)方式，實現(xiàn)分層空調(diào)，節(jié)約空調(diào)能源的使用如圖13所示。

圖13 分層空調(diào)控制Fig.13 Layered Air Conditioning Control

3.2.5 監(jiān)測系統(tǒng)

本項目基于BIM 信息模型的展示平臺，除在地下車庫設(shè)置了與排風(fēng)設(shè)備聯(lián)動的CO 濃度檢測裝置、在各功能房間內(nèi)設(shè)置了控制室內(nèi)主要空氣污染物（n氨、甲醛、苯、總揮發(fā)性有機物、氡、PM2.5、PM10）的濃度降低20%的檢測裝置外，還設(shè)置了包括能耗檢測系統(tǒng)、用水遠(yuǎn)傳計量系統(tǒng)、水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)、可再生能源監(jiān)測系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，智能服務(wù)等系統(tǒng)。智能導(dǎo)覽與解說，巡檢機器人、服務(wù)機器人、虛擬3D、AI+視屏分析、圖書智能分揀、AI+人工智能運維等現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)建出高效建筑設(shè)施與日常事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升工作的安全性、便利性（見圖14）。

圖14 BIM運維平臺運用Fig.14 Application of BIM Operation and Maintenance Platform

4 綠色建筑三星與超低能耗建筑之間關(guān)系

本項目從安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節(jié)約、環(huán)境宜居的綠色建筑五大體系出發(fā)，采用綠色建筑技術(shù)40項，其中被動式節(jié)能技術(shù)28項，主動式節(jié)能技術(shù)12 項。在運用上述主要技術(shù)手段達到綠色建筑三星標(biāo)準(zhǔn)后，進一步提升建筑的外圍護結(jié)構(gòu)性能，發(fā)現(xiàn)改變外圍護結(jié)構(gòu)保溫層厚度對建筑負(fù)荷與綜合能耗無顯著影響；對空調(diào)系統(tǒng)室外計算參數(shù)、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)、冷源設(shè)計、末端設(shè)計、電氣節(jié)能設(shè)計等計算分析，得到現(xiàn)有綠色三星建筑對比超低能耗建筑的超低能耗建筑綜合能耗33.89%的結(jié)果（見表3）。

表3 綠色三星建筑與超低能耗建筑對比Tab.3 Comparison between Green Three-star Buildings and Ultra-low Energy Buildings

超低能耗建筑需滿足《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 51350—2019》表5.0.4 建筑綜合節(jié)能率應(yīng)≥50%的要求。設(shè)計通過對圍護結(jié)構(gòu)、冷源機組、空氣源熱泵、光伏發(fā)電、照明電氣、空調(diào)管路與水泵、等方面的優(yōu)化改進、同時結(jié)合廣東夏熱冬暖地區(qū)的特點，增加利用地下冷負(fù)荷為過渡季節(jié)提供免費供冷的措施，進過計算比對，達到了超低能耗建筑的要求（見表4）。

表4 超低能耗建筑計算Tab.4 Ultra-low Energy Building Calculation Sheet

5 結(jié)論

超低能耗建筑技術(shù)作為建筑節(jié)能的實際有效的技術(shù)路徑，正在逐漸被關(guān)注，夏熱冬暖地區(qū)未來也會有越來越多的超低能耗、近零能耗建筑出現(xiàn)。綠色建筑、超低能耗建筑應(yīng)因地制宜，結(jié)合地域氣候特點，在不同地理位置結(jié)合項目建設(shè)投資成本增量控制，采取相對應(yīng)的設(shè)計技術(shù)措施體系。通過佛山某文化中心示范項目，對夏熱冬暖地區(qū)的設(shè)計方法總結(jié)得出以下幾點結(jié)論：

⑴實現(xiàn)綠色三星建筑與超低能耗建筑的技術(shù)體系不能片面追求被動式或主動式技術(shù)，應(yīng)綜合包括被動式節(jié)能技術(shù)、主動式節(jié)能技術(shù)及可再生能源利用，充分利用自然資源，是項目綠色節(jié)能技術(shù)運用的綜合平衡。

⑵夏熱冬暖地區(qū)大型文化類公共建筑在規(guī)劃設(shè)計方案階段就應(yīng)充分考慮朝向，體形系數(shù)，建筑本體遮陽、維護結(jié)構(gòu)、窗地比等因素，避免在設(shè)計的初期階段產(chǎn)生高能耗的根本不利因素，導(dǎo)致后期必須采用大量的主動式技術(shù)，通過技術(shù)堆砌達到綠色節(jié)能建筑的目的，造成資源浪費。

⑶夏熱冬暖地區(qū)陽光照射時間周期長，照射強度充足，有別于其它氣候地區(qū)。采用高性能的光伏發(fā)電技術(shù)可有效結(jié)合地域氣候特點，充分利用自然資源，降低化石能源消耗量。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，工程造價也逐漸降低，經(jīng)濟效益顯著。