绿色零能耗建筑设计尝试

【摘要】世界经济发展,资源利用越来越多,人们开始将视线转移到能源的节约和环境的保护之上,建筑设计开始走可持续发展的道路。实现建筑与环境以及人与自然的和谐相处,这就需要我们建筑师对于过去一些传统的设计理念进行反思。绿色建筑的设计理念注重建筑本身的整体性设计以及它与自然的关联,实现人、建筑、自然的和谐统一。本文以华厦科技园万和堂建筑设计为样本,探讨了绿色建筑设计的意义,以及实现绿色零能耗建筑的思路。

【关键词】绿色建筑；设计理念；设计思路；华厦科技园；零能耗；万和堂

建筑设计与施工是建筑工程建设中非常重要的环节。建筑施工不但会导致各种能源消耗,例如,建筑材料的制作加工或使用的能源消耗会占据国家能源消耗的一大部分,建筑施工会造成噪音污染、粉尘污染或是光污染,而且还会产生各种建筑垃圾,例如,废旧材料,废气废水等,对于这些建筑垃圾必须进行处理,而在运输的过程中,就会造成能源压力,产生又一轮的污染。

我国虽然是资源丰富,但是由于人口基数大,所以人均的占有量不足,并且由于社会经济的不断发展,对资源的需求量也不断的扩大。在我国的经济发展过程中,面临的不仅是能源危机,还背负着巨大的生态压力。不可否认的是,我国的建筑行业近几年来已经取得了令人瞩目的成果,但是,在这样高速发展状态下,我国的能源危机也越来越严重,发展绿色建筑已经成为了建筑行业发展的必然要求。

绿色建筑是一种新的建筑设计理念,它要求建筑从设计施工到投入使用后,在其正常的生命周期内,设计合理,施工规范,维护成本低,维护周期短。绿色建筑的基本目标是结合生态性与实用性,促进人与自然的和谐发展。在实际建筑设计中,不但要求创造出安全、舒适、生态的生活空间,与人们的基本生活需求相满足,还要满足环境的承载力,节约资源,做到最大程度的利用资源,同时,还要尽可能的减少对能源的消耗,降低对环境的污染,进而保护生态环境。绿色建筑的建筑设计理念不但能够在一定程度上提高人们的生活居住质量,还能够节能环保,这种设计理念已经成为目前建筑行业发展的一大趋势。

万和堂位于天津华厦科技园东方红路主出入口处,为天津华厦科技园配套项目,初期作为招商使用,后期作为园区的博物馆。该建筑占地2572m2,地下一层,地上五层,建筑面积2180m2,建筑外观以两个四面体简单的几何组合,上面的四面体旋转45°后略作挑出,与下面平放的四面体垂直相交,上虚下实,其功能隐于其中,花岗岩石雕刻的中国印“和”字镶嵌于整个墙面,国内5000余名书法名家书法艺术与建筑融于一体,和谐、和顺、和睦、和畅、和气、和美的寓意尽显于建筑每一细部。同时,在方案设计时,结合建筑的外观设计,巧妙地把太阳能光伏发电技术、被动式太阳能采暖技术、呼吸墙体技术、清水混凝土施工技术、植物降温、地下室土壤冷能等较好应用到其中,建筑实现环保、节能、绿色、零能耗。

1　绿色建筑设计国内外发展情况

1.1　我国绿色建筑的发展

在中国古代就有这样的记载：“上古之世,人民少而禽兽众,人民不胜禽兽虫蛇,有圣人作,构木为巢,以避群害。”文中的“巢”就是最早的绿色建筑——利用自然条件,就地进行取材,对周围的环境不产生消极的作用。

国内绿色建筑被提起并推广是从20世纪后期开始的,并且将绿色节能理念作为绿色建筑的核心进行大力推广。1999年国际建筑师协会第二十届世界建筑师会议在北京召开,并出台了《北京宪章》,其内容中指出要建立人居环境循环体系,应将新建筑与城镇住区的构思、设计纳入动态的、生生不息的循环体系之下,以不断提高环境质量。2001年建设部住宅产业化促进中心研究编制了《绿色生态住宅小区建设要点与技术规程》。2004年科技奥运十大项目之一的“绿色建筑标准及评估体系研究”经过验收。2006年召开了第二届国际智能、绿色建筑与节能大会,颁布了《绿色建筑评价标准》。中国绿色建筑的技术日趋成熟,许多绿色示范工程出现,并对许多公共建筑大力改造,增加了其节能效果。现阶段,国家大力提倡设计、施工节能,将建筑节能效果大大提升,改造和优化现有建筑,使其减少能源消耗,从而达到减少能耗的目的。

1.2　国际绿色建筑发展进程

20世纪60年代美国建筑师鲍罗·索勒里将生态学与建筑学结合起来,由此诞生了“生态建筑学”的概念。1963年奥戈亚的《设计结合气候：建筑地方主义的生物气候研究》中,建筑设计要考虑地域气候,并使两者和谐的理念被提了出来。1969年,麦克哈格的《设计结合自然》提出了人对大自然要负有责任,他提出“要创造一个人性化的城市,而不是一个窒息人类灵性的城市”,他也是首位将生态概念运用在城市设计上的设计师。上世纪70年代石油危机后,许多工业化进程较快的国家,认识到了建筑节能的重要性,并且开始致力于这方面的研究,从此,利用自然能源节能的许多先进技术相继出现。上世纪80年代,节能建筑体系逐步健全,而且广泛应用于英国、德国等工业化程度较高的国家。上世纪90年代后,绿色建筑理念正式步入正轨。

2　绿色建筑设计特征

绿色建筑可以提供给人们一个安全健康的生活工作环境,并且在建筑全生命周期中可以有效地对资源进行利用,减少对环境的影响。

2.1　节约能源和利用可再生资源

利用主动、被动的设计技术,降低建筑能源消耗,如利用太阳能、风能、地热能等可再生的自然能源；应尽可能地选择可再生、易降解的建筑材料,例如竹材料。除此之外,还要保证所使用的建筑材料无污染、无辐射,对材料的质量进行严格控制。

2.2　以人为本

“以人为本”是绿色建筑设计最基本的的原则。在任何绿色建筑中,环境、设备等因素都是由人使用的。绿色建筑设计不能以牺牲人的健康和生活质量为代价来追求节能环保。

2.3　适度

在绿色建筑设计中,不能只依据某些成功的绿色建筑设计案例,一定要做到结合实际,否则就会使成本加大,与绿色建筑设计的初衷相悖。不可否认,绿色建筑也许就会增加一定的成本,但是从建筑物全寿命周期来看,它是有着一定的经济效益的,因此,绝对不能为了保证“绿色”而牺牲经济利益。

2.4　回归自然

对于建筑的外部设计,一定要充分考虑周边的环境,尽可能的做到与其融合,协调一致,进而达到保护生态环境的目的。在具体的建设中,还可以依据气候、地质条件,利用环境提供的可再生能源,利用建筑周边的的水体、植被调节小气候,对热环境进行改善。

2.5　整体设计

绿色建筑设计不能仅仅着眼于局部而不顾整体,要强调整体设计思想,结合气候、经济以及文化等诸多因素进行综合深入分析。例如,使用保温材料和蓄热墙体对于热带地区而言就毫无意义。而对于寒冷地区,窗户的隔热性能如果非常差,用再昂贵的墙体保温材料也不能达到节能的效果,因此整体设计对建筑的节能以及舒适性将会产生很大的影响及作用。

2.6　和谐为主

和谐为主,即注重建筑整个生命周期。建筑作为人类行为的一种存在结果,由于其空间选择、建造过程和使用拆除的全寿命过程存在着消耗、扰动以及影响的实际作用,所以,关注它的生命周期,不仅使它在使用阶段能为人们提供健康舒适且低耗无害的空间,而且在拆除后对环境的影响很小,拆除材料也可以进一步循环利用。

3　绿色建筑推广的必要性

3.1　节约能源和资源,减少二氧化碳污染

建筑行业占我国能源消耗量比重较大,对环境影响也很大。数据显示,地球约有一半的能源用于建筑,而人类从自然界所获得的50%以上的物质原料也用在了建造各类建筑以及附属设施。此外,由建筑造成的空气污染、光污染、电磁污染在环境总污染中占据了1/3以上,人们生产生活所造成的垃圾,其中40%为建筑垃圾。对处于发展中的国家来说,城市人口不断的涌入,对住宅、道路、地下工程、公共设施的需求越多,要求也就提升越多,因此能源的消耗就增大了。在建筑过程中所用的能源,如电能、汽油、柴油等都附带着二氧化碳的产生。目前我国还处于经济迅速发展阶段,对于高质量的生活需求愈来愈强烈,消费增高造成人们对建筑的要求提高,进而人均耗能也越来越高,废弃物就产生愈多,这就和全球倡导的保护环境思想背道而驰。为了在节能的同时降低排放量并保护环境,必须发展新型建筑技术,以提高建筑工程建设的安全性、可靠性、环保性、经济性。绿色建筑将很多新研发的材料、先进的节能手段结合起来运用,将资源能源的利用率有效提高,并有效地降低环境污染程度。毫无疑问,绿色建筑必将成为建筑发展趋势。

3.2　绿色建筑提供更加舒适的生活环境

绿色建筑包括生态建筑、可持续建筑,绿色建筑可以体现完美舒适的生活环境是根据自身的性能取决的。主要包括的部分是：建筑主体、建筑内部、建筑外部及其环境生态性能系统、构成社区绿色健康的稳定生态服务和维护系统。绿色建筑在整体设计中依据科学,合理配置运用绿化、通风和采光的设计中都注重自然化,其围护结构运用耗能少的材料,尤其是太阳能、地热、中水的利用。绿色建材和智能控制等先进技术的运用上,拥有选址的合理规划、资源有效的循环利用、废物排放有效地减量、节能策略有效实施、建筑性能合理运用、建筑环境协和优美六大特点,完全体现人文和建筑、环境以及科技的相应一致。同时由于绿色建筑实施,能够把所有能源有效的运用,根据不同的情况实施,以规划、设计、环境配备的建筑方式着手,利用不同的绿色技术方式有效地增强了建筑室内的舒适性,而且能够保证人们的舒适生活环境,让居民的生活环境质量优良健康。

4　绿色建筑设计方法在万和堂建筑中的运用

建筑设计是整个项目的灵魂,绿色建筑的设计则决定了建筑在多大程度上、多长时间内能够达到绿色的标准。目前来看,绿色建筑的前途依然很曲折,要求我们的建筑师要尽量全面地看待问题,通过前瞻性的设计与新技术的应用,绿色建筑将会在建筑领域大放异彩。

4.1　节地设计

建筑作为一个开放的体系要与周围的环境构成一个统一的整体,所以绿色建筑在选址上应该体现人文绿色与生态绿色,应该因地制宜,结合当地的气候特征和其他地域条件,最大限度地利用自然采光、通风等以减少能耗和污染。万和堂项目为最大限度地得到光照,建筑沿地块一隅,东西向布置,同时,西侧留出较大的公共空间,在不影响建筑使用、舒适度的情况下,充分利用了地下空间,地下空间面积占整个建筑空间的21.1%,以最少的土地面积实现合理、最优化的利用。

4.2　节能设计

我国是经济大国,社会的进步与发展使得人们的生活水平在不断的提升,而这一现象也使得能源消耗与浪费现象日益严重,尤其是当前建筑规模不断扩大的情况下,能源消耗更是急剧上升。据相关数据统计,在社会总能耗当中,建筑物所占的能耗高达46.7%,这就要求建筑师必须重视生态节能,在建筑设计中科学合理的运用能源。

（1）体形设计

在设计绿色建筑的体型时需要对该地区的气候条件、建筑物朝向、结构保温情况、太阳辐射强度等因素充分的进行考虑,同时对于建筑的热量得失也要很好的权衡,最好再将这些因素进行组合与优化。通常情况下,在其他条件都基本相同的情况下,建筑物的耗热量指标会随着建筑体形系数（体形系数是建筑物和大气接触表面积与大气接触所包围的建筑空间体积的比值）增加而增加。正因为如此,在进行节能建筑设计时,要尽可能减少建筑体形系数,一般建筑物体形系数要尽量控制在0.3以下。要通过增加建筑物层数、减少建筑面宽,加大建筑的进深,将建筑平面布局设置为紧凑型,建筑的体形凹凸不能变化太多等措施,来降低或控制建筑的体形系数。万和堂地上建筑外围护面积1888.98m2,体积6807.98m3,体型系数为0.28,北侧只占围护面积的15.5%,绝大部分暴露在阳光照射之下,建筑得热做到了极致,又因建筑外皮做了保温及通风处理,即使接受炎热夏季阳光的直射,对围护结构的保温隔热性能影响也不大。

（2）围护结构的设计

在对围护结构的节能进行设计时,可运用提高并改善围护结构的热工性能来得以实现,比如用真空玻璃技术、外墙保温技术、复合保温技术等使外墙面的热工性能很好的提高；用屋面保温新型材料、种植屋面等形式来使屋面的保温性能有效的提高；尽量采用节能玻璃、节能型窗框,在太阳辐射较强的地区,要尽量采用好的遮阳材料和设备。除此之外,室内气温还会受到地面热工性能的影响,建筑楼地面构造如果设计的较好,就能使其舒适度提高,而且还能降低能耗。

万和堂项目建筑节能按75%设计。墙体、屋面设计成空腔,可呼吸,内层墙体为保温墙体,外层四层以下为花岗岩及保温玻璃幕墙,三层以上为保温玻璃幕墙,两层墙体之间最小为20cm厚的空气层,底部、二层顶部及最高处幕墙可开启,冬季关闭,阻止热量外漏,太阳辐射能量留在空腔内,热空气自动由空腔顶部的风机排入需供暖房间。夏季开启,从底部到顶部形成一个类似贯穿的烟囱,起到一个拔烟的效果,空腔内热气流自然上升,在顶部排出形成穿堂风,有效降低了围护结构的温度,使室内温度得到降低,极大的减少了人们对空调的依赖,达到节能的目的。同时,东西两侧墙体在楼层处挑出檐板,部分檐板上绿植了藤本植物,也起到了吸热、遮阳节能的效果。

（3）绿色建材的选用

传统的建材工业的资源和能源消费高,对于生态环境的污染程度也比较高,难以符合可持续发展的需求,因此在选用建筑材料的时候一定要大力提倡“绿色”理念,并将其落实到建材行业中,加快建材生产和建材产品的绿色化发展步伐。绿色建材指的就是不用或者少用天然资源和能源,大量使用清洁生产技术,及其工农业或者城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性的,在使用期满以后可以回收利用的,对环境和人类健康有益的建筑材料。万和堂在设计中坚持简约理念,尽可能选用对资源消耗低、环境污染小的绿色建材。室内以大空间为主,可根据需要灵活的使用隔断,梁、板、柱使用清水混凝土,幕墙采用天然花岗岩及三层中空LOW—E玻璃、光电转换玻璃,内层墙体选用YL组合砌块、BM轻骨料联锁砌块,地下室墙体及屋顶保温采用稻壳绝热耐火砖、泡沫铝、竹纤维增强塑料复合材料,楼地面采用玻晶砖、竹地板,内装修采用蜂窝板、铝塑复合板,室外地坪采用生泰沙透水砖等。

4.3　节水及水资源循环再利用设计

绿色建筑的节水首先表现在应该大力倡导使用节水型器具；其次应该在适宜的范围内通过技术经济的比较,合理将雨水和污水进行收集处理,循环利用。万和堂项目设计中,卫生设备全部选用节水型,给水设计了中水系统,生活污水经华厦科技园室外管道集中后处理,一部分中水回用冲洗厕所,一部分用来作为景观绿化用水。屋顶及地面的雨水通过室外雨水收集系统导入景观水池。

4.4　地源覆土建筑原理的运用

覆土建筑具有自身的显著优点,如节能节地,微气候稳定,防风、防震、防尘暴,经济和有利于生态平衡及地方文脉的保护等。覆土建筑,充分利用了地下恒湿、恒温的特点,创造了冬暖夏凉的室内环境。这是因为在地表以下3～6m深以下有一条恒温线,它不受气候变化的影响,一般恒定在16～18℃,大多数覆土建筑都是利用该原理进行运作。

万和堂项目在设计中,尽量做到减少建筑运作过程中物质与能量循环的总量,减少人们对采暖与制冷能源的需求,改善建筑实体的热工环境。本建筑地下层建筑面积460m2,层高3.9m,埋深3.6m,中间位置设计了7.2m×8m的共享空间,与首层空间形成一体,并利用建筑南北两侧山墙下设置的下沉式庭院以及小天井窗口,实现既可采光,又可通风,减轻了人们对地下空间的心理不适,使地下层使用的人没有在地下的感觉,而且还可以享受到自然通风及阳光的直接照射。地下室内的湿气对室内环境影响很大,一般将其通过管道排至室外,万和堂在设计时地上各层都设计了与地下室底部直通的暗装管道,上层如需要冷湿空气时,可直接开启风机,通过暗装在墙体及架空楼板内的管道将冷湿空气送进上层房间,送风口均匀布置在混凝土楼板内,向下送风（类似风扇加冷湿风）。同时,风机通过管道也把上层的热干空气送入地下室,地下室地板又不断地吸收其下部土壤层的冷量,这样循环往复,昼间连续运行。加之梁板柱为清水混凝土,与地下室地板联在一起,混凝土为热惰性强的材料,蓄能（热能、冷能）能力很强,导热系数仅为1.7W/M.K,地下的冷源一部分也会通过混凝土结构体传至地上各房间,房屋楼板、墙体装修材料设计成重质材料,夜间蓄存了一定的冷能量,这就有效地降低了夏季室内温度,极大地降低了空调的使用率,空调为多联机组,每层分设,只作为极端热天气时辅助使用。

4.5　被动式太阳能采暖技术

一般在利用太阳能的建筑中,太阳能利用分为两种方式：一种是被动式太阳能,另一种是主动式太阳能。所谓被动式太阳能,是指利用太阳能提供室内供热,而无需其他机械装置提供能源,被动式太阳能系统依靠传导、对流和辐射等自然热转换的过程,实现对太阳能的收集、储藏、分配和控制,被动式太阳房最基本的工作机理是所谓“温室效应”。被动式太阳房的外围护结构应具有较大的热阻,室内要有足够的重质材料,如砖石、混凝土,或蓄水箱,以保持房屋有良好的蓄热性能。而主动式太阳能与被动式太阳能正好相反,它是利用机械装置来收集、储藏、分配和控制太阳能热量的方法,如太阳能热水器等。

万和堂建筑北侧为18层高的公寓房,是一阻挡严冬北风的天然的屏障,其他三面视野开阔,对该建筑无任何遮挡,这就为太阳能的利用提供了良好的外部条件。建筑为45°两坡屋顶,建筑东西向布置,南面及东西倾斜的大坡屋顶全部暴露在阳光照射下。万和堂建筑采暖系统设计成被动式太阳能系统,856m2玻璃屋顶,与其内结构层围合成一个高11.78m的尖塔状阳光室,外围护玻璃设计成三层中空保温玻璃,太阳光通过玻璃进入阳光室,室内尖塔顶部设一风机,风机管道与各层房间相通,当顶部室内空气温度升至20℃时,温控伐启动风机,热空气自动分配,分别排至下层各房间,热量直接或间接被墙体、梁、板柱（这些材料均为导热系数较大的重质材料）吸收储存,本工程使用的混凝土约810m3,页岩砖5880m3,储存了大量的能量。日间还可以开启阳光室与房间相通的采光窗直接供暖,夜间由墙体、梁、板柱储存的余热缓慢释放。夜间或阴天太阳热能不足时,使用空调系统保证供暖。

4.6　太阳能光伏板供电系统系统

天津地区属于光伏光照国家分类中的II类地区,光照比较充足,属于比较适合进行太阳能发电的地区,太阳能光伏发电系统是利用电池方阵,以光生伏打效应的原理制成的,将太阳能直接转化为电能,具有安全可靠、无污染、无噪声、无需燃料、无机械转动部件等优点,并且不受地域限制,规模大小很灵活,与建筑结合方便,建站周期短,故障率低,维护简便,是21世纪最重要的新能源之一。

万和堂屋顶面积856m2,采用265W单晶硅电池组,平均每天有效标准光照数为3.8～4.8小时,取太阳光年总辐射量6000MJ/m2,光电转换率28%,系统转化效率80%,年发电量约为19.4万度,本建筑耗电量为约9.4万度,还余约10万度。在晴朗的白天,太阳能电池板阵列将太阳能转化为直流电力,再经由逆变器转变为可为用电设备供电的交流电力,发电电力大于用电设备的消费电力时,剩余电力将被返送回华厦科技园电网,物业公司将依据售电电能表记录的数值支付给用户相应的费用。在多云或阴雨天气的白天,太阳能系统根据实际的日射量仍可以发电,但此时发电量较少,当用电设备消费电力较大时,不足部分将由华厦科技园电网补充提供。在夜晚太阳能发电系统不提供电力,用电设备由华厦科技园电网供电。

4.7　建筑节能照明设计

绿色建筑节能照明设计是非常重要的设计元素,随着人们环保意识的提高,绿色照明逐渐提上节能设计的主要议程上来。所谓绿色照明即充分的利用自然光,尽量少使用人工采光。大量的实践证明,采用光反射装置可以有效的提高室内的采光度,不但能有效的提高采光的质量,而且可以增加室内的空间感。当然,绿色照明不是没有边际的采用自然光,要充分的考虑自然采光与少量增热之间的关系,做到一种均衡的发展。万和堂项目除了使用自然采光之外,必须使用采光照明时,尽量选择低能耗、高亮度的LED灯具,尽量使用节能灯。能源节约设计还可以采用灯具的控制装置实现,通过声控或者红外线控制,实现有效的能源利用。

5　结语

在绿色建筑设计时要把能源、资源的节约融入当中,有效的增大资源和能源的运用效果。还有在绿色建筑设计要把环境的气候条件、地形、地势相互结合,和周围环境形成完美有机系统,实现自然、建筑和人协调一致。天津华厦科技园万和堂项目,为绿色建筑建设提供了一个很好的案例,但建设成本,运行参数,以及建成的实际效果,还需要在今后运行中分析总结,还需要改进和提高。绿色建筑在诸多节能物质中是一种宏大的个性创新,用很少的一种成本来对能源加以控制,但是自然中对于绿色建筑附属的软件物体来说,比如说自然的破坏等,都会给建筑师带来设计上的思考,因此,在当今的建筑设计中更多的应用一些新材料和新技术以及新的设计方法,利用自然中景观与建筑本身的和谐结合,实现真正的绿色建筑。

注：原文发表在2015年第11期《华中建筑》,2015年7月2日《中国建设报》