夏熱冬冷地區公共建筑的綠色節能優化措施淺析

鄭 琳, 張 煒, 金翔宇

(四川大學建筑與環境學院深地科學與工程教育部重點實驗室， 四川成都 610065)

夏熱冬冷地區公共建筑的綠色節能優化措施淺析

鄭 琳, 張 煒, 金翔宇

(四川大學建筑與環境學院深地科學與工程教育部重點實驗室， 四川成都 610065)

為應對全球氣候變化，能源短缺的問題，綠色節能建筑成為建筑設計領域里研究的熱點方向。而公共建筑能耗高，節能潛力大。特別是圖書館建筑存在著巨大的節能空間。文章以成都地區某圖書館為例，淺析了公共建筑節能設計的方法。文章在原有的建筑設計基礎上，對圖書館建筑進行了綠色節能改造。結合圖書館建筑類型的特點從主動式設計與被動式設計兩個方面進行合理設計。并且對圖書館建筑進行了軟件能耗模擬分析與節能措施經濟性計算，更加直觀的得到綠色圖書館建筑的節能效果。文章對夏熱冬冷氣候條件下圖書館類型建筑的設計具有重要指導意義。

公共建筑； 綠色建筑； 圖書館； 節能改造； 節能技術； 計算

隨著氣候變化與能源的匱乏，資源與環境成為人們越來越重視的問題。對綠色建筑的研究是節約能源提高能源利用率的一種有效手段。在既有建筑能耗中，公共建筑的能耗問題尤為突出[1]。因此未來的建筑學不僅僅要考慮建筑本身的安全性、實用性、美學性，更要將“綠色，節能”的概念深入到設計中去。綠色建筑即在建筑的全壽命周期內，建筑的設計可以最大程度的節約資源、保護環境和減少污染[2]。能夠為人們提供健康、舒適，與自然和諧共生的建筑。綠色建筑并不是指一般意義的在建筑上實施綠化手段，而是復合現代建筑設計的一種潮流。又稱為可持續發展建筑、生態建筑、節能環保建筑[3]。

公共建筑的節能設計要遵循相應的法律法規節能設計標準和相關的節能要求。同時在設計中要注重建筑的熱工設計與空調設計[4]。要遵循以人為本的理念，最大程度的節能，并且保護環境。隨著人類進入信息化社會，傳統的圖書館設計已經落后于時代的需求，所以要以可持續發展的思想設計新型現代化的綠色圖書館建筑[5-6]。

綠色圖書館建筑要追求自然、健康、低能耗、無污染的特點。其中，綠色的含義有四點：第一，節能。即在綠色圖書館的設計中，可以利用到可再生能源與清潔能源；第二，節地。即在綠色圖書的設計要充分利用已有空間，做到空間利用最大化；第三，節水。在綠色圖書館的設計中，要充分回收水資源，循環使用水資源；第四，節材。即在綠色圖書館的建造中，要節約材料，使用無污染無輻射的建筑材料，減少廢棄物的污染，增加廢料的可重復使用率，不破壞生態平衡。除了這四點，綠色圖書館的設計還要考慮室內空氣品質，要保證圖書館內人員的舒適度[7]。圖書館是人們獲取知識和學習的重要場所，是文化傳播的載體。現代圖書館的功能已經不僅僅是閱讀作用，更是信息交流、舉辦講座、知識培訓的場所，對圖書館的綠色節能設計研究具有重要的意義[8-9]。本文針對夏熱冬冷氣候條件下的圖書館建筑進行了建筑節能設計改造，在原有基礎上，通過主動式技術與被動式技術兩個方面進行了最大程度的綠色節能設計。

1 建筑概況與地域性氣候分析

該圖書館位于四川省成都市四川大學江安校區，屬于夏熱冬冷氣候區。亞熱帶季風性濕潤氣候，雨量充沛，日照較少。該棟圖書館的外形設計和空間布局如圖1所示，建筑北向為湖。建筑面積為8 630 m2，梯形結構。建筑設計各部分之間相互分割，但又緊密聯系，各個流線自然順暢，營造出一種多變的空間秩序。

圖1 圖書館外觀與空間布局

根據ECOTECT軟件得到該位置的氣候條件(圖2)。成都的年平均氣溫是16.5 ℃，年平均降雨量為904 mm，年平均相對濕度為84 %。全年主導風向為東北東(NNE)，根據風向圖得到建筑設計的最佳朝向為東偏南68.5°～71°。通過焓濕圖分析可知，通風占據很大的能耗負荷。著重改善通風這一措施，可以有效的提高節能效果。所以在該圖書館的綠色節能設計中，要著重考慮通風。根據《民用建筑熱工設計規范》，在設計中夏季放熱是節能設計中的重要環節[10]。根據特定的氣候條件與軟件分析，在圖書館的綠色建筑設計上會突出自然通風、太陽能輔助式熱源與相變蓄冷圍護結構這三種技術。

圖2 氣候分析

2 被動式節能技術

被動式節能技術是指以非機械電氣設備干預手段降低建筑能耗的技術，在具體的建筑設計中，主要通過對建筑朝向的設計、遮陽的設計、利于自然通風的設計等手段和措施[11]來實現節能的目的。在被動式節能技術的設計中，還要考慮到美觀和與自然的協調性。對于綠色圖書館的設計來說，還要滿足人體的舒適性和空間布局的合理性，室內空氣的新鮮與干凈，營造出一個合適大家閱讀的良好的環境[12]。在此次的設計中，被動式設計主要有圖3所示的三個方面。

圖3 圖書館被動式綠色技術設計

(1)入口處的設計。入口處設計成架高的凹字形，高度差造成空氣溫度的不同，從而與周圍的湖面形成熱壓，帶來自然通風。入口周圍裝有雨水收集系統，收集夏季的雨水并用于自然循環，能夠有效的節約雨水資源。在入口平臺處安裝有發電地磚，它可以從行人腳步的踩踏中收集機械能，并轉化為電能，收集到的電能加以利用到路燈系統中。

(2)中庭玻璃空間的設計[13]。中庭玻璃空間，要比屋頂高出2 m，類似于風帽設計。玻璃材料使用low-e玻璃，中庭頂部透明，這樣在增大自然采光的同時，不增加太陽輻射，從一定程度上降低空調的熱負荷。并且，在柱體的側面安裝通風百葉窗，再加上圖書館內部上升的熱氣流與風口處較冷的空氣形成熱壓，這兩個方面都增強了自然通風。

(3)屋頂上的會議室，在圍護結構的設計中，將相變蓄熱材料滲入到現有的建筑材料中，制成相變蓄能圍護結構，增加了圍護結構的蓄熱功能，減弱室內和室外的熱流波動幅度，改善房間的熱性能，提高了舒適度，降低了空調設計符合和運行能耗。并且在相變蓄熱墻體中設置風道，利用夜間通風，在冬季將墻體白天的蓄熱帶進室內，在夏季可以將室內的熱量帶出室外。

3 主動式節能技術

主動式節能技術是指通過可再生資源利用減少電能的消耗。在對圖書館的主動式技術設計方面主要有圖4所示的三個方面。

圖4 太陽能輔助式水源熱泵系統

(1)在該圖書館的設計中主要使用了太陽能輔助式水源熱泵系統，末端采用毛細管輻射吊頂的模式。水源熱泵系統加太陽能輔助熱源，因地制宜，充分利用了圖書館旁邊的可再生能水資源。當冬季溫度比較低的時候，湖水的溫度也會降低，這種低溫的水進入系統換熱后，換熱溫差增大，就會有脹裂管道的危險，從而影響整個系統的運行，為防止這種故障發生，一般的熱泵系統都會設置進水溫度保護裝置，當水溫低于設定值時，機組保護停機，水溫恢復到設定值以上時，機組重新開機。如果水溫反復變化，機組就會出現頻繁的開停機，嚴重影響機組的壽命，也影響建筑物的空調效果，這種情況就可以采取輔助熱源的形式保證機組的正常運行。

(2)根據氣候條件用太陽能輔助熱源。冬季時，太陽能用于輔助水源熱泵進行換熱，并可以提供圖書館內少量生活熱水的供應。在夏季時候，太陽能集熱器可以進行開水箱的預熱，節約了一部分電能。在過渡季節采用獨立的全新風系統，全新風系統給圖書館內部空間帶來良好品質的空氣，提高人們的舒適性與閱讀體驗。

(3)空調系統的末端采用毛細管網輻射吊頂系統。該系統可以創造出“頭冷腳熱”的環境，更加舒適，沒有冷風感。該系統的能耗是其他常規空氣系統的十分之一。毛細管網輻射過程的持續發生，能不斷調節人體與室內家具其他物品表面溫度，就像皮膚中的毛細血管一樣柔和的調節室內溫度，從而滿足人體高舒適度要求。

4 節能計算與可行性計算

該建筑的空調制冷系統有三種備選方案，第一種為吸收式制冷機組；第二種為水源熱泵；第三種為水冷式冷水機組結合燃氣鍋爐。三種方案分別的經濟性分析如下。

(1)A方案。選用2臺吸收式制冷機組(總制冷量為 950×2=1 900 kW總制熱量為630×2=1 260 kW)夏季制冷主機配電負荷為5.2×2=10.4 kW，輸配系統配電負荷為71.4×2=142.8 kW，系統總配電負荷為153.2 kW。冬季采暖主機配電負荷為5.2×2=10.4 kW，輸配系統配電負荷為52×2=104 kW，系統總配電負荷為114.4 kW。全年總配電267.6 kVA。

(2)B方案。選用3臺螺桿式水源熱泵機組(總制冷量為630×3=1 860 kW，總制熱量為 504×2=1 008 kW)夏季制冷主機配電負荷3.4×3= 10.2 kW，輸配系統配電負荷為98 kW，系統總配電負荷108.2 kW。冬季采暖配電負荷為2.9×2=5.8 kW。系統總配電需58 kVA。全年總配電需166.2 kVA。

(3)C方案。選用冷水機組3臺，鍋爐1臺(總制冷量為700×3=2 100 kW，總制熱量為1 000 kW)夏季制冷主機配電負荷92×3=276 kW，輸配系統配電負荷為165 kW，系統總配電負荷為441 kW。冬季采暖鍋爐配電負荷為4.4 kW，輸配系統配電負荷為96.8 kW，系統總配電負荷為101.2 kW。全年總配電需542.2 kVA。

根據《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》太陽能熱源能耗計算，太陽能集熱器總面積計算如下：

(1)

系統年節約能量效益評估：

(2)

全年節能費用計算如下：

(3)

其中：C為水的比熱容；Q為平均日熱水量；Tr為集熱器進口工質溫度；Ta為環境溫度；f為太陽能保證率；Jt為年平均日太陽輻射照量；ηt為熱損失率；ηcd為集熱器效率；L最高日用水定額

由計算分析得到方案B的全年配電量最小，因此選用該方案是最節能的。即該棟建筑的空調制冷系統采用水源熱泵系統，并且結合太陽能輔助熱源。

5 結論

在圖書館的建筑設計上，采取整體迎湖面縱向退臺式設計和橫向流線型設計，加強了自然采光與通風。屋頂中庭采光天井采用low-e玻璃，在增加采光的同時減少了太陽輻射，降低了室內的空調冷負荷，達到了節能的目的。太陽能熱源輔助水源熱泵中央空調系統有效的節約了電能的消耗，毛細管網末端保證了室內的空氣品質和環境。

基于可行性分析與計算得到，該圖書館的設計在節能后能夠有效的節約電能。這種以被動式節能技術為主，主動式節能為輔的綠色節能設計，能夠解決圖書館建筑類型能源消耗比較大的問題。但是目前制約公共建筑節能改造的主要問題還是成本問題。一方面，建造圖書館的造價比較高；另一方面，綠色節能設計中用到的節能材料往往造價很高。所以在進行綠色圖書館節能設計時不僅要嚴格負荷公共建筑節能設計規范，更要考慮建筑技術的可操作性。

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國家自然科學基金資助項目(編號：51508352)；深地科學與工程教育部重點實驗室(四川大學)開放課題基金資助項目(編號：DUSE201702 )；成都市科技惠民項目 (編號：2015-HM01-00244-SF)

鄭琳(1993～)，女，碩士研究生。

張煒(1981～)，男，博士，副教授，研究方向為建筑節能技術與可再生能源應用。

TU201.5

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[定稿日期]2017-06-24