綠色市政建筑模擬評價及優化設計研究

徐 潔， 于中海， 于利娜， 劉緒為， 孟海迎

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津，300381）

越來越多的市政水廠綜合樓轉型提升，根據當地規劃要求進行綠色建筑設計。通常情況下，市政水廠綜合樓作為水廠輔助生產、行政辦公建筑，主要功能有化驗、行政辦公、生產控制、食堂廚房、庫房等，一般建筑面積為1 000～3 000m2，2～3 層。本文根據近年來出臺的相關政策及指導意見，以河北省某大型市政水廠配套綜合樓為例，進行綠色市政建筑性能化模擬研究，闡述其綠色評價指標及計算方法，通過綜合評估，達到綠色建筑設計標準。

1 設計評價指標及標準

綜合樓建筑面積為2 334 m2，3 層。根據河北省規劃要求“建筑按照二星級以上綠色建筑標準進行建設”。

綠色市政建筑設計評價指標以“熱”、“聲”、“光”為代表性指標。

1）熱”主要是建筑圍護結構熱工性能及能耗的評價，是從綠色建筑資源節約的綠色性能出發，對建筑負荷和建筑能耗進行模擬研究。

2）“聲”主要是室內聲環境的評價，是從綠色建筑健康舒適的綠色性能出發，對室內背景噪聲、室內構件隔聲進行模擬研究。

3）“光”主要是室內光環境的評價，是從綠色建筑健康舒適的綠色性能出發，對室內利用天然采光的效果進行模擬研究。

因此，以二星級綠色建筑等級為目標，對建筑圍護結構熱工性能及能耗、室內聲環境、室內光環境3個主要性能指標進行模擬分析并優化設計，達到綠色建筑設計指標要求。

2 設計軟件性能化模擬研究與設計優化

2.1 建筑冷暖負荷

在預評價階段采用建筑節能設計分析軟件PKPM和建筑能耗模擬分析軟件PKPM-Energy，通過建模計算綜合樓體型系數、圍護結構傳熱系數、氣密性等熱工性能指標，以此來優化建筑圍護結構熱工性能，降低建筑全年冷暖負荷。空調系統形式主要為雙管制風機盤管系統，冷熱源為水源熱泵。見圖1和圖2。

圖1 設計建筑負荷分布比例

圖2 設計建筑各構件負荷分布

冷暖負荷與圍護結構的熱工性能有密切的關系[1]。寒冷地區節能標準對非周邊地面傳熱系數指標沒有限定性要求，一般地面做法即可滿足節能設計要求，但在建筑負荷評估中無法滿足綠色建筑指標要求。因此，以二星級為指標，進行了設計優化，除了外墻、屋面、外窗等需要達到節能標準指標以外，非周邊地面和周邊地面都采用地面保溫做法。對于沒有地下室的建筑，底層房間外墻內側的地面都需要設置保溫層；對于有地下室的建筑，從與室外地面相平的地下室外墻算起，2 m及以下范圍都做保溫，這樣才能保證在冬季達到設計室溫的前提下，降低建筑全年供暖空調負荷。見圖3和圖4。

圖3 建筑逐月負荷對比

圖4 建筑全年負荷對比

由圖4 可知，優化設計后的建筑節能率達到了19%，滿足二星級綠色建筑供暖空調負荷降低10%的要求，根據GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》9第7.2.4條第2條款，本項目得分為15分。

2.2 建筑能耗

空調和照明系統是建筑的主要能耗，在預評價階段通過建筑能耗模擬分析軟件PKPM-Energy，對主要空間的空調使用情況和照明功率密度進行評估分析。

空調能耗與全年負荷變化情況有關，對建筑全年空調負荷分布規律進行分析，為空調設備的優化配置提供依據。照明能耗與人員在室率和電器、照明逐時使用率有關，對主要使用房間的照明功率密度和電器設備散熱量進行模擬分析，為主要功能房間的照明能耗優化提供依據。

對建筑照明進行設計優化，以最大限度利用自然采光為原則[2]，采用辦公智能照明控制系統和分區控制等技術手段，如：根據不同場所狀態自動感應調節照度，在走廊、衛生間通過人體紅外感應自動打開、關閉燈光等。

冷熱源為水源熱泵，統籌設置在地下廠房內，水泵能耗不計入綜合樓能耗。采用自然通風，未設置新風系統，風機能耗可以忽略不計。

從經濟性和技術角度出發，合理選擇和優化空調、照明系統，見圖5。

圖5 建筑能耗分布

由圖5 可知，優化設計后的建筑能耗降低幅度達到了10.7%。根據GB/T 50378—2019第7.2.8條，本項目得分為5分。

2.3 建筑聲環境

2.3.1 室內背景噪聲

預評價階段，利用聲環境模擬分析軟件PKPMSoundIndoor模擬室內聲環境，評估主要功能房間的室內噪聲[3]。

確定分析范圍內需要評估的房間，在需要評估的房間設置室外噪聲源，按照類比法采用和結構構件相近的隔聲量數據分別考察外墻、內墻、外窗在不同頻率下的空氣聲計權隔聲量。根據材料的吸聲系數，分別計算每個評估房間在不同頻率下的門、地板、天花板的吸聲量。見圖6。

計算組合墻的有效隔聲量，分析范圍內各個房間的外墻、外窗在不同頻率下隔聲量，計算得到各個房間組合墻的有效隔聲量，根據倍頻程的計算原理，用作圖法進行空氣聲隔聲單值評價量的計算。見圖7。

通過對評估房間進行室內背景噪聲計算分析，所有參與計算的主要功能房間的室內背景噪聲滿足規范中的高限要求[3]；達到了GB/T 50378—2019 中5.1.4條第一款控制項的要求，根據5.2.6條，本項目得8分。

綜合樓距離城市主干道較遠，無交通噪聲干擾，水廠運行設備設置在地下，場地內無明顯噪聲源，通過模擬分析表明，一般圍護結構構造即可滿足室內背景噪聲的指標要求。

2.3.2 室內構件隔聲

預評價階段采用聲環境模擬分析軟件PKPMSoundIndoor 模擬分析，計算主要功能房間的外墻、隔墻、樓板和門窗的空氣聲計權隔聲量，評估構件及相鄰房間之間的空氣聲隔聲性能是否滿足現行國家標準要求[3]。樓板計權標準化撞擊聲壓級的考察按照類比法，采用和設計樓板結構相近的樓板計權標準化撞擊聲壓級數據。

通過對外墻、外窗、隔墻、普通樓板、普通門、透明幕墻的空氣聲隔聲性能以及樓板的撞擊聲隔聲性能進行計算分析，得到建筑構件隔聲結果，見表1和表2。

表1 空氣聲隔聲結果

續表1

所有構件的空氣聲隔聲性能均滿足規范低限和高限平均值的要求[3]；達到了GB/T 50378—2019 中5.1.4條第2款控制項的要求，根據5.2.7條，本項目得3分。樓板的撞擊聲隔聲性能滿足規范中高限值的要求[3]；達到了GB/T 50378—2019 中5.1.4 條第2 款控制項的要求，根據5.2.7條，本項目得5分。

模擬結果表明，常規圍護結構構造能夠滿足空氣聲隔聲的指標。但地磚樓面做法撞擊聲隔聲聲壓級無法達到綠色建筑設計標準控制項要求，因此，以二星級指標進行樓面做法的設計優化，即樓板采取隔聲措施。二層、三層主要使用房間樓板采用5 mm 厚隔聲墊，記權標準化撞擊聲壓級為63～65 dB≤65 dB，達到高限要求。

2.4 建筑室內光環境與視野

預評價階段采用綠色建筑天然采光模擬分析軟件PKPM-Daylight 進行建模和室內采光計算，分析判斷室內主要功能空間的天然采光效果是否達到GB/T 50378—2019的要求。

確定室內結構構造的材料光學性能參數，計算主要功能房間的窗地面積比，模擬分析主要測試房間達到照度標準值（300 lx）的平均小時數。見表3和圖8-圖9。

表3 材料光學性能參數

續3

圖8 照度達標小時數分布

圖9 逐日達標小時數

經模擬評估，室內主要功能空間91.4%面積比例區域的采光照度值不低于采光要求的小時數平均不少于4 h/d，主要功能房間有合理的控制眩光的措施[4]。本項目總共得6分。

由圖8 和圖9 可知，主要使用房間的照度達標的平均小時數在8 h/d 以上，逐日照度達標平均小時數在7 h/d以上。因此，在優化設計方案中，核心是最大限度利用天然采光。在外墻上開窗均勻，提高側窗上沿高度，在部分外墻采用玻璃幕墻，對改善室內照度的均勻性效果顯著，減少照明能耗。不舒適眩光對電腦辦公有很大的影響，電腦屏幕反光極大影響了正常辦公，因此，優化設計方案主要是降低不舒適眩光的影響，主要措施：房間窗前設置可調節的窗簾類織物遮陽簾，窗結構內表面采用淺色飾面，辦公作業面避免直射陽光，工作人員的視覺背景不宜為窗口。對于照明眩光的優化設計，包括室內照明采用間接照明，達到柔和自然的采光效果，室內均勻布置燈具，使空間內光的分布與室內背景環境的亮度差降低。通過模擬評估，本項目內主要功能房間的不舒適性眩光指數最大值均小于限值。

2.5 其他

綜合樓的綠色設計還采取了以下技術手段：節水器具用水效率等級全部達到1級；室外設置下凹式綠地、雨水花園、透水鋪裝等海綿措施；外墻立面選用國家認定的綠色建材；屋面采用無需澆水施肥的滲綠地貼；安全報警、環境監測、建筑設備控制能夠遠程監控并且能夠介入智慧城市。

3 綠色建筑評估結果

依據GB/T 50378—2019 在安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節約、環境宜居等方面的技術要求，在預評價階段控制項全部達標，評分項數達到設計階段基本級的標準。預評價階段總得分72.9，達到綠色建筑等級二星級設計目標。見表4。

表4 評分項及加分項得分

4 結語

1）綠色市政建筑設計要以綠色可持續發展為理念，踐行國家環保發展政策，其對于我國市政領域綠色建筑的推行和發展有著積極的作用和重大的意義。

2）綠色市政建筑性能化的模擬計算和研究，是預評價階段綠建設計的重要技術手段；可以根據設計參數模擬建筑在實際運行后的效果，對設計在經濟、技術方面比選優化的分析評估過程中有更直觀的數據支撐，提高了工作效率。

3）綠色市政建筑的圍護結構熱工性能及能耗、建筑室內聲環境、室內光環境是3個主要的綠色性能評價指標，本文提出了相應的性能模擬方法，通過設計優化手段，達到綠色建筑星級標準的同時，控制建設成本，提升了水廠綜合樓綠色市政建筑設計的社會效益、經濟效益。□■