面向運營的綜合節能設計策略在會展建筑設計中的應用

0 引言

我國建筑總能耗約占社會總能耗的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28.0%[1]。大型公共建筑的節能降耗對我國的節能事業具有重要意義。

我國綠色建筑標準已更新到第3版，綠色建筑理念已逐漸滲透到建筑行業的各個領域。對于建筑設計行業來說，尋找適合綠色建筑的新設計理念和方法將成為行業競爭的發展方向。

本文以深圳國際會展中心項目為例，探討以舒適和高效為最終目的，以節能為導向的建筑整合化設計方法，注重技術的應用，從工程實際出發闡述性能化分析技術與被動式建筑設計技術的融合，優化傳統設計流程，提升設計品質，適應綠色建筑的發展。

1 項目概況

項目位于深圳，占地約125萬m2，集展覽、會議、商務、餐飲、娛樂、體育等多種功能為一體，總建筑面積約154萬m2，包括16個2萬m2的標準展廳、2個2萬m2的多功能展廳、1個5.3萬m2的超大展廳及2個6.6萬m2的登錄大廳，見圖1。

注：C1～C4、C6～C9、A1～A4、A6～A9 為標準展廳；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 項目展廳分布

2 技術路線

會展類建筑具有體量大、功能復雜、人流密集、建筑用能負荷變化大的特點。該項目以節能為導向進行建筑整合設計，將可持續設計理念融入建筑設計中，并對目標進行細化和分解，基于建筑的地域和氣候特點，在建筑的平面布局、空間形體、圍護結構、機電系統等各個設計環節中，采用恰當的建筑節能技術措施。

實現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涉及到建筑設計方面的多個要素。分析建筑設計的各要素，考慮各要素之間的相互關系并理清相關性，優化設計并融合建筑與各項節能技術措施，是系統性地解決建筑綜合節能的關鍵。

建立以目標為導向的全過程技術控制策略。根據該項目的各項目標，如：綠色建筑、物理環境優化、水資源高效利用、綜合節能等，將目標按照技術要求及建筑組團層面分解到各個專業，并通過專項任務書進一步落實到單體的施工圖設計。初步設計及施工圖設計階段通過外部及內部專家審查確保設計質量，并進行施工階段的專項施工方案落實；竣工驗收階段通過單項驗收及綜合性能驗收保證項目最終完美呈現；最后，通過后評估及運行策略優化確保項目長久良好運營。具體流程見圖2。

該項目于2019年獲得國家綠色建筑二星級標識、英國BREEAM三星級標識、美國LEED金級標識。

該項目綜合利用多項業界領先的綠色技術，測算得年節約用電2 630萬kW·h，年節約用水42萬t，年減少碳排放1.3萬t，相當于節約標準煤3 300 t。

采用的綠色技術(節選)如表1所示。限于篇幅，本文僅對部分技術進行介紹。

表1 采用的綠色技術(節選)

2.1 圍護結構節能設計

根據《中國建筑節能年度發展研究報告2008》，太陽輻射透過外窗進入室內的熱量占夏季冷負荷的1/3，其余熱量為：1) 室內發熱量和通過圍護結構的傳熱量；2) 通風系統的傳熱量。在夏熱冬暖地區，外遮陽系統對于降低冷負荷顯得至關重要。

通過設置遮陽系統，可以有效降低室內太陽輻射得熱，東西向遮陽優化結果如圖3所示。

無屋頂遮陽時，全年累計太陽輻射得熱量東立面為537.87 kW·h/m2，西立面為575.34 kW·h/m2；有屋頂遮陽時，全年累計太陽輻射得熱量東立面為151.42 kW·h/m2，西立面為260.88 kW·h/m2；有遮陽與無遮陽相比，太陽得熱量東立面下降71.85%，西立面下降54.66%。設置遮陽對于降低室內太陽輻射得熱量非常必要。

此外，該項目南北向進深較小，東西向進深較大。為兼顧遮陽及采光要求，根據遮陽系統所處的位置及環境進行了優化，西立面、南立面采光優化結果如圖4所示。

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

根據圖4優化結果，該項目選擇在東、西側采用不透光水平遮陽，南側采用透光率為15%的水平遮陽。

綜合考慮外窗熱工及屋頂隔熱等節能措施，該項目綜合負荷降低達12.66%(基于深圳市強制節能標準)，經測算，僅此一項措施年可節電約440萬kW·h。

2.2 室內自然采光與照明設計

會展建筑因室內布展的需求不同，需要設置不同的室內光環境。既往項目往往采用人工照明解決這一問題，既不符合在室人員健康需求，也不節能。有研究表明，如果未能正常感受自然光線，人體內的節律鐘可能受到干擾甚至偏離正常節律，從而導致睡眠障礙[1]。

該項目采用自然光和人工照明結合的方式進行室內照明，根據室外自然光全天的變化情況，制定室內的照明策略，標準展廳室內照度模擬結果如圖5所示。

圖5 標準展廳室內照度模擬結果

結合室內自然采光的效果，制定室內照明控制策略，如圖6所示。

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

項目采用智能燈光管理系統實現燈的啟動與關閉，應用多種燈具調光技術對不同電氣特性與光照特性的燈具進行調光控制。依據展館內的照明需求，使用高效LED燈具結合DALI單燈調光技術對展廳照明進行控制，最大化利用自然光照明，合理調節人工照明的啟閉與亮度。

除智能控制之外，為最大化節能，該項目在展廳非精裝區域均采用高效LED燈具，共設置燈具約4 200盞，功率共計約1 000 kW。與傳統90 lm/W的LED燈具相比，高效LED燈具光通量可達142 lm/W，壽命長達5萬h以上，相對節約電能75%，累計年減少用電151.9萬kW·h。

2.3 過渡空間的降溫設計

大型建筑中往往存在較多過渡空間，這些空間雖非辦公場所，但卻是人經常活動的區域。該項目設有一條貫穿南北的連廊，總長度1.7 km。建成后，該區域將成為各個展廳之間的連接場所。但由于場地限制等其他原因，該區域無法安裝空調，故提出采用加強機械通風緩解該區域的熱環境。為驗證機械通風對熱環境的改善作用，進行相關分析如下。

1) 分析標準。

相對于常規的非人工環境，該項目的連廊屬于人員快速通過的區域，非長久停留區域。本文探討的是人員短暫停留區域的熱舒適問題，故參照GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[2]進行分析，該標準引入APMV指標對非人工冷熱源下的熱濕環境進行評價，其定義為

(1)

式中λ為修正系數，PMV≥0時取0.21，PMV<0時取-0.49。

評價等級對應的APMV見表2。

表2 評價等級對應的APMV

該項目也參考了美國ASHRAE 55-2013[3]標準的相關要求，該標準采用PMV作為熱舒適度的評價指標。

PMV是評價人體熱反應的指標。在非空調環境下，人的熱舒適反應與傳統的適用于穩態空調環境的PMV指標預測值存在一定偏差，Fanger教授提出了在溫暖氣候條件下非空調房間PMV修正模型，引入了一個值為0.5～1.0的心理期望因子e來修正當量穩態空調條件下計算出來的PMV，即PMV′=ePMV。

根據深圳的氣候特點，e的取值為0.9。

根據ASHRAE 55-2013可知，適宜長時間停留的體感溫度上限為31.5 ℃，對應PMV=0.9。

2) 模擬分析。

限于篇幅，本文僅對連廊部分的自然通風+機械通風工況進行描述。為進一步增強通風對熱舒適度的改善作用，比較自然通風+機械通風與純自然通風的差異，從而找到利用自然通風的極限條件。圖7顯示了PMV及APMV的模擬結果。

圖7 PMV及APMV模擬結果

通過分析可知，當室外天氣晴朗、溫度達到29 ℃時，利用風道加強空氣流動，可以使得風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GB/T 50785—2012《民用建筑室內熱濕環境評價標準》評價，已達到Ⅱ類標準的上限；按照ASHRAE 55-2013標準評價，PMV指標略高，但仍在可容忍范圍內，已基本達到人員長時間活動的極限舒適度。

圖8顯示了室內溫度及風速模擬結果。由圖8可見，風管下方多數人員活動區域溫度介于30～31 ℃，風速介于1.0～4.5 m/s，可以滿足日常的人員活動需求(再增加機械送風會導致風速超過人體舒適上限)。

圖8 室內溫度及風速模擬結果

圖9、10分別顯示了4—10月09:00—17:00的逐時溫度和相對濕度。通過分析可以發現，4—10月09：00—17:00溫度<29 ℃、空氣相對濕度<70%的時長共353 h，占比為18.32%。

圖9 4—10月09:00—17:00逐時溫度分布

圖10 4—10月09:00—17:00逐時相對濕度分布

由于空氣流動加強，人體在室外對相對濕度的敏感度有所降低[4]。若放寬相對濕度上限至80%，采用機械通風則有望解決41.40%時段的熱環境問題。可見機械通風可以改善區域熱環境。

2.4 建筑中能量傳遞和機電設計的有機整合

將建筑與其使用功能融合，是建筑機電系統設計的首要任務，也是降低建筑能耗的主要保障。會展建筑不同于常規辦公建筑，其功能更復雜。會展建筑空間布局上高度不高、底面積較大，因此圍護結構得熱負荷大，受季節影響較大，從而導致空調負荷全年峰谷差異較大。該項目預計將有10年的培育期，期間展館的使用率將穩步上升。空調負荷受展館使用率的影響較為顯著。故從運營經濟性的角度考慮，應努力使空調系統高效運行在各個負荷段，從而適應不同情境模式的運行需求。

在前期策劃階段，通過分析不同使用場景組合下的全年逐時負荷特性(見圖11)，為項目機組選型提供參考。考慮到建筑平面布置、后期運營管理的便捷性，該項目從南到北設置5個制冷站，提高空調系統在小型展覽期間的能效，減少空調系統輸送距離，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)為標準展廳供冷，2#、5#制冷站(各制冷站制冷量均為31 672 kW)為標準展廳及登錄大廳供冷，該項目的制冷站分布見圖1。

圖12顯示了2個標準展廳全年的冷負荷區間分布。由圖12可以看出，標準展廳的負荷介于30%～70%總負荷的占比最高，累計占比達到48.34%。

圖11 不同組合下的全年負荷

圖12 2個標準展廳全年冷負荷區間分布

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

以未設蓄冷的3#制冷站為例，在只供應2個標準展廳的情況下，其最低負荷段對應的冷負荷為1 270.2 kW，1臺2 813 kW的離心式冷水機組(變頻)可處于較高效運行狀態，如圖13所示。

圖13 制冷量為2 813 kW冷水機組COP曲線

通過圍護結構優化、機電系統整合及運營策略調節，項目實現了較大幅度節能降耗。eQUEST軟件8 760 h動態模擬結果顯示，該項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]所規定的A類一般購物中心(最為接近的業態)引導值的70%；相較于美國大型會展類建筑的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營能耗得到)降低幅度約為53.25%。

3 結語

深圳國際會展中心是亞太地區首個達到國家二星級、美國LEED金級、英國BREEAM三星級的會展類建筑，也是目前世界上單體面積最大的建筑，面臨多種展覽需求，存在各種設計矛盾。筆者力求通過可持續的綠色設計理念，探索一種適合氣候特征和建筑特點的設計方法，解決圍護結構、室內采光、過渡空間、機電設備等方面的矛盾關系，具體表現在：1) 通過精細化分析遮陽系統，平衡節能、遮陽及采光之間的矛盾關系；2) 精細化分析自然采光和照明的關系，針對運營提出分時分區控制策略；3) 挖掘自然通風與機械通風的降溫潛力，緩解非空調區域的不舒適性；4) 將運營控制思路融入到機電系統設計中，為實現節能運營提供了基礎。

該項目作為深圳市的地標建筑，充分實踐和應用綠色建筑技術，有助于提升場館的持久競爭力，乃至提升所在大空港片區的品質和影響力，促進區域綠色建筑的發展。