現代綠色建筑設計研究

文/王凱

一、背景

由于人類社會在過去兩百年間的迅猛發展，已經有至少2800億噸二氧化碳被排入大氣。進入二十一世紀后，氣候的改變越發迅速與激烈，人們保護環境的意愿愈發強烈，綠色城市的理念應運而生，其中的重要組成部分便是綠色建筑概念。綠色建筑是從設計伊始便將能源利用效率、能源生產方式、能源的循環利用與使用材料等對環境的影響因素考慮在內的建筑形式，無論是在建造過程中，還是在后期使用過程中，都能盡可能地減少對環境排放廢棄物，甚至能吸收其他建筑的廢氣排放。

二、綠色建筑節能設計原則

綠色建筑的節能設計，需要系統化、體系化考量，不僅是一個設備或者幾個設備的運用，而是不同類別的系統通過合適的轉化途徑將優先級能源轉化成次級能源。在這一轉化過程中，損耗的能源變成某一種能被利用的能源。此類建筑的能源轉換方法、實際應用等都須依地形、氣候、建筑需求、建筑外形等進行有針對性的分析與設計，不能如傳統建筑的設計般遵循特定的步驟、指定的方法。如上海中心這樣的建筑，上至能源配置，下至采光分配，都經過設計人員的精心設計與反復實驗，從而達到滿意的效果。

綠色建筑的設計原則可以被概括為三點：一是在設計的全流程貫徹環保節能的思想；二是對于需要達到的環保要求需要有清楚的認識；三是對于建筑所在的環境需要作充分的調研。

三、綠色建筑節能設計的發展

綠色建筑理念最早可以追溯到二十世紀中葉。美籍意大利建筑師保羅.索萊里把生態學與建筑學合并為生態建筑學。1963年，維克多.歐爾焦伊在《設計結合氣候：建筑地方主義的生物氣候研究》中提出了建筑設計需要與地域、氣候相協調的理念。隨后四十余年來，建筑的節能設計形成了整體性、綜合性與多學科交叉的特點。伴隨著可持續發展的思想在全世界的推廣，綠色建筑的概念開始逐步在世界范圍內被行業從業者甚至普通民眾所認可。1993年，國際建筑師協會第十八次大會發表了《芝加哥宣言》，該宣言意在號召全世界建筑師把環境與社會的可持續性列入建筑師職業及責任的核心。2012年5月，財政部下發了《關于加快推動我國綠色建筑發展的實施意見》。該意見旨在鼓勵我國在綠色建筑領域的發展，并放開某些限制，提供相關的政策性或經濟性扶持以推動綠色建筑與能源在我國的應用。在地方層面上，各地政府都出臺了以省市為單位的階段性發展策略。

四、綠色節能理念在建筑設計中的應用策略

（一）能源的分配模式

能源的分配是綠色建筑的設計基礎。其中，自然能源的利用與分配、能源的循環和二次利用是所有方面中最為重要的環節。通過對外部自然能源的攝取和內部能源的循環利用，可減少建筑對于電力或天然氣的依賴，同時可保證建筑的空間結構、功能布局和傳統建筑相同，在滿足人們日常使用需求的基礎上優化建筑的舒適程度，使建筑和自然的結合達到全新的高度。目前的自然能源利用中，太陽能與風能因其廣泛性與通用性的特點成為主流。在太陽能的應用中，不僅可以將太陽能資源變成熱能，也能依靠單晶硅板將太陽能轉化成電能。例如，在住宅樓的樓頂安裝太陽能熱水器就是最簡單的利用方式之一，居民可以節約使用燃氣熱水器或電熱水器的費用。又如，在建筑外形的設計中，可以將頂部擴大或者設計向日傾角以安裝太陽能板，從而向建筑提供一部分電力。甚至可以對采光玻璃的種類、陽光的入射角度、遮光簾遮光罩的安置位置進行研究，使室內采光均衡，并使室內的熱量不會讓人感到不適。對于風能的有效利用體現在房屋內部的布局上，尤其是門窗、墻體等易遮風結構的布置。例如，對于高層，可利用自然風進行室內換氣，從而減少使用新風系統的時長與頻率，同時保證建筑不會因此而發生讓人不適的擺動。又如，將通風管道與電梯管道、消防通道結合，將新風系統達到最佳效果。以上兩點都需要設計人員不僅擁有豐富的多元設計知識與經驗，還要花費大量時間考量、調研、優化、模擬。

（二）生態植物選擇

植物的選擇表面上是為了建筑內外的美化，其實在現代綠色建筑的節能設計中，植物能形成良好的功能屏障，這能從功能性角度提升建筑的使用性能。例如，在條件合適的情況下設計建造生態樓頂，在樓頂培育一些低矮的植物，從而使泥土、植物作為建筑的第一道屏障來抵御炎炎夏日對樓頂的持續熱輻射。又如，在室內種植植物以實現遮陽、改善光照、凈化空氣等功能性需求。建筑與室內外的植物需要相互呼應，最大程度上保證種植的合理性，也要便于后期的維護。優秀的設計可以使建筑與自然成為一體化的生態系統。

（三）建筑材料的使用

對材料的選擇，不僅體現了對于房屋質量的要求，也體現了對循環利用、低碳環保的追求。所以，需要關注建筑材料對于生態環境的影響。這影響不僅包括前期制造所造成的排放，也包括后期使用過程中對環境的影響，甚至是在全生命周期的維護、回收過程中對環境的影響。目前仍然無法規避鋼筋混凝土這種不環保的材料，但卻可以通過選擇合適的強度，添加如纖維和煅燒高嶺土粉等添加劑以減少單位體積混凝土的二氧化碳排放。此外，利用回收材料進行室內的裝潢、制作隔熱隔音層，可在保證建筑性能的前提下提高建筑的生態節能水平。

（四）內部資源利用管理

在建筑的日常使用過程中，能源的消耗，是影響建筑生態屬性的重要指標之一。在建筑設計的過程中，需要設計人員對相關的內容進行設計優化，并針對所有需要使用的能源設計恰當的功耗指標與控制計劃，以凸顯其對能源利用的規劃。例如，在水資源的日常使用過程中，需要對各用水流程和用水地點進行監控，添加整體或局部的水資源管理和循環系統，同時盡可能地利用自然降水，以減少對市政用水的依賴。這樣不僅會顯著減少日常使用中對市政供水的依賴，也會減少污水的排放量，從而減輕城市污水處理的負荷。

（五）案例分析

上海中心作為上海的地標性建筑，使用了分布式能源系統，采用了集中生產、批量傳送的方法，通過點對點的能量輸送，實現多功能、多目標的精準能量利用。

分布式能源系統主要有三個方面的特點。第一，直接面向用戶進行小規模精準傳送，沒有額外的中轉過程。這使得能量損耗大幅降低。同時，因為傳輸路線是點對點，且相對簡單，所以其穩定性與安全性也相對更好。第二，由于是面向用戶進行小規模精準傳送，其需求較小，相對傳統的集中式功能系統，其規模較小，可以節約占地。第三，隨著可再生能源的推廣與應用，能源的形式與種類開始多元化，此系統使用戶可以指定能源的種類與輸入形式，從而更好地迎合客戶的多元需求。

此外，上海中心是世界上第一座雙認證的綠色超高層建筑，在設計階段即遵循中國綠色建筑評價體系和美國LEED綠色建筑認證體系要求。例如之前提到的分布式能源系統，項目位于上海中心地下二樓，總投資3789萬元，主機房占地面積約365平方米。建有2臺1165千瓦的燃氣內燃發電機、2臺1047千瓦的熱水型溴化鋰機組、2臺1368千瓦的板式熱水換熱器，為大廈的低區部分（地下5層至地上7層）提供冷、熱、電能源供應服務。2臺機組各通過1回10千伏線路接入110千伏上海中心用戶站#1主變的10千伏母線。該CCHP系統與上海中心市政電網、其他冰蓄冷、鍋爐、電制冷機組等共同構成大廈的低區能源中心，供能總面積為27.97萬平方米。該項目設計綜合能源利用率81.4%，燃氣內燃機排放量為＜250毫克/標準立方米，機房噪聲＜55分貝，設計年供冷3.1萬吉焦、供熱1.67萬吉焦、供電1236萬千瓦時。對分布式能源及分散供冷、供熱、供電兩種形式在輸出同等冷、熱、電情況下的燃料及耗電作分析計算，并折算到標煤進行比較，可以發現，與分散供能相比，每年可節約標煤1890噸，減少二氧化碳排放4855噸，減少二氧化硫排放38噸，節能率可達33%。

在一年供熱期中，1月份熱負荷最大，為10.0兆瓦；12月份熱負荷最小，為6.1兆瓦。在一年供冷期中，7月份冷負荷最大，為12.9兆瓦；3月份冷負荷最小，為0.9兆瓦。全年冷、熱負荷大于1兆瓦的時長為約6320小時，冷、熱負荷大于3兆瓦的時長為約3680小時，冷、熱負荷大于5MW的時長為約1620小時，冷、熱負荷大于10兆瓦的時長為約70小時。按照基礎冷負荷運行在3920小時以上，基礎熱負荷運行1440小時以上，總利用不小于5360小時的原則，根據延時利用小時數曲線，確定上海中心低區設計最大裝機冷負荷為約2.2兆瓦，設計最大裝機熱負荷2.7兆瓦左右。項目最終設計采用2臺1165千瓦燃氣內燃發電機組，配套板式換熱器及熱水型溴化鋰機組，年設計運行小時數不低于5360小時，年發電量12488.8兆瓦時，年供熱量16651吉焦，年供冷量31729吉焦。

六、總結

綠色建筑是大勢所趨，在未來的發展過程中，設計人員需要逐步深入，擴展能力，使綠色建筑不斷與時俱進。