超低能耗效果目標下的建筑創意設計
——中德生態園被動房體驗中心規劃與建筑創作回顧

張曉東，王計玲，曾曉東

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

中德生態園被動房體驗中心（見圖1）是中國與德國在被動房和低能耗建筑示范工程領域的重點合作項目，也是亞洲首個獲得德國被動房研究所（PHI）中級認證的被動房示范項目。已有很多論文［1-5］從可再生能源、高效熱回收、被動式節點設計等方面對其進行了全方位解析。但這些多為選用高性能圍護結構、采用高能效的空調機組、制定合理的運行模式等方面的歸納總結，缺乏在方案設計階段用建筑布局和巧妙設計的方法去降低能耗的闡述。本文從規劃和建筑設計角度探討了中德生態園被動房體驗中心“超低能耗效果目標下的建筑創意設計”。

圖1 中德生態園被動房體驗中心

1 項目概況

中德生態園被動房體驗中心位于山東省青島市黃島區中德生態園核心區域，項目于 2015 年 3 月開工建設，2016 年 9 月完工并正式投入使用。項目用地面積 4 300 m2，總建筑面積近 14 000 m2，建筑地上 5 層，半地下 1 層，地下 1 層，是一座集被動式超低能耗綠色建筑技術研發、體驗、展覽展示、會議、居住等功能于一體的綜合性建筑。作為中德兩國技術合作的亞洲首個最高標準被動房項目，設計目標是高舒適度、超低能耗，項目建成后將達到一次能源需求不超過 15 kWh/（m2·a）的能耗控制目標。項目運行能耗監測結果顯示，項目每年可節約一次能源能耗 130 萬 kWh，減少碳排放 664 t，節能率達到 92 % 以上；與現行國家節能設計標準相比，節能率大幅提高。該項目獲得由 PHI 頒發的被動房認證，并同時達到國內綠建三星認證，成為目前亞洲體量最大、世界功能最復雜的通過 PHI 權威認證的單體被動式建筑，榮獲住房和城鄉建設部 2020 年度綠建創新獎一等獎。

2 超低能耗效果目標下的建筑創意設計過程

超低能耗效果目標下的建筑創意設計過程就是結合場地自然條件和建筑功能需求，對建筑的體形、平面布局、空間尺度、圍護結構等進行節能設計的過程，其中建筑節能技術體系主要由三方面的技術措施構成。①整體環境節能規劃。在整體環境節能規劃中，技術措施的選擇主要強調建筑與環境的和諧，以當地氣候條件、可再生能源為主要因素，協調建筑與地貌、植被、水土、風向、日照及氣候之間的關系。②單體建筑節能設計。單體建筑節能設計中，選擇的措施主要是運用建筑構造、自然通風、建筑遮陽及可再生能源利用等技術手段。③建筑耗能設備節能。建筑耗能設備節能是指對用于營造建筑內部物理環境舒適的設備進行節能，如空調、照明、熱水供應、電梯等，所用的節能技術措施主要包括采用高效、低能耗的技術措施和設備，提高建筑設備的用能效率等。

2.1 整體環境節能規劃

在整體環境節能規劃階段，用整體設計的理念將超低能耗技術體系恰當地融入建筑設計方案，是提高建筑中能源利用效率的基本保障，也是實現建筑整體節能目標的關鍵。因此從建筑規劃階段就應根據建筑的能量運行規律，運用適當的設計策略把超低能耗技術與傳統建筑設計融合在一起，在建筑平面布置、空間形體、單體設計、圍護結構等各個設計環節中綜合采用多種節能技術措施提高能源利用率并降低建筑能耗，形成一套合理且適用的建筑節能設計方案并貫穿整個建筑設計過程。

2.1.1 場地自然條件與和建筑功能需求分析

在工程規劃與建筑方案設計之初要解決的首要問題，就是如何正確地處理該建筑單體在基地中的位置，這對項目超低能耗效果的實現起著重要的作用。在這個過程中，能否最終達成目標取決于能否正確認識和了解場地所處位置、環境特征、交通路網布局、地形現狀以及工程本身的功能要求。

從項目所在地的氣候條件來看，青島地處北溫帶季風區域，屬溫帶季風氣候，略有海洋性氣候特征。空氣濕潤，溫度適中，四季分明。年平均風速為 5.2 m/s，以東、南風為主導風向。

在整體建筑環境節能設計階段，應綜合考慮建筑物的結構、朝向、間距和排列方式、體形、體量、綠化配置等因素對節能的影響，盡可能提高建筑平面利用系數，營造舒適的熱環境［6］。建筑平面的布置、朝向的選擇根據能源布局策略，即在冬季有適量的陽光射入室內，盡量減少或者避免冷風吹襲；夏季則要有良好的通風，還應盡量避免太陽直射室內并減少外墻面太陽輻射面積。從節能和熱環境的角度考慮，建筑物朝向以南北向或接近南北向最好，盡力避免東西向；若不能都為南北向，則主要房間宜避開冬季主導風向，盡量設在冬季背風和朝陽的部位，以減少外圍護結構的散熱量。同時，注意建筑間距與節能的關系，使建筑南墻的太陽輻射面積在整個采暖季節中不因其他建筑的遮擋而減少［7］。

本項目總體規劃平面布置如圖2 所示，建設場地南北長 56 m，東西寬 66 m，西邊、北邊為已建成的寬 30 m的道路，南側和東側都已建成高層住宅。這樣的建筑規劃布局存在先天局限性：建筑位于場地西北角，南側有高層建筑遮擋，冬季太陽得熱量低；且作為本地塊內最矮的建筑，展示性難度較大。優點是東南角有大片公園，可作為休閑場所和活動場地。

圖2 中德生態園被動房體驗中心總體規劃平面布置圖

2.1.2 解決方案

開始設計階段，采用適合常規超低能耗建筑設計的長方形布局，中規中矩，施工簡單。后經反復研究，此種布局南向為主立面，存在著被高層建筑遮擋，太陽得熱量小、視野差、體型系數大等缺點，使得項目的節能效果、宣傳展示效果都不太理想。

后經多方案比對，對設計方案進行了優化調整，平面采用卵石形狀，將主立面轉向東南方，建筑盡量朝西北方向靠攏，東南側留出大片活動場地，與中心花園完美融合。單體建筑形狀及位置的確定，對項目各個功能分區的合理性布局提供了有力保障。例如，活動場地放在東南側，這樣設計的好處是人們的活動范圍可以隨著太陽高度的變化逐漸變化，夏季上午太陽照射角較低時，人們在此可以得到舒適的光照；下午太陽直射時，這個地方可以是涼爽的陰影區；冬季主導風向為西北風，此處位于建筑的東南方向，又是溫暖的室外交往場地。

2.2 單體建筑節能設計

2.2.1 造型設計

本項目單體設計的創新之一就是采用卵石性造型，體型系數僅 0.17，遠遠小于長方形布局的 0.3。設計過程通過東南西北四個方向窗墻比的控制，在充分考慮降低夏季制冷負荷的前提下，冬季盡量引入輻射得熱。同時，采用曲線形的建筑形體把美學和氣流組織要求整合為一體，即利用曲線形式對建筑周圍氣流產生的阻礙最小，引導氣流平滑通過［8］，夏季可以將南立面的熱量迅速帶走，且由于北立面的長度最小，冬季北向冷氣流對建筑能耗損失可以減小到最小，達到了超低能耗和造型美觀的完美統一。

2.2.2 陽臺設計

傳統的超低能耗建筑，為了節能，外立面大部分封閉，設置陽臺的比較少。本項目采用開放式大陽臺，將大自然的光、風、水、空氣等元素引入種植陽臺，在有限的空間中創造了一個微型生態圈，并獲得了自然通風、采光和開放的空間，讓更多的人能夠接觸戶外。完全敞開的陽臺在水平方向上將室外的自然拉近到建筑的外側，使陽臺成為室內與室外交流的場所，效果類似空中庭院，可以感受風、光乃至溫度的變換，更提供了人與人交流的場所。國際交流中心，安排在半地下空間，西向及北向完全埋在土中，南向是室外廣場，因為覆土和半地下形式而保特著較為恒定的內溫，寬大的南向窗戶讓自然光深入室內，并為游客帶來舒適的南向景觀。東南方向的大挑板同時也作為外遮陽，種植的植物，有效地吸收了太陽直射光。

2.2.3 中庭設計

中庭是室內外空間的交換場所，對建筑的整體節能、氣溫控制等方面能起到積極的作用。本項目方案設計中將中庭作為應對溫度變化的緩沖區，利用煙囪效應產生氣候梯度達到自然風的最大利用，即利用空間高度不同造成空氣壓力差，形成室內氣流的運動，從而實現自然通風。

室內設計依舊采用超低能耗的設計理念。中庭采用透明玻璃欄板，便于光線透射，太陽光可以從天窗照射下來，具有導光作用的外遮陽百葉，和內側高窗的采用，可以保證白天室內不開燈，就具備足夠的照明。中庭周邊的房間也可以通過高窗進行采光，以節約能耗。中庭綠化采用室內外一體化的設計手法，將綠化引入室內，提高視覺舒適性，形成生物氣候緩沖帶，改善建筑微環境，賦予建筑以生命；天花板上的 LED 燈產生星辰閃爍的效果，寓意仰望浩瀚寰宇，擁抱星辰大海，未來的美好生活值得期待和向往。這樣設計的意義在于讓身處其中的人們生活中充滿陽光、映滿綠色，從環境景觀綠化到室內綠化再到整個建筑的綠色美學，共同創造擁抱自然、綠色健康的生活方式，把功能與環境很好地融合在一起。中庭設計效果如圖3 所示。

圖3 中庭設計效果圖

2.3 節能技術與能源利用要點［9］

1）建筑外墻保溫材料采用厚度為 250 mm 的巖棉板，外墻傳熱系數低至 0.17 W/（m2·K）；屋面保溫材料采用厚度為300mm的擠塑聚苯板，屋面傳熱系數低至 0.12 W/（m2·K）。

2）建筑圍護結構按照德國被動房設計標準進行氣密性處理，保證結構密閉性好。

3）外窗外掛無冷橋安裝，可以將冷橋降低到最小。

4）建筑空調采用土壤源熱泵中央空調，利用地熱資源實現冬季供熱和夏季制冷；通過全電腦自動控制設備高效、統一控制整樓的溫濕度，產生的廢氣經過能量回收后方可排出室外，達到能源的高效利用。

5）項目空調系統末端采用被動式冷梁和獨立新風系統，利用自然對流原理進行制冷換熱，實現室內氣流循環。屋面設置有太陽能光伏發電和太陽能熱水設備，以先進的集成技術實現可再生能源最大程度的利用，并減少能源消費和需求。

6）建筑設計中每層設置有室外挑臺，給人們創造一個舒適的室外活動空間；挑臺板與建筑主體樓板采用避免產生熱橋效應的分離設計，解決了挑板斷橋的問題。

3 以節能為導向的建筑整合設計

以節能為導向的建筑整合設計，就是在確保建筑功能實現的基礎上，以提高建筑能源利用效率為目標，將建筑的綠色化、節能化、高效化運用理念融入建筑設計中，并使能源的可持續利用成為建筑設計的必要元素。首先根據建筑所處地域的能源分布特點和氣候特征，分析考慮建筑功能、建筑工藝技術及環境協調性、建筑藝術效果等建筑設計各要素之間的相互聯系及相互問題；其次根據建筑形式與能量傳遞的內在關聯規律，在建筑的平面組合、空間關系、結構形式、內外圍護、材料和設備選用等各個設計環節中，采用適宜的保溫隔熱、遮陽、自然通風、自然采光、地源熱泵空調、太陽能與建筑物一體化、智能控制等建筑節能技術，并優化組合形成資源利用高效循環、節能措施綜合有效的建筑節能技術體系；最后系統地進行設計并建造綜合能耗最低的建筑，實現建筑節能。

運用節能與建筑的整合設計策略進行建筑設計，其過程涉及節能技術與建筑設計兩方面的多個要素，針對當代建筑設計過程，可以從能源合理布局、系統應用綠色技術及節能技術協作等方面運用相應的節能設計策略。

3.1 能源合理布局策略

能源合理布局策略，就是根據實際條件的具備情況和決策時考慮的側重點的不同，從物理環境、工程環境、經濟環境等方面對建筑供能方式進行系統性規劃和分析，給出實際情況下的最為優化與適宜的建筑物能源方式，合理優化配置各種可利用能源，并在建筑中合理利用風能、水能、太陽能、海洋能、地熱能和生物質能等可再生資源，盡可能使建筑物能源供應多元化，提高能源利用效率，降低采暖、制冷設備使用率，減少能源負荷，從而使建筑環境健康舒適、廢物排放減量無害、建筑功能靈活適宜，達到高效利用資源、節約能源、保護環境的目的，實現能源、經濟和環境協調發展。

適應可再生能源分布的建筑布局，就是需要考慮目前資源分布的局限性和可再生能源在單體建筑中利用的成熟度，把基地內可再生能源的空間分布與建筑整體平面布局設計進行有機整合［8］，以最高效、最經濟地滿足建筑物所有各種終端用能需求。

3.2 系統應用綠色技術策略

綠色是時代主旋律，無論是國家的大政方針和發展觀念，還是設計師、科研工作者、產品供應商，現在都在談綠色理念，生產綠色產品，做綠色建筑。同時，我們也要看到國際、國內的標準在不斷更新，科研創新在不斷地突破，因此，綠色所涉及的內容是多維度、多要素的，既不是概念層面的宣講，也不是個別技術的堆疊，其間往往充滿著多專業、多學科的復雜交叉，需要系統的解決方案。然而在設計過程中，綠色策略往往被片段化，應用起來很容易顧此失彼，甚至在很多時候綠色建筑脫離了建筑設計的主體過程，變成了另外一件疊加的工作，其效果自然大打折扣。

建筑師的創作過程也是系統性解決問題的過程，綠色建筑的設計最需要設計師的廣泛參與，把各專業、各專項系統地整合起來，把綠色策略與技術融入到創作的全過程中，實現綠色技術的系統化應用。本項目也是通過各專業通力合作，將綠色照明技術、太陽能光熱一體化技術、自然采光技術、生態綠化配制技術等綠色技術有機融合，因地制宜整合運用，與氣候適應，與地理環境協調，才能建造符合當地氣候特點綠色節能建筑。

3.3 節能技術協作策略

提高建筑能源利用率往往離不開建筑節能技術和能源綜合利用技術的協同作用，比如外墻保溫技術、遮陽技術、外窗保溫隔熱技術、自然通風和采光技術、光伏建筑一體化技術、地源熱泵技術、中水回用技術、綠色建材和智能控制技術等各項技術，經過篩選、優化、整合利用，均可用來改善建筑熱工環境、室內空氣質量、光環境等，提高室內環境舒適性。同時，這些節能技術也可以是建筑外立面設計的有利因素，從而實現彼此的整合。因此，在設計創作過程中要考慮建筑節能技術與建筑外立面設計的有機整合，以提高能源利用率，降低整體建筑能耗。

在一定的功能要求和技術條件下，綜合考慮氣候特點、地理環境、自然資源等因素，充分發揮設計者主觀作用的、合理的建筑設計方案是高效利用資源、節約能源的基本保障。單項高新技術或節能技術的應用只是建筑節能設計的一個方面，基于節能的建筑整合設計，不是簡單地在建筑設計過程中把節能技術進行堆砌和累加，而是要因地制宜，綜合、系統地運用上述三項策略，把用能、節能與建筑設計進行有機整合，從而探索出新的設計方法，創新設計方案。建筑師熟練應用節能與建筑整合設計的策略，掌握一定的建筑節能技術體系并在建筑設計中加以實踐，才是建筑設計方案達到理想節能效果的必要前提。

4 結語

1）超低能耗建筑設計具有較高的技術含量，但這并不意味著運用的技術越多越好，科技含量越高越好，運用適合的技術才是關鍵。

2）對建筑師而言，規劃布局永遠是設計的根本，因此設計過程中要注意技術性與傳統的設計創意和設計邏輯的合理結合，盡量避免片面強調技術性而忽視規劃布局和建筑創意。

3）超低能耗設計不是建筑設計的附加或補充，而是和建筑設計相融合的整體設計的過程，從選址、方案構思到項目實施全過程都需要建筑師和各個專業的工程師的緊密合作，只有這樣才能達到超低能耗效果和創意設計的和諧統一，才能順應可持續發展理念，讓綠色技術發揮應用價值，實現社會效益和經濟效益雙豐收。