呂春

(齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 引言

從歷史上看,每一屆世博會上展示的建筑理念、材料和技術(shù),往往標(biāo)志著那個時代的最高水平,也預(yù)示著下一個時代建筑的發(fā)展目標(biāo)。上海世博會在建筑節(jié)能工藝、建筑節(jié)能材料等方面的展示,代表了當(dāng)今世界范圍內(nèi)在建筑節(jié)能領(lǐng)域內(nèi)的最新成就。

目前,我國節(jié)能建筑只占建筑總量的5%,城鎮(zhèn)節(jié)能建筑只占建筑總面積的21.7%。我國建筑建材業(yè)的能耗量已占到工業(yè)總能耗的27%。如果建筑節(jié)能維持現(xiàn)狀,2020年僅空調(diào)高峰負(fù)荷就會相當(dāng)于10個三峽電站滿負(fù)荷發(fā)電。有數(shù)據(jù)顯示,我國民用建筑在達(dá)到相同室內(nèi)熱舒適度的情況下,使用能耗高出同等氣侯條件下發(fā)達(dá)國家平均水平的2～3倍。從數(shù)據(jù)上看,我國的建筑業(yè)保持較快增長,但我國的建筑業(yè)存在著碳排放量大、能耗高等情況。上海世博會上所展現(xiàn)的節(jié)能環(huán)保型建筑或許能夠解決我國目前存在的建筑節(jié)能等諸多問題[1]。

2 新建筑材料的應(yīng)用

2.1 墻體材料

墻體材料是建筑最重要的圍護(hù)結(jié)構(gòu),是當(dāng)今建筑節(jié)能的研究重點。世博中心采用全鋼結(jié)構(gòu),其建筑外墻采用玻璃結(jié)合鋁板、陶板、石材的組合幕墻。呼吸式幕墻實現(xiàn)自然通風(fēng)。外墻采用外保溫技術(shù),玻璃幕墻采用低輻射中空玻璃,配合屋頂綠化,隔熱性能更好。中國館的外墻材料為無放射、無污染的綠色節(jié)能產(chǎn)品。

德國館采用全透明的外墻設(shè)計,外表被一層銀灰色的發(fā)光膜所覆蓋。這是一種革新性建筑材料,其發(fā)光性和節(jié)能性是傳統(tǒng)建筑材料所無法企及的。外墻同時還使用了網(wǎng)狀的、透氣性良好的建筑布料,可以反射太陽輻射,為展館遮陽。

日本館采用膜技術(shù),在外墻表面采用了一種高透明的發(fā)電膜,在發(fā)電同時也能最大程度透光。意大利館的外墻運(yùn)用了透明混凝土,通過不同比例的調(diào)配使光線得以穿透,減少了燈具的使用。英國零碳館墻體采用納米保溫隔熱材料,減少了室外熱滲透,吸收室內(nèi)多余熱量,穩(wěn)定室內(nèi)氣溫波動;墻壁所使用的混合型水泥中含有50%的粉煤灰、煤矸石、礦渣等建筑廢料。同時,在外墻涂料中加入一種水性納米保溫隔熱添加劑,一方面可以阻止熱量穿透墻壁,將進(jìn)入墻體的熱輻射反射出去,同時降低了墻體濕度,防止保溫層潮濕。墻壁上還有一層特殊的熒光涂料,使建筑在白天吸收存儲太陽能,晚上則釋放熒光,降低了照明能耗;萬科館建筑外墻面使用了秸稈壓制而成的秸稈板,其硬度比實木還要高,阻燃性和抗潮性指標(biāo)以及節(jié)能效果極佳。

2.2 門窗玻璃

中國國家館所有的門窗都采用南玻Low-E低輻射節(jié)能玻璃。這種玻璃能夠反射熱量,降低能耗。由于其表層含有能反射熱量的蓄光涂料,可以將陽光轉(zhuǎn)化為電能并儲存起來,為建筑外墻照明提供能量。遠(yuǎn)大館采用斷橋鋁合金門窗進(jìn)行有效隔熱,上殼局部采用玻璃天窗,充分利用自然光,節(jié)約照明能耗。

2.3 屋面

世博中心屋面采用鋁板及保溫層。國家館頂上的觀景臺也采用了含有特殊涂層的太陽能薄膜,起到儲藏陽光并轉(zhuǎn)化為電能的作用。世博文化中心屋頂綠化,提高了其保溫性能。世博園里最大的建筑世博軸,有著6個被稱為自然光收集器的巨大鋼結(jié)構(gòu)“陽光谷”,其中最大的上面直徑99m、下面直徑20m,其鋼結(jié)構(gòu)由1700個單元構(gòu)建而成。巨型索膜結(jié)構(gòu)屋頂膜面長約843m、最寬處約97m,膜面展開面積達(dá) 7.7萬 m2,成為世界第一的索膜結(jié)構(gòu)建筑[2]。世博軸兩側(cè)的景觀綠坡、膜結(jié)構(gòu)屋面以及“陽光谷”都可進(jìn)行雨水收集,經(jīng)簡單凈化后用于衛(wèi)生間沖洗和景觀灌溉,既節(jié)約了水資源,又大大減少了建筑自身和園區(qū)排水泵站的建設(shè)投資與運(yùn)營能耗。

3 新工藝的實施

3.1 低能耗的建筑設(shè)計

陽光谷采用巨大的倒蘑菇狀的通透建筑,實現(xiàn)地下空間主動采光、自然通風(fēng)和雨水收集等功能,達(dá)到遮陽、節(jié)能、造型的效果。世博中心片狀折線玻璃的外墻設(shè)計,阻擋一部分直射的陽光,減少過多熱量進(jìn)入室內(nèi)。每片玻璃的縫隙還可以通過手動或電控令兩組窗扇上下開啟,形成有序的空氣對流。這些有機(jī)排列的玻璃折片,既可阻止強(qiáng)風(fēng),又能保持立面的完整。萬科館上大下小或上小下大的7個麥垛,組合在一起就會在展區(qū)內(nèi)部形成“穿堂風(fēng)”,加上圍繞在建筑周邊1000m2的水面,就可以在室外氣溫超過30℃和相對濕度超過70%的時候,依然保持建筑內(nèi)部的涼爽舒適。

世博文化中心建筑的碟形外觀,立面簡潔,建筑體型系數(shù)為0.09。從設(shè)計體型上減少了空調(diào)的負(fù)荷與能耗,從而降低了整個建筑的能耗。其主體部分采用懸挑結(jié)構(gòu),實現(xiàn)外遮陽效果,下層圓弧表面形成自遮陽體系,在高溫季節(jié)可避免陽光直射,同時為玻璃屋頂?shù)牡叵驴臻g進(jìn)行自然采光。文化中心采用了光電幕墻系統(tǒng)、江水源冷卻系統(tǒng)、氣動垃圾回收系統(tǒng)、空調(diào)凝結(jié)水與屋面雨水收集系統(tǒng)、程控綠地節(jié)水灌溉系統(tǒng)等多項環(huán)保節(jié)能技術(shù)。

日本館在展館弧形表面上有三個凹進(jìn)去的可接受雨水循環(huán)利用的“鼻孔”,三個向外凸伸的能夠吸收陽光、吸取自然空氣的“觸角”,稱為循環(huán)呼吸柱。這項設(shè)計能夠強(qiáng)化冷暖空氣的流通,減少空調(diào)能耗,使得光、水、空氣等自然資源被最大限度地利用。日本館含有特殊涂層的膜結(jié)構(gòu)上的小噴頭能噴灑一層流動的水膜,可以帶走展館大部分熱量。同時膜結(jié)構(gòu)的外表形成的水膜,能使陽光照射進(jìn)來,減少照明用電。

法國阿爾薩斯案例館水幕太陽能墻,從外到內(nèi)包括3層:外層為太陽能電板,中層密閉艙,后層是水幕。冬天,陽光穿透太陽能電板,照進(jìn)房間,陽光輻射加上光電板產(chǎn)生的熱量,預(yù)熱密閉艙內(nèi)空氣,整個場館有如穿上了一層棉襖;夏天,密閉艙打開,散盡空氣,外層太陽能板在阻擋烈日的同時,還能發(fā)電驅(qū)動后層水幕加速流動,帶走熱量。這個水幕太陽能系統(tǒng)還能跟著太陽走,不斷調(diào)節(jié)角度,充分吸收日光。

3.2 節(jié)能環(huán)保技術(shù)的運(yùn)用

地源熱泵技術(shù)、江水源熱能采集等等新技術(shù)的應(yīng)用,將這一近年來剛剛起步的節(jié)能環(huán)保的新技術(shù)得以充分展現(xiàn)。德國館運(yùn)用地源熱泵技術(shù),從地下35m處抽取地下水,經(jīng)過循環(huán)處理,夏送涼,冬遞暖。江水源熱泵機(jī)組總裝機(jī)容量為7.5萬kW,與空氣源熱泵相比可節(jié)省30%到40%的運(yùn)行費用;整個建筑的制冷、供暖和電力,全部由太陽能、風(fēng)能和地?zé)岬惹鍧嵞茉赐瓿?。這些建筑鄰近黃浦江,充分利用江水源循環(huán)降溫提高空調(diào)系統(tǒng)效率。在世博會空間最大的建筑世博軸中,巨大的空調(diào)系統(tǒng)全部不用電,而是利用黃浦江天然水源和地源提供全部空調(diào)能源,江水源熱泵和地源熱泵作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源可省去冷卻塔補(bǔ)充水,大幅度提高空調(diào)制冷效果。同時,江水和埋設(shè)在工程樁內(nèi)的地埋管散熱器作為熱泵系統(tǒng)的高溫?zé)嵩椿虻蜏責(zé)嵩?可極大提高能源效率。利用江水源提供能源的空調(diào)系統(tǒng)不但節(jié)約了電能,而且建設(shè)成本低,具有廣闊的發(fā)展空間。

中國館的雨水收集系統(tǒng)可以將收集到的雨水進(jìn)行綠化澆灌、道路沖洗等,冰蓄冷技術(shù)利用晚間電能制冰,白天釋放冷源,起到調(diào)節(jié)用電峰值的作用,大大降低了電能的使用,整個場館將比國家規(guī)范還節(jié)能近10%。

4 新技術(shù)的運(yùn)用

4.1 采光及照明技術(shù)

LED全稱發(fā)光二極管,最早紅色,后有黃、綠,多用于信號指示,直到20世紀(jì)90年代藍(lán)光LED劃時代問世。利用熒光體與藍(lán)光LED的組合獲得白光,這是LED走上照明之路。這個新一代光源的優(yōu)勢非常明顯,生產(chǎn)綠色,使用節(jié)能,被稱為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后的又一次飛躍。上海世博會上,LED廣泛出現(xiàn)在室內(nèi)外照明、景觀裝飾、指示牌、信息顯示屏、演出布景等,整座世博園成為LED集中示范區(qū)。由世博軸、中國館、主題館、世博中心展示的 LED創(chuàng)新成果,對LED照明工程的起到示范推廣作用。節(jié)能LED燈具總量在6萬～8萬盞之間,所有景觀照明燈具的60%以上應(yīng)用了節(jié)能技術(shù)新型半導(dǎo)體LED。

4.2 太陽能開發(fā)利用

主要場館的太陽能利用規(guī)模達(dá)4.6MW,其中主題館為整個亞洲單體太陽能使用之最,成為國內(nèi)面積最大的太陽能光伏電池示范區(qū)。在上海世博園區(qū),太陽能是使用量最大的綠色能源,中國館、世博中心、主題館等建筑都在屋頂、玻璃幕墻上安裝了太陽能電池組系統(tǒng),并與建筑完美融為一體,年均發(fā)電可達(dá)408萬kWh。在標(biāo)準(zhǔn)輸出條件下,一天的發(fā)電量相當(dāng)于150戶人家一個月的用電量[2]。

安裝在中國館屋頂?shù)奶柲茈姵亟M系統(tǒng),裝機(jī)容量約0.3MW,部分區(qū)域使用透光式電池組件,與整個屋頂藝術(shù)效果融為一體,設(shè)計新穎。除發(fā)電外,這些太陽能電池組還兼具隔熱和保溫功能。太陽能裝機(jī)總?cè)萘考s2.8MW 的主題館,采用屋頂一體化太陽能電池組件替代部分屋頂材料,構(gòu)成有規(guī)律的圖案,使主題館屋頂生動呈現(xiàn)出上海里弄的藝術(shù)效果;南市電廠作為世博會主題館之一的未來探索館,主廠房頂面和部分朝南的立面墻上都應(yīng)用了太陽能發(fā)電系統(tǒng),裝機(jī)總?cè)萘考s0.5MW,以并網(wǎng)方式發(fā)電。

太陽能與建筑一體化是世博中心館的一大亮點。光伏電站發(fā)電效率的優(yōu)化和建筑美學(xué)的統(tǒng)一,屋頂平面單晶硅光伏組件與綠化間隔布置,充分體現(xiàn)出太陽能綠色能源的含義。風(fēng)力發(fā)電機(jī)也以動態(tài)雕塑的形態(tài),在廣場上提供附加的能源。

意大利館生態(tài)氣候的策略,即在冬天利用太陽能輻射,而在夏天則利用自然的空氣氣流和水流降溫,熱風(fēng)通過自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)排除,可以降低內(nèi)部建筑的溫度?？刂戚椛涞耐瑫r,熱能又能集中在帶有光電集成模塊的透明玻璃上,可以充分節(jié)約電能。瑞士館在展館周圍鑲嵌了一萬個利用LED的閃爍發(fā)光器,這些發(fā)光器為直徑約20cm的紅色圓盤狀,內(nèi)部配置了約4cm見方的硅系太陽能電池、充電電池,照射一定時間的太陽光后,LED就會閃爍發(fā)光。由于配置有電池,夜間也可利用電池存儲的電力繼續(xù)閃爍發(fā)光。江蘇館向日葵造型的太陽能裝置,由一塊塊太陽能電池板拼接而成,可隨著陽光旋轉(zhuǎn),收集七色光譜聚集新能源。吸收的太陽能通過采光導(dǎo)入系統(tǒng),就能夠轉(zhuǎn)化為電力發(fā)電。

5 結(jié)語

世博園中的建筑已成為當(dāng)今世界上首批集中應(yīng)用國際先進(jìn)的太陽能、風(fēng)能、LED照明、冰蓄冷、江水源、地源熱泵、可再生材料使用等節(jié)能新工藝的典范。由于國家鼓勵和扶持在新建建筑和既有建筑節(jié)能改造中采用太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?其采用的光電幕墻系統(tǒng)、江水源冷卻系統(tǒng)、氣動垃圾回收系統(tǒng)、空調(diào)凝結(jié)水與屋面雨水收集系統(tǒng)、程控型綠地節(jié)水灌溉系統(tǒng)等多項節(jié)能系統(tǒng)必將成為我國未來建筑節(jié)能的發(fā)展方向[3]。Low-E低輻射節(jié)能玻璃、太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、主動式導(dǎo)光、自然通風(fēng)、半導(dǎo)體照明、智能化集成平臺等多種技術(shù),將成為一個展示未來建筑領(lǐng)域新能源、新技術(shù)、新理念的絕好平臺。

[1]胡紹等.我國建筑節(jié)能初探[J].商場現(xiàn)代化,2008(36):26～28.

[2]中華人民共和國國務(wù)院.民用建筑節(jié)能條例(第530號)[R].北京:中華人民共和國國務(wù)院,2008.