克里斯 · 麥克勒格 伊恩 · 坎貝爾 / Chris McClurg， Iain Campbell

落基山研究所凈零能耗辦公總部

克里斯 · 麥克勒格 伊恩 · 坎貝爾 / Chris McClurg， Iain Campbell

圖1　創(chuàng)新中心南側(cè)實景

落基山研究所新的創(chuàng)新中心總部大樓采用了被動式設(shè)計、新型熱舒適度策略和先進(jìn)的控制系統(tǒng)一體化等技術(shù)。這座位于美國最寒冷氣候帶——巴索爾特鎮(zhèn)的創(chuàng)新中心辦公大樓，沒有使用中央制冷和供暖系統(tǒng)，僅依靠一個33kW的小型分布式供暖系統(tǒng)。通過專注于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性和隔熱性能、太陽能儲熱控制等影響人體舒適度的6項變量因素以及系統(tǒng)集成過程，該建筑的能效比該氣候帶辦公建筑平均水平高74%，同時還能夠提高用戶的舒適度和工作效率。

被動式設(shè)計 被動式建筑 一體化控制 預(yù)測平均投票數(shù) 自然通風(fēng) 用戶參與度 一體化設(shè)計 落基山研究所

作為節(jié)能技術(shù)的理論與實踐方面的智庫，落基山研究所（Rocky Mountain Institute，RMI）長期以來致力于推動建筑行業(yè)的一體化和整體系統(tǒng)思維模式的發(fā)展。當(dāng)落基山研究所需要建造一座新辦公大樓時，他們意識到這是一個突破傳統(tǒng)節(jié)能建筑設(shè)計思維定式，并推動行業(yè)前進(jìn)的絕佳機會。令人振奮的是，坐落于科羅拉多州巴索爾特鎮(zhèn)（BasaIt CoIorado）的新辦公大樓（圖1、2）位于美國最寒冷的氣候帶，因而這是一個能夠證明被動式設(shè)計顯著效果，以及促進(jìn)建筑行業(yè)擺脫對超大中央制熱和制冷系統(tǒng)依賴的機遇。為了達(dá)成這一目標(biāo)，落基山研究所采用了創(chuàng)新舉措來實現(xiàn)熱舒適度，它超越了包括溫度在內(nèi)的6項影響人體舒適度的變量因素。此外，落基山研究所還推動了建筑樓宇控制系統(tǒng)的發(fā)展，集成和優(yōu)化達(dá)到了空前水平。

1　被動式設(shè)計

占地1 450m2的落基山研究所新的創(chuàng)新中心總部大樓（簡稱“創(chuàng)新中心”），可供50名員工日常辦公，并擁有能夠容納80人的會議室。這棟建筑采用的被動式設(shè)計技術(shù)（圖3）主要包括以下10項：（1）超保溫隔熱構(gòu)件；（2）冬季充分吸收太陽能輻射得熱；（3）夏季遮陽；（4）提供自然通風(fēng)；（5）使用儲熱材料減小溫度波動；（6）采用自然光作為主要光源；（7）控制眩光；（8）密封所有縫隙以確保氣密性；（9）太陽能發(fā)電；（10）景觀視野最大化。

當(dāng)設(shè)計團(tuán)隊開始與落基山研究所合作建造創(chuàng)新中心時，首先專注于項目的整體系統(tǒng)設(shè)計上。他們考慮什么才是建筑的使用者最需要的——一個舒適、愉悅、有利于提高工作效率的空間。在采用任何機械設(shè)備之前，最大化地運用被動式設(shè)計來滿足這些需求成為項目的優(yōu)先考慮。

1.1氣密性與隔熱性

密閉、隔熱的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是所有被動式設(shè)計的基礎(chǔ)。創(chuàng)新中心是美國氣密性最高的辦公建筑之一，50Pa氣壓下每小時換氣僅0.36次，比美國傳統(tǒng)商業(yè)建筑的平均氣密性高97%。創(chuàng)新中心通過使用先進(jìn)的材料及嚴(yán)格的施工細(xì)節(jié)，在最大程度上防止?jié)B透，從而實現(xiàn)了該建筑極高的氣密性。達(dá)到這一級別的氣密性是該建筑獲得被動式節(jié)能建筑認(rèn)證的基礎(chǔ)。

該建筑外墻使用了結(jié)構(gòu)保溫板（StructuraI InsuIated PaneIs，SIPs），這種材料能夠同時提供高度的隔熱性能和氣密性。在結(jié)構(gòu)保溫板的外側(cè)，通過使用雙層膠帶和阻氣材料確保板間的縫隙得到嚴(yán)密的封閉。項目使用的所有門窗的氣密性也得到了被動式建筑的認(rèn)證。

比所采用的建筑部品更為重要的是，在設(shè)計過程中限制所有不必要的通風(fēng)滲透，并專注于所有必要的通風(fēng)細(xì)節(jié)。設(shè)計團(tuán)隊認(rèn)真審視了可能的通風(fēng)狀況，并及時消除隱患。在需要空氣流通的情況下，通過安裝特殊的設(shè)備以最小化通風(fēng)滲透傳熱。同時，對外聘請了一位顧問來審查所有這些細(xì)節(jié)，并在建造過程中多次到施工現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)，以確保使用正確的安裝方法。施工團(tuán)隊時刻保持警惕，時時不忘對潛在的通風(fēng)滲透進(jìn)行檢測。最后，還對整棟建筑進(jìn)行了兩次鼓風(fēng)機門測試以檢測其氣密性。

在確立了氣密性為首要原則后，設(shè)計團(tuán)隊開始專注于高保溫建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。南向的大面積窗戶滿足了日間的采光需求，并在漫長的供暖季吸收太陽能熱量，這要求團(tuán)隊選擇隔熱性能高的玻璃材料。建筑使用的窗戶由雙層玻璃和雙層反光薄膜以及剛性好的大斷面隔熱斷橋窗框構(gòu)成，玻璃夾層填充氪氣。這樣的窗戶具備多種功能，包括自然采光、被動制冷與采暖、保溫隔熱和氣密性等。熱阻值R平均為（包括窗框）6.5，根據(jù)窗戶位置不同，其范圍從4.8到7.1不等。由R-50的結(jié)構(gòu)保溫板和R-67及R-20的窗戶組成的整個外墻系統(tǒng)，隔熱性能是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值的3倍。

1.2儲熱體

圖2　創(chuàng)新中心北側(cè)實景

除了高隔熱性能的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，建筑的儲熱材料也是被動采暖和制冷的關(guān)鍵，它能夠確保室內(nèi)溫度的穩(wěn)定而不受室外溫差和季節(jié)性氣候變化的影響。清水混凝土地板成為最主要的儲熱材料。冬季，地板通過太陽輻射受熱，然后將熱量傳導(dǎo)至整個空間。除此之外，墻體和遮陽板中加入的相變材料（Phase Change MateriaI，PCM）也能夠提供更佳的儲熱性能。這種植物性蠟狀材料，在白天從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，吸收熱量，而在涼爽的夜晚則變回固體，釋放儲存的熱量。使用這種材料后，在夜晚溫度為4℉（-15℃）且沒有設(shè)備加熱的情況下，建筑在整個夜間的降溫幅度僅為3℉（-16℃）。

1.3最大化自然通風(fēng)

主動式自然通風(fēng)策略能夠使建筑在一天中充分利用儲熱材料的功能。夜晚室外氣溫下降后，窗戶會自動打開，為室內(nèi)混凝土板和相變材料降溫，使建筑在次日可以保持涼爽狀態(tài)。而當(dāng)日夜間混凝土板預(yù)降溫的幅度，則是通過一個可預(yù)報次日最高溫的監(jiān)控裝置計算得出。這種溫度的設(shè)置方式，使得建筑溫度在高溫季節(jié)的清晨是最低的。

白天，控制系統(tǒng)通過監(jiān)測室內(nèi)和室外溫度，在條件適宜時自動打開窗戶。南面的低窗和北面的高窗則形成煙囪效應(yīng)，確保新鮮空氣更好地在整個空間進(jìn)行流通。另外，在工況良好時，系統(tǒng)還會通過指示燈提醒用戶開窗，進(jìn)一步加強自然通風(fēng)。

這種基本的被動式節(jié)能運用了低熱交換、高熱質(zhì)和高性能保溫隔熱策略，為建筑高效運行奠定了穩(wěn)定、舒適的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊能夠集中精力于智能控制方法，從而在美國最寒冷的氣候帶實現(xiàn)采暖和自然采光的最優(yōu)化。

圖3　被動式技術(shù)剖面示意

圖4　北立面窗戶

1.4控制眩光

陽光是創(chuàng)新中心最重要的資產(chǎn)，也是最大的挑戰(zhàn)。高海拔和晴朗的天空使科羅拉多巴索爾特全年都擁有充沛的太陽能資源。通過調(diào)節(jié)夏季的太陽能輻射得熱以及最大化冬季的太陽輻射得熱，創(chuàng)新中心可以無需制冷系統(tǒng)，采暖則通過一套小型分布式系統(tǒng)即可。

為達(dá)到這個目標(biāo)，團(tuán)隊在初始設(shè)計階段就試圖最大化建筑在冬季的太陽能吸收量。狹窄的樓面板，南向設(shè)計和“蝴蝶形”的屋頂設(shè)計都是為了將建筑的儲熱材料盡可能地曝露在冬日暖陽之下。建筑各個立面窗戶的大小和類型都經(jīng)過精心設(shè)計（圖4、5），從而盡可能優(yōu)化南向的輻射得熱，同時最小化北向的熱損耗。最終建筑4個立面的窗墻比分別是南向52%，北向18%，東向23%和西向13%。通過優(yōu)化設(shè)計，南向的窗戶能夠比北向窗戶吸收更多的光與熱，而北向窗戶則具有更高的R值，即更高的保溫性能。東西向立面則使用了電致變色智能窗，在太陽輻射達(dá)到波峰的時候?qū)⒆詣幼儼?。這一設(shè)計方案經(jīng)過大量的研究和細(xì)致調(diào)整，最終構(gòu)成了建筑立面的被動式策略。

為了控制夏季的太陽輻射得熱，項目使用了能夠在冬季工況下自動收放的外遮陽百葉（圖6）。這些百葉窗能夠自動跟蹤太陽照射角度，在保證采光的同時控制眩光和熱輻射。通過外遮陽百葉簾和建筑的一體化設(shè)計控制系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)使用空間的需要，在過熱時啟用，在需要熱量時將其收起。雖然許多建筑都采用固定外遮陽裝置控制輻射得熱，但這種自動系統(tǒng)的調(diào)控作用在春秋季節(jié)尤其重要，因為這兩個季節(jié)天氣多變且在設(shè)計階段無法進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估。

圖5　靠窗的辦公空間

這些系統(tǒng)和設(shè)計特點不僅能夠控制太陽輻射得熱，還提供了充足的自然采光并能有效避免眩光。創(chuàng)新中心能夠在全年大多數(shù)時間實現(xiàn)全自然采光，從而顯著減少了對高能耗室內(nèi)照明設(shè)備的需求，其余的照明需求則通過高效的LED燈和個人臺燈即可滿足。

通過在設(shè)計中使用被動式太陽能控制技術(shù)，該建筑已無需制冷系統(tǒng)，對傳統(tǒng)采暖和照明系統(tǒng)的需求也大大降低，顯著地節(jié)約了能源。

2　重新定義熱舒適度

上述被動式設(shè)計策略能夠減小傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的規(guī)模，并促進(jìn)對新型熱舒適研究的探索。目前的建筑行業(yè)為了減少熱舒適度風(fēng)險或安裝問題，常常使用大規(guī)模的機械采暖和制冷系統(tǒng)。由于設(shè)備子系統(tǒng)越來越多，樓宇控制系統(tǒng)正在變得越來越復(fù)雜，如照明和自動百葉簾，都在使用智能控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)功能強大，但也需要更多的專業(yè)知識和資源進(jìn)行設(shè)備安裝、編程、調(diào)試與操作。這些控制系統(tǒng)常常出現(xiàn)故障，造成大量能耗和熱舒適問題。落基山研究所想要放棄這種能源密集型方案，專注于控制系統(tǒng)一體化集成，并根據(jù)6項影響熱舒適度的變量因素（而不僅是室內(nèi)溫度）進(jìn)行設(shè)計。

在寒冷的冬天，即使墻上的恒溫器顯示室內(nèi)溫度是72℉（22℃），對任何坐在單層普通玻璃窗邊的人來說，也并不能充分說明實際情況。有許多其他變量，如輻射溫度和空氣流速等，都會影響人的舒適度。通過專注于每一個變量因素，設(shè)計策略能夠更具針對性，并將能源集中在能夠最大程度改善用戶舒適度的方面——從使用單一手段滿足所有用戶轉(zhuǎn)向直接滿足每一位建筑用戶的需求。

美國采暖、制冷及空調(diào)系統(tǒng)工程師協(xié)會（American Society of Heating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）和加州大學(xué)伯克利分校（the University of California，Berkeley）建筑環(huán)境中心（Center for the Built Environment，CBE）通過大量研究，得出了影響人體熱舒適度的6項變量因素（圖7）。

圖6　建筑立面外遮陽百葉

人們能夠直觀地感覺到影響自身舒適度的因素，但迄今為止，建筑行業(yè)還沒有把這些因素轉(zhuǎn)化為設(shè)計師能夠直接應(yīng)用的度量標(biāo)準(zhǔn)。ASHRAE 55舒適度標(biāo)準(zhǔn)（Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy，人類居住的熱環(huán)境條件）用公式將這6項因素轉(zhuǎn)化為一個單一變量，叫做預(yù)測平均投票數(shù)（Predicted Mean Vote，PMV）。通過大量的測試，PMV能夠預(yù)估在設(shè)定工況下，感到舒適的人群比例。例如，PMV值為0.5則表示在設(shè)定工況下，90%的人會感到舒適。通過這個度量標(biāo)準(zhǔn)，可將表面溫度等抽象的變量轉(zhuǎn)化為能夠直接衡量人體舒適度的標(biāo)準(zhǔn)。

圖7　影響人體舒適度的6項因素

從業(yè)主角度來看，PMV為一棟建筑提供了清晰的、標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范。大多數(shù)人僅用溫度一項指標(biāo)來評判建筑是否滿足規(guī)范要求，是因為溫度是單一的、容易測量的變量。而當(dāng)我們將標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)擴(kuò)展到6項，衡量評價工作就困難得多了。即使是在設(shè)計階段，6項指標(biāo)中的任意一項都沒有確定的范圍可供參考。相反，每項指標(biāo)可接受的變化范圍都會隨著另外5項指標(biāo)的變化而變化。而使用PMV指標(biāo)的優(yōu)勢在于，它包含了6項指標(biāo)所有可能的組合方式，并將其轉(zhuǎn)化為一個單一的、易模擬的、可量化的指標(biāo)。

雖然PMV公式能夠提供一個清晰的單一數(shù)值，但在如此復(fù)雜的公式里，每個單項指標(biāo)都有可能被忽視。

為了解決這個問題，建筑環(huán)境中心將這個復(fù)雜的公式轉(zhuǎn)化為一種交互式圖形工具（圖8）。通過改變輸入的各項變量因素數(shù)值，用戶不僅能夠得到最終的PMV結(jié)果，還可以找到室內(nèi)環(huán)境在舒適度范圍內(nèi)的既定工況條件。此工具在設(shè)計過程中也十分關(guān)鍵，它能夠讓客戶和設(shè)計團(tuán)隊試驗不同的工況，從而更直觀地了解設(shè)計決策的實際效果。例如，當(dāng)需要在安裝額外的制冷設(shè)備或增加吊扇之間做出選擇時，這個工具能夠直觀地展示空氣流速對用戶舒適度的顯著影響。

雖然落基山研究所對于PMV提供的創(chuàng)新性、以用戶為中心的設(shè)計方式感到非常振奮，但要將這種理論應(yīng)用于當(dāng)前可用的控制系統(tǒng)中卻非常困難。控制序列擅長優(yōu)化單一變量因素，如溫度，但當(dāng)多項變量因素相互依存時就變得十分復(fù)雜。為了將其簡化，我們根據(jù)預(yù)期的用戶使用情況做出假設(shè)，將這些變量因素設(shè)為恒定值。首先，為每一區(qū)域的活動量和著裝設(shè)定了上下限。例如，在會議中心里，一位身穿薄毛衣的聽眾要求供暖，而身穿傳統(tǒng)長袖系扣襯衫和寬松長褲，活躍且充滿激情的發(fā)言者則需要防暑降溫。通過建模，根據(jù)針對PMV修正的焓濕圖（溫濕圖表，圖9）得到能夠滿足這些用戶舒適度所需的氣流和平均輻射溫度范圍，每小時的情況都在表9所示模型中以紅點的方式標(biāo)記出來。

圖8　CBE熱舒適交互式圖形計算界面

最后，所有假設(shè)和預(yù)測用戶對著裝、活動量、氣流、輻射溫度和濕度的反應(yīng)集合設(shè)為恒定值，僅將變溫作為控制策略中的一個因素。這種標(biāo)準(zhǔn)溫度控制策略，能夠提供一個較為寬泛的溫度范圍，用戶自己可以控制其他所有變量。表面上看，PMV似乎僅僅提供了一個更寬的變溫范圍。然而，這種觀點忽略了包括互補性用戶控制系統(tǒng)的設(shè)計外，著裝、活動量以及平均輻射溫度等因素在設(shè)置溫度邊界中所起的關(guān)鍵作用。

3　管理系統(tǒng)控制復(fù)雜度

團(tuán)隊將熱舒適度分解為6項變量因素，并致力于研究滿足每一項要求的最佳方法。這種方式將整個系統(tǒng)分解為若干可滿足每一項需求的目標(biāo)子系統(tǒng)。創(chuàng)新中心采用這種包括用定制的外遮陽滿足光照需求，用吊扇控制氣流等方式，以取代大型中央系統(tǒng)滿足整體舒適度需求的方法。

當(dāng)這些被動式系統(tǒng)創(chuàng)造了一個穩(wěn)定的舒適溫度范圍后，用戶就可以利用小型的個人系統(tǒng)在這個范圍內(nèi)調(diào)整各自的舒適度。這種方式能夠適應(yīng)由于個體新陳代謝、性別、健康程度和衣著的不同，而造成的不同舒適度需求。個人風(fēng)扇和可調(diào)節(jié)的窗戶或百葉窗是簡單易行的解決方案。個體舒適度方面的最新研究也在不斷創(chuàng)造著令人激動的新技術(shù)，比如能夠冷卻和加溫的超級座椅“Hyperchair”，或能夠通過手腕進(jìn)行供暖和制冷的手鐲等。

3.1關(guān)注于控制一體化

然而，所有這些成套的目標(biāo)子系統(tǒng)整合在一起，就使得控制一體化產(chǎn)生了顯著的復(fù)雜性。許多子系統(tǒng)都是進(jìn)行獨立控制的，如室外百葉窗或風(fēng)扇的設(shè)計。雖然它們可能共享外部通信協(xié)議，但在設(shè)計時并不是由外部控制的，將其集成在一套中央控制系統(tǒng)中頗有難度。這些系統(tǒng)的安裝和集成需要與所有供應(yīng)商進(jìn)行合作，并需要大量的編程時間。許多項目往往在集成階段就以失敗告終，轉(zhuǎn)而選擇大型的機械系統(tǒng)。

與此相反，落基山研究所致力于技術(shù)整合，開發(fā)出了一套可供行業(yè)廣泛借鑒并可復(fù)制的定制化方案。

圖9　模擬焓濕圖表

落基山研究所確定的最佳解決方案是專注于系統(tǒng)一體化和試運行過程本身。由于要集成在中央控制系統(tǒng)中的每一個子系統(tǒng)都是特定的，團(tuán)隊首先確認(rèn)該子系統(tǒng)能夠與中央系統(tǒng)協(xié)議進(jìn)行通信，并且由子系統(tǒng)的制造商提供接入系統(tǒng)的技術(shù)支持。這種支持非常重要，為了在一體化和運行過程中解決故障檢測問題，我們將這種技術(shù)支持納入了長期合作關(guān)系之中。

圖10　室內(nèi)辦公空間

3.2改變基于單個設(shè)備的試運行方式

即使具備了一個如此敬業(yè)與投入的設(shè)計和施工團(tuán)隊，全面的調(diào)試仍是保證建筑能夠正常運營的關(guān)鍵。事實上，研究表明許多綠色建筑的實際能耗是最初設(shè)想目標(biāo)的3倍之多，其主要問題在于試運行和運營維護(hù)方面。傳統(tǒng)的試運行方式僅著眼于每一單體設(shè)備的獨立運行狀況。

單一子系統(tǒng)的獨立控制，對于傳統(tǒng)的中央系統(tǒng)而言是合適的。但在落基山研究所創(chuàng)新中心總部大樓中，許多目標(biāo)子系統(tǒng)的運行調(diào)試看似簡單，實則困難。當(dāng)每個子系統(tǒng)在獨立運行的時候是易于測試的，但它們在空間中的交互作用是決定整體方案策略成功的關(guān)鍵。這些系統(tǒng)交互作用常常被許多因素控制，并且由于許多系統(tǒng)的被動式特性，很難被模擬。

相反，運行調(diào)試過程必須將建筑性能進(jìn)化為一個整體來看待。這包括對每件設(shè)備功能的常規(guī)測試和隨之針對建筑整體的長期調(diào)試。要了解各個子系統(tǒng)之間的交互情況，如何針對不同場景做出響應(yīng)，每一項都必須經(jīng)過一段持續(xù)的、各種不同工況下的監(jiān)測。多數(shù)建筑業(yè)主沒有足夠的知識或能力進(jìn)行這樣長期持續(xù)的運行監(jiān)測與分析，這需要與專業(yè)的運行調(diào)試機構(gòu)及設(shè)計團(tuán)隊建立長期合作關(guān)系，以及足以完成這項工作的相關(guān)預(yù)算。這筆相對短期的投資將通過更低的能耗和降低的用戶投訴而迅速得到回報。

3.3用戶培訓(xùn)與參與度

用戶不再消極地期待中央系統(tǒng)為他們提供的舒適性能，而是在了解信息的情況下可以主動控制所有系統(tǒng)。在創(chuàng)新中心里更是如此，有許多被動式的便捷系統(tǒng)能夠共同為用戶提供舒適的環(huán)境。從用戶角度來看，如果他/她感覺熱了，有4種個人調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以解決：個人加溫或冷卻座椅、臺扇、吊扇和窗戶（圖10）。

與傳統(tǒng)的向新用戶發(fā)放使用手冊和進(jìn)行高級培訓(xùn)不同，這需要用一種不同的方式實現(xiàn)用戶培訓(xùn)與參與。最重要的是讓用戶使用空間，親自測試系統(tǒng)將如何影響他們的舒適度。在創(chuàng)新中心，通過游戲的方式，提高用戶的興奮度與參與度。這些游戲鼓勵用戶試用所有可用的系統(tǒng)，來得到最高和最低PMV值。這樣他們不僅能夠感受每一個系統(tǒng)的效果及其與相鄰系統(tǒng)的交互，還能夠更深刻地理解調(diào)控舒適度的根本方法。

為進(jìn)一步提高用戶參與度，創(chuàng)新中心使用了122個電能表來監(jiān)測每一件設(shè)備和建筑電路的用電情況。除了這些主要電表外，還有一套測量系統(tǒng)，能夠監(jiān)測為每個用戶辦公桌供電的獨立電源插座的用電情況。用戶能夠在辦公樓大廳的觸摸屏上了解這些信息，或通過在線平臺發(fā)現(xiàn)更多分析圖表。這些數(shù)據(jù)同時還能夠持續(xù)地對建筑系統(tǒng)的測試以及故障檢測提供幫助。

4　使用高效的目標(biāo)系統(tǒng)

在將被動式設(shè)計和創(chuàng)新熱舒適度手段的效果最大化之后，僅剩下非常有限的冬季通風(fēng)和供熱需求。為了滿足這些需求，落基山研究所利用最高效的熱回收通風(fēng)系統(tǒng)和目標(biāo)供熱系統(tǒng)，致力于對用戶本身供暖，而不是加熱他們周圍環(huán)境的空氣。

創(chuàng)新中心使用了一部高效專用的室外空氣熱回收裝置，將新鮮空氣引入室內(nèi)。該系統(tǒng)在窗戶關(guān)閉時自動啟動，在窗戶打開時自動關(guān)閉。該系統(tǒng)包括了一個熱回收效率為93%的裝置，利用排出廢氣的余熱對進(jìn)入室內(nèi)的新鮮空氣進(jìn)行充分預(yù)熱，而不必安裝再熱盤管。

為了對目標(biāo)用戶直接供暖，創(chuàng)新中心的辦公區(qū)域的地毯下安裝了小型電熱毯。雖然電加熱效率遠(yuǎn)低于其他制熱技術(shù)（如熱泵），但在應(yīng)用被動式設(shè)計策略基礎(chǔ)上，供熱需求非常小，投資其他更昂貴系統(tǒng)將無法收回成本。同時電熱毯能夠針對性地將熱量提供給用戶，并能夠根據(jù)建筑需求的變化方便地移動。

圖11　建筑屋頂?shù)墓夥l(fā)電系統(tǒng)

5　采用智能系統(tǒng)滿足能源需求

創(chuàng)新中心可以成為電網(wǎng)資產(chǎn)的一個真實范例。憑借高效的能源利用、場地內(nèi)產(chǎn)能與儲能能力，創(chuàng)新中心不僅能夠在全年生產(chǎn)自用能源，還能夠在一天中控制自身的負(fù)荷水平。通過使用光伏（PhotovoItaic，PV，圖11）發(fā)電和儲能電池系統(tǒng)，建筑可以在電網(wǎng)用電峰值期間降低用電負(fù)荷。這減小了落基山研究所對電網(wǎng)的影響，并幫助電網(wǎng)避免了為滿足更高峰值負(fù)荷所需建造的大型供電系統(tǒng)。

創(chuàng)新中心的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠為建筑提供83.08kW的裝機容量，最高發(fā)電效率為21.5%。由于屋頂角度和地理位置原因，在冬季該系統(tǒng)預(yù)計將被積雪覆蓋達(dá)3個月之久，而這些因素在計算年度產(chǎn)能時都得到了考慮。因此，即使在這種冬季產(chǎn)能短缺的情況下，光伏系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)能仍然達(dá)到了創(chuàng)新中心用電需求的123%～148%。

目前，創(chuàng)新中心安裝了2套電動汽車（EIectric VehicIe，EV）充電裝置，為4輛電動汽車充電。然而，許多精彩的研究表明雙向電動汽車充電技術(shù)不僅能夠為汽車充電，還能在建筑需要時將電量從汽車輸送回建筑。落基山研究所相信這種技術(shù)即將在幾年內(nèi)進(jìn)入市場，并計劃到那時候再安裝第3套應(yīng)用該項技術(shù)的充電裝置。

此外，一套30kW，45kWh鋰離子電池儲能系統(tǒng)降低了建筑的峰值用電需求，從而使峰值負(fù)荷保持在50kW以下。如果落基山研究所的峰值負(fù)荷超過了50kW，那么將進(jìn)入公用電力公司昂貴的階梯電價范圍。為了控制儲能電池，落基山研究所選擇了GeIi（Growing Energy Labs，Inc.）公司的能源控制系統(tǒng)。它不僅能夠管理電池充電過程，還能整合建筑所有能源系統(tǒng)。比如，它能夠整合建筑暖通空調(diào)控制系統(tǒng)和電動汽車充電站，在建筑總負(fù)荷接近峰值需求時，降低該系統(tǒng)用電量。在實現(xiàn)雙向充電技術(shù)后，落基山研究所還將把該系統(tǒng)整合入GeIi控制系統(tǒng)，這能讓落基山研究所了解、探索建筑如何作為清潔、可再生電力的電網(wǎng)資產(chǎn)實現(xiàn)更高效和經(jīng)濟(jì)地運行。

6　結(jié)論

落基山研究所推動了建筑行業(yè)超越應(yīng)用昂貴低效的大型中央供暖和制冷系統(tǒng)，來降低風(fēng)險和系統(tǒng)復(fù)雜性的做法。在該項目中，落基山研究所通過精心的設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)復(fù)雜度和整合一體化的空前水平，并采用新的方式滿足了用戶熱舒適度的需求。通過投資于一套高氣密性的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，3倍于規(guī)范等級要求的隔熱性能以及控制太陽輻射得熱的主動策略，落基山研究所能夠取消對中央制冷系統(tǒng)的需求，同時僅使用一套小型分布式電熱毯即可滿足供暖需求。為了100%提供這些最低負(fù)荷所需的電量，落基山研究所使用了屋頂光伏系統(tǒng)和先進(jìn)的鋰離子電池控制系統(tǒng)。實施這一系列創(chuàng)新做法，項目的增量成本為10.8%，但經(jīng)過研究所的計算得出，通過節(jié)約能源、提高用戶工作效率以及降低維護(hù)費用，這些投資僅需不到4年時間就可收回。

落基山研究所將繼續(xù)對創(chuàng)新中心進(jìn)行運行調(diào)試，尋求更好地控制集成技術(shù)和個人舒適度解決方案，并改善熱舒適調(diào)控方式。創(chuàng)新中心將提供繼續(xù)嘗試新技術(shù)、新方法的絕佳機會，并將繼續(xù)分享這些經(jīng)驗，以期加速這些技術(shù)在行業(yè)的規(guī)?；茝V。

Chris McClurg，落基山研究所高級咨詢師

Iain Campbell，落基山研究所常務(wù)董事

2016-07-07

ROCKY MOUNTAIN INSTITUTE'S NEW INNOVATION CENTER: A NET ZERO ENERGY BUILDING

Rocky Mountain Institute's new Innovation Center uses passive design， advanced controI system integration and innovative thermaI comfort strategies to create an office in the coIdest cIimate zone of the US with no centraI cooIing or heating and onIy a smaII， 33kW distributed heating system. By focusing on an airtight and insuIative buiIding enveIope， activeIy controIIing heat gain from the sun， aII six variabIes affecting human comfort and the system integration process， this buiIding is 74% more efficient than an average office in this cIimate whiIe making occupants more comfortabIe and productive.

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