孫熠文 任軍 章云鵬 / SUN Yiwen， REN Jun， ZHANG Yunpeng

綠色技術(shù)集成下的超低能耗建筑
——中建新塘展示中心

孫熠文 任軍 章云鵬 / SUN Yiwen， REN Jun， ZHANG Yunpeng

圖1　建筑西南側(cè)外觀

本文以中建新塘展示中心技術(shù)設(shè)計(jì)為例，分別從建筑的圍護(hù)體系、遮陽系統(tǒng)、形體及通風(fēng)優(yōu)化、空調(diào)體系、能源體系、景觀體系、循環(huán)建材及建筑功能轉(zhuǎn)換等方面進(jìn)行了詳盡的闡述分析，希望能全方位地探討超低能耗建筑設(shè)計(jì)中綠色集成技術(shù)的應(yīng)用。

超低能耗 創(chuàng)新節(jié)能表皮 綠色技術(shù)集成 建筑功能轉(zhuǎn)換

圖2　建筑東南側(cè)外觀

圖3　室內(nèi)展示空間

圖4　設(shè)計(jì)理念示意

中建新塘展示中心是天津市濱海新區(qū)塘沽灣新城的第一座建筑（圖1～3），其主要功能是展示塘沽灣生態(tài)新城的規(guī)劃及綠色建筑技術(shù)，并需要在新城建成后（約10年后）轉(zhuǎn)換為社區(qū)文化活動(dòng)中心。因此對該項(xiàng)目而言，建筑的標(biāo)志性和示范性均不可或缺。

1　目標(biāo)

根據(jù)項(xiàng)目定位，建筑本身將成為“城市以及綠色技術(shù)的展品”，以“形式的技術(shù)化”和“技術(shù)的可視化”來實(shí)現(xiàn)區(qū)域標(biāo)志性和綠色建筑示范性兩大要求（圖4）。同時(shí)，通過綠色技術(shù)集成的應(yīng)用（圖5），將建成后的運(yùn)營能耗目標(biāo)設(shè)定為小于45kWh/m2·a，以期該建筑可以達(dá)到國際超低能耗建筑的水平。

2　綠色技術(shù)集成

2.1超級熱工性能維護(hù)體系

北方寒冷地區(qū)建筑的主要能耗來自于夏季空調(diào)能耗、冬季采暖能耗，因此外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本項(xiàng)目通過幾種技術(shù)集成的方式，構(gòu)建超高熱工性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，大大降低了建筑冬夏兩季的能耗。

（1）創(chuàng)新性的節(jié)能表皮設(shè)計(jì)（循環(huán)建材自節(jié)能建筑表皮系統(tǒng)）

在該項(xiàng)目中，建筑表皮除起到裝飾作用外，還被賦予更多功能，成為保溫體系的組成部分。

在設(shè)計(jì)草圖階段，墻體外的石材呈魚鱗狀敷設(shè)，下設(shè)有進(jìn)風(fēng)槽，每層分隔的黑色金屬U型槽吸熱產(chǎn)生層間的熱壓通風(fēng)，帶走墻體表面的熱量（圖6）。石材表面齒條的傾斜角則根據(jù)天津冬夏兩季的太陽高度角設(shè)計(jì)而成，使其在夏季形成陰影，降低建筑表面溫度；冬季則允許陽光照進(jìn)深處，提高室內(nèi)溫度。

然后，采用計(jì)算機(jī)模擬輔助研究石材表面齒條的分布和形式細(xì)節(jié)，利用增強(qiáng)混凝土輕型掛板可塑性強(qiáng)的特點(diǎn)，將表面設(shè)計(jì)為30°傾角的鋸齒狀肌理，并根據(jù)冬夏兩季的太陽高度角，形成蓄熱（冬季）和遮陽（夏季）兩種模式，從而使建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能與季節(jié)相匹配，如同一件可以隨季節(jié)調(diào)節(jié)溫度的“外衣”（圖7）。

安裝方式上，采用傾斜板呈魚鱗狀干掛的模式，最佳傾角為10°～20°（圖8）。在東、西、南3個(gè)立面，空氣可以從墻體板間縫隙進(jìn)入，經(jīng)層間設(shè)置的深色金屬吸熱后，形成通風(fēng)腔，通過熱壓通風(fēng)帶走熱量，降低夏季建筑表面溫度，從而降低空調(diào)能耗；北側(cè)的墻體板間縫隙則用鍍鋅鐵板密封，形成封閉空腔，大幅降低北側(cè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，提高隔熱性能，降低冬季采暖能耗（圖9）。

借助計(jì)算機(jī)流體力學(xué)（ComputationaI FIuid Dynamic，CFD）模擬進(jìn)行氣流和冬夏季墻體溫度的模擬實(shí)驗(yàn)（圖10），最終確定了魚鱗狀“循環(huán)建材自節(jié)能建筑表皮系統(tǒng)”（圖11）。根據(jù)模擬結(jié)果，與普通外檐裝飾材料施工方法相比，該系統(tǒng)將節(jié)約能耗達(dá)20%。

“循環(huán)建材自節(jié)能建筑表皮系統(tǒng)”作為節(jié)能圍護(hù)體系的核心，將項(xiàng)目所在地的氣候參數(shù)納入墻體材料選擇與形式設(shè)計(jì)的過程中，通過對表面材料精確設(shè)計(jì)，利用墻體蓄熱、自遮陽和間層通風(fēng)等手段，以被動(dòng)式的方法靈活應(yīng)對天津獨(dú)特的氣候條件。該系統(tǒng)建成后，對超低能耗的綠色建筑研究貢獻(xiàn)頗多，已獲得實(shí)用新型專利。

（2）熱工性能優(yōu)良的外墻、外窗設(shè)計(jì)

根據(jù)寒冷地區(qū)被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)原理，建筑在外墻設(shè)計(jì)上采用了增強(qiáng)不利朝向墻體保溫性能的策略。北側(cè)采用同等厚度的砂加氣混凝土砌塊，結(jié)合節(jié)能表皮的封閉空氣間層，形成減少北向能耗的有針對性的解決方案。東、西、南主體墻體傳熱系數(shù)K值可達(dá)到0.37，北側(cè)K值更為理想。

圖5　技術(shù)集成示意

圖6　外表皮草圖構(gòu)思

圖7　建筑外表皮細(xì)節(jié)示意

圖8　魚鱗狀干掛模式

圖9　表皮系統(tǒng)通風(fēng)隔熱原理示意

圖10　墻體溫度CFD模擬結(jié)果示意

圖11　循環(huán)建材自節(jié)能建筑表皮系統(tǒng)外觀

圖12　整體外墻、外窗保溫性能

圖13　外墻和外窗細(xì)部

表1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能

通過能耗模擬實(shí)驗(yàn)，外窗選用斷橋鋁隔熱窗框和雙玻雙銀Low-E充氬氣玻璃外窗，其基本傳熱系數(shù)K值可達(dá)到1.8。建筑整體的外墻、外窗保溫性能及細(xì)部如圖12、13和表1所示。

同時(shí)，為了提高建筑整體的熱工性能，不同朝向的建筑立面做了不同的處理。南側(cè)設(shè)計(jì)簡潔的帶形窗和內(nèi)凹玻璃幕墻；北側(cè)則在大面積實(shí)墻上開設(shè)不規(guī)則的窗洞；東側(cè)設(shè)置深凹的灰空間，不僅可以提供蔭蔽的室外空間，還起到引導(dǎo)夏季東南風(fēng)的作用；西側(cè)45°的實(shí)墻，在創(chuàng)造良好景觀視野的同時(shí)，削弱西曬的影響（圖14～17）。

（3）屋頂綠化及屋頂農(nóng)業(yè)

各層屋面上設(shè)計(jì)大面積的屋頂綠化，進(jìn)一步提高了屋頂?shù)臒峁ば阅?，從而降低夏季的空調(diào)能耗及冬季的采暖能耗。

綜上所述，通過采用創(chuàng)新性的節(jié)能表皮、選擇熱工性能良好的窗戶以及設(shè)置大面積的屋頂綠化等措施，構(gòu)建了超級熱性能的圍護(hù)體系，為實(shí)現(xiàn)能耗小于45kWh/m2·a的目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2綜合遮陽系統(tǒng)

建筑遮陽系統(tǒng)是一種最簡單直接，且行之有效的減少夏季空調(diào)能耗的被動(dòng)式節(jié)能方式，同時(shí)也是建筑造型的重要組成部分。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一組結(jié)合建筑的造型、朝向和內(nèi)部功能的綜合遮陽系統(tǒng)。

2.2.1電動(dòng)折疊式活動(dòng)外遮陽

折疊式活動(dòng)外遮陽系統(tǒng)被大量地應(yīng)用于建筑的東、南及西側(cè)。這是一種以金屬穿孔板為遮陽材料，利用軌道折疊至一側(cè)，進(jìn)而可以完全開閉的外遮陽方式。由于靈活便捷的特點(diǎn)，將其應(yīng)用在辦公場所可以根據(jù)空間的使用需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，折疊式外遮陽與帶型窗在設(shè)計(jì)形式上相呼應(yīng)，其相對隨機(jī)的開閉狀態(tài)使得建筑外立面與內(nèi)部的使用形成互動(dòng)，帶來變幻的立面效果（圖18、19）。

2.2.2垂直式機(jī)翼型電動(dòng)外遮陽

項(xiàng)目用地的西側(cè)規(guī)劃為景觀優(yōu)美的公園。因此，建筑的西側(cè)設(shè)計(jì)為朝向公園45°打開，并設(shè)置了玻璃幕墻。在綜合考慮西曬、景觀視線和外檐效果等多方面因素后，玻璃幕墻外側(cè)選用垂直式機(jī)翼型電動(dòng)遮陽百葉?；【€形的葉片由金屬穿孔板制成，截面為半梭形，可以在0°～120°之間調(diào)節(jié)，通過機(jī)械聯(lián)動(dòng)變換角度進(jìn)行遮陽和光線調(diào)節(jié)。此外，梭形的設(shè)計(jì)及金屬質(zhì)感，使其不僅僅是建筑的室外遮陽結(jié)構(gòu)，也是建筑立面的重要表現(xiàn)形式——硬朗的豎向線條與建筑風(fēng)格相互統(tǒng)一融合，成為建筑外觀上的一大亮點(diǎn)（圖20）。

2.2.3屋頂天窗軌道式內(nèi)遮陽

項(xiàng)目首層和二層有一個(gè)用于展示大型沙盤的共享中庭，在此設(shè)置自然采光的屋頂天窗。屋頂天窗的軌道式內(nèi)遮陽簾可以根據(jù)沙盤的展示與講解的需求自由調(diào)節(jié)控制光線，以達(dá)到最佳效果（圖21）。

2.3形體生成及通風(fēng)優(yōu)化

形體對被動(dòng)式超低能耗建筑的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，它是影響能耗的關(guān)鍵。形體的生成，要在保證體形系數(shù)盡可能小的同時(shí)，提高建筑內(nèi)部的自然采光和通風(fēng)性能。

圖14　北立面

圖15　東立面

圖16　西立面

圖17　南立面

圖18　建筑活動(dòng)外遮陽與帶型窗

圖19　外遮陽與建筑外立面的變化

圖20　垂直式機(jī)翼型電動(dòng)外遮陽與建筑立面效果

圖21　共享中庭效果

因此，展示中心的建筑以體形系數(shù)最小的正方體為基礎(chǔ)，綜合考慮西側(cè)的公園景觀、東側(cè)市政道路的噪音干擾、天津地區(qū)冬夏季的主導(dǎo)風(fēng)向、場地相對充足的日照以及內(nèi)部功能對空間的需求等因素，對基礎(chǔ)形體進(jìn)行切割、整合，逐步完成了形體的生成（圖22）。

被動(dòng)式節(jié)能的另一個(gè)重要方式是自然通風(fēng)。良好的自然通風(fēng)，不僅可以縮短空調(diào)季的時(shí)間，降低夏季的空調(diào)能耗，也在過渡季給使用者帶來舒適的感受。

2.3.1基于自然通風(fēng)考慮的建筑形體

在建筑形體的生成過程中，充分考慮了天津地區(qū)冬夏季的主導(dǎo)風(fēng)向。建筑北高南低，有利于阻擋冬季的西北風(fēng)；由北向南層層退臺設(shè)計(jì)，以及東、南兩側(cè)出入口處的大進(jìn)深開口，有利于夏季東南風(fēng)的導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部良好的自然通風(fēng)效果（圖23）。

2.3.2熱壓通風(fēng)及風(fēng)環(huán)境模擬

對于通風(fēng)效果不好的首層和二層的大進(jìn)深空間，在中庭設(shè)計(jì)可開啟的屋頂天窗，結(jié)合南北兩側(cè)的門窗，產(chǎn)生熱壓通風(fēng)效應(yīng)。同時(shí)，利用軟件對室外的空氣流動(dòng)進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果對建筑形體及門窗位置，特別是窗的位置做了多處調(diào)整，使主要展廳在過渡季節(jié)形成體感風(fēng)（圖24、25）。

2.4節(jié)能空調(diào)體系——地源熱泵+自然冷源+新風(fēng)系統(tǒng)

項(xiàng)目采用地源熱泵作為能源系統(tǒng)，提高可再生能源的利用率。春末夏初，地源側(cè)的冷水直接供給室內(nèi)末端，提供免費(fèi)的自然冷源，減少地源熱泵機(jī)組開機(jī)時(shí)間，避免能源浪費(fèi)；夏季地源側(cè)在水溫低于24℃時(shí)將其送入地暖盤管實(shí)現(xiàn)地板輻射供冷。此外，項(xiàng)目還設(shè)置了太陽能熱水系統(tǒng)作為輔助。新風(fēng)熱回收系統(tǒng)則根據(jù)室內(nèi)CO2濃度控制新風(fēng)機(jī)組的風(fēng)量，在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的前提下降低空調(diào)能耗（圖26）。

圖22　形體的生成過程

圖23　不同季節(jié)自然通風(fēng)示意

圖24　室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬剖面示意

圖25　室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬平面示意

圖26　節(jié)能空調(diào)體系示意

圖27　薄膜光伏系統(tǒng)外觀

圖28　不同形式的屋頂景觀形式

圖29　生態(tài)草坡

2.5薄膜光伏系統(tǒng)——CIS薄膜太陽能電池

在展廳采光頂處設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)。選用技術(shù)成熟、效率較高且適合建筑一體化的CIS（銅銦硒，CuInSe2，簡稱CIS）透光薄膜電池組件（圖27）。天窗安裝了231塊BIPV（BuiIding-integrated photovoItaic，光伏建筑一體化）構(gòu)件，安裝功率12.705kW。項(xiàng)目建成后，預(yù)計(jì)年均發(fā)電量為16 102kWh，所提供的能源達(dá)到總能耗的3%。

2.6生態(tài)綠化景觀體系

根據(jù)各層屋面的不同需求，分別設(shè)置屋頂農(nóng)業(yè)、屋頂花園、屋頂草坪、生態(tài)草坡等多種景觀綠化形式（圖28）。對于此類低層建筑，這樣的設(shè)計(jì)既節(jié)能又提升了綠色景觀的垂直層次感，同時(shí)也是一種可視化的綠色示范。

2.6.1屋頂農(nóng)業(yè)

在使用者最多的二層屋面，設(shè)計(jì)了屋頂農(nóng)業(yè)。除了滿足屋面綠化的需求外，這還是一種可以參與、收獲的景觀。采用的模塊化的、可移動(dòng)的種植槽，以及滴灌和營養(yǎng)基質(zhì)等技術(shù)手段，可保證有機(jī)蔬菜的品質(zhì)。

2.6.2屋頂花園及屋頂草坪

三層屋面的使用人群相對較少，設(shè)計(jì)了較為安靜的屋頂花園；而在不允許上人的四層屋面，則采用屋頂草坪，以降低建筑能耗。

2.6.3生態(tài)草坡

結(jié)合建筑形體和風(fēng)向，在場地西側(cè)45°斜墻環(huán)抱的空間內(nèi)設(shè)計(jì)生態(tài)草坡，將西側(cè)公園綠地的視覺效果延展引導(dǎo)至建筑的二層平臺，使景觀與建筑自然地融為一體（圖29）。

圖30　南側(cè)景觀水池

圖31　西側(cè)景觀水池

項(xiàng)目的日常用水主要為生活用水、沖廁用水、景觀綠化用水等。其中，沖廁、景觀綠化等非飲用水的消耗量占總用水量較大比重（約60%以上），若全部或部分采用雨水、中水，則節(jié)約的自來水量將非常可觀。

由于用地市政配套尚未完善，無法確定市政中水管網(wǎng)在項(xiàng)目投入使用時(shí)是否具備通水條件，因此項(xiàng)目場地自建再生水回用設(shè)施，以滿足景觀綠化等非飲用水的需求。

圖32　入口文化墻

圖33　表皮系統(tǒng)采用的寶貴石實(shí)景

圖34　西立面樹影墻

此外，景觀水池設(shè)置的循環(huán)水泵及殺菌除藻過濾水處理設(shè)備，既滿足疊水的景觀效果，也保持池水循環(huán)，加強(qiáng)池水自凈化能力，延長換水周期（圖30、31）。

2.7藝術(shù)化環(huán)保建材

項(xiàng)目選用“寶貴石”（輕型混凝土掛板）作為建筑的外檐材料。這是一種新型的人造石，在質(zhì)地觀感上，比一般的水泥制品更接近石材，且具有很強(qiáng)的藝術(shù)可塑性。更重要的是，寶貴石以天然石渣、石粉為集料，相比于其他建筑材料，其環(huán)保特性更突出，是一種綠色可持續(xù)的再造建材。

圖35　展示中心平面（轉(zhuǎn)換前）

前文所述的節(jié)能表皮系統(tǒng)，充分利用了寶貴石的可塑性，將被動(dòng)式節(jié)能與建材肌理設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材和藝術(shù)表現(xiàn)力的統(tǒng)一，并創(chuàng)造了建筑外立面獨(dú)特的藝術(shù)質(zhì)感。

此外，將寶貴石定制加工成入口處宣傳綠色理念的文化墻，以及西立面朝向公園的樹影墻（圖32～34）。樹影墻借助寶貴石凹凸的肌理，將樹林的影像轉(zhuǎn)印到實(shí)墻上，與真實(shí)公園中的樹木相映成趣。

2.8建筑功能轉(zhuǎn)換

伴隨著塘沽灣的建設(shè)，中建新塘展示中心在10年后將轉(zhuǎn)換為百姓的社區(qū)活動(dòng)中心。為此，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了前后使用功能的轉(zhuǎn)變對應(yīng)，設(shè)計(jì)了較多的開敞空間，室內(nèi)空間的劃分也主要使用可拆改的輕質(zhì)隔墻，盡可能地減少未來的拆改量，賦予空間更多的靈活性（圖35、36）。

3　結(jié)語

中建新塘展示中心項(xiàng)目于2015年正式竣工并投入使用。盡管項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段已達(dá)到了綠色建筑的既定目標(biāo)，但作為超低能耗建筑，其運(yùn)營階段才是項(xiàng)目的衡量準(zhǔn)則。

圖36　社區(qū)活動(dòng)中心平面（轉(zhuǎn)換后）

通過對能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，我們將在后續(xù)的使用中深入研判如何能夠持續(xù)發(fā)展并優(yōu)化現(xiàn)有的能耗狀況，以期達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

同時(shí)，作為一棟10年后預(yù)期發(fā)生功能轉(zhuǎn)換的建筑，屆時(shí)將根據(jù)新的運(yùn)營使用數(shù)據(jù)，對能耗進(jìn)行再調(diào)整優(yōu)化，真正實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的可持續(xù)性。

孫熠文，天津市天友建筑設(shè)計(jì)股份有限公司項(xiàng)目總監(jiān)

任軍，博士，天津市天友建筑設(shè)計(jì)股份有限公司首席建筑師

章云鵬，天津市天友建筑設(shè)計(jì)股份有限公司建筑師

2016-07-15

ULTRA-LOW ENERGY CONSUMPTION BUILDING BASED ON GREEN TECHNOLOGY INTEGRATION: CHINA CONSTRUCTION XIN TANG EXHIBITION CENTER

Taking the China Construction Xin Tang Exhibition Center as an exampIe， this paper expounds the buiIding enveIope system， shading system， form and ventiIation optimization， air-conditioning system， energy system， Iandscape system， environmentaI-friendIy materiaIs and function transformation. The author hopes that this paper can comprehensiveIy discuss the green technoIogy integration on the design of uItra-Iow energy consumption buiIding.

UItra-Iow Energy Consumption， Creative Energy Saving Epidermis， Green TechnoIogy Integration， Construction Function Transformation