【资讯】超低能耗绿色建筑设计与案例分析—— 中新天津生态城公屋展示中心！【下篇】

景观6: 绿色屋顶设计，减少建筑能耗，改善城市热岛效应 #生活技巧# #园艺绿化建议# #绿化景观案例分析#

4案例分析

4.1 概况

中新天津生态城公屋展示中心，位于天津市中新天津生态城15号地公屋项目内，其区位如图5所示，总用地8090m2，总建筑面积3467m2，其中地上两层3013 m2，地下一层454m2，结构体系为钢框架结构，建筑总高度15m。建筑功能一部分为公屋展示、销售；另一部分为房管局办公和档案储存。该建筑物呈菱形，体形系数0.22，总体窗墙比0.2。

图5中新天津生态城公屋展示中心区位图及实景图

设计目标：项目场地范围内运行能耗接近零，即年周期内建筑运行消耗的能源数值≤生产的能源数值 → 建筑的能耗限值、国标绿色建筑三星级认证；

设计方法：以能耗为目标的性能化设计。1）基于计算机模拟分析，不断优化建筑设计方案，降低建筑用能需求；2）基于能耗限值优选用能系统形式，优化用能系统参数；3）根据项目资源条件与零能耗目标，比选可再生能源及其利用形式—— 太阳能、浅层地能；尤其是太阳能；

主要技术措施：1）通过被动技术措施降低建筑的能量需求；2）通过主动技术措施提高建筑用能系统效率，降低建筑能耗；3）利用可再生能源降低建筑的化石能源消耗，地源热泵；4）利用可再生能源实现年运行周期的“零能耗”， 光伏。

4.2 被动式设计

（1）气候分析及建筑布局设计中新天津生态城位于北纬39.1°，东经117.1°，属于典型大陆性季风气候。冬季寒冷干燥，盛行西北风；夏季炎热潮湿，盛行东南风；过渡季气温适宜，盛行西南风。因此着重考虑冬季建筑保温，首先提高建筑围护结构的保温隔热性能，同时将建筑的场地选址于较有利于采用太阳能的区域。此外，建筑的主要出入口避开了冬季主导风向；此外通过建筑自遮阳、积极的引导自然通风等，利用室外新风消除室内余湿余热，朝向东南、西南的建筑立面保证外窗的可开启性等降低建筑夏季的制冷需求。

1）太阳辐射分析，该地区阳光充足，年均日射量为4.073kWh/m2，年日照时数在2778小时，年平均日照率为63%，经场地太阳辐射分析，确定建筑建设位置。整个地块内太阳辐射呈东北向西南的梯度分布，东北区域高，西南区域低，为充分利用太阳能，增强自然采光、提高光伏发电量等，建筑位于东北区域。

2）场地风环境分析，为避开冬季高风速区，同时夏季及过渡季建筑前后风压大于1.5Pa，确保建筑的自然通风，对场地风环境进行了模拟分析。经过优化，确定建筑呈梭形，东西对称，南北朝向，夏季及过渡季建筑的东北、西南侧风速为2.1m/s，可形成有效的自然通风。冬季场地内风速仅1.3m/s，不会对建筑造成过大的冷风侵入影响。

3）建筑最佳朝向，根据冬季太阳辐射量最大与夏季太阳辐射量最小的原则，经最佳朝向分析，确定本项目主力面的最佳朝向为北向162.5°。

4）环境温度分析，本地区年平均气温12.5℃，最高气温39.9℃，最低气温-18.3℃，如图4-12所示。建筑冬季需保温，以降低热负荷需求；夏季需遮阳，以降低冷负荷需求，为此在建筑设计方案创作中，充分考虑了遮阳，既设计了外遮阳，又设计了建筑自遮阳；此外对自然采光进行了充分设计，兼顾考虑了被动房的设计。该地区常年气温在12.5℃，地表恒温层约为14.5℃，可以利用地源热泵系统。

5）微气候环境分析，该项目采用适合天津地区的乡土植物，优化乔木、灌木和草坪的搭配，形成富有生机的复层绿化体系，场区的绿化率达到67%，改善局部气候的效果比较明显。此外，还结合光伏屋顶的架空层和不利于安装光伏的空间，设置了屋顶绿化。

（2）自然通风

为增加迎夏季和过渡季节主导风向的开窗面积，经核算外窗和幕墙可开启面积比例达到66%以上，便于实现自然通风。不同开窗率的室内自然通风模拟，如图8所示。

图8室内自然通风模拟

本项目采用了坑道风（采风口在建筑室外景观区）预冷/热新风，结合屋顶自然通风窗、通风井及大厅地面送风口，强化自然通风，缩短入口大厅空调制冷时间约20%，减少入口大厅空调制冷能耗约30%。

此外，在设计中合理利用建筑中庭、天窗等增强热压通风效果，通过外窗直接通风；在过渡季节利用室外的采风口、室内地下层的自然通风道及屋顶电动天窗将室外自然风引入室内共享大厅，增强自然通风，如图10所示。

图10 中庭、侧高窗强化自然通风示意图及地道通风效果

（3）太阳辐照度分析、窗墙比及自然采光设计

采光不仅关系到建筑的照明能耗，同时关系到建筑内人员的身体健康。经过日照模拟和优化，当窗墙比在0.26时，即可满足自然采光，又可以最大程度的降低能耗。通过优化利用外窗的阳台，结合屋顶浅色发光板，强化自然采光效果。根据计算屋顶采用采光天窗、房间隔断采用透明玻璃隔断，可有效增强室内采光。

图12公屋展示中心的采光模拟分析及自然采光的实景

为了改善地下室及部分大进深房间的自然采光效果，该项目在地下空间设置了3个光导筒，为楼梯间、爬梯出口及电池间提供自然采光。地下空间的平均采光系数由0提升到了0.23%；屋顶设置了20个光导筒，为档案库、办公室、会议室、卫生间及无自然采光条件的房间提供自然采光，侧墙设置12个光导筒，为办公室、弱电机房提供自然采光。如图14所示。一层的整体平均采光系数提升了0.99%，二层的整体平均采光系数提升了1.21%。

图14 屋顶导光筒、侧壁及地下通道导光筒的设置及其自然采光效果

根据耗能分析在20%窗墙比的条件下，外墙及屋顶设计K值控制在0.10W/m2·K ~ 0.15W/m2·K较为合理。外墙及屋顶设计K值为0.15 W/m2·K左右时，对节能效果基本没有影响，但是改善了采光，节约了造价。基于综合考虑，该项目建筑外墙采用300mm厚04级蒸压轻质砂加气混凝土砌块外贴150mm岩棉保温，平均传热系数可达到0.16W/m2·K。根据目前市场可以找到的窗及幕墙节能技术，并充分考虑造价的因素，建筑的窗及幕墙K值选用1.20W/(m2.K) 。玻璃选用三银low-e 6+12Ar+ 6+12Ar+6，窗框内做加宽隔热条。

4.3主动式技术

本工程利用干燥新风通过变风量方式调节室内湿度，用高温冷水通过独立的末端调节室内温度的方案。空调冷、热源形式为：高温地源热泵耦合太阳能光热系统+溶液调湿系统+VRF。室外埋管换热器采用双U型垂直式换热系统，室外共钻孔44口、矩形布置、孔深120米、钻孔直径Φ200mm、间距5米。高温冷水地源热泵机组夏季为建筑提供16℃/21℃的冷水作为建筑冷源，冬季为建筑提供42℃/37℃热水作为建筑热源；供冷及供热初/末期系统可实现跨机组供冷、热，即：关闭制冷、热主机，用户侧水直接进入土壤换热器；供热季，太阳能光热系统通过间接换热方式提升系统地源侧进入机组的水温，提高机组COP；供冷季，可以实现利用系统排热加热生活热水系统；溶液调湿新风机组夏季消除系统湿负荷，冬季作为新风机组为建筑提供新风；对于部分需24小时供冷、热的电气房间及室内要求无“水隐患”的档案库采用VRF机组全年为其供冷、供热。

大厅：采用单区变风量全空气空调系统，送风机变频，空气处理设备为组合式空气处理机。

小开敞房间：采用干式风机盘管加新风系统，风机盘管为直流无刷型，暗装于吊顶内，送风经散流器/线形风口顶送或条形风口侧送，回风由吊顶回风口、回风箱接至风机盘管。新风机组集中设置，新风经溶液调湿新风机组处理后，由集中新风竖井及各层水平新风管道独立送入室内。各新风管道分支均安装定风量调节器，与室内CO2传感器联动以保证新风量的实时按需分配。

在绿色照明设计方面，根据房间性质做了详细的照明设计，并进行了dialux的人工照明模拟。在满足规范的前提下，最大限度的降低照明能耗，主要采取了以下措施：

1. 根据不同使用功能采用分区照明控制系统；

2. 利用高效照明灯具及光源进一步降低人工照明的能耗；

3 光源采用高效高频荧光灯、LED筒灯或其它节能型光源；

4. 利用照明控制手段，如设置亮度传感器、定时控制、感应控制等保证照明节能的措施的实现。

图3-2 智能照明控制系统布局图

采用干式直流无刷电机风机盘管，风机效率提高19.5％，年节约风盘电耗1098kW。采用地板辐射采暖及低温散热器系统，根据建筑实际情况，选择合理供暖方式，提高舒适度和采暖系统利用效率10%，年减少供暖电耗2147kWh（0.72kWh/m2·a）。

通过采用被动式技术，降低建筑能量需求；通过主动式技术优化组合，提高系统能效，降低建筑能源需求，本项目的建筑能耗模拟结果，如图15所示。经模拟分析，建筑全年能耗 61.2～62.2 kWh/m2.·a，与基准建筑比较计算节能率29.7% (国际)和54.2%（国家）。

图15建筑能耗逐步优化分析及能耗模拟结果

能源管理系统平台界面及七大模块，如图所示。

图3-4能效监管系统首界面及七大模块

4.4 可再生能源利用技术

为了在不影响建筑立面效果的同时最大限度地利用太阳能资源，充分考虑了建筑的一体化设计，在屋顶设置弧形的光伏板支架，增加屋面布置光伏板的面积，光伏板布置与建筑整体风格一致，同时使展示中心更富有现代感和科技感，在建筑南向设置光伏板支架，通过计算机模拟分析支架的形状与流线，将光伏板与建筑外遮阳和自然通风相结合，充分体现实用性，如图16所示。该项目采用单晶硅光伏组件，组件转换效率为16.7%，光伏发电总装机容量峰值功率约为292.95kWp，全年发电量约295MWh，可满足建筑全部的用电需求。

图16公屋太阳能光伏与建筑一体化设计效果及装机位置示意

综合上述，本案例采用的技术措施，如图17所示。

4.5 实测数据分析

基于试运行计算，如图18所示，该建筑单位面积年能耗(采暖、空调、照明）为81.78kWh/m2.a，与模拟能耗62.2相差31.5%，这一方面是由于目前系统运行未按设计工况运营，导致高温热泵机组能效比较低。另一方面，系统的自控平台也断断续续的再调试，导致机组的运行还未正常，按模拟分析及短期的测试分析，系统的实际能耗可达到设计能耗。如图18所示，光伏发电量约10万KWh也较装机容量29.3万KWh预计发电量有较大差别。

图18 2014、2015公屋展示中心能耗分析

本项目基于被动式设计，建筑获得了良好的自然通风、自然采光，降低了建筑采暖制冷及照明的负荷；同时采用了高温地源热泵机组及地板辐射采暖等供冷供热系统，大幅提高了系统的效率；此外在给排水方面，也采用多水源综合利用等技术，降低了系统的用水量和能耗。采用了太阳能热水系统，其同时可作为地源热泵系统的辅助热源，此外安装了一定规模的光伏电池组件，构建了微网系统，实现了建筑的零能耗。

5 总结

我国的建筑节能在努力降低单位建筑面积能量需求的同时，应更加重视可再生能源的建筑应用，显著降低建筑使用过程中的环境负担，为社会可持续发展做出贡献。通过多项全工况模拟分析，优化建筑布局，选择被动节能措施，显著减少了建筑的能量需求；通过参数化设计与选择高效建筑设备，如温湿度独立控制空调等，提高建筑用能系统效率；合理利用可再生能源，降低建筑的化石能源消耗并实现项目建筑用能与产能的基本平衡，实现接近“零能耗”。全年能耗 61.2～62.2 kWh/m2.a，与基准建筑比较计算节能率29.7% (国际标准)和54.2%（国家标准）。

该项目目前已获得我国绿色建筑设计三星级标识，设计达到美国LEED白金奖、新加坡GREENMARK白金奖、生态城绿色建筑白金奖的要求。此外，本项目先后获得“2012年度精瑞科学技术奖绿色建筑优秀奖”，“全国人居经典建筑规划设计方案建筑、科技双金奖”，“香港建筑师学会两岸四地建筑设计卓越奖”。

超低能耗建筑的发展，需要从设计方法、性能控制等方面落实，它是应是由多项建筑节能技术的优化组合而成的适应当地气候条件及经济发展的节能技术体系。本研究以生态城公屋展示中心为示范项目，全面实践研究提出的设计方法、采用研究确定的各项建筑节能技术，落实可再生能源利用方案，指导建筑的实施与运行调试。目前项目已建成并投入使用，各个系统处于调试、运行与被监测状态。

文章来源：绿建社

编辑/排版：李影

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