从上海世博会解析建筑节能的发展方向

吕春

(齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006)

1 引言

从历史上看,每一届世博会上展示的建筑理念、材料和技术,往往标志着那个时代的最高水平,也预示着下一个时代建筑的发展目标。上海世博会在建筑节能工艺、建筑节能材料等方面的展示,代表了当今世界范围内在建筑节能领域内的最新成就。

目前,我国节能建筑只占建筑总量的5%,城镇节能建筑只占建筑总面积的21.7%。我国建筑建材业的能耗量已占到工业总能耗的27%。如果建筑节能维持现状,2020年仅空调高峰负荷就会相当于10个三峡电站满负荷发电。有数据显示,我国民用建筑在达到相同室内热舒适度的情况下,使用能耗高出同等气侯条件下发达国家平均水平的2～3倍。从数据上看,我国的建筑业保持较快增长,但我国的建筑业存在着碳排放量大、能耗高等情况。上海世博会上所展现的节能环保型建筑或许能够解决我国目前存在的建筑节能等诸多问题[1]。

2 新建筑材料的应用

2.1 墙体材料

墙体材料是建筑最重要的围护结构,是当今建筑节能的研究重点。世博中心采用全钢结构,其建筑外墙采用玻璃结合铝板、陶板、石材的组合幕墙。呼吸式幕墙实现自然通风。外墙采用外保温技术,玻璃幕墙采用低辐射中空玻璃,配合屋顶绿化,隔热性能更好。中国馆的外墙材料为无放射、无污染的绿色节能产品。

德国馆采用全透明的外墙设计,外表被一层银灰色的发光膜所覆盖。这是一种革新性建筑材料,其发光性和节能性是传统建筑材料所无法企及的。外墙同时还使用了网状的、透气性良好的建筑布料,可以反射太阳辐射,为展馆遮阳。

日本馆采用膜技术,在外墙表面采用了一种高透明的发电膜,在发电同时也能最大程度透光。意大利馆的外墙运用了透明混凝土,通过不同比例的调配使光线得以穿透,减少了灯具的使用。英国零碳馆墙体采用纳米保温隔热材料,减少了室外热滲透,吸收室内多余热量,稳定室内气温波动;墙壁所使用的混合型水泥中含有50%的粉煤灰、煤矸石、矿渣等建筑废料。同时,在外墙涂料中加入一种水性纳米保温隔热添加剂,一方面可以阻止热量穿透墙壁,将进入墙体的热辐射反射出去,同时降低了墙体湿度,防止保温层潮湿。墙壁上还有一层特殊的荧光涂料,使建筑在白天吸收存储太阳能,晚上则释放荧光,降低了照明能耗;万科馆建筑外墙面使用了秸秆压制而成的秸秆板,其硬度比实木还要高,阻燃性和抗潮性指标以及节能效果极佳。

2.2 门窗玻璃

中国国家馆所有的门窗都采用南玻Low-E低辐射节能玻璃。这种玻璃能够反射热量,降低能耗。由于其表层含有能反射热量的蓄光涂料,可以将阳光转化为电能并储存起来,为建筑外墙照明提供能量。远大馆采用断桥铝合金门窗进行有效隔热,上壳局部采用玻璃天窗,充分利用自然光,节约照明能耗。

2.3 屋面

世博中心屋面采用铝板及保温层。国家馆顶上的观景台也采用了含有特殊涂层的太阳能薄膜,起到储藏阳光并转化为电能的作用。世博文化中心屋顶绿化,提高了其保温性能。世博园里最大的建筑世博轴,有着6个被称为自然光收集器的巨大钢结构“阳光谷”,其中最大的上面直径99m、下面直径20m,其钢结构由1700个单元构建而成。巨型索膜结构屋顶膜面长约843m、最宽处约97m,膜面展开面积达 7.7万 m2,成为世界第一的索膜结构建筑[2]。世博轴两侧的景观绿坡、膜结构屋面以及“阳光谷”都可进行雨水收集,经简单净化后用于卫生间冲洗和景观灌溉,既节约了水资源,又大大减少了建筑自身和园区排水泵站的建设投资与运营能耗。

3 新工艺的实施

3.1 低能耗的建筑设计

阳光谷采用巨大的倒蘑菇状的通透建筑,实现地下空间主动采光、自然通风和雨水收集等功能,达到遮阳、节能、造型的效果。世博中心片状折线玻璃的外墙设计,阻挡一部分直射的阳光,减少过多热量进入室内。每片玻璃的缝隙还可以通过手动或电控令两组窗扇上下开启,形成有序的空气对流。这些有机排列的玻璃折片,既可阻止强风,又能保持立面的完整。万科馆上大下小或上小下大的7个麦垛,组合在一起就会在展区内部形成“穿堂风”,加上围绕在建筑周边1000m2的水面,就可以在室外气温超过30℃和相对湿度超过70%的时候,依然保持建筑内部的凉爽舒适。

世博文化中心建筑的碟形外观,立面简洁,建筑体型系数为0.09。从设计体型上减少了空调的负荷与能耗,从而降低了整个建筑的能耗。其主体部分采用悬挑结构,实现外遮阳效果,下层圆弧表面形成自遮阳体系,在高温季节可避免阳光直射,同时为玻璃屋顶的地下空间进行自然采光。文化中心采用了光电幕墙系统、江水源冷却系统、气动垃圾回收系统、空调凝结水与屋面雨水收集系统、程控绿地节水灌溉系统等多项环保节能技术。

日本馆在展馆弧形表面上有三个凹进去的可接受雨水循环利用的“鼻孔”,三个向外凸伸的能够吸收阳光、吸取自然空气的“触角”,称为循环呼吸柱。这项设计能够强化冷暖空气的流通,减少空调能耗,使得光、水、空气等自然资源被最大限度地利用。日本馆含有特殊涂层的膜结构上的小喷头能喷洒一层流动的水膜,可以带走展馆大部分热量。同时膜结构的外表形成的水膜,能使阳光照射进来,减少照明用电。

法国阿尔萨斯案例馆水幕太阳能墙,从外到内包括3层:外层为太阳能电板,中层密闭舱,后层是水幕。冬天,阳光穿透太阳能电板,照进房间,阳光辐射加上光电板产生的热量,预热密闭舱内空气,整个场馆有如穿上了一层棉袄;夏天,密闭舱打开,散尽空气,外层太阳能板在阻挡烈日的同时,还能发电驱动后层水幕加速流动,带走热量。这个水幕太阳能系统还能跟着太阳走,不断调节角度,充分吸收日光。

3.2 节能环保技术的运用

地源热泵技术、江水源热能采集等等新技术的应用,将这一近年来刚刚起步的节能环保的新技术得以充分展现。德国馆运用地源热泵技术,从地下35m处抽取地下水,经过循环处理,夏送凉,冬递暖。江水源热泵机组总装机容量为7.5万kW,与空气源热泵相比可节省30%到40%的运行费用;整个建筑的制冷、供暖和电力,全部由太阳能、风能和地热等清洁能源完成。这些建筑邻近黄浦江,充分利用江水源循环降温提高空调系统效率。在世博会空间最大的建筑世博轴中,巨大的空调系统全部不用电,而是利用黄浦江天然水源和地源提供全部空调能源,江水源热泵和地源热泵作为空调系统冷热源可省去冷却塔补充水,大幅度提高空调制冷效果。同时,江水和埋设在工程桩内的地埋管散热器作为热泵系统的高温热源或低温热源,可极大提高能源效率。利用江水源提供能源的空调系统不但节约了电能,而且建设成本低,具有广阔的发展空间。

中国馆的雨水收集系统可以将收集到的雨水进行绿化浇灌、道路冲洗等,冰蓄冷技术利用晚间电能制冰,白天释放冷源,起到调节用电峰值的作用,大大降低了电能的使用,整个场馆将比国家规范还节能近10%。

4 新技术的运用

4.1 采光及照明技术

LED全称发光二极管,最早红色,后有黄、绿,多用于信号指示,直到20世纪90年代蓝光LED划时代问世。利用荧光体与蓝光LED的组合获得白光,这是LED走上照明之路。这个新一代光源的优势非常明显,生产绿色,使用节能,被称为人类照明史上继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后的又一次飞跃。上海世博会上,LED广泛出现在室内外照明、景观装饰、指示牌、信息显示屏、演出布景等,整座世博园成为LED集中示范区。由世博轴、中国馆、主题馆、世博中心展示的 LED创新成果,对LED照明工程的起到示范推广作用。节能LED灯具总量在6万～8万盏之间,所有景观照明灯具的60%以上应用了节能技术新型半导体LED。

4.2 太阳能开发利用

主要场馆的太阳能利用规模达4.6MW,其中主题馆为整个亚洲单体太阳能使用之最,成为国内面积最大的太阳能光伏电池示范区。在上海世博园区,太阳能是使用量最大的绿色能源,中国馆、世博中心、主题馆等建筑都在屋顶、玻璃幕墙上安装了太阳能电池组系统,并与建筑完美融为一体,年均发电可达408万kWh。在标准输出条件下,一天的发电量相当于150户人家一个月的用电量[2]。

安装在中国馆屋顶的太阳能电池组系统,装机容量约0.3MW,部分区域使用透光式电池组件,与整个屋顶艺术效果融为一体,设计新颖。除发电外,这些太阳能电池组还兼具隔热和保温功能。太阳能装机总容量约2.8MW 的主题馆,采用屋顶一体化太阳能电池组件替代部分屋顶材料,构成有规律的图案,使主题馆屋顶生动呈现出上海里弄的艺术效果;南市电厂作为世博会主题馆之一的未来探索馆,主厂房顶面和部分朝南的立面墙上都应用了太阳能发电系统,装机总容量约0.5MW,以并网方式发电。

太阳能与建筑一体化是世博中心馆的一大亮点。光伏电站发电效率的优化和建筑美学的统一,屋顶平面单晶硅光伏组件与绿化间隔布置,充分体现出太阳能绿色能源的含义。风力发电机也以动态雕塑的形态,在广场上提供附加的能源。

意大利馆生态气候的策略,即在冬天利用太阳能辐射,而在夏天则利用自然的空气气流和水流降温,热风通过自动调节系统排除,可以降低内部建筑的温度。控制辐射的同时,热能又能集中在带有光电集成模块的透明玻璃上,可以充分节约电能。瑞士馆在展馆周围镶嵌了一万个利用LED的闪烁发光器,这些发光器为直径约20cm的红色圆盘状,内部配置了约4cm见方的硅系太阳能电池、充电电池,照射一定时间的太阳光后,LED就会闪烁发光。由于配置有电池,夜间也可利用电池存储的电力继续闪烁发光。江苏馆向日葵造型的太阳能装置,由一块块太阳能电池板拼接而成,可随着阳光旋转,收集七色光谱聚集新能源。吸收的太阳能通过采光导入系统,就能够转化为电力发电。

5 结语

世博园中的建筑已成为当今世界上首批集中应用国际先进的太阳能、风能、LED照明、冰蓄冷、江水源、地源热泵、可再生材料使用等节能新工艺的典范。由于国家鼓励和扶持在新建建筑和既有建筑节能改造中采用太阳能、地热能等可再生能源,其采用的光电幕墙系统、江水源冷却系统、气动垃圾回收系统、空调凝结水与屋面雨水收集系统、程控型绿地节水灌溉系统等多项节能系统必将成为我国未来建筑节能的发展方向[3]。Low-E低辐射节能玻璃、太阳能光伏发电、风力发电、主动式导光、自然通风、半导体照明、智能化集成平台等多种技术,将成为一个展示未来建筑领域新能源、新技术、新理念的绝好平台。

[1]胡绍等.我国建筑节能初探[J].商场现代化,2008(36):26～28.

[2]中华人民共和国国务院.民用建筑节能条例(第530号)[R].北京:中华人民共和国国务院,2008.