基于绿色建筑理念的严寒地区办公建筑节能设计与实践

王 亮 潘佳庚

(吉林建筑大学建筑与规划学院,长春 130118)

1 绿色建筑

绿色建筑是在全球范围内对环境问题的高度重视，以及对现代生活与消费方式深刻反思的背景下应运而生，随着绿色生活理念的日益普及，人们开始向往在绿色建筑中轻松愉快地生活和工作.《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2006)把绿色建筑定义为:在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑[1].

2 工程概况

项目基地位于我国严寒地区的吉林省吉林市，地处中纬度欧亚大陆的东侧，属于温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，春季干燥风大，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷漫长[2].

吉林科龙建筑节能科技股份有限公司综合楼(以下简称科龙办公楼)建筑工程位于吉林市工业园区，东至纬三街，西临福缘达食品公司，南至经二路，北至规划302国道绿化带，该综合楼是一栋集办公、科研和宿舍于一体的多层公共建筑，总建筑面积8 000m2(见图1和图2).

图1 规划总平面图

图2 整体鸟瞰图

图4 光导照明系统安装示意图

3 科龙办公楼节能设计策略

3.1 被动式节能技术集成方案设计

从建筑设计角度来看，在坚持因地制宜和可持续发展的原则下，通过建筑造型设计、围护结构、自然通风、自然采光等几个方面，降低建筑用能负荷的设计峰值和运行峰值，减少建筑能源系统运行时间，以此来实现建筑节能.

3.1.1 优化建筑设计

建筑造型及维护结构形式对建筑物性能有决定性影响，不同的建筑形式会造成能耗的巨大差别，本项目是在保持原有设计的基础上，并根据吉林省地方标准《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005、DB22/T436-2007)相关条文，利用能耗模拟软件Design builder进行模拟优化，最终把科龙办公楼的建筑朝向调整为南偏西3°，建筑体形系数为0.26，每个朝向的窗(包括透明幕墙)墙面积比为0.60，得出最优设计方案.

3.1.2 自然通风

(a) 封闭式内循环 (b) 开敞式外循环图3 通风式玻璃幕墙

自然通风是建筑节能设计中惯用的一项技术手段，在我国应用越来越多的是风压与热压相结合的方式，科龙办公楼的自然通风设计充分结合了吉林市盛行冬季西北风、夏季东南风的气候特征，采用通风式玻璃幕墙(见图3)，包括封闭式内循环和开敞式外循环两种形式，其结构构成由内外两层玻璃组成，内部相当于一个温室，腔体的内外表面上设有开口，在温室效应下腔体的空气温度升高产生热压，热气流上升进入建筑内部，同时室外新风和室内空气被吸入腔体进行循环加热，在冬季通常对双层玻璃间的空气进行预热，可以有效地降低建筑热损失，同时由于外层玻璃的存在，降低了内层玻璃上的风压;在双层玻璃空气间层设置遮阳百页比单层玻璃的百页有更佳的遮阳效果，可以降低室内冷负荷，通过自然通风技术的应用，能有效减少夏季空调运行的时间、降低空调能耗、改善室内环境.

3.1.3 自然采光

建筑被动式天然光利用技术是通过合理的建筑透明围护结构设计方法以及天然采光新技术.充分利用太阳的光、热特性，一方面降低建筑的冷负荷并节约照明能耗；另一方面提高建筑内部空间的光环境质量[3]，这种利用室外自然光为室内提供照明的系统被称为光导照明技术.又称自然光照明.

科龙办公楼安装的光导照明系统是通过采光装置聚集室外的自然光线并导入系统内部.再经过特殊制作的导光装置强化与高效传输后，由系统底部的漫射装置把自然光线均匀导入到室内任何需要光线的地方(见图4).

3.2 主动式节能技术集成方案设计

3.2.1 土壤源热泵系统

土壤源热泵是一种利用地下土壤作为热泵的低位热源，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现热量从低温位向高温位转移的热泵系统[4].

科龙办公楼选用土壤源热泵为基础的冷热源，为整栋建筑提供冬季采暖用热和夏季空调制冷.主要原理是通过利用热泵技术，冬季将蓄存于地下土壤中的热量取出来用于供暖，同时把冷量蓄存于地下土壤中，夏季又将蓄存的冷量从地下土壤中取出来用于空调制冷系统，如此往复的在冷热源交替应用过程中，真正实现了能源的可再生化高效利用，是一项可持续发展的新能源形式，因此，土壤源热泵系统是一种可再生能源开发和利用的技术(见图5).

图5 土壤源热泵系统示意图

图6 太阳能利用示意图

3.2.2 太阳能利用

可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等多种形式，开发利用可再生能源是持续发展战略的重要组成部分.太阳能既是一次性能源，又是可再生能源，资源丰富，环保无污染，应大力提倡在建筑中广泛应用.

根据对科龙办公楼的能耗特点分析，主要集中在照明、空调、采暖、电梯、电脑、给排水系统、热水供应等方面，尤其是吉林深处严寒地区，采暖期较长，是主要的耗能大户.本项目对太阳能的利用主要体现在太阳能板和太阳能光伏系统两种模式.

吉林省太阳能资源丰富，平均日照时数为2 200h～3 000h，年太阳总辐射量为5 021.7J/m2，适于太阳能光伏系统的使用.科龙研发中心办公区屋顶及建筑外围护结构安装太阳能光伏系统，以收集太阳辐射能，并通过供热管道把加热的水、空气等热媒输送至房间，为办公楼提供供暖.鉴于太阳能具有不稳定性、分散、间断等特点，根据基地环境对建筑物进行合理布局，科学设计建筑外部形体和内部空间的被动式太阳能采暖，以达到节能减排的要求.太阳能板的利用主要体现在建筑屋面以及综合楼办公、生活区东西山墙和科研区西侧安装太阳能光电幕墙，收集太阳能资源，既为办公空间提供了室内照明用电，又为员工宿舍提供生活热水用电，成功避免了综合楼西晒(见图6).

3.2.3 照明节能技术集成应用

首先，基于照明使用功能分析，研究科龙办公楼对光源、灯具、照明指标、照明方式和控制方法的使用需求，在满足照明使用功能的基础上，分析能耗组成特点.通过改进照明设计方法、选择高效光源灯具、优化照明控制方式等手段，探求照明节能新技术和新方法.然后通过Dialux和Daysim软件，对所提出的“基于使用功能的照明节能新技术和新方法”进行计算机模拟研究，分析其照明效果及能耗状况，进而对技术方法进行修改和完善.

其次，在上述研究基础上，进行照明节能控制监测硬件和软件开发.通过光线检测模块、声音控制模块、红外探测模块和触控模块的综合应用，并与光源特点相结合开发照明节能控制监测系统.在时间上，该系统可根据人流情况进行照明开启时间调节;在空间上，根据人群分布进行照明开启区域调节;在指标上.根据自然光分布进行自适应照度调节;最终同时实现综合照明能耗的实时监控，形成一套集声控、光控、触控及人体感应于一体的绿色照明节能控制监测系统.

3.2.4 地板辐射供热制冷

低温地板辐射采暖系统是一种将加热埋管置于混凝土埋管层中，让低温热水在管内循环流动加热整个地面，然后通过辐射和部分对流供暖方式向室内散热的一种供暖形式[5]，在科龙办公楼内安装低温地板辐射采暖系统，采用“分户计量，分室调温”的方式，具有节能、环保、舒适、方便、使用寿命长、高效节能、经济效益可观等一系列优点，而且地板辐射供冷系统没有风机，大大降低了耗电量，有效改善室内环境.通常地板辐射供冷系统比常规空调系统节能30%～40%.例如美国劳伦斯伯克里实验室使用美国全境各地气象参数对商用建筑进行模拟试验得出结论，地板辐射供冷系统比常规空调系统节能30%.

4 结语

绿色建筑是一种气候适宜性建筑，即遵循气候特点设计出低耗能建筑.本文在总结相关理论研究的基础上，以吉林科龙建筑节能科技股份有限公司综合楼为工程案例，结合东北严寒地区的气候条件、资源条件等，围绕建筑节能的设计要求，提出采用技术集成优化、主动式和被动式节能技术、可再生能源应用等，实现严寒地区节能设计的措施，实现建筑室内空间生态自然化、自我净化和调节、自给能耗资源等，将绿色生态引入建筑内部，在满足建筑形式上空间美感的同时，还提供了更加人性化的绿色办公场所.与此同时，还要考虑到建筑节能技术的实现和维护成本，避免造成理论与现实之间的巨大差距.在建造的过程中必须统筹兼顾投资成本和节能设计的效果，采取经济上合理、技术上可行以及社会和环境可以承受的措施.

参 考 文 献

[1] GB 50378-2006绿色建筑评价标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[2] 谭清川,梁 健,谭清华.吉林省高校引入麒麟鞭运动探讨[J].长春师范学院学报(自然科学版),2013,(4)32:161-163.

[3] 王书晓,林若慈,张 滨.被动式天然光导光技术发展概述[C].广州：华南理工大学出版社,2008.

[4] 王 辉.严寒地区土壤源热泵系统供暖长期运行性能特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[5] 卢 奇.太阳能低温地板辐射采暖系统的研究[D].南京:南京理工大学,2013.