可持续策略与建筑的整合设计——清控人居科技示范楼项目实践

陈晓娟 孙菁芬 林正豪 李珺杰 / CHEN Xiaojuan, SUN Jingfen, LIN Zhenghao, LI Junjie

可持续策略与建筑的整合设计
——清控人居科技示范楼项目实践

陈晓娟 孙菁芬 林正豪 李珺杰 / CHEN Xiaojuan, SUN Jingfen, LIN Zhenghao, LI Junjie

1 项目概况

1.1 设计原则

基于贵安生态文明创新园的整体定位和贵安新区的环境背景，清控人居科技示范楼（Tsinghua Eco Studio, THE-Studio，以下简称“科技示范楼”）在项目之初就明确了以下原则：

（1）建筑空间、形式与可持续策略密切结合，将可持续技术融于建筑的表达中。

（2）以被动式设计策略为主导，结合主动式技术，因地制宜地展示中国本土化的可持续建筑，并兼顾先进技术的示范性。

（3）建筑与周边生态环境的一体化设计，积极运用本土材料和技术，体现当地的自然和人文价值。

1.2 可持续技术的集成

本项目采用了被动式和主动式相结合的可持续技术。被动式技术包括：充分利用自然通风的空间布局，天然采光与可调节外遮阳，围护结构优化——双层外墙围护体系，地道通风技术，雨水回用与生态景观相结合，可循环材料，本土材料和技术。

主动式技术包括：太阳能光伏发电系统，太阳能光热系统，生物质锅炉地暖系统，生态友好型给排水系统，绿色照明，用于室内外环境控制的智能控制系统，能源管控系统（图1）。

2 以被动式和可再生能源为主导的建筑整合设计

2.1 促进自然通风与采光的整体空间布局

贵安新区地处温和地区，常年受西风带控制，属于亚热带湿润温和型气候，夏无酷暑，冬无严寒，但湿度较大，全年平均相对湿度为77%。在过渡季及夏初夏末充分利用自然通风可有效提高室内环境的舒适度，缩短夏季供冷时间。因此，基于最大程度优化自然通风的原则，科技示范楼对功能和空间进行了整体布局。

科技示范楼采用南北朝向的双坡屋面形式，将两层通高的展示中庭置于中间，相对封闭的功能房间和区域置于南北两侧。在坡屋面高起的基础上，展厅的顶部被进一步拔高，并沿南北立面设置通长的电动开启高侧窗，一方面加强了中庭的风压通风和热压通风作用（图2），另一方面为展区塑造了更加挺拔开阔的空间。南、北两侧的电动高侧窗可分别控制开启，根据不同季节的主导风向（春、秋、冬季盛行东北风，夏季盛行南风和西南风），开启背风面的窗户，形成风压通风。自然风通过南北立面的侧窗进入各个功能房间，在风压和热压作用的驱动下，经过门上方的通风窗进入中庭，最终通过顶部的高侧窗排出室外，从而促进建筑整体的自然通风（图3）。

除通风作用外，顶部的高侧窗为展厅提供了良好的天然采光，活跃了中庭的气氛。光线透过木屋架投射到两侧的展墙上，随着季节和时间进行光影变换，将外部自然环境的变化引入室内空间。南北两侧的坡屋顶上设置了若干可开启天窗，为办公区和会议区提供充分的照明，有效减少人工照明能耗。天窗内侧均设有电动遮阳帘，可根据需要控制采光量（图4、5）。

2.2 围护结构优化——双层外墙围护体系

被动式优先是科技示范楼的能源设计策略。建筑虽然位于温和地区，但为提高室内的热舒适性，夏季采用地道风供冷，冬季采用生物质锅炉地暖和地道风结合的方式供暖，在此前提下，提升围护结构的热工性能可以有效降低建筑的冷热负荷。因此，本项目设计了双层结构的外墙围护体系，一方面提升了围护结构的热工性能，另一方面充分结合外层表皮与建筑立面的形象和展示功能，作为可持续技术和材料的直观表达。

科技示范楼的外墙围护体系主要包含两部分：位于内侧的基础墙

体和位于外侧的附加表皮（图6、7）。内侧的基础墙体是分隔室内外环境的常规意义的外墙，具有保温、防水等功能，其中一层采用预制复合金属夹芯墙板，在金属面层中填充80mm厚岩棉，传热系数约为0.5W/m2·K，窗户采用双层中空Low-E玻璃（5Low-E+12A+5C），传热系数为3.0W/m2·K。二层采用密肋木龙骨墙体，中填120mm厚岩棉，传热系数约为0.37W/m2·K，窗户采用三层中空Low-E玻璃（6Low-E+16Ar+4+20Ar+4Low-E），传热系数为0.82W/m2·K。在上述内侧基础墙体的外侧，附加表皮进一步提升了外墙的整体热工性能。

图1 科技示范楼绿色技术集成示意

一层复合夹芯墙板的外侧设有单层玻璃幕墙，幕墙上方设有若干

拉链式保温通风百叶，下方设有300mm高的推拉式铝板通风口，幕墙与夹芯墙板之间形成了方便手动控制的通风保温空腔。在过渡季，幕墙上下的通风口一直保持开启状态，保证自然风可以顺畅地进入室内；夏季，室内利用地道通风供冷，外墙的窗户关闭，空腔内形成自然通风，带走腔体和外墙表面的热量；冬季最低气温在0℃左右，相对寒冷，室内利用地道通风和地板辐射供暖，幕墙上部的保温百叶和下部的通风口保持关闭状态，形成封闭的空气间层，起到保温缓冲的作用。因此相对于二层，对一层的外墙和窗户的保温性能进行了适当降低（图8）。

图2 风压通风模拟（来源：刘加根）

图3 引导自然通风的空间布局

图4 天然采光示意

图5 展示中庭效果

图6 墙身详图1

图7 墙身详图2

二层的藤编表皮由标准化的单元板块组成，与外墙之间形成半封闭的夹层，夏季起到遮阳作用，尤其是东西山墙面面积较大，可避免阳光直射外墙，减少辐射得热。南侧外窗部分设置藤板或可调节的竹帘外遮阳。此外，夹层促进了对流通风，带走外墙表面的部分热量。冬季，藤板表皮可起到一定程度的防风作用。

图8 通风保温空腔示意

图9 风帽示意

外层的附加表皮既提升了围护结构的性能，又构建了建筑的立面形象。一层透明的空腔层也是多种示范性技术设备的展示层，地道风风管经过南北立面的空腔层分别进入一、二层的各功能房间，东西立面的空腔层进深较大，设有智能控制系统设备模块、机电控制箱、太阳能热水、生物质锅炉烟道等设备，并为日后的附加设备

及展示物品预留一定的空间。与常规建筑将管线隐藏的做法不同，透明间层便于参观者更直观地感受到各种系统的运行，最大程度地发挥其示范性功能。

图10 雨水处理系统示意

2.3 可再生能源

2.3.1 地道通风技术

贵安新区气候温和，适宜自然通风。在做好围护结构热工性能优化的基础上，本项目选择采用地道通风作为主要能源策略，可大幅度降低建筑的空调能耗。结合周边生态环境，地道设于建筑的东北侧，夏季送入室内的新风可达到17～20℃，冬季可达到11～14℃，根据夏季和冬季对新风量要求的不同采用变风量系统。

根据科技示范楼整体的通风组织，南北两侧功能房间的送风口设于外墙处，垂直风管沿玻璃幕墙与外墙间的空腔层到达送风口，新风通过封闭房间或开敞办公区后，经靠近中庭一侧的通风窗进入展厅，最后由拔高的中庭顶部天窗排出室外。中庭两侧的展示墙底部也设有通长的送风口，风管从中庭下方的架空设备层直接进入中庭。送风口和风管的布置尽量避免直接穿透预制的轻钢箱体模块，减少现场施工作业，建筑地上空间内部不布置水平风管，避免对使用功能和室内效果的干扰。

2.3.2 太阳能光电、光热与建筑一体化

与建筑一体化设计的太阳能光伏电板和集热器，位于顶部向南倾斜的风帽装置上方（图9）。风帽装置位于建筑顶部的拔高部位，集成多种技术与性能。除作为安装光伏电板和集热器的基座外，风帽主要起到导风的作用，有利于在背风面的高侧窗附近形成负压区，促进展示中庭的风压通风作用。同时，风帽也为带有倾斜角度的高侧窗提供了遮雨的作用。

南侧顶部的高侧窗复合了薄膜太阳能光电技术，并采用多种颜色的彩色薄膜光电玻璃，丰富了展示中庭的室内效果。科技示范楼探讨了太阳能光电光热技术与建筑结合的可能性，通过设计合适的装置使其成为建筑形象和空间的重要元素，而不仅仅是简单的技术设备的附加。

2.3.3 生物质锅炉地暖系统

贵安新区的冬季气温较低，在使用地道风预热新风的基础上，建筑设置了地板采暖系统，提高室内的舒适性，热源采用生物质颗粒锅炉，为产业化“再生林/秸秆－颗粒燃料制备－清洁锅炉使用”的循环产业试点提供潜在的可能。针对建筑结构和使用功能的不同，南北两侧的轻钢箱体采用模块化的干铺式地暖，荷载较小，并减小了现场施工工作量，中庭的展示区考虑到可能放置较重的展品，因此结合现浇钢筋混凝土楼面采用湿铺式地暖。

2.4 水资源的高效利用与回用

2.4.1 生态景观结合雨水回用

贵安新区年降雨量达1 136.8mm，相对充沛，适宜采用雨水回收及多层次利用等生态措施。因此，科技示范楼对南半侧的屋面雨水进行收集，汇水面积约200m2，并结合建筑西南侧的生态绿地设置模块化人工湿地。收集的雨水经人工湿地过滤后进入绿地下方的雨水存蓄罐，再通过消毒系统处理，最后作为南侧景观镜面水池的水源补充；当雨量较大时，存蓄罐内多余的雨水可通过溢流管外排到周边较低的生态绿地区域（图10）。以上过程均采用重力流方式，无需外加动力。建筑北侧绿地设计为生态凹地，北半屋面收集的雨水排放至此后自然下渗，周边的景观则以生态绿地为主，减少硬质铺装，西侧主入口广场全部采用透水铺装。

2.4.2 生态友好型给排水系统

科技示范楼采用污水废水分流系统，使用高效节水型源分离洁具，将粪便污水（褐水）、尿液污水（黄水）、洗漱及设备泄水（灰水）3种污废水分别排出、处理及回用，实现节约用水和污废资源化利用。

本项目采用市政给水和市政中水系统进行分质供水，充分利用中水等非常规水资源，同时设置智能漏水探测系统，对用水数据、水系统的稳定性进行监测。

图11 本土材料的应用

2.5 可持续性建筑材料

2.5.1 主体结构和内装材料的可循环性

科技示范楼的主体结构以钢材和木材两种可循环建筑材料为主，采用木建筑+轻钢箱体模块的混合结构体系，外墙和屋面主要采用木龙骨、欧松板、木瓦等木材制品。室内装修大量使用农作物秸秆制成的麦秸板，减少对森林资源的消耗。

混合结构体系可以最大程度地提高预制程度。两个系统相对独立，但共用相同的基础结构，既保证了结构的整体性，又使现场的交叉作业成为可能。这种高度的预制化和交叉作业方式大大降低了现场施工对生态环境造成的不良影响。

2.5.2 本土材料的应用

科技示范楼在注重先进的可持续技术的同时，深入挖掘本土材料和技术。建筑外立面主要采用具有地方特色的藤编板块，将传统工艺材料和现代幕墙干挂体系结合起来，成为围护结构的性能化表皮。所有藤编均由当地的手工艺人完成，这是一次将本土的传统工艺转化为建筑部品应用的尝试。展示大厅及东侧室外观景平台选用当地盛产的青石板，地下架空层的北立面采用当地传统的片石砌墙，既增强了外墙的保温隔热性能，也展现了本土材料与现代工艺的完美结合（图11）。

2.6 用于室内外环境的智能控制系统

科技示范楼结合室内外环境和能源管控设置了全面的智能控制系统。

（1）灯光控制：室内大厅灯、室外庭院灯、泛光灯的调光控制，所有应急照明灯的控制。

（2）空调系统控制：地道风风机、除湿泵控制，风阀和水阀控制。

（3）水泵控制：市政水池水位水泵控制、海绵城市水位水泵控制。

（4）室内湿度、温度和CO2、PM2.5、照度、红外感应、网络视频、电动窗等监测，室外气象站。

（5）网络监测及App控制：具有网络发布功能、App控制功能。

2.7 能源管控体系

根据使用功能的不同分区域设置传感器，对环境参数进行实时测量与记录，并通过后台算法对环境品质进行评价。从而实现：（1）地道风系统的送风机采用变频控制，通过室内舒适度的测量反馈结果对系统总送风量进行控制；（2）生物质锅炉地暖系统可人为调节各房间的室温，锅炉根据总热量需求控制启停；（3）对地道风系统、生物质锅炉系统、太阳能光伏、太阳能光热系统进行关键参数测量，并对建筑的用水、用电进行分项计量，最终通过实际用能数据对建筑的节能减排效果进行计算与评价。

3 结语

本项目自设计之初就结合贵安新区的气候特征，注重将可持续技术策略与建筑的功能、空间和形式进行整体化的考虑，避免示范性技术的简单附加和堆砌。因地制宜地选择被动式策略为主导，依据可持续设计原理对本土材料和技术进行重新挖掘，同时关注先进的技术发展，选择适宜的主动式技术，并将其与建筑的空间体验和形式表现积极结合。

陈晓娟，清控人居建设（集团）有限公司

孙菁芬，清控人居建设（集团）有限公司

林正豪，清华大学建筑学院，清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室

李珺杰，清华大学建筑学院，清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室

2015-06-04

ARCHITECTURE DESIGN INTEGRATED WITH SUSTAINABLE STRATEGY：THE-STUDIO

本文以贵安新区的清控人居科技示范楼为例，探讨了以被动式技术为主导、结合主动式技术的可持续策略与建筑的一体化，详细介绍了自然通风、天然采光、围护结构优化、可再生能源利用、结合雨水回用的生态景观和本土材料等可持续技术与建筑功能、空间和形式的整合设计实践。

With the THE-STUDIO (Tsinghua Eco-Studio) in Gui'an Area as an example, this paper introduces an integrated design practice of sustainable strategies and building function, space, as well as form in green building. The THE-STUDIO is built based on passive design strategies and active technologies, as well as other sustainable technologies including natural ventilation, natural lighting, building envelope optimization, renewable energy utilization, ecological landscape that is based on rainwater reuse, and local materials.

被动式设计 自然通风 双层外墙围护体系 雨水回收利用 本土材料

Passive Design, Natural Ventilation, Double Facades, Rainwater Recycle, Local Materials

本文由亚热带建筑科学国家重点实验室开放课题（2013KB05）支持。