浅析绿色综合能源站设计＊——以天津北辰核心区1 号综合能源站为例

程轩 董妍博 常钟隽

中国建筑科学研究院有限公司

我国城市的集中供热正处于设备更新、技术改革的关键时期，新技术与新能源的应用、绿色环保的设计理念以及智慧化的管理模式是供热发展的趋势，综合区域能源规划、绿色设计、智慧运维的新一代能源站已逐渐成为建筑设计领域的时代要求。

天津北辰核心区1号综合能源站在项目设计之初定位为绿色工业建筑二星级，在设计过程中注重绿色建筑技术的应用，因此在能源系统规划、场地布置、建筑立面设计、建筑材料选择和后期运维方面都严格遵循绿色节能环保原则，以达到绿色建筑设计目标。下面以项目为例深入介绍绿色综合能源站的建筑设计方法。

1 以综合能源系统利用为导向的总体规划

北辰核心区1号能源站位于天津市北辰区，建设用地4 972m2，供热范围北至北辰道，南至龙门东道，西至潞江东路，东至外环线。建筑面积201.91万m2，其中公共建筑面积106.38万m2，住宅建筑面积95.53万m2。冬季，1号能源站为201.91万m2的建筑提供集中采暖服务；夏季，1号能源站为46.63万m2建筑提供集中供冷服务。项目供冷供热范围大，建设用地紧张，需要采用高效的能源利用形式，最大限度地保证供能需求。

1.1 建筑能源系统规划

在能源系统规划方面，结合周边能源规划及建设条件，选定燃气冷热电三联供+冰蓄冷系统+燃气锅炉+冷水机组的系统组合形式（图1）。在充分调研北辰区环境资源的基础上，按照国家及天津市能源有关政策、招标文件的要求，结合各初始能源的特点扬长避短，设计混合能源融合增效系统，提高能源利用率，缓解电力能源紧张，以达到节约资源的目的。

1.2 建筑总体布局规划

在建筑总体布局规划方面，将低碳、环保、科普教育和展览展示等功能纳入整个用地，设置乔、灌、草复层绿化和局部镜面水体，调节室外空间微气候的同时提高室外风环境及热环境舒适度（图2）。选择浅色及可见光反射比小的金属幕墙，减少热岛效应，处理好工业建筑与周边民用建筑之间的关系，实现绿色工业建筑低影响开发的目标。

2 以绿色建筑设计为理念的单体设计方案

不同于常规的能源站类建筑设计，本项目位于北辰核心区，秉承绿色工业建筑设计理念，在“去工业化”的总体原则下，以工艺要求为基础，注重建筑形体和周边环境的有机结合。项目在平面布置、立面造型、材料选择等方面均按照《绿色工业建筑评价标准》中节地、节能、节水、节材、环保的要求执行，在有限的用地范围内，进行空间的高效布置，地下1层，地上5层，各功能纵向串联。地下层与首层部分连通，功能为水泵及板换间、发电机间、储能罐间；首层功能为门厅及收费大厅；二层功能为走道、工具间、管理用房、管道间；三层功能为制冷机间、风机间、水处理间、工具间、管理用房、卫生间；四层功能为管道间；五层功能为锅炉房、变配电室、工具间、电气设备间。项目最终建筑面积11 000m2，建筑密度46.26%，容积率2.07。

1 项目能源系统图

2 总平面图

在设计阶段充分考虑场地情况，对室外场地进行绿色规划布局，对室内环境进行绿色节能设计。在实际进行绿色建筑设计中，遵循绿色建筑理念，结合当地气候合理利用风能、光能等绿色能源，在保证建筑功能的同时节约能源。

2.1 双层围护结构

项目位于非工业区，周边为住宅和商业用地，除了满足工艺技术的要求以外，设计从建筑本身出发，力求绿色环保、去工业化，与周边建筑和谐融洽（图3）。

建筑的墙体并不是单单一层而是分为两层，外层幕墙作为建筑的整体装饰构件，而内层围护墙体则起到防风、遮雨、保温的作用，并且在内外墙之间有将近2m的间隔，既能保护围护结构墙体也能隔热保温，使建筑产生冬暖夏凉的效果。

外层幕墙充分考虑建筑与周围环境的关系，以水的波动及白蓝两种基本颜色寓意水这一能源站运行的基本载体。考虑到幕墙对建筑主体带来的采光影响，幕墙系统由若干六边形铝单板拼接而成，以边长为1m的正六边形为基础模块，其他六个模块由基础模块演变而来。基础模块为白色整体铝单板，其他模块均为白色铝单板内嵌蓝色穿孔铝板（图4）。

3 透视图

4 幕墙节点

2.2 室内风环境的营造

通过对建筑设计与气候的研究可以发现，建筑对气候的适应性已经成为绿色建筑的主要特点。本项目在方案设计之初就采用模拟手段，对项目通风进行有效模拟，确定最优的建筑布局，保证办公区域的自然通风。以含有展示区的三层为例（图5），左侧为办公管理用房、展示区、休息厅、走廊等空间，其他部分为设备空间，功能空间能进行有效自然通风，换气次数在2次/h以上（表1）。

5 三层1.2m 高度平面风速矢量图

表1 三层室内换气次数情况统计表

6 首层采光系数分布图

经过模拟，项目在过渡季工况下，各层的管理用房、设备房等可以形成有效的自然通风，换气次数均在2次/h以上，满足《绿色工业建筑评价标准》（GB/T 50878-2013）第5.2.3条对自然通风设计的要求。

2.3 室内光环境的营造

本项目在设计阶段采用PKPM-Daylight软件进行建模和室内采光计算，分析室内主要功能空间的采光效果。通过模拟优化空间布局，使人员长期停留的地方能充分利用自然光，达到既舒适又节约源的目的。以首层为例，其采光系数分布如图6所示。

从模拟结果可知，本项目的功能房间能满足《绿色工业建筑评价标准》（GB/T 50878-2013）和《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013）的要求，各功能房间均能有效自然采光（表2）。

表2 各层采光情况汇总表

2.4 高性能的建筑设备体系

本项目的工艺设备经过优化组合，选用高能效机组实现高效率运行。在生活给排水方面，卫生器具均采用1级节水器具，生活用水设置减压阀，保证阀后压力不大于0.2MPa；在暖通空调方面，办公区采用能效为1级的空调机组；在电气方面，选用高性能变压器和节能灯具分区控制照明，以达到节能效果。

综上所述，本项目的绿色建筑设计以“被动优先，主动优化”为原则，从被动与主动两个层面进行考量（图7）。被动层面从城市微环境、建筑形体、海绵设计及内部空间组织、自然通风、自然采光等方面来营造节能舒适的建筑内外环境；主动层面主要涉及高效的建筑设备系统，如节水系统、节能电器系统、绿色照明及智能控制系统等。

7 绿色技术体系汇总示意图

3 以绿色运维为目标的智能化运营管理

项目依靠“一中心+三平台”的智慧运维进行多级化的调度管理（图8），一中心是指能源站调度中心，三平台包括能源全网监测与控制平台、客服维修与设备管理平台、能源公司项目管理平台。

8 智慧供热平台

4 结语

综合能源站以绿色设计理念为导向，以“被动优先，主动优化”为原则，以工艺需求为基础，以被动式绿色设计技术为主导，综合考虑区域能源系统，进行全过程的服务设计。同时，能源站还以集约的设计实现“节地与可持续发展”，以气候适应性的建筑造型和构造形式实现“节能与能源利用”，以高效低耗的设备实现“节水与水资源利用”，以绿色建材的选用和绿色建造理念实现“节材与材料资源利用”，最终完成绿色综合的能源站设计。

图表来源

图1～8，表1，2 均为作者自绘。