绿色市政建筑模拟评价及优化设计研究

徐 洁， 于中海， 于利娜， 刘绪为， 孟海迎

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津，300381）

越来越多的市政水厂综合楼转型提升，根据当地规划要求进行绿色建筑设计。通常情况下，市政水厂综合楼作为水厂辅助生产、行政办公建筑，主要功能有化验、行政办公、生产控制、食堂厨房、库房等，一般建筑面积为1 000～3 000m2，2～3 层。本文根据近年来出台的相关政策及指导意见，以河北省某大型市政水厂配套综合楼为例，进行绿色市政建筑性能化模拟研究，阐述其绿色评价指标及计算方法，通过综合评估，达到绿色建筑设计标准。

1 设计评价指标及标准

综合楼建筑面积为2 334 m2，3 层。根据河北省规划要求“建筑按照二星级以上绿色建筑标准进行建设”。

绿色市政建筑设计评价指标以“热”、“声”、“光”为代表性指标。

1）热”主要是建筑围护结构热工性能及能耗的评价，是从绿色建筑资源节约的绿色性能出发，对建筑负荷和建筑能耗进行模拟研究。

2）“声”主要是室内声环境的评价，是从绿色建筑健康舒适的绿色性能出发，对室内背景噪声、室内构件隔声进行模拟研究。

3）“光”主要是室内光环境的评价，是从绿色建筑健康舒适的绿色性能出发，对室内利用天然采光的效果进行模拟研究。

因此，以二星级绿色建筑等级为目标，对建筑围护结构热工性能及能耗、室内声环境、室内光环境3个主要性能指标进行模拟分析并优化设计，达到绿色建筑设计指标要求。

2 设计软件性能化模拟研究与设计优化

2.1 建筑冷暖负荷

在预评价阶段采用建筑节能设计分析软件PKPM和建筑能耗模拟分析软件PKPM-Energy，通过建模计算综合楼体型系数、围护结构传热系数、气密性等热工性能指标，以此来优化建筑围护结构热工性能，降低建筑全年冷暖负荷。空调系统形式主要为双管制风机盘管系统，冷热源为水源热泵。见图1和图2。

图1 设计建筑负荷分布比例

图2 设计建筑各构件负荷分布

冷暖负荷与围护结构的热工性能有密切的关系[1]。寒冷地区节能标准对非周边地面传热系数指标没有限定性要求，一般地面做法即可满足节能设计要求，但在建筑负荷评估中无法满足绿色建筑指标要求。因此，以二星级为指标，进行了设计优化，除了外墙、屋面、外窗等需要达到节能标准指标以外，非周边地面和周边地面都采用地面保温做法。对于没有地下室的建筑，底层房间外墙内侧的地面都需要设置保温层；对于有地下室的建筑，从与室外地面相平的地下室外墙算起，2 m及以下范围都做保温，这样才能保证在冬季达到设计室温的前提下，降低建筑全年供暖空调负荷。见图3和图4。

图3 建筑逐月负荷对比

图4 建筑全年负荷对比

由图4 可知，优化设计后的建筑节能率达到了19%，满足二星级绿色建筑供暖空调负荷降低10%的要求，根据GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》9第7.2.4条第2条款，本项目得分为15分。

2.2 建筑能耗

空调和照明系统是建筑的主要能耗，在预评价阶段通过建筑能耗模拟分析软件PKPM-Energy，对主要空间的空调使用情况和照明功率密度进行评估分析。

空调能耗与全年负荷变化情况有关，对建筑全年空调负荷分布规律进行分析，为空调设备的优化配置提供依据。照明能耗与人员在室率和电器、照明逐时使用率有关，对主要使用房间的照明功率密度和电器设备散热量进行模拟分析，为主要功能房间的照明能耗优化提供依据。

对建筑照明进行设计优化，以最大限度利用自然采光为原则[2]，采用办公智能照明控制系统和分区控制等技术手段，如：根据不同场所状态自动感应调节照度，在走廊、卫生间通过人体红外感应自动打开、关闭灯光等。

冷热源为水源热泵，统筹设置在地下厂房内，水泵能耗不计入综合楼能耗。采用自然通风，未设置新风系统，风机能耗可以忽略不计。

从经济性和技术角度出发，合理选择和优化空调、照明系统，见图5。

图5 建筑能耗分布

由图5 可知，优化设计后的建筑能耗降低幅度达到了10.7%。根据GB/T 50378—2019第7.2.8条，本项目得分为5分。

2.3 建筑声环境

2.3.1 室内背景噪声

预评价阶段，利用声环境模拟分析软件PKPMSoundIndoor模拟室内声环境，评估主要功能房间的室内噪声[3]。

确定分析范围内需要评估的房间，在需要评估的房间设置室外噪声源，按照类比法采用和结构构件相近的隔声量数据分别考察外墙、内墙、外窗在不同频率下的空气声计权隔声量。根据材料的吸声系数，分别计算每个评估房间在不同频率下的门、地板、天花板的吸声量。见图6。

计算组合墙的有效隔声量，分析范围内各个房间的外墙、外窗在不同频率下隔声量，计算得到各个房间组合墙的有效隔声量，根据倍频程的计算原理，用作图法进行空气声隔声单值评价量的计算。见图7。

通过对评估房间进行室内背景噪声计算分析，所有参与计算的主要功能房间的室内背景噪声满足规范中的高限要求[3]；达到了GB/T 50378—2019 中5.1.4条第一款控制项的要求，根据5.2.6条，本项目得8分。

综合楼距离城市主干道较远，无交通噪声干扰，水厂运行设备设置在地下，场地内无明显噪声源，通过模拟分析表明，一般围护结构构造即可满足室内背景噪声的指标要求。

2.3.2 室内构件隔声

预评价阶段采用声环境模拟分析软件PKPMSoundIndoor 模拟分析，计算主要功能房间的外墙、隔墙、楼板和门窗的空气声计权隔声量，评估构件及相邻房间之间的空气声隔声性能是否满足现行国家标准要求[3]。楼板计权标准化撞击声压级的考察按照类比法，采用和设计楼板结构相近的楼板计权标准化撞击声压级数据。

通过对外墙、外窗、隔墙、普通楼板、普通门、透明幕墙的空气声隔声性能以及楼板的撞击声隔声性能进行计算分析，得到建筑构件隔声结果，见表1和表2。

表1 空气声隔声结果

续表1

所有构件的空气声隔声性能均满足规范低限和高限平均值的要求[3]；达到了GB/T 50378—2019 中5.1.4条第2款控制项的要求，根据5.2.7条，本项目得3分。楼板的撞击声隔声性能满足规范中高限值的要求[3]；达到了GB/T 50378—2019 中5.1.4 条第2 款控制项的要求，根据5.2.7条，本项目得5分。

模拟结果表明，常规围护结构构造能够满足空气声隔声的指标。但地砖楼面做法撞击声隔声声压级无法达到绿色建筑设计标准控制项要求，因此，以二星级指标进行楼面做法的设计优化，即楼板采取隔声措施。二层、三层主要使用房间楼板采用5 mm 厚隔声垫，记权标准化撞击声压级为63～65 dB≤65 dB，达到高限要求。

2.4 建筑室内光环境与视野

预评价阶段采用绿色建筑天然采光模拟分析软件PKPM-Daylight 进行建模和室内采光计算，分析判断室内主要功能空间的天然采光效果是否达到GB/T 50378—2019的要求。

确定室内结构构造的材料光学性能参数，计算主要功能房间的窗地面积比，模拟分析主要测试房间达到照度标准值（300 lx）的平均小时数。见表3和图8-图9。

表3 材料光学性能参数

续3

图8 照度达标小时数分布

图9 逐日达标小时数

经模拟评估，室内主要功能空间91.4%面积比例区域的采光照度值不低于采光要求的小时数平均不少于4 h/d，主要功能房间有合理的控制眩光的措施[4]。本项目总共得6分。

由图8 和图9 可知，主要使用房间的照度达标的平均小时数在8 h/d 以上，逐日照度达标平均小时数在7 h/d以上。因此，在优化设计方案中，核心是最大限度利用天然采光。在外墙上开窗均匀，提高侧窗上沿高度，在部分外墙采用玻璃幕墙，对改善室内照度的均匀性效果显著，减少照明能耗。不舒适眩光对电脑办公有很大的影响，电脑屏幕反光极大影响了正常办公，因此，优化设计方案主要是降低不舒适眩光的影响，主要措施：房间窗前设置可调节的窗帘类织物遮阳帘，窗结构内表面采用浅色饰面，办公作业面避免直射阳光，工作人员的视觉背景不宜为窗口。对于照明眩光的优化设计，包括室内照明采用间接照明，达到柔和自然的采光效果，室内均匀布置灯具，使空间内光的分布与室内背景环境的亮度差降低。通过模拟评估，本项目内主要功能房间的不舒适性眩光指数最大值均小于限值。

2.5 其他

综合楼的绿色设计还采取了以下技术手段：节水器具用水效率等级全部达到1级；室外设置下凹式绿地、雨水花园、透水铺装等海绵措施；外墙立面选用国家认定的绿色建材；屋面采用无需浇水施肥的渗绿地贴；安全报警、环境监测、建筑设备控制能够远程监控并且能够介入智慧城市。

3 绿色建筑评估结果

依据GB/T 50378—2019 在安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居等方面的技术要求，在预评价阶段控制项全部达标，评分项数达到设计阶段基本级的标准。预评价阶段总得分72.9，达到绿色建筑等级二星级设计目标。见表4。

表4 评分项及加分项得分

4 结语

1）绿色市政建筑设计要以绿色可持续发展为理念，践行国家环保发展政策，其对于我国市政领域绿色建筑的推行和发展有着积极的作用和重大的意义。

2）绿色市政建筑性能化的模拟计算和研究，是预评价阶段绿建设计的重要技术手段；可以根据设计参数模拟建筑在实际运行后的效果，对设计在经济、技术方面比选优化的分析评估过程中有更直观的数据支撑，提高了工作效率。

3）绿色市政建筑的围护结构热工性能及能耗、建筑室内声环境、室内光环境是3个主要的绿色性能评价指标，本文提出了相应的性能模拟方法，通过设计优化手段，达到绿色建筑星级标准的同时，控制建设成本，提升了水厂综合楼绿色市政建筑设计的社会效益、经济效益。□■