汪 涛
华东建筑设计研究总院 上海 200002
随着北京冬奥脚步的日趋临近,以及响应“带动三亿人参与冰雪运动”的号召,我国各地民众参与冰雪运动的热情日益高涨,室内滑雪场馆的建设也呈现遍地开花的趋势,并以每年近20%[1]的速度递增。
室内滑雪场馆作为新兴的建筑类型,不同于一般的民用建筑,不仅要满足室内雪上运动及活动的空间需求,更要满足制冷工艺带来的室内外温度应力、水蒸汽渗透和热量传递的制约,其常年 “返季节性”的低温控制需求令室内滑雪场馆运营能耗成本居高不下。根据笔者实际调研的多家室内滑雪场馆案例,虽各滑雪场馆地域、空间构成及营运状态各不相同,但其用电成本经推算平均约0.5-0.6元/天·平米,约为普通商业建筑耗电量的1.2-1.5倍[2]。室内滑雪场馆作为新兴的高耗能体育性娱乐建筑,将进一步加重公共建筑的节能负担,若不采取相应的节能措施,其高昂的能耗不仅有悖于我国建筑节能总体规划目标,更会影响此类建筑的可持续发展。
在室内滑雪场馆前期设计阶段重点分析并权衡此类建筑的节能设计策略,是极易被忽视的一个重要环节。在建筑总体和单体策划之初,综合考虑项目环境条件,分析建筑特性,高效利用被动式节能设计策略,可以守住该类建筑节能的第一道闸门,带来事半功倍的节能效果。
在总体布局上应重点关注室内滑雪场馆所处区域气候环境条件等因素,充分考虑太阳热辐射、区域主导风向对滑雪场馆冷区建筑布局的影响;同时,通过绿化、水体等环境布局因素改善微气候条件亦可在总体布局中发挥较为积极的作用。
2.1.1 避免太阳辐射
室内滑雪场馆,特别是冷区部分一般不宜设置自然采光,太阳辐射往往成为滑雪场馆低温建筑能量消耗的负担,减少或控制太阳辐射更有利于缩减建筑运维能量的消耗。因此,在总体布局上,根据项目所在区域太阳辐射情况,室内滑雪场馆冷区建筑形体宜首选北向布局,其次选择东北或西北朝向,尽量避免太阳辐射最强的西向布局;其次,利用环境要素或建筑间相互遮蔽,使滑雪场馆冷区建筑长期处于环境阴影或建筑遮蔽范围内,亦可有效降低太阳辐射。
2.1.2 权衡主导风向
室内滑雪场馆冷区常年温度维持在-3°C至-5°C,这一温度在夏季低于室外气温,冬季又因地域差异而有所不同。北方寒冷地区冬季室外气温一般低于室内滑雪场馆,而南方炎热地区冬季室外温度一般高于室内滑雪场馆。因此,考虑滑雪场馆设计与主导风向的关系,对于北方寒冷地区需减少冷区冬季热损耗,宜避免建筑垂直于冬季主导风向;对于夏热冬冷或炎热地区,通风有利于降低建筑表面温度,缩减室内外温差以降低能源损耗,滑雪场馆宜垂直于全年主导风向。
2.1.3 提高景观覆盖率
良好的绿化和水体能够改善区域范围内微气候,有助于吸收太阳热辐射,降低环境温度,平衡环境湿度,有效实现建筑节能。室外绿化在夏季可降低建筑物室内外热传导6%-30%。建筑设计不仅可以考虑在场地范围内适当增设绿化、水体等景观,以改善场地微环境温度,也可以考虑通过设置墙体垂直绿化,屋顶绿化等方式提高绿化面积。
室内滑雪场馆特别是冷区建筑设计应以低温建筑特性为出发点,可参考借鉴寒冷及严寒地区建筑设计相关要素及数据指标,在冷区建筑环境温度场、建筑体形系数及建筑围护系统隔热等方面进行设计策略性分析将更有利于实现节能的控制目标。
2.2.1 稳定环境温度
室内滑雪场馆冷区无日照、无自然通风,常年维持在稳定的低温和湿度范围内,减少此类建筑室内与室外环境的能量交换,更有利于节约建筑能耗。与地上建筑相比,地下建筑周围环境密闭,不受自然气候条件的影响,且地下建筑一般冬暖夏凉,更利于形成较为稳定的环境温度场。创造类地下建筑空间,兼具封闭性及恒温特性的环境,对于室内滑雪场馆的被动节能较为有利。
2.2.2 控制体形系数
室内滑雪场馆建筑形体设计,应考虑减少建筑外围护结构的传热面积,在体形设计上宜简约,减小单位容积的外围护结构表面积。建筑的体形系数是影响建筑耗能的重要因素之一,研究表明,体形系数每增加0.01,建筑能耗指标约增加2.5%。在不影响建筑使用功能前提下,控制体形系数对室内滑雪场馆节能设计尤为重要,一般来说,室内滑雪场馆体形系数可参考严寒、寒冷地区,控制在0.3以下。
2.2.3 加强围护隔热
受冷区低温高湿的环境要求限制,室内滑雪场馆对围护结构的隔热防潮要求很高。在围护结构保温隔热设计上,应保证隔热层的连续性,避免或减少出现热桥。隔热应首选导热系数小的材料,一般应小于0.05 W/m·K。隔热层的厚度应通过计算决定:隔热层厚度=隔热材料导热系数*(围护结构所需热阻-围护结构除隔热层外所有热阻之和),所得计算结果应经技术经济比较来加以验证。为保持滑雪场隔热材料性能良好,延长使用寿命,在滑雪场围护结构两侧的设计温差≥5℃时应设置隔气层。如在夏热冬冷地区,隔气层应设置于保温隔热层高温一侧;若在北方寒冷地区,围护结构两侧的冷热状态或因季节变化反向逆转,则应考虑在隔热层两侧均设置防潮隔气层。
项目基地旧址是距离长沙市区仅10公里的原湖南省新生水泥厂,经半个世纪的开采,基地内形成一个直径约300m~400m,深约100m的巨型采矿坑。项目用地内拟建造一座冷区3万m2,总面积约9万m2的室内滑雪场,以及一座建筑面积约1万m2,占地面积约7万m2的室外水上乐园。
3.2.1 依势打造稳定温度场
项目基地为一座百米深的废弃矿坑,设计摒弃传统“填埋”式处理方式,力求在保留工业文化遗址的前提下重新构建建筑与环境的对话关系。以地下建筑的恒温环境场为启发,设计将室内滑雪场冷区建筑设置于地面之下,悬浮于矿坑口部,建筑东、西、北三侧约70%周长范围为崖壁环抱,形成近半地下的空间状态,建筑与崖壁间形成无对流且相对稳定的温度间隙夹层。这一构想既在某种程度上利用了地下建筑恒温环境特性,大幅度降低主体建筑太阳热辐射,同时最大程度弱化建筑形体对区域自然环境的空间压迫。
3.2.2 控制形体及热损失
相同空间体积状态下,表面积指标:球体<圆柱体<立方体,但球形体量很难满足滑雪场空间设置及功能使用需求,且原有矿坑口部自然形成的弧形边界与圆柱形体更趋吻合。经详细分析与测算,以减小矿坑不必要破坏为前提,保证建筑形体与崖体适形的匹配关系,最终确定的滑雪场近圆柱形建筑形体,其体形系数低于0.1,远低于寒地建筑对体形系数的规范要求。
3.2.3 设置隔热屏障与通风间层
最大程度上降低滑雪场冷区建筑太阳热辐射对节约建筑能耗,减小能源消耗负担尤为重要。长沙冰雪乐园屋面面积近3万m2,如此巨大的屋面若不进行处理将持续吸收太阳辐射,造成运维的巨大负担。设计首次尝试将室外水乐园垂直叠加于冰雪乐园屋面之上,令室外乐园的水体、绿化形成一道天然的隔热屏障,阻挡雪乐园建筑通过屋面吸收太阳辐射。同时,在水乐园与屋面之间设置可自然通风的温度缓冲间层,进一步降低冷区外表面温度,缓解能耗压力。建筑南侧设置的装饰性建筑表皮,选用浅色、反射率较高的铝板材质,同样为建筑节能起到积极作用。
3.2.4 高效围护系统及构造
理性选择室内滑雪场适用于低温、高湿环境的围护系统保温材料对此类建筑节能设计至关重要。长沙欢乐雪域项目在选择保温材料时兼顾材料耐火性能以及导热系数指标等特性,经消防安全专项论证,选择220厚预制金属夹芯高性能保温材料,同时在保温材料与建筑外围护结构之间设置一道空气腔体夹层,利用空气导热系数远小于固体物质导热系数的特性,提升整体构造保温节能效果。
3.2.5 强化环境节能因素
基地内的采矿坑经多年废弃,坑底自然形成一潭湖水,但坑壁岩石基层很难适应植被生长。设计采用生态修复的整体设计策略,从保护坑底自然水体环境出发,保留崖壁多处自然渗水点,经收集后输送至水处理机房,处理达标后作为坑底景观补水、植被浇灌及工艺补水等使用;崖壁植被修复采取生态混凝土护坡技术、客土喷植工艺、环保草毯复绿等措施,分区域修复崖壁绿植景观,达到提升环境品质,调节微环境温度的作用。
长沙欢乐雪域项目实景照片
被动式节能策略研究在室内滑雪场馆建筑设计领域仍处于尝试与探索阶段,虽然导致室内滑雪场馆高能耗因素众多,其能源节约也有赖于运营管理模式的灵活性及先进性,但在项目策划和项目设计初期有意将被动式节能策略融入其中,使其成为总体规划及建筑设计过程中整体权衡的因素之一,以较低的设计成本获得更多的建筑、经济成效,必将为室内滑雪场馆这一新兴建筑类型的可持续建设和发展赋予更多的积极意义。