面向运营的综合节能设计策略在会展建筑设计中的应用

0 引言

我国建筑总能耗约占社会总能耗的20.7%，其中，面积占比仅为15.0%的公共建筑用能占全部建筑能耗的28.3%，而在公共建筑中，大型公共建筑面积占比仅为8.3%，但用能占比却达28.0%[1]。大型公共建筑的节能降耗对我国的节能事业具有重要意义。

我国绿色建筑标准已更新到第3版，绿色建筑理念已逐渐渗透到建筑行业的各个领域。对于建筑设计行业来说，寻找适合绿色建筑的新设计理念和方法将成为行业竞争的发展方向。

本文以深圳国际会展中心项目为例，探讨以舒适和高效为最终目的，以节能为导向的建筑整合化设计方法，注重技术的应用，从工程实际出发阐述性能化分析技术与被动式建筑设计技术的融合，优化传统设计流程，提升设计品质，适应绿色建筑的发展。

1 项目概况

项目位于深圳，占地约125万m2，集展览、会议、商务、餐饮、娱乐、体育等多种功能为一体，总建筑面积约154万m2，包括16个2万m2的标准展厅、2个2万m2的多功能展厅、1个5.3万m2的超大展厅及2个6.6万m2的登录大厅，见图1。

注：C1～C4、C6～C9、A1～A4、A6～A9 为标准展厅；C11、C12 为多功能展厅；A11 为超大展厅；A5、C5为南登录大厅；A10、C10为北登录大厅。图1 项目展厅分布

2 技术路线

会展类建筑具有体量大、功能复杂、人流密集、建筑用能负荷变化大的特点。该项目以节能为导向进行建筑整合设计，将可持续设计理念融入建筑设计中，并对目标进行细化和分解，基于建筑的地域和气候特点，在建筑的平面布局、空间形体、围护结构、机电系统等各个设计环节中，采用恰当的建筑节能技术措施。

实现提高建筑能源利用率、降低建筑能耗、提高空间舒适度的整体目标涉及到建筑设计方面的多个要素。分析建筑设计的各要素，考虑各要素之间的相互关系并理清相关性，优化设计并融合建筑与各项节能技术措施，是系统性地解决建筑综合节能的关键。

建立以目标为导向的全过程技术控制策略。根据该项目的各项目标，如：绿色建筑、物理环境优化、水资源高效利用、综合节能等，将目标按照技术要求及建筑组团层面分解到各个专业，并通过专项任务书进一步落实到单体的施工图设计。初步设计及施工图设计阶段通过外部及内部专家审查确保设计质量，并进行施工阶段的专项施工方案落实；竣工验收阶段通过单项验收及综合性能验收保证项目最终完美呈现；最后，通过后评估及运行策略优化确保项目长久良好运营。具体流程见图2。

该项目于2019年获得国家绿色建筑二星级标识、英国BREEAM三星级标识、美国LEED金级标识。

该项目综合利用多项业界领先的绿色技术，测算得年节约用电2 630万kW·h，年节约用水42万t，年减少碳排放1.3万t，相当于节约标准煤3 300 t。

采用的绿色技术(节选)如表1所示。限于篇幅，本文仅对部分技术进行介绍。

表1 采用的绿色技术(节选)

2.1 围护结构节能设计

根据《中国建筑节能年度发展研究报告2008》，太阳辐射透过外窗进入室内的热量占夏季冷负荷的1/3，其余热量为：1) 室内发热量和通过围护结构的传热量；2) 通风系统的传热量。在夏热冬暖地区，外遮阳系统对于降低冷负荷显得至关重要。

通过设置遮阳系统，可以有效降低室内太阳辐射得热，东西向遮阳优化结果如图3所示。

无屋顶遮阳时，全年累计太阳辐射得热量东立面为537.87 kW·h/m2，西立面为575.34 kW·h/m2；有屋顶遮阳时，全年累计太阳辐射得热量东立面为151.42 kW·h/m2，西立面为260.88 kW·h/m2；有遮阳与无遮阳相比，太阳得热量东立面下降71.85%，西立面下降54.66%。设置遮阳对于降低室内太阳辐射得热量非常必要。

此外，该项目南北向进深较小，东西向进深较大。为兼顾遮阳及采光要求，根据遮阳系统所处的位置及环境进行了优化，西立面、南立面采光优化结果如图4所示。

遮阳系统透光率为0时，西立面和南立面的太阳辐射得热量分别为260.882、153.351 kW·h/m2；透光率为15%时，西立面和南立面的太阳辐射得热量分别为298.533、158.895 kW·h/m2；2种透光率下，西立面和南立面的太阳辐射得热量分别相差15%、3%。

根据图4优化结果，该项目选择在东、西侧采用不透光水平遮阳，南侧采用透光率为15%的水平遮阳。

综合考虑外窗热工及屋顶隔热等节能措施，该项目综合负荷降低达12.66%(基于深圳市强制节能标准)，经测算，仅此一项措施年可节电约440万kW·h。

2.2 室内自然采光与照明设计

会展建筑因室内布展的需求不同，需要设置不同的室内光环境。既往项目往往采用人工照明解决这一问题，既不符合在室人员健康需求，也不节能。有研究表明，如果未能正常感受自然光线，人体内的节律钟可能受到干扰甚至偏离正常节律，从而导致睡眠障碍[1]。

该项目采用自然光和人工照明结合的方式进行室内照明，根据室外自然光全天的变化情况，制定室内的照明策略，标准展厅室内照度模拟结果如图5所示。

图5 标准展厅室内照度模拟结果

结合室内自然采光的效果，制定室内照明控制策略，如图6所示。

注：该控制策略适用于展厅C12北侧，C11南侧，A11、A12南侧及北侧，A9、C9北侧，A6、C6南侧，A4、C4北侧，A1、C1南侧。图6 室内照明控制策略

项目采用智能灯光管理系统实现灯的启动与关闭，应用多种灯具调光技术对不同电气特性与光照特性的灯具进行调光控制。依据展馆内的照明需求，使用高效LED灯具结合DALI单灯调光技术对展厅照明进行控制，最大化利用自然光照明，合理调节人工照明的启闭与亮度。

除智能控制之外，为最大化节能，该项目在展厅非精装区域均采用高效LED灯具，共设置灯具约4 200盏，功率共计约1 000 kW。与传统90 lm/W的LED灯具相比，高效LED灯具光通量可达142 lm/W，寿命长达5万h以上，相对节约电能75%，累计年减少用电151.9万kW·h。

2.3 过渡空间的降温设计

大型建筑中往往存在较多过渡空间，这些空间虽非办公场所，但却是人经常活动的区域。该项目设有一条贯穿南北的连廊，总长度1.7 km。建成后，该区域将成为各个展厅之间的连接场所。但由于场地限制等其他原因，该区域无法安装空调，故提出采用加强机械通风缓解该区域的热环境。为验证机械通风对热环境的改善作用，进行相关分析如下。

1) 分析标准。

相对于常规的非人工环境，该项目的连廊属于人员快速通过的区域，非长久停留区域。本文探讨的是人员短暂停留区域的热舒适问题，故参照GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》[2]进行分析，该标准引入APMV指标对非人工冷热源下的热湿环境进行评价，其定义为

(1)

式中λ为修正系数，PMV≥0时取0.21，PMV<0时取-0.49。

评价等级对应的APMV见表2。

表2 评价等级对应的APMV

该项目也参考了美国ASHRAE 55-2013[3]标准的相关要求，该标准采用PMV作为热舒适度的评价指标。

PMV是评价人体热反应的指标。在非空调环境下，人的热舒适反应与传统的适用于稳态空调环境的PMV指标预测值存在一定偏差，Fanger教授提出了在温暖气候条件下非空调房间PMV修正模型，引入了一个值为0.5～1.0的心理期望因子e来修正当量稳态空调条件下计算出来的PMV，即PMV′=ePMV。

根据深圳的气候特点，e的取值为0.9。

根据ASHRAE 55-2013可知，适宜长时间停留的体感温度上限为31.5 ℃，对应PMV=0.9。

2) 模拟分析。

限于篇幅，本文仅对连廊部分的自然通风+机械通风工况进行描述。为进一步增强通风对热舒适度的改善作用，比较自然通风+机械通风与纯自然通风的差异，从而找到利用自然通风的极限条件。图7显示了PMV及APMV的模拟结果。

图7 PMV及APMV模拟结果

通过分析可知，当室外天气晴朗、温度达到29 ℃时，利用风道加强空气流动，可以使得风道周边人行高度处的APMV位于0.9～1.1之间，PMV位于1.0～1.2之间。按照我国GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》评价，已达到Ⅱ类标准的上限；按照ASHRAE 55-2013标准评价，PMV指标略高，但仍在可容忍范围内，已基本达到人员长时间活动的极限舒适度。

图8显示了室内温度及风速模拟结果。由图8可见，风管下方多数人员活动区域温度介于30～31 ℃，风速介于1.0～4.5 m/s，可以满足日常的人员活动需求(再增加机械送风会导致风速超过人体舒适上限)。

图8 室内温度及风速模拟结果

图9、10分别显示了4—10月09:00—17:00的逐时温度和相对湿度。通过分析可以发现，4—10月09：00—17:00温度<29 ℃、空气相对湿度<70%的时长共353 h，占比为18.32%。

图9 4—10月09:00—17:00逐时温度分布

图10 4—10月09:00—17:00逐时相对湿度分布

由于空气流动加强，人体在室外对相对湿度的敏感度有所降低[4]。若放宽相对湿度上限至80%，采用机械通风则有望解决41.40%时段的热环境问题。可见机械通风可以改善区域热环境。

2.4 建筑中能量传递和机电设计的有机整合

将建筑与其使用功能融合，是建筑机电系统设计的首要任务，也是降低建筑能耗的主要保障。会展建筑不同于常规办公建筑，其功能更复杂。会展建筑空间布局上高度不高、底面积较大，因此围护结构得热负荷大，受季节影响较大，从而导致空调负荷全年峰谷差异较大。该项目预计将有10年的培育期，期间展馆的使用率将稳步上升。空调负荷受展馆使用率的影响较为显著。故从运营经济性的角度考虑，应努力使空调系统高效运行在各个负荷段，从而适应不同情境模式的运行需求。

在前期策划阶段，通过分析不同使用场景组合下的全年逐时负荷特性(见图11)，为项目机组选型提供参考。考虑到建筑平面布置、后期运营管理的便捷性，该项目从南到北设置5个制冷站，提高空调系统在小型展览期间的能效，减少空调系统输送距离，降低输送能耗。其中1#、3#、4#制冷站(各制冷站制冷量均为22 172 kW)为标准展厅供冷，2#、5#制冷站(各制冷站制冷量均为31 672 kW)为标准展厅及登录大厅供冷，该项目的制冷站分布见图1。

图12显示了2个标准展厅全年的冷负荷区间分布。由图12可以看出，标准展厅的负荷介于30%～70%总负荷的占比最高，累计占比达到48.34%。

图11 不同组合下的全年负荷

图12 2个标准展厅全年冷负荷区间分布

因此该项目为普通制冷站(即1#、3#、4#制冷站)配备了三大(5 627 kW/台)一小(2 813 kW)的冷源机组，为蓄冷制冷站(即2#、5#制冷站)配备了三大(6 330 kW/台)一小(3 165 kW)的冷源机组。

以未设蓄冷的3#制冷站为例，在只供应2个标准展厅的情况下，其最低负荷段对应的冷负荷为1 270.2 kW，1台2 813 kW的离心式冷水机组(变频)可处于较高效运行状态，如图13所示。

图13 制冷量为2 813 kW冷水机组COP曲线

通过围护结构优化、机电系统整合及运营策略调节，项目实现了较大幅度节能降耗。eQUEST软件8 760 h动态模拟结果显示，该项目年平均综合能耗约为70.98 kW·h/m2，为深圳市公共建筑能耗定额[5]所规定的A类一般购物中心(最为接近的业态)引导值的70%；相较于美国大型会展类建筑的151.84 kW·h/m2(综合底特律、丹佛、芝加哥、麦考密克展览中心的运营能耗得到)降低幅度约为53.25%。

3 结语

深圳国际会展中心是亚太地区首个达到国家二星级、美国LEED金级、英国BREEAM三星级的会展类建筑，也是目前世界上单体面积最大的建筑，面临多种展览需求，存在各种设计矛盾。笔者力求通过可持续的绿色设计理念，探索一种适合气候特征和建筑特点的设计方法，解决围护结构、室内采光、过渡空间、机电设备等方面的矛盾关系，具体表现在：1) 通过精细化分析遮阳系统，平衡节能、遮阳及采光之间的矛盾关系；2) 精细化分析自然采光和照明的关系，针对运营提出分时分区控制策略；3) 挖掘自然通风与机械通风的降温潜力，缓解非空调区域的不舒适性；4) 将运营控制思路融入到机电系统设计中，为实现节能运营提供了基础。

该项目作为深圳市的地标建筑，充分实践和应用绿色建筑技术，有助于提升场馆的持久竞争力，乃至提升所在大空港片区的品质和影响力，促进区域绿色建筑的发展。