现代绿色建筑设计研究

文/王凯

一、背景

由于人类社会在过去两百年间的迅猛发展，已经有至少2800亿吨二氧化碳被排入大气。进入二十一世纪后，气候的改变越发迅速与激烈，人们保护环境的意愿愈发强烈，绿色城市的理念应运而生，其中的重要组成部分便是绿色建筑概念。绿色建筑是从设计伊始便将能源利用效率、能源生产方式、能源的循环利用与使用材料等对环境的影响因素考虑在内的建筑形式，无论是在建造过程中，还是在后期使用过程中，都能尽可能地减少对环境排放废弃物，甚至能吸收其他建筑的废气排放。

二、绿色建筑节能设计原则

绿色建筑的节能设计，需要系统化、体系化考量，不仅是一个设备或者几个设备的运用，而是不同类别的系统通过合适的转化途径将优先级能源转化成次级能源。在这一转化过程中，损耗的能源变成某一种能被利用的能源。此类建筑的能源转换方法、实际应用等都须依地形、气候、建筑需求、建筑外形等进行有针对性的分析与设计，不能如传统建筑的设计般遵循特定的步骤、指定的方法。如上海中心这样的建筑，上至能源配置，下至采光分配，都经过设计人员的精心设计与反复实验，从而达到满意的效果。

绿色建筑的设计原则可以被概括为三点：一是在设计的全流程贯彻环保节能的思想；二是对于需要达到的环保要求需要有清楚的认识；三是对于建筑所在的环境需要作充分的调研。

三、绿色建筑节能设计的发展

绿色建筑理念最早可以追溯到二十世纪中叶。美籍意大利建筑师保罗.索莱里把生态学与建筑学合并为生态建筑学。1963年，维克多.欧尔焦伊在《设计结合气候：建筑地方主义的生物气候研究》中提出了建筑设计需要与地域、气候相协调的理念。随后四十余年来，建筑的节能设计形成了整体性、综合性与多学科交叉的特点。伴随着可持续发展的思想在全世界的推广，绿色建筑的概念开始逐步在世界范围内被行业从业者甚至普通民众所认可。1993年，国际建筑师协会第十八次大会发表了《芝加哥宣言》，该宣言意在号召全世界建筑师把环境与社会的可持续性列入建筑师职业及责任的核心。2012年5月，财政部下发了《关于加快推动我国绿色建筑发展的实施意见》。该意见旨在鼓励我国在绿色建筑领域的发展，并放开某些限制，提供相关的政策性或经济性扶持以推动绿色建筑与能源在我国的应用。在地方层面上，各地政府都出台了以省市为单位的阶段性发展策略。

四、绿色节能理念在建筑设计中的应用策略

（一）能源的分配模式

能源的分配是绿色建筑的设计基础。其中，自然能源的利用与分配、能源的循环和二次利用是所有方面中最为重要的环节。通过对外部自然能源的摄取和内部能源的循环利用，可减少建筑对于电力或天然气的依赖，同时可保证建筑的空间结构、功能布局和传统建筑相同，在满足人们日常使用需求的基础上优化建筑的舒适程度，使建筑和自然的结合达到全新的高度。目前的自然能源利用中，太阳能与风能因其广泛性与通用性的特点成为主流。在太阳能的应用中，不仅可以将太阳能资源变成热能，也能依靠单晶硅板将太阳能转化成电能。例如，在住宅楼的楼顶安装太阳能热水器就是最简单的利用方式之一，居民可以节约使用燃气热水器或电热水器的费用。又如，在建筑外形的设计中，可以将顶部扩大或者设计向日倾角以安装太阳能板，从而向建筑提供一部分电力。甚至可以对采光玻璃的种类、阳光的入射角度、遮光帘遮光罩的安置位置进行研究，使室内采光均衡，并使室内的热量不会让人感到不适。对于风能的有效利用体现在房屋内部的布局上，尤其是门窗、墙体等易遮风结构的布置。例如，对于高层，可利用自然风进行室内换气，从而减少使用新风系统的时长与频率，同时保证建筑不会因此而发生让人不适的摆动。又如，将通风管道与电梯管道、消防通道结合，将新风系统达到最佳效果。以上两点都需要设计人员不仅拥有丰富的多元设计知识与经验，还要花费大量时间考量、调研、优化、模拟。

（二）生态植物选择

植物的选择表面上是为了建筑内外的美化，其实在现代绿色建筑的节能设计中，植物能形成良好的功能屏障，这能从功能性角度提升建筑的使用性能。例如，在条件合适的情况下设计建造生态楼顶，在楼顶培育一些低矮的植物，从而使泥土、植物作为建筑的第一道屏障来抵御炎炎夏日对楼顶的持续热辐射。又如，在室内种植植物以实现遮阳、改善光照、净化空气等功能性需求。建筑与室内外的植物需要相互呼应，最大程度上保证种植的合理性，也要便于后期的维护。优秀的设计可以使建筑与自然成为一体化的生态系统。

（三）建筑材料的使用

对材料的选择，不仅体现了对于房屋质量的要求，也体现了对循环利用、低碳环保的追求。所以，需要关注建筑材料对于生态环境的影响。这影响不仅包括前期制造所造成的排放，也包括后期使用过程中对环境的影响，甚至是在全生命周期的维护、回收过程中对环境的影响。目前仍然无法规避钢筋混凝土这种不环保的材料，但却可以通过选择合适的强度，添加如纤维和煅烧高岭土粉等添加剂以减少单位体积混凝土的二氧化碳排放。此外，利用回收材料进行室内的装潢、制作隔热隔音层，可在保证建筑性能的前提下提高建筑的生态节能水平。

（四）内部资源利用管理

在建筑的日常使用过程中，能源的消耗，是影响建筑生态属性的重要指标之一。在建筑设计的过程中，需要设计人员对相关的内容进行设计优化，并针对所有需要使用的能源设计恰当的功耗指标与控制计划，以凸显其对能源利用的规划。例如，在水资源的日常使用过程中，需要对各用水流程和用水地点进行监控，添加整体或局部的水资源管理和循环系统，同时尽可能地利用自然降水，以减少对市政用水的依赖。这样不仅会显著减少日常使用中对市政供水的依赖，也会减少污水的排放量，从而减轻城市污水处理的负荷。

（五）案例分析

上海中心作为上海的地标性建筑，使用了分布式能源系统，采用了集中生产、批量传送的方法，通过点对点的能量输送，实现多功能、多目标的精准能量利用。

分布式能源系统主要有三个方面的特点。第一，直接面向用户进行小规模精准传送，没有额外的中转过程。这使得能量损耗大幅降低。同时，因为传输路线是点对点，且相对简单，所以其稳定性与安全性也相对更好。第二，由于是面向用户进行小规模精准传送，其需求较小，相对传统的集中式功能系统，其规模较小，可以节约占地。第三，随着可再生能源的推广与应用，能源的形式与种类开始多元化，此系统使用户可以指定能源的种类与输入形式，从而更好地迎合客户的多元需求。

此外，上海中心是世界上第一座双认证的绿色超高层建筑，在设计阶段即遵循中国绿色建筑评价体系和美国LEED绿色建筑认证体系要求。例如之前提到的分布式能源系统，项目位于上海中心地下二楼，总投资3789万元，主机房占地面积约365平方米。建有2台1165千瓦的燃气内燃发电机、2台1047千瓦的热水型溴化锂机组、2台1368千瓦的板式热水换热器，为大厦的低区部分（地下5层至地上7层）提供冷、热、电能源供应服务。2台机组各通过1回10千伏线路接入110千伏上海中心用户站#1主变的10千伏母线。该CCHP系统与上海中心市政电网、其他冰蓄冷、锅炉、电制冷机组等共同构成大厦的低区能源中心，供能总面积为27.97万平方米。该项目设计综合能源利用率81.4%，燃气内燃机排放量为＜250毫克/标准立方米，机房噪声＜55分贝，设计年供冷3.1万吉焦、供热1.67万吉焦、供电1236万千瓦时。对分布式能源及分散供冷、供热、供电两种形式在输出同等冷、热、电情况下的燃料及耗电作分析计算，并折算到标煤进行比较，可以发现，与分散供能相比，每年可节约标煤1890吨，减少二氧化碳排放4855吨，减少二氧化硫排放38吨，节能率可达33%。

在一年供热期中，1月份热负荷最大，为10.0兆瓦；12月份热负荷最小，为6.1兆瓦。在一年供冷期中，7月份冷负荷最大，为12.9兆瓦；3月份冷负荷最小，为0.9兆瓦。全年冷、热负荷大于1兆瓦的时长为约6320小时，冷、热负荷大于3兆瓦的时长为约3680小时，冷、热负荷大于5MW的时长为约1620小时，冷、热负荷大于10兆瓦的时长为约70小时。按照基础冷负荷运行在3920小时以上，基础热负荷运行1440小时以上，总利用不小于5360小时的原则，根据延时利用小时数曲线，确定上海中心低区设计最大装机冷负荷为约2.2兆瓦，设计最大装机热负荷2.7兆瓦左右。项目最终设计采用2台1165千瓦燃气内燃发电机组，配套板式换热器及热水型溴化锂机组，年设计运行小时数不低于5360小时，年发电量12488.8兆瓦时，年供热量16651吉焦，年供冷量31729吉焦。

六、总结

绿色建筑是大势所趋，在未来的发展过程中，设计人员需要逐步深入，扩展能力，使绿色建筑不断与时俱进。