王文辉
随着建筑设计行业的发展,一些新的理念不断涌现。在当前节能环保形势下,绿色建筑成为建筑行业的新焦点。绿色建筑本身具有节能、环保、低碳的独特优势,有助于促进建筑行业的良性发展。但是,绿色建筑理念依然在探索阶段,在未来发展中还需要进一步加强对环保理念以及绿色技术手段的应用。
绿色理念在建筑设计中的应用价值主要体现在以下方面:第1,增进人与自然之间的和谐度。在绿色理念下,突出了资源的节约和可持续利用,缓解了资源再生、环境保护等一系列问题,实现节能减排和资源的循环利用,既带动了经济发展,又解决了人类社会发展过程中对自然环境的破坏性利用问题。第2,提高建筑设计的水平。新型节能环保技术和材料的运用,从根本上契合当前社会的主流需求,能够满足业主方和用户群体的诉求,同时也是建筑设计工作与时俱进、不断创新发展的直接表现,绿色理念的应用与实现,直接与建筑设计主体的专业水平呈正相关。第3,有效控制建筑设计、建设和后期运营成本。在建筑设计、建设和后期运营中,建筑所选用的材料、能源以及与相关要求相匹配的技术应用是影响成本的关键,绿色理念中强调的“节能减排”“可持续”等,将建筑所涉及的相关技术与材料引向了便捷化和重复利用的方向,新型材料与技术不仅更契合现代化建筑工程需要,通过专业化、标准化的操作直接加快了工程进度,同时还能有效降低一次性能源与材料耗损,为整个项目提供了成本支撑,更有益于实现建筑的经济价值[1]。
任何一项工程的开展与落实都应该结合工程所在地区的实际情况进行勘查与检测,从而制定出适合所在区域发展规划与实际需求的建设方案,因此绿色建筑的设计方案必须遵循因地制宜的基本原则。一方面,对所在地区的气象因素进行统筹把握和实际研究,经过一定的分析,合理发挥与利用当地的光照、风力等多种自然因素,在此过程中必须严格贯彻落实绿色环保的生态理念。另一方面,通过深入探究当地的地质条件和地缘属性,结合绿色环保的思维模式合理利用有限的自然资源。
相关设计人员在设计过程中应尽量降低建筑能耗,以创新的方式取代常规能源,尽可能利用可再生资源,以维持生态平衡。以太阳能利用为例,可以将太阳能电池板安装在房屋的各部位,如房顶、墙面等,采用光电转化的方法将光能转化为电能,从而降低建筑物自身能耗,方便使用者的日常生活[2]。适当的湿度、充足的光照等是改善居民生活环境的关键。在住宅建筑设计中增加园林绿化,可以提高居住空间的美观度和舒适度。另外,将海绵城市与循环用水的理念相融合,在地下停车场及房屋屋顶进行景观绿化布置,不仅可预防水患,而且能起到雨水聚集作用。后期可根据需求进行二次利用,如社区卫生间冲洗、绿化浇灌等,改变日常用水模式。
某项目位于四川省成都市锦江区白鹭湾科技生态园内,毗邻绕城高速,西侧为城市主干道锦阳大道,东侧为三圣花乡自然公园。该项目用地面积7.2 万m2,总建筑面积为28.5 万m2,包含2 个地块,主要业态为办公、商业及配套设施用房。该项目秉承低碳理念,在围护结构、能源和设备系统、照明、智能控制等方面尽可能采用可再生能源材料,打造低能耗建筑,以绿色建筑构造城市。
屋面及地面清洁雨水回收处理后主要用于绿化灌溉、车库及道路冲洗、洗车用水、景观用水等。工程中的雨水收集系统建设,主要包括雨水收集与净化再利用2 个方面,雨水量的计算参照公式:
式中:W为雨水的径流总量,单位m3;a为项目系数,取0.6;ψ为雨量径流系数;h为设计降雨厚度,单位mm;F为汇水面积,单位m2。
雨水收集项目设计雨水量与汇水面积如表1 所示。
表1 雨水收集项目设计雨水量与汇水面积
2.1.1 雨水收集
依据初步设计方案,园内雨水收集除降雨外,收集对象还包含部分喷灌水资源,涉及的水量较大。拟在区域雨水收集网终端放置200 m3定制超大型玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)罐作为存储器,包含雨水的弃流、沉沙、过滤、排洪等功能和程序。前期收集的雨水所含杂质较多,直接排至雨水井中,至雨水充足且水质变好后将弃流口关闭,雨水经过滤网后集中于雨水收集池。收集池中的水积满后溢出至复合井排出,并将杂物一并带出进入雨水管网。集水用超大型GFRP 罐综合结构如图1 所示。
图1 集水用超大型GFRP 罐综合结构(来源:网络)
2.1.2 雨水净化再利用
设计方案合理利用紫外线消毒、雨水过滤等对收集的雨水进行多步骤净化处理,并储存于集水池中供后续使用。集水池中分别设计不同的液位实现水泵控制,自下而上依次为排污终止液位(20 cm)、回用泵终止与排污启动液位(40 cm)、自来水补水启动液位(50 cm)、回用泵启动(70 cm)、自来水补水终止(85 cm)以及自来水超限警戒液位(100 cm)。回用泵采用变频恒压控制,当存储雨水使用完毕后控制电动阀补充自来水。设计2 个回用泵,其中一个为备用,通过变频恒压进行控制。雨水使用的优先级高于自来水,当雨水存量不足时自动打开自来水补水开关。排污泵与回用泵联动控制,当液位达到40 cm 时,回用泵停止,排污泵开启,当液位达到20 cm 时排污泵停止。雨水量和水位由系统自动监测,当达到水池补水位时自动启动补水,遇特殊情况可进行手动控制[3]。
西侧主塔楼建筑屋顶及会议中心屋顶采用光伏一体化技术。光伏发电系统主要由光伏组件、蓄电池和控制器等组成,可将太阳能转化为电能供建筑使用,是当代绿色建筑的典型技术之一。不同于大型光伏发电站,本项目设计中优先考虑系统的安全性及电能转换与利用效率,不盲目使用高指标设备,逆变器使用无变压器型号。蓄电池的选择需要考虑到负荷冲击、放电深度、环境温度等因素,蓄电池的容量合理预留一定空间,以保证整个电网的可靠性。原则上光伏组件的输出量应小于控制器输入量,本项目中光伏组件输出量相对较大,选用较大功率的控制器。考虑控制器安装环境的限制,保护级别的选择为室内IP54、室外IP65。考虑光伏组件本身易受破坏,设计防护措施,在组件两面设置5 mm 的钢化玻璃。电池板安装的螺栓使用弹簧垫圈,避免螺栓松动,且在连接处采取防锈措施。
光伏组件所转化的电能通过配电系统输送,由汇流箱实现配电系统的综合防护。除主要的熔断器外,额外设置防反二极管对元件热斑效应进行防护,同时设置防雷器防护雷电事故。配电系统汇流箱多重防护结构如图2 所示。机房内设置18 个汇流箱,箱壳为不锈钢材质,尺寸50 cm×40 cm×20 cm。基于汇流箱的特殊性,采用室外IP65 的防护等级设计,可满足–20 ~60℃的工作条件,箱体内部线路间距不小于15 mm。
图2 配电系统汇流箱多重防护结构(来源:网络)
设计机房选用空间为80 m2,内部设备的间距为5 cm,场地内设置通风设备与通风孔,避免室内集热影响设备性能。在机房一侧设置电缆桥架,设置6 个蓄电池支架,支架间距为1.0 ~1.5 m,以便后期维护通行。电缆选择以低能耗、高效率为标准,使用最新光伏发电专用电缆,此电缆具有较强的抗折性和抗高温老化特性。电缆经特定线孔穿出,由桥架实现控制,连接光伏组件与机房内设备,设计主要电缆70 根,单根直径10 mm。
本工程光伏发电系统控制方式为并网控制,用电状态的转化依靠逆变器和直流电/直流电(Direct Current/Direct Current,DC/DC)变换器实现。母线与第二变换器连接,且变换器在升压状态下处于主线路,在非升压状态下处于支线路。由于光伏组件光电转化率较高,电网负担相对较大,并网方式需要进行性能增强,可采用分布式发电并网方式以满足电压特点。在兼容性方面,对相关设备进行调试,并于安装过程中进一步调试逆变器及相应组件性能,确定电网满足发电系统的运行需求。
路演大厅的幕墙外采用可调节外遮阳,保障夏季太阳得热系数小于0.15,冬季太阳得热系数大于0.4。将建筑活动外遮阳系统区分为南北与东西向,不同朝向的外遮阳设计思路因日照情况不同而采取差异化处理。
以夏季为主要分析季节,根据日照情况计算遮阳的临界角度下的间距与深度,以此为设计角度上限。根据冬季日照情况计算出遮阳临界角度的最小值,以此为遮阳设计角度下限。但是考虑冬季可能无须遮阳而需要采取被动采暖,因此下限数值可以不用过于精准要求。
依据自然规律,每年太阳活动轨迹在冬至与夏至日之间循环,而且具体的太阳直射角度、移动规律等因地区不同而存在差异,因此首先调查并收集地区气候资料,分析太阳活动周期内的高度角变化,从而获取最佳临界角度值的计算结果,以此作为外遮阳设计的参考依据。根据设计要求,在夏季时外遮阳须满足对太阳直射辐射的完全遮挡,同时需要满足漫射辐射的部分遮挡。但是由于遮阳百叶增大会导致光传播系数减小,间距与深度比值增大会导致光传播系数增大,需要根据《建筑节能手册》计算采光系数。以夏至日为例,取遮阳时间段为07:00—18:00,查取太阳方位角为103°22′,则遮阳角度为13°22′。在偏角度的限制下求取百叶偏转角度限值,确保百叶在调整情况下始终拥有最佳遮阳效果和视线曝光角[4]。
设计选用节能型发光二极管(Light Emitting Diode,LED) 灯 具进行智能控制,全面降低照明能耗,既要满足照明需求又要满足低耗能要求。设计采用新型LED 灯具、数字无线互联模块、K 波段雷达探测器与可调型光驱电源等结合为一体。K 波段雷达探测器的信号经过调理电路和无线组网节点模块微控制单元(Micro Controller Unit,MCU)采样后,通过模式识别算法智能分析判断本网段内LED 灯具应进入何种工作状态,并将相应的控制命令发送给LED 灯具内置的中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。灯具内CPU 通过控制灯具的电源驱动执行无线组网节点模块的控制命令,实现灯具0%~100%的调光输出,并反馈灯具状态给无线组网节点模块[5]。无线组网节点模块记录该次信息,并通过现场总线将信息上传至网关。无线组网节点模块同时将判断的情况通过无线网络接力给下一个路径的无线节点模块,以便下一个模块提前进入预备状态。无线组网模块查询网关是否下达新的节能控制策略,若有则下载新的策略并执行。无线通信协议采用曼彻斯特编解码和循环冗余校核(Cyclic Redundancy Check,CRC),系统通信采用跳频机制,增强了系统的抗干扰能力,提高了系统的可靠性和实用性。
将绿色建筑理念引入建筑设计中,可以有效减少能源和资源的消耗,满足城市的发展需要,重视生态环境的保护,为人类的生活和发展做出贡献。在建筑设计中,工作人员需要重视对绿色建筑理念的学习及应用探讨,以便有效改善建筑能耗与污染问题,实现建筑行业的可持续发展。