绿色建筑的探究与实践

1绿色建筑的探究与实践——天津市建筑设计院科技档案楼设计作者：张津奕刘军刘祖玲曹宇作者单位：天津市建筑设计院(天津，300074)收稿日期：2010-11-15天津市建筑设计院科技档案楼是天津市建筑设计院自主开发的建筑项目，借“开发、设计、运营使用及研究实践”四位一体的优势，在建筑设计、施工和运营中积累了大量生态技术的数据和经验，并以此检验所使用的各项生态技术、设备在建筑中的实际运行效果，以达到生态建筑的“可推广、可借鉴、可示范、可复制”的目的。项目在设计之初就以国家绿色建筑两星级为设计目标，严格执行《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2006)的各项条文规定，并于2009年12月10日获得建设部审查通过的国家绿色建筑两星级标准。科技档案楼项目规划用地面积1263m2，可用地面积1263m2，建筑基底面积809.49m2，总建筑面积4585m2，地上6层，建筑总高度23.85m。其中：一层为展厅及科技档案库；二层为绿色建筑机电技术研发中心及绿色建筑数据展示中心；三～六层均为机电设计所办公室。1建筑设计1）对周边环境的保护与利用项目基地范围相当局促，原址为三层旧有库房。北侧与文体中心相距仅6m之遥，与南侧围墙相距4m，围墙之外是华北院自建宿舍，总高约18m。绿色建筑要求的“节地”原则成为我们首先要遵守的原则：不利的设计条件迫使我们最大限度地协调与周边建筑的空间关系，最终选择与原有文体中心贴建的设计方案。新建筑与原文体中心贴建至少带来三大好处：首先，新老建筑整合为一体，建筑内外空间更易达到和谐统一；其次，贴建使得新建筑北移，让出更多的室外可用地面积，更符合绿色建筑要求的“节地”原则；再次，建筑的北移为建筑争取了更多的日照和自然通风，也符合绿色建筑要求的“节能”原则。建设过程中尽可能维持原有场地的地形地貌，这样既减少由于场地平整所带来建设投资的增加，减少施工工程量，也避免了因场地建设造成对原有生态环境景观的破坏。2）体形系数的控制体型系数是控制建筑能耗的重要参数，尤其是北方建筑。体型系数越小，对节约采暖能耗越有利，但是体型系数过小有可能制约平面功能的布置，造成进深过大，影响建2筑自然通风，采光，变向的增加了建筑通风、照明能耗的增加。在设计方案中我们通过模拟计算分析，反复推敲，最终抛弃了复杂及标新立异的几何形体，选择了简单规则的形体，最大限度的控制体形系数。3）屋顶设计屋面做法选用80mm厚挤塑聚苯板，在保温层上做150mm厚的佛甲草种植屋面，屋面传热系数达到了0.42W/（m2•K），远远低于现行节能标准的0.55W/（m2•K）。屋顶绿化面积为568m2，占屋顶可绿化总面积的比例为80.9%。佛甲草种植屋面属半自动半人工养护的屋顶绿化系统，其保温性能的优越性在我们设置的屋面楼板温度监测中得到了充分的证实。一方面佛甲草对于生存环境要求较低，养护成本低廉，另一方面饱水状态下的荷重仅为150kg/m2，减轻了建筑结构的荷载，有利于节省建筑造价。4）建筑外墙设计维护结构采用砂加气砌块保温墙，局部采用外墙外保温体系。砂加气砌块保温墙这种新材料不仅具有传统墙体材料的基本功能，更具有节能、轻质、防火、隔音、环保、施工便捷、节省投资等诸多优点。同时其主要原料来自于平板玻璃生产提取过程中产生的废弃物——硅矿尾矿砂，利用硅尾矿砂元素含量较高的特点，变废为宝，进行掺加再生产。硅矿尾矿用量占整个砂加气原材料用量的30%以上，大大提高了产品的强度，使产品质量达到并超过了国家标准的要求。科技档案楼的外墙主要为200～350mm厚砂加气砌块保温墙，局部贴50mm厚挤塑保温板和窗口部位30mm厚胶粉聚苯保温浆料。整个建筑外墙的平均传热系数仅为0.39W/（m2•K），远低于现行节能标准的0.60W/（m2•K）。5）建筑外窗设计较小的窗墙比有利于冬季节能，而通透的表皮则利于夏季自然风的流通以及自然光的采集。如何合理解决这一矛盾，成为方案设计中必须考虑的要素。因此，在立面设计上反复比对，根据天津地区的全年主导风向及冬夏两季的主导风向，在不同朝向的外墙形成不同的窗墙比系数（南向：0.32；东向：0.25；西向：0.29；北向：0.11），均衡了各个考量因素，实现了建筑功能、建筑立面与建筑节能的兼得。外窗的材料为PA断桥铝合金Low-E中空玻璃，平均传热系数达到了2.0W/（m2•K）。6）建筑外遮阳设计外遮阳对于减少太阳辐射热进入室内，降低空调负荷具有很大作用。建筑东向设置固定外遮阳百叶，西向采用机翼型电动智能外遮阳百叶，可根据太阳入射角度的变化，自动进行调节。7）绿植系统的设计项目采用综合绿化方案，除屋面种植之外还包括垂直及室外绿化的设置。建筑首层设基槽（利用传统花坛）种植爬墙植物，夏天可以遮挡太阳辐射，提高建筑的隔热性能。3景观设计采用复层绿化，优化乔、灌木的种植位置及灵活搭配，选择乡土植物作为主要绿化物种，主要以乔灌木为主，适当种植宿根花卉及草坪。8）节能电梯的选用所选用的蝶式马达（无齿轮）电梯比较传统有齿轮电梯节能达40%以上；噪声方面，普通有齿曳引机的电机转速在1500转/分左右，而蝶式马达电机最高转速只有95转/分，取消了齿轮减速箱，因此环境噪音降低，且不再使用润滑油，使得即节省每年的换油成本，又减少了对环境的污染。8）装修一体化设计：本项目的内、外装修设计做到和土建设计、机电设备设计、施工同步且匹配，避免了在装修施工阶段对已有建筑构件的打凿、穿孔、拆改。既保证了建筑结构的安全性，又减少了建筑垃圾、装修施工中的噪声污染以及装修施工的工作量。2结构设计1）消能减震支撑主体结构采用钢筋混凝土框架结构，并设置23品消能减震支撑。该消能减震支撑为我院自主研发，现已获得国家两项专利认证。消能减震支撑一方面可以减少地震对于建筑的破坏，另一方面可以减少框架柱的截面尺寸以及楼板钢筋含量，从而来达到节材的目的。2）高性能混凝土和高强度钢的采用使用高性能混凝土可以尽可能的减小建筑结构中梁柱截面尺寸，并且提高结构的耐久性，同时采用高强度钢，以达到减少用钢量的目的，故本工程受力钢筋均采用HRB400高强度钢，比HRB335钢节省用钢量20%。3给排水设计1）节水型洁具的选用洁具选用节水型水龙头和节水型坐便器，比同类产品节水25%。同时还选用了无水型小便器，普通节水型小便器一次用水量3L，按办公人数计算小便器一天用水量为1m3，一年耗水量为300m3，而感应式小便器在使用一段时间后，又易造成感应器损坏，无水型小便器的采用可以减少维修量，只需每年更换一次排水部分的薄膜套即可。2）太阳能热水系统天津地区属于二类地区，太阳能资源丰富，充分利用太阳能是节能的一项重要措施。档案楼共有14个洗手盆冬季需提供热水，由于洗手盆分层设置比较分散，如果每两个手盆下设小型电热水器则需设7个电热水器，且每个热水器冬季需24小时运行，很不利于节能，因此考虑使用太阳能热水系统：在屋顶设置太阳能集热板，屋顶水箱间内设置太阳能热水箱及热水循环泵。本项目选用的是专利真空管，克服了普通真空管真空度4低，保温性能差的缺点，同时价格适中，并且发射比降低50%，集热器内胆于其他部分实现无焊连接，密封性好。经计算，14个洗手盆一天热水量为1m3，太阳能集热板面积为21m2，整个太阳能热水系统投资5万元左右，使用年限为15年，而如果使用电热水器，初期投资为3500元，按每年运行180天考虑，每天8小时运行，年耗电量1万度左右，全年运行费为7600元，可见使用太阳能热水器6年即可收回成本，并符合节能的要求。3）非传统水源利用根据项目占地面积小、可回收利用的污废水量少的特点，如单独设置中水处理系统，则投资大、不经济。考虑项目所在的气象台路附近有中水处理厂，可以方便地从其引用市政中水，且天津市建委明确规定，建筑室内冲厕级室外绿化用水必须采用中水，为此，项目由气象台路引入一根DN150市政中水管，供建筑的冲厕、庭院绿化用水及洗车之用。4）雨水的收集与利用对于非传统水源的雨水利用因降雨量小，可回收雨水量少，因此本项目设计收集屋面雨水，对建筑的屋面雨水进行有组织的收集，有组织的排入附近绿地。通过管网末端的渗井排入地下，可灌溉绿地及补充地下水，从而节约绿化用水，达到节水的目的。5）高效的灌溉方式本项目绿化用水采用滴灌的方式，由中水管道引入供水，在绿地内设置阀门井，沿绿地敷设滴灌管，通过滴灌浇洒绿地，即可达到节水的目的，又可避免中水在空气的弥散。4暖通设计由于采暖空调能耗在建筑总体能耗中占有很大比例，因此空调系统的节能减排在建筑节能中越来越受到重视。本项目在改善维护结构性能的基础上,采用了一系列能够提高暖通系统能效、实现可再生能源利用的新技术,其中包括:利用浅层地能的地源热泵系统、蒸发冷凝式冷水机组和温湿度独立控制的空调系统。1.系统的冷热源介绍：经过技术比较，确定了利用浅层地能的地源热泵系统。由于空调末端采用了温湿度分控技术，夏季提高供水温度，冬季降低供水温度，可以提高冷机的COP值。通过对地源热泵的地源侧吸、放热量平衡计算，夏季增设了一台蒸发冷凝式冷水机组作为补充冷源。采用地源热泵系统与传统的夏季电制冷冬季市政热网加换热的能源供给方式相比较，具有以下优点：①利用了可再生能源。因深度在15m以下的土壤温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17℃，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，同时充分利用了土壤“夏储冬用”的特性。5②地源热泵系统比传统的直接燃烧一次能源的制冷供热系统运行效率高。③地源热泵系统自身无污染物排放，真正的实现了节能减排。④节省建筑空间，省去了锅炉房、冷却塔占用的建筑面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。2.温湿度独立控制的空调末端系统：本工程采用了温湿度独立控制的空调末端系统，包括具有热回收功能的溶液调湿新风机组与全热回收型风冷式双温新风机组，干式风机盘管与毛细管辐射两种干式末端。1）温湿度独立控制空调系统优势①空调系统中，冷水水温由常规的7/12℃提高到17/20℃，制冷机制冷COP提高了约10％~15%。②辐射空调末端与独立新风输送系统，使得维持室内冷热的任务与空气清新的任务分开，温湿度解耦控制相对于关联性很强的温湿度耦合控制湿度解耦控制相对于关联性很强的耦合控制，更容易保证室内的温湿度控制精度，使室内实现更好的热舒适环境。③无论是溶液调湿新风机组还是风冷式双温新风机组都具有全热回收的功能。以溶液调湿新风机组为例，其内置溶液全热回收装置，可高效回收排风能量，全热回收效率大于60%，有效减少新风处理能耗，而且机组内新、排风风道独立，不存在交叉污染。④毛细管辐射干末端，因为其水系统温差只能做到3℃左右，故水输送能耗较高，但由于水传递能量的密度大于空气，而且末端利用长波辐射和自然对流的机理进行能量交换，与全空气系统或风机盘管系统相比，减少了风机输送能耗，因此本系统的综合输送能耗较常规系统减少10％～15％。⑤健康舒适，新风机组独立运行，即可满足对新风的降温、除湿、加热和加湿的处理，又可有效去除细菌和可吸入颗粒物，净化空气，避免了送风的二次污染，而且除湿过程完全取消潮湿表面，杜绝霉菌滋生，保证室内人员健康舒适。空调末端采用毛细管辐射系统辐射供冷、供暖方式彻底解决了人员“既怕吹冷风、又怕吹热风”的问题，而且无噪音。毛细管辐射末端装置，使得室内热环境更自然、均匀、舒适。5电气设计电气专业在节电与对用电设备的节能控制方面作了深入细化的设计，设置合理的供配电系统，合理选用节能光源并对照明系统进行节能控制，充分利用太阳能，为绿色建筑的实践作出了有益的尝试，并收到可喜的效果。同时，建筑物内设置的建筑物综合信息展示系统，简单明了的展示了本建筑物所采取的节能措施，系统内所采集的楼内各系统综合数据也为今后的科研工作提供了必要的数据支持。1）节能灯具与节能光源的选用。在灯具选择上，选用为无眩光高效格栅灯具，灯具效率达到70%，该灯具采用OLC反射器，确保全方位持久亮度控制，格栅片提供有6效的眩光控制，把舒适和节能有效的结合了起来。此外该灯具光源为T5三基色荧光灯，,比传统灯具减少了25%的能量消耗。2）