环境国际公约履约大楼的绿色实践

路斌 刘加根 章恋 柳建锋/LU Bin, LIU Jiagen, ZHANG Lian, LIU Jianfeng

1 项目概况

环境国际公约履约大楼（简称“履约大楼”，图1～8）位于北京市西城区西直门与新街口豁口之间的北草厂路交口处的桃园危改小区H地块，北临北二环主路，南侧为后英房胡同，是环境保护部环境保护对外合作中心利用国际无偿援助资金开展的建设项目。履约大楼毗邻西直门地铁站与积水潭地铁站，交通十分便利，建筑北侧建设有20m宽绿化带，视线开阔，绿化和环境空间条件优越，建筑城市空间形态良好，具备较好的城市景观缓冲空间。

大楼采用框架剪力墙混合结构体系，总建筑面积为30 191m2，其中地上为钢结构，建筑面积为22 468 m2；地下为框架钢筋混凝土结构，建筑面积为7 723m2；地上9层，地下2层，檐口高36m。履约大楼地下一层为食堂、车库及相关设备用房（图5）；一、二层为公共区域，层高均为4.8m，为对外合作中心内部以及外来工作人员使用的接待、会议及技术展示等服务区域（图6）；三层至八层为综合办公区，层高3.67m（图7）；九层为综合办公区及健身房、阅览室等，层高为3.58m。每层分为东、西两个办公组团，保证房间净高为2.7m，走道净高2.4m；并结合东、西内庭以及中部生动的双层挑高空间，创造一个环境舒适、景观幽雅的办公环境。

图1 东南立面

图2 北立面

图3 西中庭仰视

图4 建筑幕墙及地下餐厅采光天窗

图5 地下一层平面

图8 建筑总平面

图9 北京气候条件分析

图10 建筑围护构思

图11 建筑遮挡分析

项目建设之初就确立了运用最佳实用技术建设节能示范工程的目标，通过中、意两国的建筑师、工程师、建设者的通力合作，实现了建设可持续发展建筑的目标，并于2010年12月通过了由住房和城乡建设部组织的绿色建筑示范工程验收及绿色建筑认证，成为中国少数几栋通过三星级绿色建筑运行标识认证的绿色建筑

2 绿色实践

作为一个从项目启动之初就立志要进行深度“可持续设计”的建筑，履约大楼从方案到设计到施工及最后运营始终践行诸多绿色建筑理念，本文着重从设计角度探寻履约大楼的深度可持续设计实践。最佳实用技术运用是整个大楼的核心设计理念，强调的是设计优先、技术搭台、环保结果。

“设计优先”着重强调“因地制宜，被动优先，主动技术优化”，被动式设计策略的选择是基于北京气候条件以及场地条件的分析基础之上，对建筑整体形态进行全方位的控制。在控制过程中，建筑师、工程师、绿色建筑咨询等各个领域设计者从方案阶段即开始交流互动，对于关键的问题，采用模拟辅助设计的手段协助决策。“技术搭台”在于“主动技术优化”，通过高效的暖通空调系统技术、节能灯具及照明控制以及节水技术等诸多措施，来实现节地、节能、节水、节材、优异的室内外环境，最终达到“环保结果”的目标。

2.1 被动式设计优先

2.1.1 建筑体型

按照中国气候带划分，北京地处寒冷地带，其冬季气温小于5℃为2 603小时，夏季气温高于26℃为1 184小时（图9），冬有采暖，夏需空调。同时，拟建地段北临交通干道北二环主路，交通噪音较大，加之北京冬季盛行寒冷的西北风，出于屏蔽北部噪音、阻挡西北寒风的要求，建筑北立面在设计过程中尽量地封闭，较少使用保温较差的透明围护，窗户设置仅满足基本的采光需求。拟建场地南部为住宅小区，东西侧为办公大楼，周围建筑对拟建建筑有一定的阳光遮挡。基于以上几点考虑，建筑体型在设计过程中确定了如下3个策略。

（1）小体型系数。建筑首先需要考虑尽可能减少建筑与室外的热交换，降低热损失。一个通常的途径就是表面积最小化，即追求建筑体型简洁，以降低体型系数。履约大楼体型系数仅为0.13。

（2）坐北朝南，北合南开（图10）。出于屏蔽北部噪音、阻挡北京冬季西北寒风的要求，建筑北立面尽可能地封闭，且尽可能地降低保温较差的透明面积，仅满足基本的采光需求；与之相对应的，建筑南立面尽可能地开敞，在合理的范围内增大开窗，最大限度自然通风采光，冬季获得太阳得热降低采暖负荷，夏季进行自然通风降低空调负荷。

（3）模拟辅助设计。在建筑设计同时，通过模拟辅助设计手段来帮助设计师确定最终建筑造型。

图12 室外风环境模拟

图13 建筑北侧室外微地形阻止冬季恶劣风环境

首先对建筑最为关心的冬夏日照角度进行分析。建筑北部无居住建筑，故不需要考虑对周围建筑的日照遮挡影响问题，相反的，需要研究毗邻建筑产生的阴影和每个立面的日照水平，目的是找到围护结构的最佳方案。通过模拟，可以发现建筑南立面全年都受到阳光照射，西立面在下午受到阳光直射，而东立面除了较高的楼层外，其余大部分时间形成阴影，因此需要采取不同的处理方法（图11）。

其次，通过CFD手段，对不同阶段的建筑体量室外风环境进行模拟优化，从而达到一个可接受的最佳体量与室外环境布置。通过模拟发现，由于与毗邻建筑形成了风口效应，冬季在主导风向为西北风情况下，最大风速出现在建筑两侧通道处，相反，夏季东南风由于南侧建筑遮挡，室外风速都在3m/s以下（图12）。基于此分析，设计中着重解决冬季通道处风环境恶劣之工况，通过在建筑北侧营造室外微地形以及种植乔灌结合绿化，形成绿化屏障，保证冬季的室外最大风速低于5m/s，有效改善室外微环境（图13）。

2.1.2 围护结构设计

建筑外围护作为室内外空间的唯一屏障，其热工性能决定了整个建筑系统的能耗状况。大楼设计合理吸收了北京市《公共建筑节能设计标准》地方标准的精髓，对外围护结构做了如下几点“气候应对化”策略。

（1）小窗墙比，合理应用透明幕墙。在玻璃幕墙日益流行的今天，如何合理地利用玻璃幕墙这把“双刃剑”已成为所有建筑师不可避免的话题。大面积玻璃幕墙在建筑立面美观角度较实墙有着无可比拟的优势，但是由于过大的玻璃幕墙以及性能设计的不合理、施工质量差等原因，致使采用大玻璃幕墙建筑物的采暖、空调能耗剧增。与实体非透明墙相比，玻璃幕墙建筑通常夏热冬冷，冬季幕墙内表面温度低，容易产生结露，冷辐射严重，室内舒适度差；夏季炎热如蒸笼，空调能耗高；有的幕墙建筑过渡季无法开窗通风，空调、采暖时间长，且眩光严重，影响室内的正常使用。针对以上研究，建筑最终确定窗墙比如表1所示，属于同类建筑中的较低水平。

（2）提高建筑保温隔热性能。在能耗模拟软件优化指导之下，建筑最终围护结构传热系数及综合遮阳系数设计值如表1所示。

（3）南、北主入口设置旋转门，保证建筑的密闭效果，以减少能源消耗。幕墙气密性达到国家标准《建筑幕墙》中3级要求。

2.1.3 遮阳设计

建筑南立面采用了玻璃幕墙系统，能够在冬季有效吸收太阳辐射从而降低建筑采暖负荷，但在夏季，如不精心设计遮阳，即使是使用了遮阳系数小于0.5的中空Low-E玻璃，幕墙仍然会成为空调能耗超高的“罪魁祸首”。基于以上共识，建筑合理采用了外遮阳与内遮阳相结合的技术。

（1）外遮阳设计

建筑外遮阳主要出于降低运行能耗角度考虑，防止夏季过多的太阳辐射热进入到室内。通过综合考虑各种形式的遮阳方案，包括可调遮阳与固定遮阳分析，最终确定建筑遮阳方案如下：北立面不设置遮阳装置，东、西、南立面外窗上部设500mm宽水平铝合金遮阳板（图14、15），东南弧墙外结合建筑造型设铝合金遮阳百叶（建筑方案之初为可调遮阳，经过比选及安全性分析，最终方案设定为固定角度的固定遮阳，图16）。

图14 西、南侧水平遮阳

图15 南侧水平遮阳

图16 南侧弧墙遮阳

图17 建筑剖面（注：方案阶段选用圆形光线反射装置，最终设备购买为方形。）

图18 中庭追光系统

图19 吊装挂件反射装置

图20 室内反光板原理及实物照片

图21 建筑北侧高侧采光窗

图22 地下食堂采光天窗

（2）内遮阳设计

内遮阳设计从原理上分析，对建筑能耗影响很小，因为夏季太阳得热已经进入到室内并成为空调负荷，但是通过内遮阳的使用，避免了阳光直接射入室内，保证了靠窗工作区间的热舒适度。东、西中庭天窗设置电动遮阳帘。

2.1.4 自然通风与自然采光

结合东、西双中庭统筹建筑自然通风与自然采光是建筑设计的一大亮点。整个大楼平面布局围绕东、西中庭展开，中庭设计之初即赋予了调节大楼内部“微气候”的概念，中庭的大小以及顶部的开口面积是根据办公室自然通风与自然采光的需求决定，东、西中庭尺寸分别为12.80m×7.35m、12.80m×12.80m（图17）。

（1）自然通风

通过东、西中庭的设置，能够有效地通过热压效应建立起稳定的自然通风，结合计算机模拟技术确定适宜的顶部开口尺寸：夏季和过渡季开启进行热压自然通风，降低能耗的同时增加室内外空气的互动，提高室内空气品质；冬天关闭，形成温室效应，保证室内适宜的气候。

（2）采光优化

图23 ECOTECT采光模拟验证

中庭能够有效地改善室内顶部自然采光效果，但随着建筑的增高，中庭底部的采光效果较中庭上部大打折扣。基于此，建筑于中庭顶部安装太阳光反射装饰，能够在不同的日照时间内有效地将太阳光反射到中庭底部，增加中庭底部的天然采光性能（图18）。同时，在中庭内部通过枝状的吊装挂件反射装置，可以有效地将光线反射至各个方向，增强室内的自然采光均匀度（图19），使中庭周边走廊的天然采光系数平均值明显增加，人工照明耗电量则有所降低。通过模拟，建筑中庭周边走廊的照明耗电量由采用追光系统前的4 928.48kWh降为3 511.33kWh，为原有的71.25%，每年节省照明耗电量1 417.15kWh。

除了中庭改善建筑内部自然采光外，由于建筑外区空间进深较大（一般侧窗采光有效区域为临窗6～10m），仍然需要进行优化设计。设计对策如下：南向结合内遮阳的反光板，可以将室外光线反射至屋顶天花板，从而增加采光进深（图20）；北侧采用条状的高侧窗，增加自然采光进深（图21）；同时，合理结合地上采光窗设置，改善地下室采光水平（图4、22）。

通过以上措施，采用ECOTECT软件进程验证模拟，大楼内主要功能空间室内采光系数满足现行国家标准《建筑采光设计标准》要求的面积占主要功能区总面积的78.7%（表2、图23）。

2.2 空调与照明系统设计

2.2.1 空调系统设计

（1）温湿度独立控制的创新实践

温湿度独立控制是近年来暖通实践过程中比较大的创新之一，其核心特点在于摒弃常规的空调室内温度与湿度一起控制的措施，采用不同系统单独控制室内温度与湿度。常规空调系统为了除湿，空调冷冻水出水温度一般都在7℃以下，冷机能效比（COP）较出水温度16℃情况下要低20%～30%左右。温湿度独立控制策略的基本思路是通过不同的系统分别控制室内的温度和湿度，单独控制室内温度的系统冷机出水温度能够高达16℃，系统综合COP大大提高，从而达到高效节能的目的，其可采用的末端一般为：以去除显热负荷为目的的辐射末端或者干式风机盘管等干式末端装置，大楼主体选用了吊顶式空气诱导器（冷梁）作为干式末端装置（图24）；而室内潜热则由以去除潜热负荷为目的的送风系统作为末端装置，即新风系统。

表1 围护结构做法、传热系数及综合遮阳系数设计值

表2 建筑各功能区采光模拟结果总统计

图24 冷梁诱导通风系统

图25 冷梁室内气流组织

图26 雨水收集池构造

图27 雨水收集池实地照片

冷热源部分，大楼采用了一台离心机组和一台水冷螺杆双工况制冷机组，离心制冷机负责全楼的低温冷冻水（冷冻水供/回水温度7℃/12℃），为全楼的空调机组、新风机组及首层和地下一层的风机盘管系统提冷源，由于采用了高效离心机，机组满负荷COP能达到7.85。螺杆机组负责全楼的高温冷冻水（冷冻水供/回水温度16℃/19℃,），为冷梁（吊顶式空气诱导器）、二层至九层风机盘管系统和地下一层厨房操作间新风机组提供冷源，机组COP能达到9。

需要强调的，冷梁系统在运行过程中取消了风机，从而降低了运行噪音。从冷梁流出的空气形成两股方向相反的气流，沿着吊顶流向冷梁的两侧，这样的气流形成了非常好的室内气流组织，且冷梁的冷冻水供水温度较传统空调高，减小了换热温差，避免了在冷梁下活动的人有吹风感及干冷的感觉，提高了空调系统的舒适度（图25）。

（2）其他节能措施应用

① 所有的水泵采用变频控制。

② 使用特性比较独立的物业用房、首层展厅（银行）、首层咖啡厅等功能房间，根据实际功能需求，灵活选用中央空调（VRV）或分体式空调器等空调设施，避免“因为一个房间整座大楼空调都需开启”的不节能运行概率的出现。

③ 采用排风热回收技术降低新风负荷，排风和新风在屋顶的新风机组内进行热交换后排至室外。

④采用环境友好型制冷剂。

2.2.2 照明设计及控制优化

大楼内的办公室灯具采用Dali数字调光技术。由于室内空间的纵深不同，自然采光强度出现变化：近窗区域采光条件好，不需要人工照明；而远窗区域采光条件差，就需要一定的人工照明来补光。基于这一特点，设计在办公室照明引入了恒照度控制概念，恒照度是指人工照明和自然照明互补，使工作面保持在工作所需的照明程度上。与之相对应的是在办公区内，按照8m柱距的区域设置移动感应及照度探测器，对覆盖区域内人员的存在情况进行探测同时自动调节室内照度，从而达到照明节能的目的。

2.3 节水设计

2.3.1 雨水收集回渗

图28 大楼主体钢结构

图29 蜂窝铝复合大理石板

图30 硅藻土墙面涂料

图31 大厅碎大理石压制地砖

图32 太阳能集热器

图33 太阳热水系统原理

在雨水利用方面，采用了雨水收集回渗的方式，设置两个兼有蓄水功能的景观水池，集蓄大楼场地内雨水，用于雨水回渗。通过渗排龙滤水层将雨水渗透到周围土壤内，改善周围土壤环境。雨水回渗流程是：首先流入雨水收集池，其表面铺有200mm厚、兼作景观用的杂色天然卵石，卵石下铺约100mm厚石英砂滤水层，之后为无纺布隔离滤水层，无纺布下面就是渗排龙滤水层，多余的雨水可通过大砾石后渗入土壤，改善土壤生态环境（图26、27）。

2.3.2 节水器具及中水利用

卫生间内采用节水卫生洁具，如大便器、自带远红外自动冲洗阀的小便器及非触摸红外感应式水嘴。所有水嘴、冲便器系统、便器冲洗阀、淋浴器等卫生设备需符合《节水型生活用水器具》(CJ164-2002)标准。

大楼内预设中水系统，在市政中水管网达到接入条件后，可接入市政中水。中水系统用于本建筑的冲厕用水，道路场地浇洒及绿化用水等。

2.4 节材设计

大楼主体结构所用混凝土全部采用预拌混凝土，减少了对施工现场的污染，地上部分主体结构采用钢框架结构（图28），大大降低了楼体结构重量，同时钢材可以实现再回收利用。另外大楼外墙体材料采用新型隔热保温墙体材料，如高效复合砌块、隔热Low-E玻璃断桥复合幕墙等。在装饰材料的选用上尽可能采用绿色环保可再生的材料，内墙粉刷选用了硅藻土墙体材料（图30），其本身不具有污染性，还能吸收装修和家具散发出来的有害气体，如甲醛等。室外实体幕墙采用蜂窝铝复合大理石板（图29），具有材料重量轻、节省结构钢材及石材用量、减少环境破坏等效果。另外为了提高废物利用率，体现节能、绿色环保的理念，大楼内大厅铺设的地砖是利用大理石的边角料粉碎加工而成，相对普通大理石而言，还具有外形美观平整、图案颜色丰富多样的特点（图31）。

2.5 可再生能源系统设计

2.5.1 太阳能热水利用

项目采用太阳能热水系统为餐饮厨房、各楼卫生间洗手盆提供热水，利用防冻液作为载热剂，采用带蓄热功能的电加热器作为辅助热源。贮热式电加热器的运行充分利用低谷电价，节约运行费用。为了实现集热系统的集热性能最优化，通过模拟分析确定集热器的角度为40°（图32、33）。

2.5.2 光伏一体化设计

在利用光热的同时，大楼充分利用自身条件进行光伏一体化设计实践：在大楼西南侧安装有光电幕墙，利用太阳能进行光伏发电，发电量约为20KW，可并入建筑内电网，整个系统无人值守，自动保护（图34）。通过2010年1月～12月全年统计，光伏发电量为9 878kWh，占建筑总用电比例0.68%（图35）。

3 回顾与反思

图34 光伏发电幕墙

图35 光伏发电发电量统计分析

履约大楼于2009年投入使用，至今已有两年时间。在“因地制宜，被动优先，主动技术优化”的设计理念的指导下，履约大楼参考2006年颁布的国家“绿色三星”标准进行设计，综合采用了包括建筑一体化遮阳、高效围护结构、东西双中庭及中庭追光系统，有效实现自然通风与采光设计；采用温湿度独立控制理念，结合高温冷水机组及冷梁（吊顶式空气诱导器）系统大幅度降低空调采暖能耗；采用带有照度及存在感应装置的数字智能照明系统，对照明实现分区控制降低照明能耗；采用雨水收集及市政中水利用，节约水资源消耗，改善土壤生态环境；利用太阳能光热提供大楼生活热水及太阳能光伏发电等多项节能环保技术的绿色示范技术，营造了一个优良办公环境，最大可能地降低建筑能耗的同时，也为寒冷地区办公类绿色建筑的设计提供了一个有益的实践示范。

从两年多来的运行实践及住建部绿色示范工程验收情况来看，笔者认为，在建筑项目实施过程中应注意以下几个环节：

（1）建筑设计应首先从能源、建筑的全生命周期运营角度入手，对围护结构进行分析；同时在建筑设计之初就应对建筑的运行管理予以考虑。

（2）从能源综合利用的角度选取适合的中央空调运用方式，开展系统的优化设计；同时，在设备采购时，重点考虑涉及提高能效的设备、设施。

（3）关注室内的热舒适度预测，特别是建筑南北、上下的可能出现的区位温差过大问题。

（4）确定合理的太阳能热水系统设备布置方案，降低流程能耗损失及减少补热电量消耗。

（5）由于太阳能光电设施与外围护结构的一体化设计，难以使光伏发电板处于最佳发电角度，在以后的建筑设计过程中应当引起重视。

总体说来，履约大楼建设是中、意两国环境管理部门以及设计师旨在践行“绿色、低碳”的有益尝试，是适时最佳实用技术运用的探索。项目于2010年成功通过国家住房和城乡建设部绿色建筑示范工程验收并获得了绿色建筑三星认证，其成功经验为北京地区办公楼类型项目选用实用、可行技术建设绿色节能建筑起到一定的示范作用。