被动优先——华侨城体育文化中心绿色技术集成及运行效果后评估

林波荣 田军 刘加根 王若愚 肖娟 / LIN Borong, TIAN Jun, LIU Jiagen, WANG Ruoyu, XIAO Juan

图1 南立面

图2 鸟瞰（屋顶为采光天窗、拔风烟囱、屋顶绿化和太阳能集热器）

图3 建筑入口

图4 东立面

1 背景

生态城市和绿色建筑近几年成为席卷全球的热潮。这股热潮对中国的人居环境建设、城市发展和建造模式正产生不可估量的影响。在发展绿色建筑的过程中，很重要的一点就是要因地制宜地选择关键技术策略进行优化整合，提倡被动技术优先，让自然做功、减少用能需求；主动技术优化，提高能源系统效率；二者相辅相成，缺一不可，才能实现低耗高效、宜居和可持续的目标。而优先作好被动式气候设计，采用低能耗提升环境品质，这对于当前还处于经济发展阶段的中国，如何实现环境品质提升并保持相对较低的能耗水平至关重要。这不仅是建筑适应气候理念的灵魂，也是绿色建筑实现节能和改善环境的核心。所谓“被动优先”指的是通过合理的空间、平面和构造设计，以自然通风、自然采光等不耗能或少耗能的被动式技术营造建筑环境。

2 项目简介

华侨城体育文化中心（图1～7）位于深圳市南山区华侨城，东临杜鹃山，西面为欢乐谷内的高地，南面为华侨城生态广场，是深圳华侨城房地产有限公司建设的社区配套体育设施。该项目总用地面积20 190.39m2，总建筑面积5 130.28m2，包括新建4 341.48m2和原有体育用品商店和游泳更衣室（788.8m2）的改造。新体育馆地上二层，地下一层，建筑总高度15m，主体为钢筋混凝土框架结构，屋盖为网架结构（图8～12）。主要功能有综合运动球场、图书阅览室、办公室、咖啡厅、乒乓球室、健身室、

图5 西侧山坡自遮阳

图6 北面视角效果（含游泳池及看台）

项目的目标是建设成为在深圳市乃至全国有领先和示范意义绿色三星体育文化中心类建筑。本着基于生态、优于标准的设计原则，以及被动技术优先、主动技术优化、适宜低成本技术集成和尝试创新技术的技术路线，通过对现有基地优势的充分发掘及对当地气候特点的仔细分析，从建筑层面上充分利用可再利用建筑，强调非简单拆除的同时凸显于新建建筑的融合，对既有建筑、材料、文脉和景观的保护与利用；从技术层面上通过对绿色策略的优化整合达到节能减排高效环保的目标。

项目的绿色技术集成度体现在:

（1）建筑设计上根据当地气象条件、合理的地形条件，制定各朝向不同的遮阳策略，其中西向实现了最大限度利用现有地形山势，构建了高效的自遮阳体系。

图7 室外连廊

图8 总平面

图9 地下一层平面

图10 一层平面

图11 屋顶平面

（2）精细化的模拟辅助建筑优化设计，即通过多种模拟辅助软件的优化集成，实现对围护结构热工性能、空调采暖负荷、照明功率密度优化，合理设定空调与分空调区域，降低了设计负荷，节约了初投资。

（3）根据建筑功能通过计算机模拟技术确定适宜的自然通风、自然采光措施；自然采光与拔风烟囱相结合的建筑处理手法。

（4）根据当地气象条件采用了温湿度独立控制空调系统。

图13 原有旧建筑的改 造利用：入口

图14 原有旧建筑的改造利用 ：游泳池看台

图15 原有场地铺地石板的再利用

图16 渗水地面实景

（5） 针对建筑用热水量大特点，采用太阳能光热+风冷热泵辅热，以及不同季节分水位控制等灵活措施提供生活热水。

（6）旧建筑材料的保护和再利用，并与新建建筑的有机融合，大胆采用清水混凝土技术。

（7）充分结合山形地势、以及游泳池用水，合理设置雨水收集及中水处理回用措施，全面推广滴灌灌溉方式、游泳池透水地面及节水器具。

本项目从设计初始就按住建部《绿色建筑评价标准》三星级设计，于2008年11月竣工。通过对围护结构、能源系统、自然通风和采光等方面进行模拟优化与技术经济分析后，项目设计能耗相当于《公共建筑节能设计标准》规定能耗的72%；50%以上的生活热水通过太阳能热水系统提供；非传统水源的利用率达到36%；40%以上的室外地面为透水地面。

3 绿色建筑技术方案

3.1 旧建筑的保留和再利用

项目从设计伊始，就把保留与发展综合考虑，尽可能地保护了原有的建筑、材料、绿化及铺地，实现节约材料与发展和谐并存。基于上述理念，在改扩建过程中，反复对现场考察、调研，依次实现了对原有体育用品商店、泳池看台的评估、改造和加固。最终原有体育用品商店用作新体育馆的门卫室，原泳池看台作为新体育馆的看台，看台下空间设置为更衣室（图13、14）。此外，在施工过程中还特意将原建筑入口处的铺地石板保护、回收和再利用，改用作停车场铺地（图15）。

表1 节能技术方案

图17 房间自然通风模拟优化示意及热压通风口 实景（室内视角）

此 外，通过在泳池周边设置透水砖铺地（图16），结合大量的绿地，使透水地面面积占室外地面面积的比例达到45.88%。从而增加场地雨水与地下水涵养，改善生态环境及强化天然降水的地下渗透能力；减轻排水系统负荷，以及减少雨水的尖峰径流量。据了解，在室外泳池周边设置如此大量的透水砖铺地，在南方地区还属第一次。期间反复选择透水砖，综合比较渗水率以及对游泳者光脚触及渗水砖的感觉，不断优化，取得了不少有益的经验。

3.2 节能技术与环 境控制技术方案

项目在节能方面花费了大量心思，充分体现了被动技术优先，主动技术优化，适宜低成本技术推广和新技术应用的思路，通过对当地气候特点、功能房间需求、技术集成等综合考虑，以及精细化的模拟辅助节能设计工作，实现了对建筑的围护结构、能源系统、采光、自然通风等方面的优化，最终形成独具特色的节能技术方案，如表1所示。

3.2.1 被动式技术优先

在被动式节能方面，充分考虑了自然通风、自然采光等被动式技术的优先应用。

首先，通过多次自然通风模拟得出天窗的总面积（不少于2.5m2×16=40m2）、外窗的可开启率（不少于10%）以及内窗开口率（15%以上）；同时给出了阴雨天气时，在天窗无法开启或者阴天屋顶集热量不足的情况下应采用打开侧窗进行风压通风的措施（图17）。

其次，在确定建筑天窗及侧窗条件下，对体育文化中心的自然采光进行了模拟分析和优化设计。经过采光模拟分析得出各层的照度以及优化措施（图18）：在地下一层里，羽毛球场照度达标，平均照度大约在500lux左右；东侧中庭底部的照度不够，设置了采光天窗；在接待门厅，则从大门处周边吊顶“引光入室”；三层的办公室内区天然采光效果模拟表明略有不足，通过吊顶从西南立面引光加以解决；图书室采用直接在其屋面开设天窗的方式强化了采光效果。

第三，对建筑的围护结构进行模拟优化。考虑到体育文化中心现有设计的围护结构方案大都处于较好的水平，且深圳地区重视遮阳的区域特点，对体育文化中心现有的窗户设置方案进行改进分析，如表2所示。通过对围护结构进行优化分析后，建筑冷负荷降低约5%，初投资增加约2万元。

图18 自然采光模拟优化

图19 空调系统原理图及制冷、新风机房实景

图 20 风机盘管和新风下送风的地板风口

图21 屋顶的太阳能光热系统及空气源热泵辅助系统

3.2.2 主动式技术优化

在被动式技术优化的基础上，进而对主动式机电系统进行节能优化。

首先，在暖通空调系统方面，针对不同的暖通空调系统形式对建筑能耗的影响进行分析，项目以常规的螺杆式电制冷机（额定COP=5.0）制冷的全空气系统为参考方案，通过对盐溶液除湿温湿度独立控制方案、热泵式溶液空气处理机组方案以及多联机方案与参考方案进行比较，结合项目自身的空间的使用情况，划分了常用空调供冷区域和大空间空调供冷区域，最后选择在常用空调供冷区域中选择温湿度独立控制的供冷方式满足建筑物夏季供冷负荷的需求，大空间采用预留的常规空调方案的系统方案保证重要运动会和文艺演出需要。温湿度独立调节的空调系统避免了常规空调系统中热湿联合处理所带来的损失。所采用的溶液式新风系统的COP比常规系统提高30%以上（图19）。通过上述模拟分析计算结果确定选用温湿度独立控制空调系统，机房设于地下一层，温度采用高温冷水螺杆机组，冷冻水供回水温度为17℃/20℃，冷却水供回水温度为32℃/37℃，冷却塔放置于地面警卫室旁。新风机选用热泵式溶液调湿新风机组承担全部新风负荷。显热负荷由房间内干式风机盘管承担。气流组织采用散流器顶送和新风的下送上回方式（图20）。温湿度独立调节的空调系统避免了常规空调系统中热湿联合处理所带来的损失，减少了新风机组再热所需能耗。

表2 围护结构改造方案优化—窗

其次， 采用基于空气源热泵辅助加热的屋顶太阳能光热系统提供50%以上的生活热水系统，解决淋浴热水需求问题（图21）。根据参考的常规冷水机组的供冷方案和燃气锅炉的供热方案，和选用的温湿度独立控制供冷和太阳能热水+空气源热泵供热的方案的比较分析。选用系统方案的节能率为45.2%，初投资的回收年限为5.3年，具有显著的节能效果和较好的经济性。表3给出了两种方案的比较。

第三，照明系 统节能：优先选用T5高效荧光灯、节能灯，照度功率密度值办公、商店、阅览室等场所参考照明目标值设计，控制在9 W/m2～11W/m2，同时辅以分区控制策略，从而达到照明节能的目的（图22）。此外，中庭羽毛球场顶部照明采用分区控制，其顶部共有5排×16盏/排=80盏照明灯，每盏灯功率150W，下午4:00以后根据羽毛球场租用情况开启部分分区的照明，以此实现照明节能。

图22 图书馆、办公室及 地下体育文化活动中心的高效照明灯具及控制系统

图23 分项计量系统

表3 参考方案与实际采用方案对比

表4 综合节能分析

最后，采用了先进的能耗分项计量系统。采用智能化仪表，采集需要的水、电、空调等用能参数，通过分析统计平台对能耗进行分析，以趋势线、柱状图、分析报表等多种形式显示节能效果（图23）。

楼宇自控系统通过与空调控制系统、照明控制系统、给 排水控制系统、能耗分项计量系统的集成，使各子系统和设备始终处于有条不紊、协调一致的高效、被控状态下运行，为管理提供决策依据，有效地降低设备运行、维护费用，达到节能的目的。其中，风机盘管控制根据温度传感器、红外人体检测器、门磁开关等进行自动控制；新风机控制根据CO2检测、红外人体检测以及给定值等实现新风控制；排风机控根据特定区域湿度探测及人体检测进行该区域排风机的启停控制。

综合空调系统，照明，以及其他能耗综合分析，便可得出建筑物的综合节能效果，可以看出，与执行节能50%设计标准的参考建筑，本项目节能效果48.8%，相当于72%的节能率（表4）。

图24 中水系统机房

图25 节水器具应用实景

图26 实测全年能耗结果

3.3 建筑节水设计

建筑节水部分除了常规的分质供水、雨污分流、污废分流等措施外，所有用水器具按《节水型生活用水器具》（CJ 164）及《节水型产品技术条件与管理通则》（GB/T 18870）的要求选用节水器具。水龙头为延时自动关闭水龙头、便器采用延时自闭式自动冲洗阀，淋浴采用了脚踏阀。非常规水源利用采用了雨水收集，中水回用系统。

中水回用系统（图24）处理规模为20t/d，原水为游泳馆更衣室淋浴排水、游泳池溢流水、屋面及附近雨水。再生水用于冲厕、绿化、道路、洗车等，采用水泵二次加压。通过比较计算，非传统水源的利用率达到36%。除此以外，屋面700m2绿化采用滴灌系统，使用水源为中水。系统可根据雨量及湿度控制灌溉水量，实现全自动运行。相较传统灌溉方式，不但减轻了劳动量，每年可节水约350 m3，节省水费1 200元。

3.4 其他

本项目还就节材与运营管理等方面进行了 可行的绿色建筑技术措施研究。

表5 与深圳当地其他示范建筑能

节材方面主要措施如下：外墙采用清水混凝土，省却涂装、贴砖、铺石之类工程；回收利用旧的铺地石板，用作停车场铺地；拆除的钢筋整理回收；土建和装修工程一体化施工，不破坏和拆除已有的建筑构建及设施，避免重复装修。

运营管理：华侨城物业除取得了ISO 9002、9001国际质量体系认证、ISO 14001环境体系认证之外，还通过楼宇自控系统对空调控制系统、照明控制系统、给排水控制系统、能耗分项计量系统进行集成，使各子系统和设备始终处于有条不紊、协调一致的高效、被控状态下运行，为管理提供决策依据，有效地降低设备运行、维护费用，达到节能的目的。

4 运行效果实测及评价

2010年4月～5月，我们对华侨城体育文化中心的能耗及室内环境性能进行了测评。

本建筑自2008年底正式开始运行，为了体现正常运行效果，选择2009年4月～2010年3月的能耗数据进行分析（图26、27）。结果表明，全年总耗电为21.68万kWh，折合单位新建建筑面积耗电50.0kWh/(m2·年)。分析全楼能耗中各部分比例，照明插座设备能耗所占比例最大，21.2 kWh/(m2·年)，占42%，空调能耗全年值所占比例很小，为12.4 kWh/(m2·年)，占25%。图27为逐月单位平米能耗值，可以看出，除了照明插座设备的能耗值各月较为稳定之外，其他各分项能耗均体现了明显的季节性。根据空调逐月累积冷负荷和实际空调运行电耗逐月分布，可计算整个空调系统的COP。如此计算得到空调系统最高的月平均COP可达到5.2。

将本楼能耗与深圳当地另外两个示范绿色建筑的实际能耗进行比较（表5），可以看出，本楼能耗水平较深圳招商地产办公楼的能耗水平低，与深圳建科大楼能耗水平相当。华侨城体育文化中心与深圳建科大楼在设计上的共通之处是有大面积的空间充分、优先利用自然通风等被动式技术营造室内热环境、光环境，而不是简单利用人工系统，是其中的关键所在。

此外，根据电表和热水水表读取本楼太阳能热水系统的全年逐月电耗量和热水量，可以分析计算太阳能热水系统的年保证率，图28为逐月的太阳能保证率情况，可以看出，全年平均值达到88.83%。其中，6月～10月保证率很高，高于90%；11月～3月保证率较低，低于60%。经过分析，冬季可将所控制的水位调低，并只在举行活动泳池使用人数较多的少数日子里切换回夏季的水位控制，可在现有基础上冬季节约辅助空气源热泵30%能耗。

通过上述的实际能耗分析，本建筑空调系统采用高温冷水机组结合热泵式溶液新风机组的温湿独立控制系统，生活热水供热采用98㎡太阳能集热板结合空气源热泵辅助的方式，两个系统都实现了较好的节能效果（与常规电制冷和燃气锅炉热水方案比较），初投资的经济回收期分别为6.4年和2.1年，回收年限较短，经济性良好。

2010年4月21日～23日对本楼非空调工况下的热环境、自然通风、自然采光情况进行了测试。测试期间，室外气象参数参 照深圳气象局官方网站世界之窗（距离本楼水平距离约2 000m）处的气象采集点。针对本楼大中庭顶部的16个通风采光天窗（2.6m×2.9m）进行实测（天窗顶部为封闭玻璃用于中庭自然采光，天窗四周为常开通风百叶）；在本楼与室外的主要通风口布置风速测点，测试过程中未开启空调系统。在所测时间段内，自然通风进风量和出风量之间的不平衡率基本在±20%范围内（图22），所测数据有效，换算所得换气次数为2.76～4.15次/h，平均为3.5次，可实现室外空气温度在24℃以下，无需开空调系统。如此的自然通风换气效果达到了设计目标，节能效果显著。此外，通过实测自然采光效果，也得到了较为满意的结果。在测试工况（4月22日上午10:00～11:00，室外照度为15 000～20 000lx）下，主要活动区域的采光系数达到3%以上，75%的区域采光系数满足要求。结合人工照明的分区控制分区开启策略，大大减少了运行中的照明能耗。不过需要指出的是，实测得到的具体的自然采光系数及达标满足率，较模拟的结果偏低，其中的原因是模拟软件的默认气象参数可能不准确，或者偏理想，没有考虑窗户的清洁性等问题，需要在未来的绿色建筑评价标识 项目中加以改进。

调研中还对场地中的管理人员、活动人员、办公区域工作人员、图书室的读者等发放了综合环境舒适度问卷。问卷显示，在被调查者中，71%认为楼内热感觉适中，另有23%认为楼内微热但可以接受；60%以上的人员认为所在处照度正合适；约80%人员对楼内总体环境满意。

5 总结与展望

图27 单位平米的逐月能耗

在我国绿色建筑发展过程中，要格外重视如何因地制宜地实现被动技术优先、主动技术优化的技术策略。尤其是要重视优先作好被动式气候设计，为行为节能提供可能，进而可以消耗很低的能耗就可以提升环境品质。这对于当前还处于经济发展阶段的中国，如表示对总体环境比较满意，总体上取得了良好的社会、环境和经济效益。总结经验，就是充分地优先利用自然通风、自然采光等被动式技术实现了室内环境的保障，节能减排的同时提升了环境品质。此外，本项目在如何利用山形地貌实现遮阳、采光、通风，降低初投资以及合理采用温湿度独立控制技术、透水砖、空气源热泵辅助太阳能热水系统方面，结合方案和实际的运行效果，也为在华南地区如何推广绿色技术提供了借鉴。何实现环境品质提升并保持相对较低的能耗水平至关重要。被动优先，不仅是建筑适应气候理念的灵魂，也是绿色建筑实现节能和改善环境的核心。

图28 太阳能热水系统保证率

本文以首批获得国家绿色建筑标识三星建筑——深圳华侨城体育文化中心为例，详细介绍了设计阶段包括温湿度独立控制、中水处理利用、透水砖、清水混凝土、太阳能热水等技术的集成、优化及创新应用的过程，并通过现场实测和后评估，检验了运行两年后的实际性能效果。结果表明，建筑年运行能耗为50.35 kWh/(m2·年)（其中空调能耗为12.4 kWh/(m2·a)，照明+插座能耗为21.2 kWh/(m2·a)），均显著低于同类建筑；自然通风换气次数最小达到2.5次以上;自然采光系数达标区域超过80%。采用太阳能热水结合空气源热泵的实测年保证率88.83%，非传统水源利用率达到35%以上，80%以上的受访者

项目负责人：田军、王若愚

绿色技术 总负责：林波荣

技术顾问：朱颖心

主要成员：刘加根、刘晓华、常晓敏、聂金哲、肖娟