中国人寿研发中心项目节能设计浅析

刘兵阳 孙玉梅

【摘要】中国人寿研发中心项目的设计目标是生态、可持续发展的绿色建筑。本文从多个角度出发，简单阐述了项目设计实践中采用的节能措施。以期抛砖引玉，对国内类似工程项目建设提供参考借鉴。

【关键词】节能设计；可再生能源；外遮阳；绿色建筑

引言：

中国人寿研发中心项目位于北京市海淀区中关村环保科技示范园，地处北京西山的大环境中。园区北临规划中的中关村中医药园，南临温泉镇中心，西临高里掌村、新店村，东临北京百亭鱼乐园。中国人寿研发中心的设计目标是“国际先进，国内一流”，项目总建设原则是“先进、超前、适用、节约、环保、节能”。项目建设已接近收尾阶段，本文通过对项目在设计、施工过程中所采取的节能措施进行阐述分析，旨在对国内类似工程项目建设提供借鉴意义。

中国人寿研发中心项目通过合理的节能设计，改善建筑围护结构保温和隔热性能，提高各系统的能效比，充分利用自然资源，优化系统运营控制模式，在保证相同的室内环境条件下，有效地降低建筑总能耗，达到节约运行的目的。

通过科学、详细的节能设计手段，满足国家和地方的《公共建筑节能设计标准》，按照国家“节能减排”的方针，降低建筑总能耗，节约社会资源，节省运行费用，实现绿色生态建筑的目标。

节能设计主要从以下几个方面进行：

1、围护结构保温

建筑物外表皮是建筑结构的外包装部分，它构成了一个防水、抗严寒、通风、透光、不受大气影响的外围护结构。它作为室内、外环境的分界点，在提供安全、隐私、出入口和视域的同时，并调整光、热、声、空气等各种形式能量的流量。尽管建筑外圍护结构的造价仅占总建造工程造价的15%，但约30%的设备运行费用是间接由围护结构所造成的。加强保温系统，控制体形系数、窗墙比，使下列参数基础上，达到节能65%以上的目标。

2、屋面绿化

普通屋面作为水平围护结构直接面向天空，受到太阳的直接照射远多于垂直围护，夏季室内热环境差，空调能耗高。种植物面表面具备较高的反射率，减缓了在一定温差下的传热。同时，植物的蒸腾作用，甚至可以实现在室内、外温差下的零传热与负传热，从而有效的改善室内空间的热舒适性。当屋顶无绿化时，屋顶及其周边的气流场温度较高，可达50～60℃，形成了热岛效应。当屋顶绿化后，其温度明显降低，在35～45℃之间。可见屋顶绿化有利于改善室外微气候环境。

3、外遮阳技术

合理的外遮阳系统，可大大减少空调能耗。 建筑遮阳分为内遮阳和外遮阳，外遮阳的遮阳又效果远高于内遮阳，但是外遮阳最大的问题是影响立面效果。 一般来讲南、北立面采用固定水平遮阳形式，东、西立面采用活动遮阳百叶形式。 水平遮阳和垂直遮阳叶片宽度 600mm ，每个叶片均设置单独得自控系统，分别根据采光、视野、能量收集、太阳能集热的不同区域功能要求进行控制调节，实现冬季最大限度利用太阳能、夏季遮挡太阳辐射，同时满足室内自然采光的最佳设计。

4、自然采光

充分应用自然采光是节能的主要方式之一。通过围护结构控制进入内部光线的强度，达到理想照明效果，并有效防止眩光。良好的自然采光可以最大限度利用自然光来代替人工照明，以减少能源消耗，同时通过提高视觉环境舒适性改善人的心理状态。

自然采光的三个重要方面是：自然采光性能、采光均匀性、照明能源的节省。

5、自然通风

在天气适宜的时候，利用自然通风把室内的热负荷带走，从而提高室内热舒适，减少能源消耗。 根据北京地区的气象数据可知，北京地区秋、冬季主导风向为北风，平均风速3m/s，出现频率较高的风速为5m/s；春、夏季主导风向为南风，平均风速3.4m/s，出现频率较高的风速为5.5m/s。过渡季节，非常有利于自然通风。

可持续建筑的设计可以利用自然能量来提供一个舒适的环境。一个设计完善的建筑物应尽量减少余热及利用被动式的冷却系统，以达到减少或排除使用机械通风的目的。自然通风的表现是取决于三个气候现象，包括﹕风速、风向及压力差。而这些因素均会影响设计之有效性。要使建筑达至良好的自然通风，需要场地规划减少对建筑的室外风环境影响，同时建筑设计要充分考虑其通透性，便于自然通风。

当自然风经过建筑物时，在建筑物的迎风面和背风面将产生压力差。自然通风的原则就是将进风口设计于正压力方向，而出风口设于负压力方向。这个压力差提供一个气流导向使空气流通整座建筑物。同时利用室内的热压差来产生动力，以利于自然通风。通过CFD的计算机模拟分析，没有存在涡流区，验证了本规划的室外风环境有利于自然通风。

6、可再生能源的合理利用

6.1水源热泵

市政条件：根据本地区规划，该地区有市政天然气管道，没有市政热力。 根据本地区资源特点，按照“绿色、节能、环保、健康”的理念，空调冷热拟采用水源热泵系统。

本案处在北京的西北部，地层颗粒粗、含水巨厚、导水性能好、坡度大。浅层地下水资源丰富，地质条件优越，非常适合作为可再生能源利用在空调系统中。在本项目附近的很多项目得到了成功地应用，比如稻香湖度假区。

水源热泵是一种利用地球浅层水源既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵技术利用热泵机组实现低温位热能向高温位转移，将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源，即在冬季，把水体和地层中的热量"取"出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到水体和地层中去。

水源热泵为可再生能源，无需冷却水塔，节约水资源，无废气排放；热泵的性能系数大大提高（cop=4～6）；运行稳定可靠；运行费用低，一般它比空气源热泵可节约20～30%的运行费用，比制冷机加锅炉系统可以节约30%～40%，完全符合国家“节能减排”的主题。

地表面在14米深度以下的温度基本是恒定的，其地下水温度大约比当地常年平均温度高2℃左右。北京地区年平均气温在12℃左右，所以地下水温度在14～15℃左右，这个温度对于水源热泵系统非常理想；夏季井水可利用温差为15℃-30℃，冬季井水可利用温差为14℃-4℃。该水温可以在过渡季节直接供应空调系统，将会大大节省运行费用。与常规能源相比，运行费可节约30%，节能效果非常明显。因为没有冷却塔，最高日节约冷却补水量270吨。

6.2太阳能热水

1）太阳能资源比较丰富。据20多年的气象资料统计分析表明，全年每平方米太阳总辐射量在557百万千焦左右，年平均日照2776小时，属太阳能资源较丰富地区。

2）太阳能资源分布比较均衡。以月平均辐射量来说，5月份最高，12月份最低，两者相差2倍；但日照小时数5月份为289小时，12月份191小时，两月份溫差30%多，而且12月份日照百分率比5月份要高。

3）太阳能利用条件较好。本市利用太阳能的最佳时期为3～9月，长达半年。即使在冬季，日照时数和日照百分率并无严重的衰减，这就为开展太阳能利用提供了良好条件。

4）太阳能开发利用技术基础雄厚。目前在太阳能热水器、被动式太阳房、日光温室等方面取得了较大的进展和较好的经济、社会效益。

6.3太阳能光伏发电

太阳能光伏发电系统是利用光伏组件半导体材料的“光伏效应”将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。

太阳能光伏发电的能量来源于取之不尽，用之不竭的太阳能，且在太阳能光伏发电的过程中，不会给空气带来污染，不破坏生态，是一种清洁安全的能源，同时又具有在自然界不断生成、并有规律得到补充的特点，所以称得上可再生的清洁能源。

6.3.1太阳能路灯、草坪灯

太阳能路灯、草坪灯的应用使电资源的耗费降低、线路的敷设变得简单。室外展示区设置太阳能与市电兼用的太阳能路灯，草坪区非功能性照明采用太阳能草坪灯。

太阳能草坪灯以太阳光为能源，利用太阳电池组件将太阳辐射能转换成电能，白天充电，晚上使用，无需进行复杂昂贵的管线铺设，而且可以任意调整灯具的布局。其光源一般采用LED或直流节能灯，使用寿命较长，又为冷光源，对植物生长无害。具有经济、环保、节能、安全、寿命长、安装时不需要布线、运行成本低、安装简便等特点。

6.3.2太阳能并网发电系统

太阳能并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是21世纪最具吸引力的能源利用技术。与离网太阳能发电系统相比，并网发电系统具有以下优点：

1）利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。

2）所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达35%一45%，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。

3）光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑物科技含量提高、增加“卖点”。

4）分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。

5）可起调峰作用。联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。

7、机房空调热回收：

计算机房一般需要常年供冷，机房负荷密度比较大，中大型计算机房在250～600W/m2左右。机房送风风量大，机房空调的换气次数约20～40次/h。因此机房空调的节能尤为重要。根据工程的特点，采用余热回收系统：夏季预热生活热水，冬季结合其他空调系统，为空调系统补热。本工程的热回收量约为1000Kw，回收利用后，相当于每年可节约485吨标准煤。

8、绿色照明节能

采用高效节能T5荧光灯管，比上一代T8荧光灯节能15%-20%，光效比T8管提高近50%，用电量比T8荧光灯减少45%。而且由于灯管直径的减小，使涂层用量减小，汞排放减半，利于环保。自然采光与室内照明控制系统相结合，可节约电能30%以上。

9、其他节能措施

1）通过对建筑物各个单体的太阳轨迹运行分析，合理采用建

筑外遮阳设施，最大限度降低空调负荷，以降低空调运行费用。

2）采用热回收机组冬夏季利用全热交换器回收冷热量，对排风进行热回收，预热室外新风。

3）过渡季节充分利用自然通风。

4）系统与设备的合理设计与选择，减少耗电量。

5）设备机房设计合理，减少冷、热媒的输送能耗。

6）选择合理的室内设计参数在满足舒适要求的条件下，要尽量提高夏季的室内设计温度和相对湿度，尽量降低冬季的室内设计温度和相对湿度，不盲目追求夏季室内空气温度过低、过干，冬季室内设计温度过高。

7）控制和正确使用室外新风量，春秋季或冬季对那些仍需供冷的房间，当室外空气焓值小于室内空气设计状态的焓值时，采用室外新风为室内降温，可减少冷机的开启量，节省能耗。

8）确定合适的窗墙面积比例、合理设计窗户遮阳、充分利用保温隔热性能好的玻璃窗。

9）风机的单位风量耗功率满足规范的限值0.32W/（m3/h）的要求；

10）空调冷水系统输送能效比（ER）≤0.00433。

11）设备监控系统，与机电设备专业一起制定出合理的机电设备控制方案，通过对设备的优化控制，使设备在理想的状态下工作，可以大量的减低能耗，达到高效、节能、环保、舒适的效能。

结语：

我们的目标是生态、可持续发展的绿色建筑。绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。 在可持续发展建筑设计方面，要利用整套完整的设计方法，它包括了对所有设计可持续发展建筑的必要元素的详细分析及设计，方可以设计出高素质良好的建筑环境，减少原材料和能源的消耗。本案结合了绿色建筑认证（LEED）体系，力求实现环保节能的绿色建筑。

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