可再生能源技术与建筑设计一体化设计探索——以国家电网公司客户服务中心一期项目为例

陈果

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

绿色建筑作为当代建筑设计的重要内涵和发展方向，对提高资源利用效率与建筑经济性有着至关重要的意义，而可再生能源的使用正是绿色建筑评定体系中的关键。因此，探索可再生能源与建筑设计的结合，从项目策划、设计到建设运行各个阶段将绿色建筑理念引入建筑设计，无疑有着重要的现实意义和引导价值。

1 项目实践

笔者参与了国家电网公司客户服务中心的设计实践，项目将绿建设计理念与国家电网公司在清洁能源互联网方面的经验与发展目标相结合，在可再生能源与建筑的结合上做出了一些有益创新，项目建成后得到了社会及行业的关注，顺利实现了既定目标。

项目缘起于一次国际方案征集，国家电网公司新组建的客户服务中心希望通过国际方案征集谋划未来的规划与发展。笔者所在设计单位也参与征集活动且有幸在竞赛中胜出，并在此后完成了后续专项设计，将可再生能源设计理念融入了建筑设计的策划、设计和运行管理的全过程，保证了理念的完整实现。

基地位于天津市东丽旅游度假区，项目建成后将作为业务用房及配套设施，为全国95598客户及电子商务版块提供统一服务。园区总用地面积317亩，建筑面积约14.3万m2，其中地上部分11.5万m2，地下部分2.7万m2，由四栋业务配套建筑和六栋后勤配套建筑组成。

2 可再生能源的策划

该项目的建筑策划特指为可再生能源技术在策划阶段所设定的目标。开展正式设计之前，经过业主方、顾问方与设计院的反复策划与研究，建设单位对项目定位日渐清晰，希望在完成基本功能外，更要成为国家电网公司的窗口，通过项目倡导可再生能源在建筑园区的综合利用，响应国家电网公司对于能源互联网的发展构想，体现由单一电力供应商向综合能源服务商的角色转换，实践能源企业的社会责任。

1 园区南侧鸟瞰

2 园区主入口

项目最终确定了全球能源技术和服务创新交流平台、世界领先公共服务平台、国际一流生态主题体验平台的三大定位，这为可再生能源创新性利用及其与建筑设计的整合提出了示范性的要求，确立了高标准。

围绕这一预设主题，设计搭建了广泛的可再生能源系统，涵盖地源热泵、太阳能光伏发电、太阳能热水、太阳能空调等作为主要的新能源使用来源。另外辅助以冰蓄冷、水蓄热、微网储电能系统与新能源系统组成峰谷调节体系，通过系统的调节，提高可再生能源及峰谷能源利用效率。此外还设有少量风力发电、光伏发电树、发电单车、发电地砖等辅助手段，提高项目的展示性。

3 可再生能源技术的理性展示

基于打造“全球能源技术和服务创新交流平台”的定位，可再生能源设计与建筑技术的有机结合成为最直接有效的手段。

3.1 可再生能源技术融入立面形式逻辑

薄膜太阳能电池板和晶硅太阳能电池板是两种常见的太阳能转换技术，薄膜太阳能电池板由于其半透明性的深色材质肌理而富有生命力，设计充分挖掘该材料的视觉特性，探索与建筑立面的整合设计。

传统的可再生能源技术往往关注于功能的实现，而忽略了与建筑空间、形式的结合，更多是在方案确定后根据绿建评星需求在后期设计中增加可再生能源技术部分，因此难以与方案设计整合。本项目中，可再生能源技术的策划与设计同步推进，在方案阶段即明确需要体现可再生能源建筑的发展趋势。我们将可再生能源技术手段作为立面设计的重要考量因素，预设出具有建构理性的立面肌理，不同材质与立面的组合拓展了建筑的表现手法，便于太阳能光伏发电装置与建筑立面整合。

3 光伏发电膜与连廊竖向遮阳的结合

4 由太阳能光伏板和集热器统一的第五立面

5 光伏发电膜与水平遮阳的结合

6 可自动调节角度的追踪式槽式集热器

7 绿色复合能源网运行调控平台展示系统

设计采取了光伏发电-幕墙整合的设计建造手段，在裙房立面利用光伏膜的半透明性与幕墙整合设计作为建筑遮阳，使光伏发电膜与幕墙构造形成统一整体，同时利用光伏发电膜的半透明性也保证了室内外视线的通透，与光影一起在立面上形成节奏和韵律。在位置的选择上，光伏发电膜均设置于裙房较低处，便于人在园区能够清晰观察到光伏发电膜与建筑幕墙的结合，体现出园区建筑作为国家电网公司窗口的科技特征。

3.2 可再生能源技术与建筑第五立面的结合

通常，公共建筑设计侧重于对空间及城市关系的关注，建筑的第五立面因功能性的考虑，如各类设备用房和机电管线等，鸟瞰效果较为消极。而新能源系统中各类太阳能利用设施，如太阳能光伏发电装置、太阳能集热器等，往往需要设置在屋面，保证最高效的太阳能利用效率。两者的不同诉求在这里找到了结合点，项目在屋面采取了架空构架层的做法形成上下两层设备空间。下层空间设置设备机房及管线，上层按照统一模数、统一角度布置太阳能光伏发电板、集热器等形成矩阵元素，在城市空间中形成完整的第五立面。

项目采用太阳能空调作为其中一个单体研发楼的主要能源，也是可再生能源利用的一个创新。太阳能空调虽出现较早，但较少在建筑中运用。为实现高效的集热效果，采用了追踪式槽式集热器，基本单元为弧形截面，可根据太阳运行角度调整方向实现高效能源转换。不同于太阳能光伏发电板，槽式集热器本身具有较强的科普价值和外观可识别度，设计时特将组件设置在较矮屋面上，且周边不设装饰与遮挡，让技术构件作为可再生能源的标志特征，在建筑的形体上予以充分体现。

3.3 可再生能源技术与智能系统的结合

考虑建筑领域可再生能源利用的现状，如何突出项目在此方面的探索创新意义一直是策划及设计阶段的重点。项目通过绿色复合能源网运行调控平台的建立，实现了可再生能源智能利用的创新。

策划着眼于可再生能源之间的互联互通，提出智慧能源网概念，搭建系统构架，通过能源中央管理系统建构能源互联网平台，将各种可再生能源系统植入此平台，并结合全钒液流储能、水蓄热、冰蓄冷、微电网等储能调控平台进行系统集成，展示本项目的可再生能源运行情况。

（1）能源空间显示：将园区各个可再生能源系统以三维空间图示的形式在系统中直观显示，准确反映实时运行状态。

（2）能源分类管理：对园区内各项能源使用情况，按照分项和区域集中显示和控制。

（3）能源优化调度：根据各可再生能源系统建立数据模型，结合气象预测信息计算最优化的能源供应方案，安排能源的最优化生产，最大限度利用不同气候条件下的优势能源。

以上可控制管理系统、控制终端设置在园区的中央智能控制室，实现了集中的可视化界面，并成为项目对外参观展示的重要界面。

4 项目的完成与评估

在各方的不懈努力下，项目最终实现了较高的可再生能源使用比例，共计设置地源热泵系统总供冷量3 585kW，供热量3 801kW，提供占园区总热负荷36%比例的热量；设置了13 000m2的光伏发电设施，共计880kWp的功率，年均发电107.0976万kW·h；太阳能空调制冷容量350kW，制热容量210kW；太阳能热水集热器980m2。

在实现多能源综合利用的同时，项目也建立起一套混合电池储能系统，将可再生能源发电与储能系统组成微电网，将光伏发电盈余电量存储，结合智能电网相关技术用作微电网技术研究。同时另外采取冰蓄冷系统（10 000吨级）与水蓄热系统（2 500吨级），利用峰谷电能优势最大化新能源系统效率。此外本项目还创新性使用光伏发电树、发电单车及国内首个应用于工程实践的发电地砖等。

项目于2015年5月基本建成，在不到一年半的建设周期内成功完成了从土建施工到新能源系统安装并集成化运行的全过程。经过四个年度使用周期的磨合，可再生能源的运用基本实现了最初策划的理念，各项分布能源系统运行正常，中央能源管理系统可直观展示性强，信息采集、能源生产规划调度运行状态良好，得到了社会和业界的认可。

同时，项目顺利通过了绿色三星设计及运行标识。由于在可再生能源技术方面的创新性探索以及在国际业界上的影响力，项目于2018年9月被APSEC（亚太经合组织可持续能源中心）授予首个国际培训基地，基本实现了打造全球能源技术和服务创新交流平台的目标。