绿色、超低能耗地标性文化建筑研究与实践——高星级绿色建筑的打造

史 旭，杨 虎，罗智星

（1、广州华森建筑与工程设计顾问有限公司 广州 510045；2、西安建筑科技大学西部绿色建筑国家重点实验室 西安 710055）

超低能耗建筑通过因地制宜地采用高性能保温隔热非透明围护结构，高保温气密性外窗，无热桥、高气密性、高效热回收新风系统，充分利用可再生能源等技术手段，可以大幅降低建筑能耗［1］。作为节能建筑的一种高级表现形式，超低能耗建筑逐渐得到研究机构和各级政府的重视［2，3］。目前许多国家都在积极制定超低能耗建筑发展目标和技术政策，建立适合本国特点的超低能耗建筑标准及相应技术体系，使超低能耗建筑正在世界范围内成为建筑节能的发展趋势［4］。近年来，已有很多学者对超低能耗建筑设计方法与实践开展了研究，如廖超［5］总结了被动式超低能耗建筑的设计策略与要点，并基于中南地区某住宅项目进行了案例研究；伍小亭［6］提出了一套超低能耗绿色建筑设计方法，并将该方法应用于实际项目中；魏燕丽等人［7］探讨了夏热冬冷地区绿色办公建筑适宜的超低能耗技术路线；李慧星等人［8］对严寒地区超低能耗建筑空调节能系统与可再生能源利用系统进行了研究等。在“双碳”目标背景下，国内节能减排的发展形势要求建筑节能做出更大贡献［9］。也有研究表明，采用高性能围护结构与高效建筑系统的建筑不仅可以大幅降低建筑能耗与碳排放，在建筑的全寿命周期内，建筑的经济效益也有大幅提升［10，11］。因此，发展超低能耗与近零能耗建筑，不仅有助于建筑业完成“双碳”目标，也有利于社会经济的可持续发展。

目前，对住宅、办公、商业等建筑类型的研究已比较完善，但对于大型文化建筑的超低能耗技术与设计方法的研究较少，文化综合体建筑承载着文化活动所衍生的各种社会经济活动，是城市文化地域性得以实现的重要载体［12］，具有功能多元复合、空间灵活交融、建筑形态整体多样的特征［13］，但由于体量巨大、功能空间复杂多样，文化综合体建筑往往具有高能耗、高排放的特点，适用于办公建筑、商业建筑的超低能耗设计手法可能并不适用与文化综合体建筑［14］。因此，需要对于大型文化综合体建筑绿色、超低能耗设计策略进行研究。

本文以广东佛山某文化中心为案例，充分考虑夏热冬暖地区的气候条件、项目建筑特点、能耗负荷及可再生能源利用等要素，探索了夏热冬暖地区大型文化综合体建筑超低能耗建筑的技术路径。

1 项目概况

某大型文化项目位于广东省佛山市南海区中轴线核心地段，项目北至海五路，南至海四路，西接南六路，东临千灯湖公园（见图1、图2）。用地南北纵深约400 m，东西宽约150 m，地势平坦。

图1 总体鸟瞰图Fig.1 Overall Aerial View

图2 项目位置Fig.2 Project Location

本项目拟建成一座高标准、多功能的文化中心，集科技馆、图书馆、美术馆、非遗文创馆、文化馆、青少年宫等六大功能为一体的大型文化综合体项目（见图3）；作为活跃佛山文化事业，促进社会经济发展，满足人民精神文明建设的重要基础设施。定位为“佛山市南海区四大文化建筑之一”，建成后将成为南海区千灯湖中轴线上的地标性建筑。

图3 功能布局Fig.3 Functional Layout

本项目规划用地面积为55 806.40 m2，总建筑面积为169 561.42 m2。其中，地下室建筑面积72 107.65 m2；计容面积94 417.46 m2，基底面积27 026.53 m2。

整体建筑包括2 层地下室（埋深10.0 m）、科技馆（建筑高度52.0 m）、图书馆（建筑高度47.0 m）、美术馆（建筑高度42.0 m）、非遗文创馆（建筑高度32.0 m）、裙房功能为文化馆及青少年宫（建筑高度20.9 m）。

科技馆、美术馆位于基地北侧及东侧，与千灯湖公园自然景观相望；美术馆、非遗文创馆沿基地西侧及南侧布置，裙房2层架空为市民广场，起到联系四馆的作用，形成即独立又相互联系的总图布局关系（见图4）。

图4 市民广场效果Fig.4 Renderings of Citizen Square

本项目地下建筑功能涵盖了餐饮、体育休闲、观演、剧场、车库等功能。地上建筑功能涵盖科技展览、图书阅览、美术展览、非遗文创、文化馆、青少年宫等六大建筑功能类型。本项目的特点和难点为建设规模大、建筑功能分布及内部空间复杂、适用规范种类繁多。

本项目以绿色建筑为载体，在建筑的选址、设计、建设、使用、维护、拆除及废弃物处理的全寿命周期内，通过合理运用绿色建筑技术，从建筑选址到单体设计，从围护结构到通风、采光、能源高效利用等方面都切实贯彻节能理念，最大限度地做到“安全耐久”、“健康舒适”、“生活便利”、“资源节约”、“环境宜居”，提供节能、环保和高效的使用环境；以被动式技术为主，低成本主动式技术为辅达到低能耗、低排放的绿色建筑的设计理念。设计目标定为国标三星绿色建筑，能效控制目标符合《近零能耗建筑技术标准：GB/T 51350—2019》中超低能耗公共建筑能效指标。预期实现建筑综合节能率≥50%。建筑本体节能率符合表5.0.4的相关要求。

2 设计原则及设计难点分析

2.1 以绿色建筑的内涵为基础

充分考虑广东地区的气候、地理环境、自然资源等方面的因素；从建筑方案优化、能源控制利用、水资源规划、材料选用、噪声控制等多个方面进行分析，最大程度优化“安全耐久”、“健康舒适”、“生活便利”、“资源节约”、“环境宜居”等。

2.2 以被动式技术为主，主动式技术为辅

考虑建筑本体的空间形式、围护结构、建筑材料、自然通风、自然采光与构造设计等被动式技术来实现建筑节能；当被动式节能无法满足建筑舒适性及防护要求，需要空调等辅助设备时，才考虑使用适宜的主动式节能，最后才是高性能、高投入的设备。

2.3 以最小的成本争取最大的利益

对所有采用的绿色专项技术进行严密的可行性分析及投资效益分析，促成项目实现用最小的成本投资达到低能耗、低排放的绿色建筑目标。

项目建筑功能繁多，特殊房间必须考虑防潮、防水、防日光及紫外线照射，且其全年的温、湿度要求及控制精度要求高；采用的空调系统形式、冷源的设计需要满足各部分不同功能需求。空调系统形式除了满足功能的要求外，还要解决节能问题。

3 技术体系及亮点

3.1 被动式技术体系

3.1.1 采光及遮阳

建筑立面的玻璃幕墙和屋面采光天窗保证了各功能房间有充足的采光，并且在保证充足采光的同时做好必要的防眩光措施；项目地处夏热冬暖地区，夏季隔热是主要考虑因素。首先建筑方案在规划设计时就充分考虑了建筑本体自遮阳，通过对不同朝向的立面采取相应的遮阳措施；根据太阳高度角，利用外墙对不同朝向的玻璃幕墙形成固定的外遮阳，既减少了增量成本又实现了对太阳辐射的遮挡作用。东、西、南3 个方向在固定外遮阳的基础上增加可调节内遮阳帘。通过Ladybug 软件对比分析得出：太阳辐射量东向减少46%、西向减少57%、南向减少64%、北向减少5%，综合太阳辐射量减少30.4%（见图5）。

图5 建筑本体遮阳Fig.5 Shading of the Building Body

建筑各方位太阳辐射量对比如表1所示。

表1 各方位太阳辐射量对比Tab.1 Comparison Table of Solar Radiation in All Directions

3.1.2 自然通风

通过中庭设计，有效减小建筑进深，改善自然通风。利用室内外气流的交换，降低室内温度和排除湿气；同时，通过空气流动，加强人体对流和蒸发散热，提高热舒适（见图6）。改善室内自然通风的措施有：①利用建筑本身布局，立面增加开启面积，加大室内流速，且室内进出风口保持适当的高差，形成良好的自然通风；②适当开启屋顶玻璃采光顶，并对各立面幕墙合理分隔，设置开启扇，形成良好的室内自然通风。

图6 中庭自然通风Fig.6 Natural Ventilation in Atrium

3.1.3 高性能外围护结构

绿建三星和超低能耗建筑需要建筑的围护结构有良好的保温隔热性能。项目的非透明围护墙体构造系统采用复合蜂窝岩板+金属防水板+110 mm 厚岩棉保温板+室内装饰背板的做法（见图7），幕墙式屋面采用110 mm 厚泡沫玻璃保温层，天窗采用LOW-E（6+12A+6）中空玻璃（见图8）；外墙、楼层板与幕墙之间、架空或外挑楼板等部位采用无热桥技术（见图9）；在裙房屋面设置屋面绿化，减低热岛效应。

图7 非透明围护墙体构造Fig.7 Non-transparent Enclosure Wall Structure

图9 层间无热桥技术Fig.9 No Thermal Bridge Technology between Floors （mm）

外立面幕墙玻璃选用LOW-E（6+12A+6）中空玻璃，具有保温、避免光污染等优点，夏季有效阻止室外热辐射进入室内，有效减少空调制冷能耗。

3.1.4 预制装配式+BIM信息技术

通过BIM 建筑信息模型正向设计，实现设计阶段的协同设计，施工阶段建造全过程一体化与运营阶段对建筑物的智能化维护与设施管理，有效提高项目整体进度效率，降低风险，减少浪费（见图10）。

图10 BIM信息模型Fig.10 BIM Information Model

通过钢结构预制装配减少大量现场作业量，不仅具有安装速度快、节省工期的优势，同时能够大幅减少现场作业的粉尘、噪音、污水污染，建造过程更加节能、环保。

3.2 主动式技术体系

绿色建筑及超低能耗建筑应将可再生能源进行一体化设计，通过有限的可再生能源的运用，如太阳能光伏发电、空气源热泵等有效减低建筑整体能耗。

3.2.1 光伏发电

经过计算分析比较，光伏板安装位置选择在南侧市民休闲公园室外连廊顶部与裙房屋顶处。光伏板安装面积约为1 200 m2，选用高效光伏发电组件以达到超低能耗公共建筑能效指标的要求，所需光伏板提供电量为217 419.39 kWh，设计光伏板可提供电量220 454 kWh，且项目预计光伏板安装的投资回报期约为4年（见图11）。

图11 光伏板发电分析Fig.11 Photovoltaic Panel Power Generation Analysis

3.2.2 空气源热泵

本项目有运动休闲及SPA 的建筑功能，因此对热水有一定的需求供应量，采用空气源热泵为建筑提供生活热水供应。结合项目建筑使用功能及美观的需求，在B1 层热泵机房内设置两组热水储水罐，将热泵室外机组设置在北侧下沉广场内，空气源热泵承压热水系统利用方案综合节能效果明显，达到不影响建筑外观的目的。

3.2.3 照明节能设计

本项目功能房间照明灯具均采用LED 灯具等节能型灯具，为达到《绿色建筑评价标准：GB/T 50378—2019》的得分要求，功率密度值均不应高于现行国家标准《建筑照明设计标准：GB 50034—2013》规定的目标值，并全部采用智能照明控制系统。

3.2.4 高效冷热源系统

本项目在采用了被动式技能技术措施，将冷热负荷降低之后，剩余的冷热负荷由高效冷热源系统提供。为解决空调系统能耗高的问题，项目冷源中心合理规划，冷源采用高效冷机、二次泵系统、冷却塔免费供冷系统等节能技术措施；末端空调系统高大空间采用分层空调技术，实现一个高效的空调能源系统，节能减碳。

⑴冷源规划：为节约水泵的输送能耗，在冷源规划上将空调冷源中心分南北向设置2 个，避免长距离输送空调冷水（见图12）。

图12 冷源规划Fig.12 Cold Source Planning

⑵ 冷水机组的大小搭配策略和高效冷机的使用：冷源中心主机采用3大1小搭配，小冷机采用磁悬浮冷机，其中3台大冷机中的1台也采用磁悬浮冷机。较小的部分负荷下，小冷机可高效运行；在大冷机台数调节时出现1 台不是满负荷运行的情形下，可使用磁悬浮的大冷机变频运行。以上台数的搭配和大小冷机的磁悬浮选型策略，使得整个冷源在不同的负荷情形下均能实现高效运行。

⑶二次泵系统：考虑各馆相互独立管理，使用时间不同，且系统较大，阻力较高，各环路负荷特性相差较大，压力损失相差悬殊，空调水系统采用二次泵系统，进一步降低水泵的输送能耗。其中一次泵为定流量系统，台数调节；二次泵为变流量系统，变频调节运行；每个馆各设计一套二次泵系统，二次泵均设在规划的两个集中冷冻机房内。冷源设置如表2所示。

表2 冷源设置Tab.2 Cold Source Settings

⑷冷却塔免费供冷系统：本项目地下商业存在全年空调冷负荷。在冬季和过渡季对该部分的空调系统采用冷却塔免费供冷系统，空调水系统采用分区两管制实现切换。项目在设计工况下，冷却塔的供冷能力满足房间的冷量需求。

⑸分层空调：本项目根据各馆功能空间需求，不同的高大空间采用喷口、地板、旋流风口等不同的气流组织和送风方式，实现分层空调，节约空调能源的使用如图13所示。

图13 分层空调控制Fig.13 Layered Air Conditioning Control

3.2.5 监测系统

本项目基于BIM 信息模型的展示平台，除在地下车库设置了与排风设备联动的CO 浓度检测装置、在各功能房间内设置了控制室内主要空气污染物（n氨、甲醛、苯、总挥发性有机物、氡、PM2.5、PM10）的浓度降低20%的检测装置外，还设置了包括能耗检测系统、用水远传计量系统、水质在线监测系统、可再生能源监测系统、智能监控系统、环境设备监控系统，智能服务等系统。智能导览与解说，巡检机器人、服务机器人、虚拟3D、AI+视屏分析、图书智能分拣、AI+人工智能运维等现代互联网技术的应用，构建出高效建筑设施与日常事务的管理系统，提升工作的安全性、便利性（见图14）。

图14 BIM运维平台运用Fig.14 Application of BIM Operation and Maintenance Platform

4 绿色建筑三星与超低能耗建筑之间关系

本项目从安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居的绿色建筑五大体系出发，采用绿色建筑技术40项，其中被动式节能技术28项，主动式节能技术12 项。在运用上述主要技术手段达到绿色建筑三星标准后，进一步提升建筑的外围护结构性能，发现改变外围护结构保温层厚度对建筑负荷与综合能耗无显著影响；对空调系统室外计算参数、室内设计参数、冷源设计、末端设计、电气节能设计等计算分析，得到现有绿色三星建筑对比超低能耗建筑的超低能耗建筑综合能耗33.89%的结果（见表3）。

表3 绿色三星建筑与超低能耗建筑对比Tab.3 Comparison between Green Three-star Buildings and Ultra-low Energy Buildings

超低能耗建筑需满足《近零能耗建筑技术标准：GB/T 51350—2019》表5.0.4 建筑综合节能率应≥50%的要求。设计通过对围护结构、冷源机组、空气源热泵、光伏发电、照明电气、空调管路与水泵、等方面的优化改进、同时结合广东夏热冬暖地区的特点，增加利用地下冷负荷为过渡季节提供免费供冷的措施，进过计算比对，达到了超低能耗建筑的要求（见表4）。

表4 超低能耗建筑计算Tab.4 Ultra-low Energy Building Calculation Sheet

5 结论

超低能耗建筑技术作为建筑节能的实际有效的技术路径，正在逐渐被关注，夏热冬暖地区未来也会有越来越多的超低能耗、近零能耗建筑出现。绿色建筑、超低能耗建筑应因地制宜，结合地域气候特点，在不同地理位置结合项目建设投资成本增量控制，采取相对应的设计技术措施体系。通过佛山某文化中心示范项目，对夏热冬暖地区的设计方法总结得出以下几点结论：

⑴实现绿色三星建筑与超低能耗建筑的技术体系不能片面追求被动式或主动式技术，应综合包括被动式节能技术、主动式节能技术及可再生能源利用，充分利用自然资源，是项目绿色节能技术运用的综合平衡。

⑵夏热冬暖地区大型文化类公共建筑在规划设计方案阶段就应充分考虑朝向，体形系数，建筑本体遮阳、维护结构、窗地比等因素，避免在设计的初期阶段产生高能耗的根本不利因素，导致后期必须采用大量的主动式技术，通过技术堆砌达到绿色节能建筑的目的，造成资源浪费。

⑶夏热冬暖地区阳光照射时间周期长，照射强度充足，有别于其它气候地区。采用高性能的光伏发电技术可有效结合地域气候特点，充分利用自然资源，降低化石能源消耗量。随着光伏发电技术的日趋成熟，工程造价也逐渐降低，经济效益显著。