绿色建筑技术在公共建筑改造中的应用研究

王 卓

（建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 10007）

在经济基础飞速发展条件下，城镇化进程不断加快，以人为本的建筑理念深入人心。无论是从国家战略层面还是从建筑业发展的层面，绿色建筑都是人民对于居住环境或者活动空间更为高层次的要求[1]。建筑结构的设计不仅追求安全与适用，还逐步向节能与环保发展[2]。人本思想的发展推动了建筑在全生命周期都应关注节能与健康，节能环保和绿色健康也成为我国建筑业发展的新方向。在节能方面，大量公共建筑的修建，使得内部人员密集、建筑空间巨大，消耗了大量的能量用于供暖和制冷，相比于民用建筑，在单位面积的耗能上，前者能耗可能达到后者能耗的20 倍以上，存在着巨大的节能空间，在我国现有的公共建筑存量巨大，基于绿色建筑理念对这些公共建筑的改造应符合生态建筑学的原理，在保证公共建筑结构使用功能的基础上，绿色建筑不仅仅是停留在建筑物所使用的材料保障人生理状况的健康，而且是能够让使用者在精神上产生愉悦、舒适和放松。

1 基于绿色建筑理念的既有公共建筑能耗特征分析

公共建筑是一个城市乃至一个国家经济发展水平的物质象征，它明显有别于工业建筑和住宅建筑，建筑体系和能耗庞大且复杂[3]。在我国，随着城市化进程的逐步推进，人口和财富都向城市集聚，建设了大量的公共建筑为城市居民提供服务每年新增公共建筑面积约6 亿m2，公共建筑的保有数量巨大，公共建筑的发展趋势也朝着大规模、超高层、多功能、重资金、智能化的方向发展，在教育、文化、卫生、体育等各种行业体系中均有涉及并大量涌现，大量的公共建筑不仅消耗了大量能源，也给周边环境造成不良影响，不利于我国“碳达峰、碳中和”目标的实现。

公共建筑的体系划分目前在学术上并没有明确的界线，从不同的角度可以划分出不同的公共建筑类别[4]。按照公共建筑的功能属性划分，可以大致分为办公公共建筑、卫生公共建筑、商业公共建筑以及交通运输公共建筑等；按照建筑的面积大小划分，大致可以分为大型公共建筑（单体面积超过2.0 万m2）、中型公共建筑以及小型公共建筑；按照建筑所在行政区划的划分，可以分为农村公共建筑、城镇公共建筑和大城市公共建筑；按照建筑所在的地理气候划分，可以大致分为寒区公共建筑、温带公共建筑和热带公共建筑。无论是何种公共建筑划分，为满足其功能需求，都需要配备一定的声、光、电等系统，因此可以按照消耗的能源类别进行特征分析，其能耗特征都表现出一定的规律[5]。统计2010-2020 年，我国公共建筑的能耗情况，结果如表1和图1 所示。

从表1 和图1 中可以看出，2010-2020 年期间，我国公共建筑的耗电量随着时间的增加呈近线性增加，从2010 年的1554.48 亿kWh 增加到了5380.50 亿kWh，涨幅为246%；与耗电量的变化趋势类似，2010 年至2020 年期间，我国公共建筑的耗煤量（标准煤）随着时间的增加呈近线性增加，从2010 年的1910.46 亿tce 增加到了6612.01 亿tce，涨幅为246%；2010-2020 年期间，我国公共建筑的采暖耗能随着时间的增加逐渐增加，但增幅较缓并呈现一定的波动性，从2010 年的1672.81 亿tce 增加到了2899.12 亿tce，涨幅为73%；2010-2020 年期间，我国公共建筑的总能耗随着时间的增加呈现近线性增加，从2010 年的3583.27 亿tce 增加到了9511.12 亿tce，涨幅为165%。在能耗比例上，2010 年至2020 年期间，我国公共建筑的耗电比例随着时间的增加呈现近线性增加，从2010 年的54.39%增加到了70.91%，公共建筑的采暖比例则相反，随着时间的增加呈现近线性降低，从2010 年的47.61%降低到了31.09%。

表1 2010-2020 年我国公共建筑能耗统计

图1 2010-2020 年我国公共建筑能耗曲线

2 基于绿色建筑理念的公共建筑墙体保温材料研究

公共建筑墙体是室内外热量交换的中间载体，其导热性能和冷热空气的渗透性能是影响建筑节能的重要因素，因此提高公共建筑墙体的保温性能成为控制建筑能耗的重点工作[6]。在绿色建筑理念下，人们对于建筑的节能环保需求日益增大，在建筑资源节约的研究上也日益增多，提高建筑的综合效益以及提供舒适的室内活动温度，满足绿色建筑理念的要求。一般而言，保温结构是通过胶结剂将保温层粘贴在外墙基层上，同时为了避免保温结构的开裂，使用抗裂保护层对保温层进行涂刷。基于绿色建筑理念下的公共建筑墙体保温层由于受到自然气候因素的作用，其材料的选择需要考虑保温层具有一定的耐久性，强度较高以及无毒，不会出现开裂引起雨水侵蚀或者脱落；其次，作为公共建筑的墙体保温层应考虑防火性能；再次，在功能上具有良好的保温隔热性能，能够在轻质条件下具有较低的导热系数，不易被刺穿或敲击破碎，保持整体性；在施工上，能够极大地缩减工序和施作时间，达到外墙保温结构快速施工的目的。

目前，可以应用于绿色建筑理念下的公共建筑墙体保温结构的保温材料主要有7 种，各种保温材料的物理力学特性如表2 所示[7]。由于公共建筑墙体保温构造施工时具有较多的工序和多层结构体系施作，在选取保温材料时应该考虑室内外潮湿气体的影响、施工技术的影响、墙体和保温层结构骨架的影响以及饰面层对保温层的影响，以保证公共建筑墙体保温构造的隔热保温功能实现。

表2 基于绿色建筑理念的公共建筑墙体保温隔热材料性能

以北京市某公共建筑改造项目为例，建筑工程位于北京市东侧2019-CM 地块，建筑功能定位为科技办公大楼，建筑的总面积约9250m2，地上建筑工3 层，设计的建筑空间包含办公室、会议室、产品展示厅、商业零售、门厅、公共卫生间、餐厅、活动室以及网络中心等，地下建筑为3 层，地下1 层为厨房、地下2 层为车库、地下3 层为人防空间。在改造工程中，原有外墙结构无保温层，为普通水泥砂浆层覆盖，年久失修，导致冬夏两季建筑物的能耗非常大，经过改造设计采用了硅质改性聚苯板，保温层的施作方法如图2 所示，改造后大大降低了公共建筑的能耗量，改善了建筑使用者的舒适度。

图2 公共建筑硅质改性聚苯板的施作方法

3 基于绿色建筑理念的公共建筑通风空调系统改造

在公共建筑中，通风空调系统是它最为重要的组成系统之一，其运行效果的优劣直接关系到建筑的工作状态和使用品质[8]。在大型的超高层建筑或者体量庞大的医院、政府办公楼等，由于其具备的公共建筑属性，人员密集，对室内的空气质量和流通性，室内温度的恒定性都具有较高的要求，但公共建筑又存在人员流动的问题，造成室内空气与室外空气频繁交换，导致公共建筑的耗能加大。为了提供更为优质的空气质量和恒定的室内温度，基于绿色建筑理念下的公共建筑通风空调系统可以采取一定的节能减排措施进行改造。由于公共建筑配备的通风空调系统复杂，涉及的安装内容众多，包含空调冷热水循环系统，空调水系统、空调新风系统以及空调机组等，这些系统都配备了不同材质的风管、水管，管材的质量、口径大小不一，影响着设备和管材的安装质量和改造效果[9]。在公共建筑的通风系统的改造方案中，展开了以下3 个方面的研究。

（1）通风空调系统的安装调试分析

通风空调安装完成后的调试过程较长、调试工作量大。由于通风空调的施工工作量大，在安装完成之后正式启用之前，需要对通风空调安装系统进行调试，以检查其安装质量和保证其运行效果。但是，公共建筑通风空调系统涉及的专业广，比如机电系统、供水系统、供风系统、供暖系统等，各个专业的施工质量控制要点多，节点多，调试参数多，导致公共建筑通风空调系统的调试过程十分复杂，调试质量的要求高，工作量巨大。

（2）通风空调系统的设备参数确定

在公共建筑通风空调系统改造时，需要对公共建筑的通风空调系统的性能系数COP 系数进行确定，性能系数定义为制冷设备的制冷量Q与输入功率N 之比，如公式（1）、公式（2）所示[3]。

式中：Q为供冷季节，需要提供新风冷负荷量；G为建筑物每小时接受到的新鲜冷风总量；h0为室外的空气比熵；hi为室内的空气比熵。

（3）基于虚拟模型的通风空调系统改造技术

对于公共建筑通风空调系统的改造可以借助BIM 模型技术，在管线的排布和虚拟建造上达到可视化的目的，并可以大大提高改造效率。基于北京市某公共建筑改造项目为例，采用Revit 软件建立建筑模型如图3 所示。在建筑虚拟模型的基础上，构建机电系统、供水系统、供风系统、供暖系统等BIM 模型，从而对模型进行分解、梳理及安排，编制施工组织计划，确定具体施工方案。由于公共建筑工程设计涉及到的管线复杂、种类众多、数量巨大、材质不一，包含给排水管线、暖通管线、网络通信管线等，各个管线之间相互穿插，存在交叉碰撞的可能，以空调风系统和空调水系统为例，本项目中基于BIM 模型技术对管线复杂部位进行了改造，结果如图4 所示。

图3 基于BIM Revit 软件的公共建筑模型

图4 基于绿色建筑理念和BIM Revit 软件的公共建筑通风空调系统改造

4 结语

公共建筑具有体量大、人员集聚、内外能量交换大等特点，使得公共建筑的能耗巨大，存在巨大的节能潜力。在现代绿色健康理念的不断普及下，人类对于居住环境和活动空间的要求也日益提高。基于绿色建筑理念下的公共建筑追求以人为本的思想，不仅提供安全环保的使用空间，而且能够让使用者在精神上舒适和愉悦。对公共建筑改造作为经济发展到一定程度的必然要求，也是未来建筑的发展新方向之一。