海峽文化藝術(shù)中心綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)用范文

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摘要：本文以夏熱冬暖地區(qū)三星綠色建筑---海峽文化藝術(shù)中心項(xiàng)目為例，分析探討創(chuàng)建“三星綠色建筑”中所采用的適宜的、關(guān)鍵的節(jié)能技術(shù)體系，包括“室外微氣候環(huán)境優(yōu)化”、“圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化”、“江水源熱泵及其他主要綠色節(jié)能措施”，并著重指出綠色建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)以運(yùn)營管理的高度，立足于建筑定位，緊密結(jié)合氣候特征、水文地質(zhì)等基礎(chǔ)條件進(jìn)行選用。

關(guān)鍵詞：夏熱冬暖地區(qū)；三星綠色建筑；綠色節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)；江水源熱泵；圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化

0、引言

眾所周知，按照國家節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，近十年來綠色建筑事業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)，一大批項(xiàng)目獲得了各等級(jí)綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)認(rèn)證。項(xiàng)目投入運(yùn)行中，使綠色技術(shù)措施可以按既定規(guī)劃的綠色建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，顯然是推行綠色建筑的初衷和核心要義。綠色建筑評(píng)價(jià)體系主體內(nèi)容“四節(jié)一環(huán)保”中，“節(jié)能與能源利用”部分無疑與節(jié)能效益、環(huán)境效益關(guān)系最為密切，需要建設(shè)全過程中貫注理性和執(zhí)著，尤其設(shè)計(jì)過程應(yīng)面向綠色建筑運(yùn)營管理高度，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)及氣候特征，明確節(jié)能減排目標(biāo)，合理選用“被動(dòng)”和“主動(dòng)”節(jié)能技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)能源高效合理利用，才能確保綠色節(jié)能規(guī)劃目標(biāo)的落地。下面以海峽文化藝術(shù)中心項(xiàng)目為例，分析探討綠色建筑創(chuàng)建過程中節(jié)能技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1、項(xiàng)目概況

海峽文化藝術(shù)中心位于福州市三江口南臺(tái)島東部的倉山區(qū)梁厝村，北臨閩江，南臨南江濱路，占地面積約160,000m2，建筑面積近150,000m2。項(xiàng)目建筑功能由五個(gè)單體（分別為藝術(shù)博物館、影視中心、音樂廳、歌劇院、多功能戲劇廳），經(jīng)由中央文化大廳跨梁厝河連接組成，外形似福州市花—茉莉花。本項(xiàng)目為省、市重點(diǎn)公共文化建筑，項(xiàng)目設(shè)計(jì)起始時(shí)間為2013年5月，計(jì)劃竣工時(shí)間為2017年12月，按《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378-2014）三星級(jí)綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目已列入2016年“住建部綠色建筑示范工程”。

2、氣候及環(huán)境條件分析

福州市地處夏熱冬暖地區(qū)、屬亞熱帶季風(fēng)氣候。陽光充足，年平均日照時(shí)數(shù)為1700~1980h；雨水充沛，年平均降雨量為1300~1500mm，夏季受臺(tái)風(fēng)影響，極端強(qiáng)降雨情況較頻繁[1]。年平均氣溫為20~25℃；最冷月1~2月，平均氣溫在10℃左右；最熱月7~8月，平均氣溫為33~37℃；典型年的室外溫度及焓值。空調(diào)供冷期較長，一般為5月~10月；供暖期較短，一般為12月~2月；空調(diào)供冷負(fù)荷約為供暖負(fù)荷的3~4倍；過渡季節(jié)較長，室外空氣焓值在34～59kJ/kg范圍內(nèi)的總小時(shí)數(shù)超過2500h，集中在春秋兩季。

2.2水文地質(zhì)條件

項(xiàng)目建設(shè)地緊鄰閩江，閩江水域的水量充足、水溫水質(zhì)適宜，如圖5所示，夏季最高水溫在28~29℃、冬季水溫均高于10℃，可為空調(diào)系統(tǒng)提供良好的低位熱源，本項(xiàng)目適宜采用江水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)[3][4]。本項(xiàng)目場(chǎng)地中原有天然的水系—梁厝河穿行而過，經(jīng)閘口直通閩江，可有效地就地消納場(chǎng)地的雨水、防止水澇。通過上述分析項(xiàng)目建筑功能概況、所在地的氣候、水文地質(zhì)等基礎(chǔ)條件，遵循“被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化”原則，并結(jié)合綠色設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建筑規(guī)模及功能、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、項(xiàng)目運(yùn)營規(guī)劃目標(biāo)等諸因素，確定采用了如下關(guān)鍵的綠色建筑節(jié)能技術(shù)體系。

3、建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

3.1室外微氣候環(huán)境優(yōu)化

夏季及過渡季節(jié)利用場(chǎng)地內(nèi)良好的自然通風(fēng)條件，既能改善室外舒適度，也可以提高建筑節(jié)能效果；項(xiàng)目地處閩江南岸較空曠處，既要避免冬季室外風(fēng)速過大產(chǎn)生不利的影響，又要保證夏季及過渡季能夠有良好的通風(fēng)。本項(xiàng)目的建筑群體布局采用南低北高、列式布置的方式，結(jié)合CFD模擬手段對(duì)體型、布局進(jìn)行優(yōu)化夏季室外風(fēng)環(huán)境模擬優(yōu)化后，在室外人行區(qū)域高度，除了在建筑凹角部分存在局部無風(fēng)區(qū)外，其余室外區(qū)域的通風(fēng)情況良好。場(chǎng)地內(nèi)保留梁厝河從建筑群中穿行，借助水體微氣候改善場(chǎng)地?zé)釢癍h(huán)境，形成較為舒適宜人的室外場(chǎng)地微環(huán)境。冬季室外風(fēng)環(huán)境最大風(fēng)速為1.49m/s，不存在風(fēng)速過大的區(qū)域，且室外風(fēng)速放大系數(shù)小于1，具有較好的室外活動(dòng)舒適性。

3.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)

本項(xiàng)目地處夏熱冬暖地區(qū)，且外立面采用了大面積的玻璃幕墻，圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷占到夏季冷負(fù)荷的25%以上。本項(xiàng)目建筑節(jié)能重點(diǎn)針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能、遮陽措施及通風(fēng)條件三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。（1）屋面、外墻、玻璃幕墻均采用低導(dǎo)熱系數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，除了滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求之外，還重點(diǎn)考慮提高了玻璃幕墻的遮陽、隔熱性能，采用外層Low-E低透光雙層玻璃，外玻內(nèi)側(cè)設(shè)置Low-E膜，整窗遮陽系數(shù)為0.34；雙層玻璃中空隔熱，傳熱系數(shù)僅2.8w/（m2×K）。（2）玻璃幕墻采用外遮陽措施，并采用計(jì)算機(jī)模擬分析優(yōu)化。如圖8、9所示，重點(diǎn)選取西向玻璃幕墻作為分析對(duì)象，對(duì)比不同外遮陽百葉角度下的輻射得熱情況，最終采用45°陶瓷外遮陽百葉（構(gòu)造如圖10所示），輻射率為無遮陽情況的38%，輻射得熱降低62%。（3）建筑物的玻璃幕墻可開啟面積達(dá)到5%以上。如圖11所示，在過渡季節(jié)開啟相應(yīng)的開啟扇，即可利用自然通風(fēng)的煙囪效應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)換氣、排熱除濕。

3.3屋頂綠化

本項(xiàng)目中央文化大廳屋面采用輕質(zhì)屋頂綠化，下圖12、圖13為中央文化大廳局部屋頂綠化效果圖與輕質(zhì)容器式屋頂綠化模塊。通過屋頂綠化可以有效地提高屋面的隔熱性能，課題組選擇一處架空屋面和一處屋頂綠化屋面進(jìn)行隔熱性能對(duì)比，采用“溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)”對(duì)相關(guān)溫度、熱流數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，測(cè)量采樣數(shù)據(jù)間隔30min。實(shí)驗(yàn)選擇夏季高溫連續(xù)晴天進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)屋內(nèi)處于自然通風(fēng)狀態(tài)，同時(shí)測(cè)量架空屋和綠化屋面的隔熱層下表面溫度、屋頂內(nèi)表面溫度、室內(nèi)溫度和屋頂熱流值。從檢測(cè)結(jié)果如下表1，相比架空屋面，屋頂綠化具有更好的隔熱性能。

4、建筑設(shè)備節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

空調(diào)系統(tǒng)是大型公共建筑的能耗大戶，本項(xiàng)目在初期規(guī)劃綠色建筑目標(biāo)時(shí)，面向建設(shè)的全過程，面向綠色建筑運(yùn)營管理的需求，通過多方科學(xué)分析論證后，確定系統(tǒng)的方案、設(shè)備選型、制定控制及運(yùn)營策略。

4.1空調(diào)冷熱源

考慮項(xiàng)目將來運(yùn)營實(shí)際要求，本項(xiàng)目空調(diào)冷熱源除了日常管理辦公區(qū)域部分采用一拖多VRF空調(diào)系統(tǒng)，其余區(qū)域設(shè)置一大型集中空調(diào)系統(tǒng)。夏熱冬暖地區(qū)大型公共建筑空調(diào)冷熱源常用方案為“水冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t”或“冷水機(jī)組+風(fēng)冷熱泵”組合方式，而本項(xiàng)目毗鄰福州三江口南江濱，北邊臨近閩江流域，景觀和生態(tài)環(huán)境要求比較高，由于冷卻塔、鍋爐或大容量的風(fēng)冷熱泵存在噪音、漂水、煙囪排放、視覺沖擊等問題，在建設(shè)用地內(nèi)難以設(shè)置。基于上述的建筑客觀環(huán)境條件，并體現(xiàn)建筑綠色低碳環(huán)保理念，降低熱島環(huán)境效益，并通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)的方案論證，本項(xiàng)目集中空調(diào)冷熱源采用江水源熱泵系統(tǒng)。汲取位于沿江上游5公理處的福州市東部新城商務(wù)辦公中心區(qū)江水源熱泵成功案例經(jīng)驗(yàn)[3]，夏季供冷時(shí)源水進(jìn)水最高溫度29℃，比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的冷卻進(jìn)水溫度低4℃以上，冬季供熱時(shí)源水進(jìn)水溫度高于10℃，較風(fēng)冷熱泵進(jìn)風(fēng)溫度高5℃以上，系統(tǒng)類型采用江水經(jīng)4級(jí)過濾裝置后直接進(jìn)機(jī)組的方式，省卻了中間換熱器和循環(huán)泵。冷熱進(jìn)出水溫差采用6°C，機(jī)組容量配置采用3臺(tái)離心式冷水機(jī)組、3臺(tái)螺桿式熱泵機(jī)組（其中1臺(tái)帶熱回收功能），熱回收的熱水用于供應(yīng)免費(fèi)生活熱水。空調(diào)冷熱源性能參數(shù)參照表2。為了滿足綠色建筑三星評(píng)分要求，綜合考慮初投資增幅和運(yùn)行節(jié)能的需求，本項(xiàng)目在江水源熱泵主機(jī)性能選型上，COP取值較《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）的限定值基礎(chǔ)上提高12%以上[5][6]。根據(jù)最終主機(jī)選型結(jié)果折算的COP較常規(guī)主機(jī)常規(guī)工況提高20%[5]以上；冬季供熱期內(nèi)的COP達(dá)到5.0kW/kW以上，大大超過常規(guī)熱源風(fēng)冷熱泵的供熱效率。室外源水取水構(gòu)筑物有干式泵房和濕式泵井兩種，已有福州東部新城商務(wù)中心和福建省科技館采用濕式泵井。濕式泵井優(yōu)勢(shì)在于造價(jià)較低，但設(shè)備維護(hù)管理維護(hù)上比較困難。本項(xiàng)目經(jīng)過綜合考慮，并吸取已有的類似項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)，采用泵房和取水井分開設(shè)置，取水井考慮便捷性的清淤技術(shù)措施。退水管分兩路支管，一路接閩江下游排放，另外一路接區(qū)域內(nèi)的梁厝河，作為干旱季節(jié)的補(bǔ)充用水。室外源水取退水管路布置示意如圖13。

4.2大溫差、分布式變頻二級(jí)泵空調(diào)水輸配系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用江水源熱泵系統(tǒng)集中供冷（熱）的方式，各單體分布區(qū)域較廣，冷熱源機(jī)房與室內(nèi)輸配距離較大（最長環(huán)路1200m），且5個(gè)被服務(wù)單體之間存在較大的輸配阻力差異（最大相差18.5m水柱），為了有效降低輸配系統(tǒng)的能耗，空調(diào)水輸配系統(tǒng)采用大溫差、分布式變頻二級(jí)泵系統(tǒng)，冬夏季供熱、冷供回水溫差為6℃，變頻二級(jí)泵分布在各單體機(jī)房內(nèi)，按需變頻調(diào)節(jié)末端側(cè)的空調(diào)循環(huán)水量。經(jīng)計(jì)算空調(diào)冷（熱）水系統(tǒng)的耗電輸冷比EC(H)R-a均小于限值20%以上。

4.3空氣熱回收技術(shù)及免費(fèi)供冷技術(shù)

本項(xiàng)目人員密集、新風(fēng)量總量大，達(dá)到480000m3/h，且空調(diào)季節(jié)的室內(nèi)外空氣焓差較大，該部分空調(diào)冷負(fù)荷約為6080kW，熱負(fù)荷約為2520kW。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，末端側(cè)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)采用熱回收技術(shù)。PAU新風(fēng)機(jī)選用板翅式熱回收，而對(duì)應(yīng)各大空間AHU空調(diào)箱內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)輪式熱回收及過渡季節(jié)旁通裝置，并配置對(duì)應(yīng)的過渡季節(jié)及設(shè)計(jì)工況的排風(fēng)系統(tǒng)。空氣熱回收焓效率大于65%，本項(xiàng)目采用空氣熱回收技術(shù)后，空調(diào)配置冷、熱負(fù)荷分別降低約3000kW、1240kW。在空調(diào)機(jī)房的回風(fēng)管處設(shè)置二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)感應(yīng)器，以監(jiān)測(cè)控制新風(fēng)量，達(dá)到空調(diào)工況下變新風(fēng)比運(yùn)行；全空氣系統(tǒng)設(shè)置了過渡季節(jié)全新風(fēng)通路及切換閥門，充分利用溫濕度皆宜的室外新風(fēng)，尤其對(duì)那些在過渡季節(jié)或冬季有供冷需求的內(nèi)區(qū)進(jìn)行免費(fèi)供冷，從而減少了空調(diào)主機(jī)的運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行能耗。

4.4高大空間氣流模擬分析

本項(xiàng)目6個(gè)功能單體，主要功能區(qū)域皆為高大空間，空調(diào)氣流組織形式除了戲劇院觀眾廳、中央大廳氣流為中側(cè)送、上集中回，其余為座位下送、下側(cè)集中回為主，上部設(shè)置平時(shí)排風(fēng)系統(tǒng)，排除上部高溫高濕氣體。在高大空間氣流組織設(shè)計(jì)中，除了考慮氣流組織有利于運(yùn)行節(jié)能的要求，還注意滿足人體的舒適要求，并利用CFD模擬技術(shù)對(duì)各大空間氣流組織進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算驗(yàn)證。4.5能耗模擬計(jì)算選用HDY恒綠建筑分析軟件進(jìn)行建筑全年能耗模擬，氣象參數(shù)用福州城市的全年8760小時(shí)典型年氣象參數(shù)，能耗模擬最終結(jié)果，設(shè)計(jì)系統(tǒng)年耗電9479919kWh，參考系統(tǒng)年耗電11835024kWh。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)系統(tǒng)全年一次能源消耗量相當(dāng)于參照系統(tǒng)的80.1%，滿足國家《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB50378-2014中第5.2.6條對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)能耗的要求----合理選擇和優(yōu)化供暖、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過模擬計(jì)算，通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)能耗降低幅度De=19.90%，大于15%，該條款得分滿分。

5、小結(jié)

本項(xiàng)目綠色建筑按2014版的國標(biāo)三星綠色建筑設(shè)計(jì)，與2006版的舊標(biāo)準(zhǔn)相比，實(shí)施難度有顯著的提高。綠色節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用須立足于分析項(xiàng)目所在地建筑氣候、水文特征及項(xiàng)目功能定位基礎(chǔ)條件外，還須以建筑運(yùn)營管理高度為先導(dǎo)，保證綠色建筑規(guī)劃目標(biāo)的落地。（1）綠色建筑技術(shù)節(jié)能設(shè)計(jì)關(guān)鍵應(yīng)遵循“被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化”原則，結(jié)合項(xiàng)目所在地的氣候、水文地質(zhì)等條件進(jìn)行優(yōu)化選擇，因地制宜，著重落實(shí)適宜建筑節(jié)能和建筑設(shè)備節(jié)能技術(shù)措施。（2）夏熱冬暖地區(qū)綠色建筑節(jié)能應(yīng)重點(diǎn)考慮“室外風(fēng)環(huán)境優(yōu)化”、“圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱、遮陽及通風(fēng)”、“過渡季節(jié)新風(fēng)免費(fèi)供冷”等節(jié)能被動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用。（3）對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)大型公共綠色建筑而言，空調(diào)綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)作為核心環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮。尤其是江水源熱泵技術(shù)、空氣熱回收技術(shù)、新風(fēng)免費(fèi)供冷技術(shù)及變頻輸配技術(shù)等空調(diào)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)建筑節(jié)能率的貢獻(xiàn)顯著。（4）夏熱冬暖地區(qū)綠色建筑獲得高星級(jí)（尤其是三星級(jí)）的得分難度較大。如《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）版對(duì)夏熱冬暖地區(qū)的冷水機(jī)組COP限值本身就比其他地區(qū)更高，為了滿足“提高與創(chuàng)新”章節(jié)加分項(xiàng)性能提高的要求，在此基礎(chǔ)上還需提高12%以上更為困難。

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作者：陳華 單位：福州海峽文化藝術(shù)中心建設(shè)開發(fā)有限公司