海峽文化藝術中心綠色節能技術應用范文

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摘要：本文以夏熱冬暖地區三星綠色建筑---海峽文化藝術中心項目為例，分析探討創建“三星綠色建筑”中所采用的適宜的、關鍵的節能技術體系，包括“室外微氣候環境優化”、“圍護結構熱工性能優化”、“江水源熱泵及其他主要綠色節能措施”，并著重指出綠色建筑節能關鍵技術應以運營管理的高度，立足于建筑定位，緊密結合氣候特征、水文地質等基礎條件進行選用。

關鍵詞：夏熱冬暖地區；三星綠色建筑；綠色節能關鍵技術；江水源熱泵；圍護結構熱工性能優化

0、引言

眾所周知，按照國家節能減排、實現可持續發展戰略的要求，近十年來綠色建筑事業呈現蓬勃發展態勢，一大批項目獲得了各等級綠色建筑設計標識認證。項目投入運行中，使綠色技術措施可以按既定規劃的綠色建筑設計目標運行，實現持續的經濟效益和環境效益，顯然是推行綠色建筑的初衷和核心要義。綠色建筑評價體系主體內容“四節一環保”中，“節能與能源利用”部分無疑與節能效益、環境效益關系最為密切，需要建設全過程中貫注理性和執著，尤其設計過程應面向綠色建筑運營管理高度，結合項目特點及氣候特征，明確節能減排目標，合理選用“被動”和“主動”節能技術體系，實現能源高效合理利用，才能確保綠色節能規劃目標的落地。下面以海峽文化藝術中心項目為例，分析探討綠色建筑創建過程中節能技術的設計應用。

1、項目概況

海峽文化藝術中心位于福州市三江口南臺島東部的倉山區梁厝村，北臨閩江，南臨南江濱路，占地面積約160,000m2，建筑面積近150,000m2。項目建筑功能由五個單體（分別為藝術博物館、影視中心、音樂廳、歌劇院、多功能戲劇廳），經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。本項目為省、市重點公共文化建筑，項目設計起始時間為2013年5月，計劃竣工時間為2017年12月，按《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）三星級綠色建筑標準設計，該項目已列入2016年“住建部綠色建筑示范工程”。

2、氣候及環境條件分析

福州市地處夏熱冬暖地區、屬亞熱帶季風氣候。陽光充足，年平均日照時數為1700~1980h；雨水充沛，年平均降雨量為1300~1500mm，夏季受臺風影響，極端強降雨情況較頻繁[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；空調供冷負荷約為供暖負荷的3~4倍；過渡季節較長，室外空氣焓值在34～59kJ/kg范圍內的總小時數超過2500h，集中在春秋兩季。

2.2水文地質條件

項目建設地緊鄰閩江，閩江水域的水量充足、水溫水質適宜，如圖5所示，夏季最高水溫在28~29℃、冬季水溫均高于10℃，可為空調系統提供良好的低位熱源，本項目適宜采用江水源熱泵空調系統[3][4]。本項目場地中原有天然的水系—梁厝河穿行而過，經閘口直通閩江，可有效地就地消納場地的雨水、防止水澇。通過上述分析項目建筑功能概況、所在地的氣候、水文地質等基礎條件，遵循“被動優先、主動優化”原則，并結合綠色設計標準、建筑規模及功能、技術經濟、項目運營規劃目標等諸因素，確定采用了如下關鍵的綠色建筑節能技術體系。

3、建筑節能關鍵技術

3.1室外微氣候環境優化

夏季及過渡季節利用場地內良好的自然通風條件，既能改善室外舒適度，也可以提高建筑節能效果；項目地處閩江南岸較空曠處，既要避免冬季室外風速過大產生不利的影響，又要保證夏季及過渡季能夠有良好的通風。本項目的建筑群體布局采用南低北高、列式布置的方式，結合CFD模擬手段對體型、布局進行優化夏季室外風環境模擬優化后，在室外人行區域高度，除了在建筑凹角部分存在局部無風區外，其余室外區域的通風情況良好。場地內保留梁厝河從建筑群中穿行，借助水體微氣候改善場地熱濕環境，形成較為舒適宜人的室外場地微環境。冬季室外風環境最大風速為1.49m/s，不存在風速過大的區域，且室外風速放大系數小于1，具有較好的室外活動舒適性。

3.2圍護結構節能技術

本項目地處夏熱冬暖地區，且外立面采用了大面積的玻璃幕墻，圍護結構冷負荷占到夏季冷負荷的25%以上。本項目建筑節能重點針對圍護結構的熱工性能、遮陽措施及通風條件三個方面進行優化。（1）屋面、外墻、玻璃幕墻均采用低導熱系數圍護結構，除了滿足《公共建筑節能設計標準》的要求之外，還重點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，外玻內側設置Low-E膜，整窗遮陽系數為0.34；雙層玻璃中空隔熱，傳熱系數僅2.8w/（m2×K）。（2）玻璃幕墻采用外遮陽措施，并采用計算機模擬分析優化。如圖8、9所示，重點選取西向玻璃幕墻作為分析對象，對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到5%以上。如圖11所示，在過渡季節開啟相應的開啟扇，即可利用自然通風的煙囪效應進行通風換氣、排熱除濕。

3.3屋頂綠化

本項目中央文化大廳屋面采用輕質屋頂綠化，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行隔熱性能對比，采用“溫度巡回檢測系統”對相關溫度、熱流數據進行自動采集，測量采樣數據間隔30min。實驗選擇夏季高溫連續晴天進行測試，測試時屋內處于自然通風狀態，同時測量架空屋和綠化屋面的隔熱層下表面溫度、屋頂內表面溫度、室內溫度和屋頂熱流值。從檢測結果如下表1，相比架空屋面，屋頂綠化具有更好的隔熱性能。

4、建筑設備節能關鍵技術

空調系統是大型公共建筑的能耗大戶，本項目在初期規劃綠色建筑目標時，面向建設的全過程，面向綠色建筑運營管理的需求，通過多方科學分析論證后，確定系統的方案、設備選型、制定控制及運營策略。

4.1空調冷熱源

考慮項目將來運營實際要求，本項目空調冷熱源除了日常管理辦公區域部分采用一拖多VRF空調系統，其余區域設置一大型集中空調系統。夏熱冬暖地區大型公共建筑空調冷熱源常用方案為“水冷機組+燃氣鍋爐”或“冷水機組+風冷熱泵”組合方式，而本項目毗鄰福州三江口南江濱，北邊臨近閩江流域，景觀和生態環境要求比較高，由于冷卻塔、鍋爐或大容量的風冷熱泵存在噪音、漂水、煙囪排放、視覺沖擊等問題，在建設用地內難以設置。基于上述的建筑客觀環境條件，并體現建筑綠色低碳環保理念，降低熱島環境效益，并通過經濟技術的方案論證，本項目集中空調冷熱源采用江水源熱泵系統。汲取位于沿江上游5公理處的福州市東部新城商務辦公中心區江水源熱泵成功案例經驗[3]，夏季供冷時源水進水最高溫度29℃，比常規空調系統的冷卻進水溫度低4℃以上，冬季供熱時源水進水溫度高于10℃，較風冷熱泵進風溫度高5℃以上，系統類型采用江水經4級過濾裝置后直接進機組的方式，省卻了中間換熱器和循環泵。冷熱進出水溫差采用6°C，機組容量配置采用3臺離心式冷水機組、3臺螺桿式熱泵機組（其中1臺帶熱回收功能），熱回收的熱水用于供應免費生活熱水。空調冷熱源性能參數參照表2。為了滿足綠色建筑三星評分要求，綜合考慮初投資增幅和運行節能的需求，本項目在江水源熱泵主機性能選型上，COP取值較《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）的限定值基礎上提高12%以上[5][6]。根據最終主機選型結果折算的COP較常規主機常規工況提高20%[5]以上；冬季供熱期內的COP達到5.0kW/kW以上，大大超過常規熱源風冷熱泵的供熱效率。室外源水取水構筑物有干式泵房和濕式泵井兩種，已有福州東部新城商務中心和福建省科技館采用濕式泵井。濕式泵井優勢在于造價較低，但設備維護管理維護上比較困難。本項目經過綜合考慮，并吸取已有的類似項目管理經驗，采用泵房和取水井分開設置，取水井考慮便捷性的清淤技術措施。退水管分兩路支管，一路接閩江下游排放，另外一路接區域內的梁厝河，作為干旱季節的補充用水。室外源水取退水管路布置示意如圖13。

4.2大溫差、分布式變頻二級泵空調水輸配系統

本項目采用江水源熱泵系統集中供冷（熱）的方式，各單體分布區域較廣，冷熱源機房與室內輸配距離較大（最長環路1200m），且5個被服務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的能耗，空調水輸配系統采用大溫差、分布式變頻二級泵系統，冬夏季供熱、冷供回水溫差為6℃，變頻二級泵分布在各單體機房內，按需變頻調節末端側的空調循環水量。經計算空調冷（熱）水系統的耗電輸冷比EC(H)R-a均小于限值20%以上。

4.3空氣熱回收技術及免費供冷技術

本項目人員密集、新風量總量大，達到480000m3/h，且空調季節的室內外空氣焓差較大，該部分空調冷負荷約為6080kW，熱負荷約為2520kW。通過技術經濟對比分析，末端側空調風系統采用熱回收技術。PAU新風機選用板翅式熱回收，而對應各大空間AHU空調箱內設置轉輪式熱回收及過渡季節旁通裝置，并配置對應的過渡季節及設計工況的排風系統。空氣熱回收焓效率大于65%，本項目采用空氣熱回收技術后，空調配置冷、熱負荷分別降低約3000kW、1240kW。在空調機房的回風管處設置二氧化碳濃度監測感應器，以監測控制新風量，達到空調工況下變新風比運行；全空氣系統設置了過渡季節全新風通路及切換閥門，充分利用溫濕度皆宜的室外新風，尤其對那些在過渡季節或冬季有供冷需求的內區進行免費供冷，從而減少了空調主機的運行時間及運行能耗。

4.4高大空間氣流模擬分析

本項目6個功能單體，主要功能區域皆為高大空間，空調氣流組織形式除了戲劇院觀眾廳、中央大廳氣流為中側送、上集中回，其余為座位下送、下側集中回為主，上部設置平時排風系統，排除上部高溫高濕氣體。在高大空間氣流組織設計中，除了考慮氣流組織有利于運行節能的要求，還注意滿足人體的舒適要求，并利用CFD模擬技術對各大空間氣流組織進行設計計算驗證。4.5能耗模擬計算選用HDY恒綠建筑分析軟件進行建筑全年能耗模擬，氣象參數用福州城市的全年8760小時典型年氣象參數，能耗模擬最終結果，設計系統年耗電9479919kWh，參考系統年耗電11835024kWh。本項目設計系統全年一次能源消耗量相當于參照系統的80.1%，滿足國家《綠色建筑評價標準》GB50378-2014中第5.2.6條對空調通風系統能耗的要求----合理選擇和優化供暖、通風與空調系統，經過模擬計算，通風與空調系統能耗降低幅度De=19.90%，大于15%，該條款得分滿分。

5、小結

本項目綠色建筑按2014版的國標三星綠色建筑設計，與2006版的舊標準相比，實施難度有顯著的提高。綠色節能關鍵技術的運用須立足于分析項目所在地建筑氣候、水文特征及項目功能定位基礎條件外，還須以建筑運營管理高度為先導，保證綠色建筑規劃目標的落地。（1）綠色建筑技術節能設計關鍵應遵循“被動優先、主動優化”原則，結合項目所在地的氣候、水文地質等條件進行優化選擇，因地制宜，著重落實適宜建筑節能和建筑設備節能技術措施。（2）夏熱冬暖地區綠色建筑節能應重點考慮“室外風環境優化”、“圍護結構的隔熱、遮陽及通風”、“過渡季節新風免費供冷”等節能被動技術的應用。（3）對于夏熱冬暖地區大型公共綠色建筑而言，空調綠色節能技術應作為核心環節進行考慮。尤其是江水源熱泵技術、空氣熱回收技術、新風免費供冷技術及變頻輸配技術等空調節能技術的應用，對建筑節能率的貢獻顯著。（4）夏熱冬暖地區綠色建筑獲得高星級（尤其是三星級）的得分難度較大。如《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）版對夏熱冬暖地區的冷水機組COP限值本身就比其他地區更高，為了滿足“提高與創新”章節加分項性能提高的要求，在此基礎上還需提高12%以上更為困難。

參考文獻

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[3]肖劍仁.利用閩江水作水源熱泵空調的關鍵技術與工程案例分析[J].2014年第全國暖通空調制冷學術年會論文集，2014

[4]歐陽恒王迪.福州市閩江水作為水源熱泵系統的水源特性研究[J].給水排水，2017，（2）：84~89

[5]GB50189-2015，公共建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2015

[6]GB/T50378-2014，綠色建筑評價標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2014

作者：陳華 單位：福州海峽文化藝術中心建設開發有限公司