從上海世博會解析建筑節能的發展方向

呂春

(齊齊哈爾大學建筑與土木工程學院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 引言

從歷史上看,每一屆世博會上展示的建筑理念、材料和技術,往往標志著那個時代的最高水平,也預示著下一個時代建筑的發展目標。上海世博會在建筑節能工藝、建筑節能材料等方面的展示,代表了當今世界范圍內在建筑節能領域內的最新成就。

目前,我國節能建筑只占建筑總量的5%,城鎮節能建筑只占建筑總面積的21.7%。我國建筑建材業的能耗量已占到工業總能耗的27%。如果建筑節能維持現狀,2020年僅空調高峰負荷就會相當于10個三峽電站滿負荷發電。有數據顯示,我國民用建筑在達到相同室內熱舒適度的情況下,使用能耗高出同等氣侯條件下發達國家平均水平的2～3倍。從數據上看,我國的建筑業保持較快增長,但我國的建筑業存在著碳排放量大、能耗高等情況。上海世博會上所展現的節能環保型建筑或許能夠解決我國目前存在的建筑節能等諸多問題[1]。

2 新建筑材料的應用

2.1 墻體材料

墻體材料是建筑最重要的圍護結構,是當今建筑節能的研究重點。世博中心采用全鋼結構,其建筑外墻采用玻璃結合鋁板、陶板、石材的組合幕墻。呼吸式幕墻實現自然通風。外墻采用外保溫技術,玻璃幕墻采用低輻射中空玻璃,配合屋頂綠化,隔熱性能更好。中國館的外墻材料為無放射、無污染的綠色節能產品。

德國館采用全透明的外墻設計,外表被一層銀灰色的發光膜所覆蓋。這是一種革新性建筑材料,其發光性和節能性是傳統建筑材料所無法企及的。外墻同時還使用了網狀的、透氣性良好的建筑布料,可以反射太陽輻射,為展館遮陽。

日本館采用膜技術,在外墻表面采用了一種高透明的發電膜,在發電同時也能最大程度透光。意大利館的外墻運用了透明混凝土,通過不同比例的調配使光線得以穿透,減少了燈具的使用。英國零碳館墻體采用納米保溫隔熱材料,減少了室外熱滲透,吸收室內多余熱量,穩定室內氣溫波動;墻壁所使用的混合型水泥中含有50%的粉煤灰、煤矸石、礦渣等建筑廢料。同時,在外墻涂料中加入一種水性納米保溫隔熱添加劑,一方面可以阻止熱量穿透墻壁,將進入墻體的熱輻射反射出去,同時降低了墻體濕度,防止保溫層潮濕。墻壁上還有一層特殊的熒光涂料,使建筑在白天吸收存儲太陽能,晚上則釋放熒光,降低了照明能耗;萬科館建筑外墻面使用了秸稈壓制而成的秸稈板,其硬度比實木還要高,阻燃性和抗潮性指標以及節能效果極佳。

2.2 門窗玻璃

中國國家館所有的門窗都采用南玻Low-E低輻射節能玻璃。這種玻璃能夠反射熱量,降低能耗。由于其表層含有能反射熱量的蓄光涂料,可以將陽光轉化為電能并儲存起來,為建筑外墻照明提供能量。遠大館采用斷橋鋁合金門窗進行有效隔熱,上殼局部采用玻璃天窗,充分利用自然光,節約照明能耗。

2.3 屋面

世博中心屋面采用鋁板及保溫層。國家館頂上的觀景臺也采用了含有特殊涂層的太陽能薄膜,起到儲藏陽光并轉化為電能的作用。世博文化中心屋頂綠化,提高了其保溫性能。世博園里最大的建筑世博軸,有著6個被稱為自然光收集器的巨大鋼結構“陽光谷”,其中最大的上面直徑99m、下面直徑20m,其鋼結構由1700個單元構建而成。巨型索膜結構屋頂膜面長約843m、最寬處約97m,膜面展開面積達 7.7萬 m2,成為世界第一的索膜結構建筑[2]。世博軸兩側的景觀綠坡、膜結構屋面以及“陽光谷”都可進行雨水收集,經簡單凈化后用于衛生間沖洗和景觀灌溉,既節約了水資源,又大大減少了建筑自身和園區排水泵站的建設投資與運營能耗。

3 新工藝的實施

3.1 低能耗的建筑設計

陽光谷采用巨大的倒蘑菇狀的通透建筑,實現地下空間主動采光、自然通風和雨水收集等功能,達到遮陽、節能、造型的效果。世博中心片狀折線玻璃的外墻設計,阻擋一部分直射的陽光,減少過多熱量進入室內。每片玻璃的縫隙還可以通過手動或電控令兩組窗扇上下開啟,形成有序的空氣對流。這些有機排列的玻璃折片,既可阻止強風,又能保持立面的完整。萬科館上大下小或上小下大的7個麥垛,組合在一起就會在展區內部形成“穿堂風”,加上圍繞在建筑周邊1000m2的水面,就可以在室外氣溫超過30℃和相對濕度超過70%的時候,依然保持建筑內部的涼爽舒適。

世博文化中心建筑的碟形外觀,立面簡潔,建筑體型系數為0.09。從設計體型上減少了空調的負荷與能耗,從而降低了整個建筑的能耗。其主體部分采用懸挑結構,實現外遮陽效果,下層圓弧表面形成自遮陽體系,在高溫季節可避免陽光直射,同時為玻璃屋頂的地下空間進行自然采光。文化中心采用了光電幕墻系統、江水源冷卻系統、氣動垃圾回收系統、空調凝結水與屋面雨水收集系統、程控綠地節水灌溉系統等多項環保節能技術。

日本館在展館弧形表面上有三個凹進去的可接受雨水循環利用的“鼻孔”,三個向外凸伸的能夠吸收陽光、吸取自然空氣的“觸角”,稱為循環呼吸柱。這項設計能夠強化冷暖空氣的流通,減少空調能耗,使得光、水、空氣等自然資源被最大限度地利用。日本館含有特殊涂層的膜結構上的小噴頭能噴灑一層流動的水膜,可以帶走展館大部分熱量。同時膜結構的外表形成的水膜,能使陽光照射進來,減少照明用電。

法國阿爾薩斯案例館水幕太陽能墻,從外到內包括3層:外層為太陽能電板,中層密閉艙,后層是水幕。冬天,陽光穿透太陽能電板,照進房間,陽光輻射加上光電板產生的熱量,預熱密閉艙內空氣,整個場館有如穿上了一層棉襖;夏天,密閉艙打開,散盡空氣,外層太陽能板在阻擋烈日的同時,還能發電驅動后層水幕加速流動,帶走熱量。這個水幕太陽能系統還能跟著太陽走,不斷調節角度,充分吸收日光。

3.2 節能環保技術的運用

地源熱泵技術、江水源熱能采集等等新技術的應用,將這一近年來剛剛起步的節能環保的新技術得以充分展現。德國館運用地源熱泵技術,從地下35m處抽取地下水,經過循環處理,夏送涼,冬遞暖。江水源熱泵機組總裝機容量為7.5萬kW,與空氣源熱泵相比可節省30%到40%的運行費用;整個建筑的制冷、供暖和電力,全部由太陽能、風能和地熱等清潔能源完成。這些建筑鄰近黃浦江,充分利用江水源循環降溫提高空調系統效率。在世博會空間最大的建筑世博軸中,巨大的空調系統全部不用電,而是利用黃浦江天然水源和地源提供全部空調能源,江水源熱泵和地源熱泵作為空調系統冷熱源可省去冷卻塔補充水,大幅度提高空調制冷效果。同時,江水和埋設在工程樁內的地埋管散熱器作為熱泵系統的高溫熱源或低溫熱源,可極大提高能源效率。利用江水源提供能源的空調系統不但節約了電能,而且建設成本低,具有廣闊的發展空間。

中國館的雨水收集系統可以將收集到的雨水進行綠化澆灌、道路沖洗等,冰蓄冷技術利用晚間電能制冰,白天釋放冷源,起到調節用電峰值的作用,大大降低了電能的使用,整個場館將比國家規范還節能近10%。

4 新技術的運用

4.1 采光及照明技術

LED全稱發光二極管,最早紅色,后有黃、綠,多用于信號指示,直到20世紀90年代藍光LED劃時代問世。利用熒光體與藍光LED的組合獲得白光,這是LED走上照明之路。這個新一代光源的優勢非常明顯,生產綠色,使用節能,被稱為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后的又一次飛躍。上海世博會上,LED廣泛出現在室內外照明、景觀裝飾、指示牌、信息顯示屏、演出布景等,整座世博園成為LED集中示范區。由世博軸、中國館、主題館、世博中心展示的 LED創新成果,對LED照明工程的起到示范推廣作用。節能LED燈具總量在6萬～8萬盞之間,所有景觀照明燈具的60%以上應用了節能技術新型半導體LED。

4.2 太陽能開發利用

主要場館的太陽能利用規模達4.6MW,其中主題館為整個亞洲單體太陽能使用之最,成為國內面積最大的太陽能光伏電池示范區。在上海世博園區,太陽能是使用量最大的綠色能源,中國館、世博中心、主題館等建筑都在屋頂、玻璃幕墻上安裝了太陽能電池組系統,并與建筑完美融為一體,年均發電可達408萬kWh。在標準輸出條件下,一天的發電量相當于150戶人家一個月的用電量[2]。

安裝在中國館屋頂的太陽能電池組系統,裝機容量約0.3MW,部分區域使用透光式電池組件,與整個屋頂藝術效果融為一體,設計新穎。除發電外,這些太陽能電池組還兼具隔熱和保溫功能。太陽能裝機總容量約2.8MW 的主題館,采用屋頂一體化太陽能電池組件替代部分屋頂材料,構成有規律的圖案,使主題館屋頂生動呈現出上海里弄的藝術效果;南市電廠作為世博會主題館之一的未來探索館,主廠房頂面和部分朝南的立面墻上都應用了太陽能發電系統,裝機總容量約0.5MW,以并網方式發電。

太陽能與建筑一體化是世博中心館的一大亮點。光伏電站發電效率的優化和建筑美學的統一,屋頂平面單晶硅光伏組件與綠化間隔布置,充分體現出太陽能綠色能源的含義。風力發電機也以動態雕塑的形態,在廣場上提供附加的能源。

意大利館生態氣候的策略,即在冬天利用太陽能輻射,而在夏天則利用自然的空氣氣流和水流降溫,熱風通過自動調節系統排除,可以降低內部建筑的溫度。控制輻射的同時,熱能又能集中在帶有光電集成模塊的透明玻璃上,可以充分節約電能。瑞士館在展館周圍鑲嵌了一萬個利用LED的閃爍發光器,這些發光器為直徑約20cm的紅色圓盤狀,內部配置了約4cm見方的硅系太陽能電池、充電電池,照射一定時間的太陽光后,LED就會閃爍發光。由于配置有電池,夜間也可利用電池存儲的電力繼續閃爍發光。江蘇館向日葵造型的太陽能裝置,由一塊塊太陽能電池板拼接而成,可隨著陽光旋轉,收集七色光譜聚集新能源。吸收的太陽能通過采光導入系統,就能夠轉化為電力發電。

5 結語

世博園中的建筑已成為當今世界上首批集中應用國際先進的太陽能、風能、LED照明、冰蓄冷、江水源、地源熱泵、可再生材料使用等節能新工藝的典范。由于國家鼓勵和扶持在新建建筑和既有建筑節能改造中采用太陽能、地熱能等可再生能源,其采用的光電幕墻系統、江水源冷卻系統、氣動垃圾回收系統、空調凝結水與屋面雨水收集系統、程控型綠地節水灌溉系統等多項節能系統必將成為我國未來建筑節能的發展方向[3]。Low-E低輻射節能玻璃、太陽能光伏發電、風力發電、主動式導光、自然通風、半導體照明、智能化集成平臺等多種技術,將成為一個展示未來建筑領域新能源、新技術、新理念的絕好平臺。

[1]胡紹等.我國建筑節能初探[J].商場現代化,2008(36):26～28.

[2]中華人民共和國國務院.民用建筑節能條例(第530號)[R].北京:中華人民共和國國務院,2008.