綠色建筑節(jié)能技術應用研究
——以蘇州明鑫環(huán)保科技大樓為例

周吾波 何振宇 王 鵬 杜 瑞 劉鑫宇 李明柱

(吉林建筑大學，長春 130118)

綠色建筑節(jié)能技術應用研究
——以蘇州明鑫環(huán)保科技大樓為例

周吾波 何振宇 王 鵬 杜 瑞 劉鑫宇 李明柱

(吉林建筑大學，長春 130118)

節(jié)能技術在綠色建筑中發(fā)揮越來越重要的作用，本文在總結國內外綠建節(jié)能技術發(fā)展狀況的基礎上，以蘇州明鑫環(huán)保科技大樓為例，對建筑物光照、外圍護結構保溫性能以及全年負荷情況進行模擬，綜合分析科技大樓節(jié)能技術的應用效果，將理論與實際相結合，對各影響因素進行研究對比。提出了如何應用綠色建筑節(jié)能技術的建議，作為我國綠色建筑進一步發(fā)展的研究參考。

綠色建筑;主動節(jié)能技術;案例分析;性能模擬

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.05.17

引言

建筑能耗作為社會總能耗的的重要組成部分，在不同發(fā)展狀況的國家和地區(qū)所占的份額比重不同。據(jù)統(tǒng)計，全球有50%的能源用于建筑，建筑物產生了全球約60%的排放，是溫室氣體的主要排放源。我國建筑相關能耗已經超過工業(yè)成為社會第一能耗大戶，約占總能耗的47%[1]。隨著我國建筑體量的不斷擴大，建筑能源的消耗量越來越高，對環(huán)境的破壞規(guī)模也越來越大，建筑節(jié)能的重要性和緊迫性毋庸置疑。對此，加大對綠色建筑的投入是當前我國建筑業(yè)的發(fā)展趨勢，發(fā)展綠色建筑事業(yè)是推動我國節(jié)能減排，人與自然和諧發(fā)展的重大舉措。

1 綠色建筑的意義

我國綠色建筑評價標準對綠色建筑的定義是指在建筑的全生命周期內，最大限度地節(jié)約資源(能源、土地、節(jié)約用水、節(jié)約材料)，保護環(huán)境和減少污染，為安康、適用、高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。美國LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)評級系統(tǒng)旨在優(yōu)化利用自然資源，促進資源再生和恢復，最大限度的發(fā)揮現(xiàn)代建造工業(yè)給人類和環(huán)境帶來的各種積極因素，盡量減少消極影響，為居住者提供優(yōu)質舒適的生活環(huán)境。

綠色建筑能夠增加環(huán)境收益和經濟效益、而且可以提高居住者工作效率和居住舒適性與健康性[2]。在綠色建筑中應用節(jié)能技術，不僅有效的節(jié)約能源，更重要的是為人們提供了更好的生活品質。

近幾年我國建筑新技術不斷發(fā)展，技術不斷創(chuàng)新，將這些技術應用到各種特色的建筑上能夠降低建筑能耗。這些技術一般分為兩類，一類稱為被動式節(jié)能技術； 另一類稱為主動式節(jié)能技術。被動式節(jié)能技術一般是指通過對建筑的遮陽、保溫、氣密性、自然通風等方面進行合理的節(jié)能優(yōu)化設計，從而減低建筑總體能耗。主動式節(jié)能技術是指通過對機電系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設計以及高效節(jié)能材料的選擇，進而提高建筑設備的運行效率。

目前我國建筑在應用節(jié)能技術方面，大部分設計師只考慮被動式技術。然而，被動式節(jié)能基本只能做到屋面保溫、外墻保溫、外窗保溫，在保證室內環(huán)境舒適的情況前提下，只能達到部分節(jié)能減排的目的。在被動式技術不能滿足建筑節(jié)能要求的時候，需要主動式節(jié)能設備作為輔助手段進行優(yōu)化。

2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

表1 建筑外圍護結構熱工參數(shù)

各層材料名稱厚度(mm)導熱系數(shù)λ[W/m·K]蓄熱系數(shù)S[W/(m2·K)]熱阻值R[(m2·K)/W]熱惰性指標D=R·S加氣混凝土砌塊2000.223.6010.903.273硬質礦(巖)棉板450.0500.5901.0000.590水泥砂漿200.93011.3060.0220.243墻體主體傳熱熱阻R0[m2·K/W]}1.602墻主體傳熱系數(shù)K[W/m2·K]0.624太陽輻射吸收率0.5標準要求K≤1.5是否符合標準要求符合

我國建筑發(fā)展規(guī)模始終保持大幅度增長趨勢，截止到2015年，全國公評出3979項綠色建筑評價標識項目[3]，LEED認證項目達到2022項[4]。江億院士認為“發(fā)展和推廣節(jié)能技術是實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要途徑，但是不同的氣候、不同的功能、不同的使用模式和需求需要不同的節(jié)能技術”[5]。這對我國綠建技術發(fā)展具有重要的指導意義。西安建筑科技大學宋琪教授的研究闡述了被動式住宅的發(fā)展現(xiàn)狀，強調了被動式節(jié)能建筑技術在建筑圍護結構中的常規(guī)技術措施，從保溫隔熱層的性能、材料特性及施工到節(jié)能窗戶、電氣系統(tǒng)設計等方面的重要作用[6]。西安建筑科技大學楊柳的研究，通過綜合研究建筑一體化遮陽、自然采光、自然通風與能耗的關系，得出被動式節(jié)能技術的適用性及節(jié)能潛力，為將來綠色超高層被動式措施的采用提供一定的方法和思路[7]。清華大學張寅平教授的研究，提出一種主動式建筑理想節(jié)能機械通風策略的確定方法。結果表明，優(yōu)化后，北京夏季典型日和極端日總能耗分別減小22%及33%，典型日峰值冷負荷減少20.9%，制冷設備開啟時間減少約9 h[8]。還有一些研究者通過BIM精化設計，使用數(shù)字模擬軟件進行模擬分析，根據(jù)模擬結果來優(yōu)化方案，提升設計質量，使建筑立體化[9]。由于我國大部分綠色建筑的案例分析只是停留在研究被動式建筑、主動式技術、數(shù)字模擬等某一方面上，并且沒有結合相關的實際工程案例，使其分析研究得出的結果不夠全面。因此我們綜合各個結果分析，結合實際工程項目，利用數(shù)字模擬等系列軟件，從高效的建筑外圍護結構、高效能空調設備、高效智能照明等不同的方面進行能耗、采光、通風模擬，使綠色建筑更加科學性和立體化，為未來高效的綠色建筑發(fā)展提供研究參考。

本文介紹的蘇州明鑫環(huán)保科技大樓，便是一個對江南地區(qū)適宜的被動式節(jié)能環(huán)保技術與主動式機電技術方面相結合，綜合建筑功能和業(yè)主使用需求，遵循“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化”的原則，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保設計理念目標，達到了三星級綠色建筑標準的項目。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

蘇州明鑫環(huán)保科技大樓位于蘇州市中新工業(yè)園區(qū)，北臨陽澄湖大道，南臨婁陽路，東、西兩側為預留空地。本項目總用地面積為15 225.5m2，總建筑面積為48 113.88 m2(地上建筑面積為38 045.50 m2，地下建筑面積為10 068.38 m2)，容積率為2.5，建筑密度32.2%，綠地率30.1%。蘇州明鑫環(huán)保科技大樓包括地下1層、地上8層，建筑高度為39.7 m，地下1層為機動車庫，非機動車庫及設備用房，地上主要為辦公功能空間。

3.2 綠色技術創(chuàng)新點

3.2.1 外圍護結構墻體節(jié)能設計

項目位于夏熱冬冷地區(qū)，外墻采用硬質礦(巖)棉板+氣混凝土砌塊保溫體系，屋面采用增強纖維復合防火保溫板進行保溫。本文以公共建筑節(jié)能規(guī)范標準為基準，與該項目外圍護結構傳熱系數(shù)進行比較，具體熱工參數(shù)如表1所示。

建筑熱需求、熱損失及內部得熱量通過能耗分析軟件計算得出，本文采用軟件進行全年負荷模擬計算，具體模擬結果如下圖所示。

圖1 圍護結構得熱情況

圖2 傳統(tǒng)圍護結構熱負荷情況

圖3 節(jié)能圍護結構熱負荷情況

通過圖2和圖3對比可知，節(jié)能圍護結構的保溫效果更為明顯，建筑各部分圍護結構均做了節(jié)能設計，對建筑的節(jié)能綜合指標計算的結果顯示設計建筑的全年能耗小于參照建筑的全年能耗，得出節(jié)能率為60.84%。

3.2.2 日照及采光優(yōu)化設計

本項目東西兩側均為預留空地，對周邊建筑不會產生日照遮擋，不會對周圍居住建筑產生光污染。外窗采用斷熱鋁合金6mm透明+12空氣+6mm中空玻璃，傳熱系數(shù)2.2W/m2·K，自身遮陽系數(shù)0.4。建筑整體主要功能空間約有62.62%的采光系數(shù)達到2%Cmin，設置1個采光天窗和16個導光筒向地下室引入自然光，使地下一層車庫約有34.31%的空間達到0.5%Cmin，有效地改善了地下一層的采光效果。本文使用軟件對建筑四層某房間進行采光模擬分析，模擬情況如圖4所示。

圖4 采光情況

從模擬分析可以看出，區(qū)域采光效果良好，充分改善了室內自然采光環(huán)境，為創(chuàng)造辦公舒適環(huán)境提供了保障。

3.2.3 可調節(jié)外遮陽百葉優(yōu)化設計

項目綜合考慮遮陽效果和造價成本，通過不同時段的遮陽分析，本項目在南向立面的6、7層設置電動控制活動百葉外遮陽，其余3-7層外立面都設置的固定百葉外遮陽，如下表2所示。中空玻璃百葉的綜合遮陽系數(shù)為0.41，符合綠標規(guī)范，有效控制太陽輻射的進入，增加對光線照度的控制，保證建筑的節(jié)能效果。

表2 固定百葉遮陽參數(shù)

東向南向西向北向外窗外窗類型鋁合金外窗玻璃品種Low-E中空玻璃玻璃遮陽系數(shù)0.53窗遮陽系數(shù)0.4水平遮陽系數(shù)0.8750.8530.8350.873綜合遮陽系數(shù)0.41傳熱系數(shù)K[W/m2·K]4.50

3.2.4 可再生能源利用

太陽能屬于可再生能源，具有明顯的環(huán)保效益。太陽能可以為作為免費熱源，具有顯著的經濟效益。本項目選用太陽能熱水系統(tǒng)，采用集中供熱-集中儲熱的系統(tǒng)形式，輔助熱源為空氣能熱泵系統(tǒng)，經過逐月平衡分析可知，本項目每年可利用的太陽能熱水產量為4 347.2 m3，總熱水需求為4 872.8m3/a，可再生能源熱水比例為4 347.2/4 872.8=89.2%。下表3反應的是太陽能系統(tǒng)效益分析的情況。

表3 太陽能系統(tǒng)經濟效益分析

設備組數(shù)熱水產量(m3)節(jié)約能量(KW·h)節(jié)省費用(萬元)投資回收期(年)CO2減排量(噸)集熱器364247.2113914.2219.58.73769.6

3.2.5 空調設備和系統(tǒng)

(1)高效能設備

本項目冷源采用兩臺水冷離心式冷水機組，單臺制冷量為2 110kW，其中一臺為變頻式離心冷水機組，制冷COP為5.275； 熱源采用兩臺燃氣型冷凝真空熱水機組，單臺供熱量為1 745kW，額定熱回收率為97.3%。機組的部分綜合性能系數(shù)為6.28。具體參數(shù)對比情況如表4所示。

表4 冷源機組參數(shù)對比分析

設備臺數(shù)單臺制冷量(kw)性能系數(shù)(w/w)公共建筑節(jié)能設計標準水冷離心式機組1>11634.2本項目所采用的方案水冷離心式冷水機組121105.275變頻式離心冷水機組121105.275

(2)排風熱回收

本項目為辦公建筑，室內空調系統(tǒng)采用獨立送新風的形式，由新風系統(tǒng)承擔室內的濕負荷，采用排風熱回收式新風機組可以有效節(jié)約新風處理能量。項目設置9臺熱回收式新風機組，熱回收效率均在60%以上。通過熱回收經濟性分析，本項目總新風量為97 750m3/h，每天運行10h計算，全年節(jié)省電費146 027.63元，投資回收期4.68年。表5為空調系統(tǒng)經濟效益分析表。

表5 空調系統(tǒng)經濟效益分析

設備臺數(shù)熱回收率節(jié)能電費(元)投資回收期(年)熱回收新風機組9≥60146027.634.68

本項目熱回收技術利用技術是對建筑里集聚的熱空氣進行回收，采用燃氣型冷凝真空熱水機組和熱回收式新風機組，可以減少自然資源的使用，有效降低成本，具有顯著的經濟效益。變頻式離心冷水機組可自主調節(jié)控制壓縮機的輸出負荷，優(yōu)化壓縮機的做工能量，降低無用功的比例，可以減少用電量，從而達到節(jié)能的效果。

3.2.6 節(jié)能高效照明

本項目地下車庫、排煙機房、電梯前室采用T8節(jié)能型熒光燈，辦公區(qū)、電信房、消防控制室、設備用房、走道采用T5節(jié)能型熒光燈。T5節(jié)能燈采用電子鎮(zhèn)流器，T8節(jié)能燈采用節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器，燈具效率大于0.75，補償后的功率因數(shù)大于0.9，采用吸頂安裝方式。走道部分燈具采用聲光感應控制方式，其余地方采用就地控制方式。公共照明及其他公共用電設備單獨設置計量表，實現(xiàn)有效節(jié)能。

4 總結

4.1 技術總結

該項目與傳統(tǒng)建筑從技術的先進性方面進行對比。在被動式技術方面，外圍護結構通過使用新型保溫材料，提升了屋面保溫、通風、采光等方面的性能，大大降低空調和室內照明能耗。該項目的全年能耗小于傳統(tǒng)建筑的全年能耗，節(jié)能率為60.84%； 在主動式技術的方面，通過太陽能熱水系統(tǒng)、空氣能熱泵系統(tǒng)、排風熱回收等技術，使用高新設備，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保目標。

4.2 經濟效益總結

該項目與傳統(tǒng)建筑從綜合經濟效益方面進行分析對比。充分利用可再生能源，使項目在壽命周期內節(jié)省費用194 981.32元； 采用高效的空調設備，提高了環(huán)境的舒適性與設備的運行效率，節(jié)省電費146 027.63元。

4.3 綜合評價

本文以蘇州明鑫環(huán)保科技大樓項目為依托，具體分析了科技大樓應用的節(jié)能技術，總結出綠色建筑節(jié)能技術應用要點：

1)應以被動式建筑為主，主動式手段為輔;

2)選擇相適應的節(jié)能技術，減少綠建增量成本;

3)進行數(shù)字化模擬分析，使綠色建筑更加科學性和立體化，提高建筑節(jié)能的效果。

[1]熊信福. 綠色低碳建筑發(fā)展的研究[J].綠色建筑， 2016(4).

[2]卜增文，劉俊躍. (2005)實現(xiàn)綠色建筑暖通空調設計的技術措施[J].制冷與空調(北京)， 2004, 4(1): 7-9.

[3] 《工程建設與設計》編輯部. 綠色建筑發(fā)展：收獲2015，展望2016[J].《工程建設與設計》， 2016(8)： 5-5.

[4]辛聞. 中國位列LEED綠色建筑認證排行榜第二位[N].中國網(wǎng)， 2015.07.23.

[5]王芳， 曲華敏.發(fā)展綠色建筑勿盲目“崇洋”—訪中國工程院院士江億[J].經濟， 2015(5)： 115-117.

[6]宋琪， 楊柳，印保剛.為適應氣候而建造：被動式建筑[J].華中建筑.， 2014(4)： 11-15.

[7]楊柳， 楊晶晶，宋冰，朱新榮.被動式超低能耗建筑設計基礎與應用[J].科學通報， 2015(18)： 1698-1710.

[8]程瑞， 王馨，張寅平.主動式建筑理想節(jié)能通風策略確定方法[J].工程熱物理學報， 2013(5)： 935-937.

[9]周吾波， 徐嘉佑，孫堂宇，李明柱，李明照，韓言鋒.基于BIM理念的綠色建筑新思維[J].土木建筑工程信息技術， 2016， (03).

Application Analysis of Green Building Energy Saving Technology——Taking Suzhou Mingxin Environmental Science and Technology Building as A Case

Zhou Wubo， He Zhenyu， Wang Peng， Du Rui， Liu Xinyu， Li Mingzhu

(JilinJianzhuUniversity，Changchun130118,China)

Energy saving technology is playing an increasingly important role in green building.This paper summarizes the development of green building energy-saving technology at home and abroad.Based on the case of Suzhou Mingxin Environmental Science and Technology Building，uses digital simulation software for light insulation，insulation performance of exterior，annual load situation.The paper analyzes the application effect of energy saving technology in this case，combines the theory with case，compares the influencing factors，and puts forward suggestions to improve the indoor health environment，which is the reference for the further development of green building in China.

Green Building； Energy-saving； Case Analysis； Building Physical Simulation

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助(編號：201610191127)

周吾波(1995-)，男，吉林建筑大學建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)工程管理雙學士學位，LEED AP BD+C。主要從事BIM、FM、綠色建筑相關研究。

TU201.5

A

1674-7461(2016)05-0090-05