海峡文化艺术中心绿色节能技术应用范文

摘要：本文以夏热冬暖地区三星绿色建筑---海峡文化艺术中心项目为例，分析探讨创建“三星绿色建筑”中所采用的适宜的、关键的节能技术体系，包括“室外微气候环境优化”、“围护结构热工性能优化”、“江水源热泵及其他主要绿色节能措施”，并着重指出绿色建筑节能关键技术应以运营管理的高度，立足于建筑定位，紧密结合气候特征、水文地质等基础条件进行选用。

关键词：夏热冬暖地区；三星绿色建筑；绿色节能关键技术；江水源热泵；围护结构热工性能优化

0、引言

众所周知，按照国家节能减排、实现可持续发展战略的要求，近十年来绿色建筑事业呈现蓬勃发展态势，一大批项目获得了各等级绿色建筑设计标识认证。项目投入运行中，使绿色技术措施可以按既定规划的绿色建筑设计目标运行，实现持续的经济效益和环境效益，显然是推行绿色建筑的初衷和核心要义。绿色建筑评价体系主体内容“四节一环保”中，“节能与能源利用”部分无疑与节能效益、环境效益关系最为密切，需要建设全过程中贯注理性和执着，尤其设计过程应面向绿色建筑运营管理高度，结合项目特点及气候特征，明确节能减排目标，合理选用“被动”和“主动”节能技术体系，实现能源高效合理利用，才能确保绿色节能规划目标的落地。下面以海峡文化艺术中心项目为例，分析探讨绿色建筑创建过程中节能技术的设计应用。

1、项目概况

海峡文化艺术中心位于福州市三江口南台岛东部的仓山区梁厝村，北临闽江，南临南江滨路，占地面积约160,000m2，建筑面积近150,000m2。项目建筑功能由五个单体（分别为艺术博物馆、影视中心、音乐厅、歌剧院、多功能戏剧厅），经由中央文化大厅跨梁厝河连接组成，外形似福州市花—茉莉花。本项目为省、市重点公共文化建筑，项目设计起始时间为2013年5月，计划竣工时间为2017年12月，按《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）三星级绿色建筑标准设计，该项目已列入2016年“住建部绿色建筑示范工程”。

2、气候及环境条件分析

福州市地处夏热冬暖地区、属亚热带季风气候。阳光充足，年平均日照时数为1700~1980h；雨水充沛，年平均降雨量为1300~1500mm，夏季受台风影响，极端强降雨情况较频繁[1]。年平均气温为20~25℃；最冷月1~2月，平均气温在10℃左右；最热月7~8月，平均气温为33~37℃；典型年的室外温度及焓值。空调供冷期较长，一般为5月~10月；供暖期较短，一般为12月~2月；空调供冷负荷约为供暖负荷的3~4倍；过渡季节较长，室外空气焓值在34～59kJ/kg范围内的总小时数超过2500h，集中在春秋两季。

2.2水文地质条件

项目建设地紧邻闽江，闽江水域的水量充足、水温水质适宜，如图5所示，夏季最高水温在28~29℃、冬季水温均高于10℃，可为空调系统提供良好的低位热源，本项目适宜采用江水源热泵空调系统[3][4]。本项目场地中原有天然的水系—梁厝河穿行而过，经闸口直通闽江，可有效地就地消纳场地的雨水、防止水涝。通过上述分析项目建筑功能概况、所在地的气候、水文地质等基础条件，遵循“被动优先、主动优化”原则，并结合绿色设计标准、建筑规模及功能、技术经济、项目运营规划目标等诸因素，确定采用了如下关键的绿色建筑节能技术体系。

3、建筑节能关键技术

3.1室外微气候环境优化

夏季及过渡季节利用场地内良好的自然通风条件，既能改善室外舒适度，也可以提高建筑节能效果；项目地处闽江南岸较空旷处，既要避免冬季室外风速过大产生不利的影响，又要保证夏季及过渡季能够有良好的通风。本项目的建筑群体布局采用南低北高、列式布置的方式，结合CFD模拟手段对体型、布局进行优化夏季室外风环境模拟优化后，在室外人行区域高度，除了在建筑凹角部分存在局部无风区外，其余室外区域的通风情况良好。场地内保留梁厝河从建筑群中穿行，借助水体微气候改善场地热湿环境，形成较为舒适宜人的室外场地微环境。冬季室外风环境最大风速为1.49m/s，不存在风速过大的区域，且室外风速放大系数小于1，具有较好的室外活动舒适性。

3.2围护结构节能技术

本项目地处夏热冬暖地区，且外立面采用了大面积的玻璃幕墙，围护结构冷负荷占到夏季冷负荷的25%以上。本项目建筑节能重点针对围护结构的热工性能、遮阳措施及通风条件三个方面进行优化。（1）屋面、外墙、玻璃幕墙均采用低导热系数围护结构，除了满足《公共建筑节能设计标准》的要求之外，还重点考虑提高了玻璃幕墙的遮阳、隔热性能，采用外层Low-E低透光双层玻璃，外玻内侧设置Low-E膜，整窗遮阳系数为0.34；双层玻璃中空隔热，传热系数仅2.8w/（m2×K）。（2）玻璃幕墙采用外遮阳措施，并采用计算机模拟分析优化。如图8、9所示，重点选取西向玻璃幕墙作为分析对象，对比不同外遮阳百叶角度下的辐射得热情况，最终采用45°陶瓷外遮阳百叶（构造如图10所示），辐射率为无遮阳情况的38%，辐射得热降低62%。（3）建筑物的玻璃幕墙可开启面积达到5%以上。如图11所示，在过渡季节开启相应的开启扇，即可利用自然通风的烟囱效应进行通风换气、排热除湿。

3.3屋顶绿化

本项目中央文化大厅屋面采用轻质屋顶绿化，下图12、图13为中央文化大厅局部屋顶绿化效果图与轻质容器式屋顶绿化模块。通过屋顶绿化可以有效地提高屋面的隔热性能，课题组选择一处架空屋面和一处屋顶绿化屋面进行隔热性能对比，采用“温度巡回检测系统”对相关温度、热流数据进行自动采集，测量采样数据间隔30min。实验选择夏季高温连续晴天进行测试，测试时屋内处于自然通风状态，同时测量架空屋和绿化屋面的隔热层下表面温度、屋顶内表面温度、室内温度和屋顶热流值。从检测结果如下表1，相比架空屋面，屋顶绿化具有更好的隔热性能。

4、建筑设备节能关键技术

空调系统是大型公共建筑的能耗大户，本项目在初期规划绿色建筑目标时，面向建设的全过程，面向绿色建筑运营管理的需求，通过多方科学分析论证后，确定系统的方案、设备选型、制定控制及运营策略。

4.1空调冷热源

考虑项目将来运营实际要求，本项目空调冷热源除了日常管理办公区域部分采用一拖多VRF空调系统，其余区域设置一大型集中空调系统。夏热冬暖地区大型公共建筑空调冷热源常用方案为“水冷机组+燃气锅炉”或“冷水机组+风冷热泵”组合方式，而本项目毗邻福州三江口南江滨，北边临近闽江流域，景观和生态环境要求比较高，由于冷却塔、锅炉或大容量的风冷热泵存在噪音、漂水、烟囱排放、视觉冲击等问题，在建设用地内难以设置。基于上述的建筑客观环境条件，并体现建筑绿色低碳环保理念，降低热岛环境效益，并通过经济技术的方案论证，本项目集中空调冷热源采用江水源热泵系统。汲取位于沿江上游5公理处的福州市东部新城商务办公中心区江水源热泵成功案例经验[3]，夏季供冷时源水进水最高温度29℃，比常规空调系统的冷却进水温度低4℃以上，冬季供热时源水进水温度高于10℃，较风冷热泵进风温度高5℃以上，系统类型采用江水经4级过滤装置后直接进机组的方式，省却了中间换热器和循环泵。冷热进出水温差采用6°C，机组容量配置采用3台离心式冷水机组、3台螺杆式热泵机组（其中1台带热回收功能），热回收的热水用于供应免费生活热水。空调冷热源性能参数参照表2。为了满足绿色建筑三星评分要求，综合考虑初投资增幅和运行节能的需求，本项目在江水源热泵主机性能选型上，COP取值较《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）的限定值基础上提高12%以上[5][6]。根据最终主机选型结果折算的COP较常规主机常规工况提高20%[5]以上；冬季供热期内的COP达到5.0kW/kW以上，大大超过常规热源风冷热泵的供热效率。室外源水取水构筑物有干式泵房和湿式泵井两种，已有福州东部新城商务中心和福建省科技馆采用湿式泵井。湿式泵井优势在于造价较低，但设备维护管理维护上比较困难。本项目经过综合考虑，并吸取已有的类似项目管理经验，采用泵房和取水井分开设置，取水井考虑便捷性的清淤技术措施。退水管分两路支管，一路接闽江下游排放，另外一路接区域内的梁厝河，作为干旱季节的补充用水。室外源水取退水管路布置示意如图13。

4.2大温差、分布式变频二级泵空调水输配系统

本项目采用江水源热泵系统集中供冷（热）的方式，各单体分布区域较广，冷热源机房与室内输配距离较大（最长环路1200m），且5个被服务单体之间存在较大的输配阻力差异（最大相差18.5m水柱），为了有效降低输配系统的能耗，空调水输配系统采用大温差、分布式变频二级泵系统，冬夏季供热、冷供回水温差为6℃，变频二级泵分布在各单体机房内，按需变频调节末端侧的空调循环水量。经计算空调冷（热）水系统的耗电输冷比EC(H)R-a均小于限值20%以上。

4.3空气热回收技术及免费供冷技术

本项目人员密集、新风量总量大，达到480000m3/h，且空调季节的室内外空气焓差较大，该部分空调冷负荷约为6080kW，热负荷约为2520kW。通过技术经济对比分析，末端侧空调风系统采用热回收技术。PAU新风机选用板翅式热回收，而对应各大空间AHU空调箱内设置转轮式热回收及过渡季节旁通装置，并配置对应的过渡季节及设计工况的排风系统。空气热回收焓效率大于65%，本项目采用空气热回收技术后，空调配置冷、热负荷分别降低约3000kW、1240kW。在空调机房的回风管处设置二氧化碳浓度监测感应器，以监测控制新风量，达到空调工况下变新风比运行；全空气系统设置了过渡季节全新风通路及切换阀门，充分利用温湿度皆宜的室外新风，尤其对那些在过渡季节或冬季有供冷需求的内区进行免费供冷，从而减少了空调主机的运行时间及运行能耗。

4.4高大空间气流模拟分析

本项目6个功能单体，主要功能区域皆为高大空间，空调气流组织形式除了戏剧院观众厅、中央大厅气流为中侧送、上集中回，其余为座位下送、下侧集中回为主，上部设置平时排风系统，排除上部高温高湿气体。在高大空间气流组织设计中，除了考虑气流组织有利于运行节能的要求，还注意满足人体的舒适要求，并利用CFD模拟技术对各大空间气流组织进行设计计算验证。4.5能耗模拟计算选用HDY恒绿建筑分析软件进行建筑全年能耗模拟，气象参数用福州城市的全年8760小时典型年气象参数，能耗模拟最终结果，设计系统年耗电9479919kWh，参考系统年耗电11835024kWh。本项目设计系统全年一次能源消耗量相当于参照系统的80.1%，满足国家《绿色建筑评价标准》GB50378-2014中第5.2.6条对空调通风系统能耗的要求----合理选择和优化供暖、通风与空调系统，经过模拟计算，通风与空调系统能耗降低幅度De=19.90%，大于15%，该条款得分满分。

5、小结

本项目绿色建筑按2014版的国标三星绿色建筑设计，与2006版的旧标准相比，实施难度有显著的提高。绿色节能关键技术的运用须立足于分析项目所在地建筑气候、水文特征及项目功能定位基础条件外，还须以建筑运营管理高度为先导，保证绿色建筑规划目标的落地。（1）绿色建筑技术节能设计关键应遵循“被动优先、主动优化”原则，结合项目所在地的气候、水文地质等条件进行优化选择，因地制宜，着重落实适宜建筑节能和建筑设备节能技术措施。（2）夏热冬暖地区绿色建筑节能应重点考虑“室外风环境优化”、“围护结构的隔热、遮阳及通风”、“过渡季节新风免费供冷”等节能被动技术的应用。（3）对于夏热冬暖地区大型公共绿色建筑而言，空调绿色节能技术应作为核心环节进行考虑。尤其是江水源热泵技术、空气热回收技术、新风免费供冷技术及变频输配技术等空调节能技术的应用，对建筑节能率的贡献显著。（4）夏热冬暖地区绿色建筑获得高星级（尤其是三星级）的得分难度较大。如《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）版对夏热冬暖地区的冷水机组COP限值本身就比其他地区更高，为了满足“提高与创新”章节加分项性能提高的要求，在此基础上还需提高12%以上更为困难。

参考文献

[1]林小红任福民刘爱鸣黄志刚.近46年福建台风降水的气候特征分析[J].2009年第十五届全国热带气旋科学讨论会，2009

[2]中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005

[3]肖剑仁.利用闽江水作水源热泵空调的关键技术与工程案例分析[J].2014年第全国暖通空调制冷学术年会论文集，2014

[4]欧阳恒王迪.福州市闽江水作为水源热泵系统的水源特性研究[J].给水排水，2017，（2）：84~89

[5]GB50189-2015，公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015

[6]GB/T50378-2014，绿色建筑评价标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2014

作者：陈华 单位：福州海峡文化艺术中心建设开发有限公司