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海峡文化艺术中心绿色节能技术应用

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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19届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

海峡科学杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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