摘 要： 本文介紹了上海市生態(tài)建筑辦公樓集成運(yùn)用的節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)、自然通風(fēng)、新型空調(diào)和再生能源等多項(xiàng)建筑節(jié)能技術(shù)，采用DeST 和TAS 軟件對(duì)其全年的能耗進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，并分析了各種節(jié)能措施的節(jié)能效果，為節(jié)能方案的進(jìn)一步優(yōu)化和完善提供了可靠的依據(jù)。生態(tài)樓示范樓的建造將促進(jìn)各種先進(jìn)節(jié)能技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用和推廣。
關(guān)鍵詞： 生態(tài)建筑；節(jié)能技術(shù)；能耗模擬
隨著上海市城市建設(shè)的持續(xù)發(fā)展和人均GDP的增長(zhǎng)，人們對(duì)工作、生活的質(zhì)量和舒適性要求的不斷提高，致使建筑使用能耗在整個(gè)城市能源消耗中的比重逐年增大。從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略角度來看，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境已成為上海建設(shè)“生態(tài)型城市”的重要方面。因此針對(duì)現(xiàn)代化建筑，如何在改善生活質(zhì)量和保證工作效率的前提下，更為有效而科學(xué)的提高能源利用效率就成為目前各類建筑發(fā)展的主要目標(biāo)。正在建設(shè)中的上海市生態(tài)辦公示范樓（以下簡(jiǎn)稱“生態(tài)樓”），針對(duì)國(guó)內(nèi)外生態(tài)建筑發(fā)展現(xiàn)狀，通過大量生態(tài)建筑關(guān)鍵技術(shù)的集成研究、示范和推廣，建立具有上海特色的生態(tài)建筑集成技術(shù)體系。作為上海市科委重大攻關(guān)課題“生態(tài)建筑關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)集成”的主要內(nèi)容，該生態(tài)樣板樓將為生態(tài)建筑關(guān)鍵技術(shù)集成、測(cè)試、實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)提供科技平臺(tái)，并將成為上海生態(tài)建筑和技術(shù)的展示、教育和培訓(xùn)場(chǎng)所；同時(shí)結(jié)合上海經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和市場(chǎng)需求，通過推廣示范生態(tài)建筑適用技術(shù)體系，將整體提高上海生態(tài)建筑技術(shù)水平，為2010年世博園建設(shè)提供生態(tài)建筑技術(shù)支撐，推動(dòng)我國(guó)生態(tài)建筑領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步。
1 概述
生態(tài)樓坐落于上海市建筑科學(xué)研究院莘莊實(shí)驗(yàn)園區(qū)，占地面積904m2，建筑面積2000 m2，地上三層。按照使用功能進(jìn)行劃分，該樓西向?yàn)榄h(huán)境實(shí)驗(yàn)室，東向?yàn)檎故緟^(qū)和辦公用房，在東向中部設(shè)有中庭，中庭上部設(shè)計(jì)天窗，保證了建筑內(nèi)部的白天照明，建筑效果見圖1。為了盡可能的減少不可再生能源的消耗以及減少由此帶來的環(huán)境負(fù)面影響，并給生態(tài)樓的使用者提供健康、舒適、高效的工作環(huán)境，該樓分別從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、自然通風(fēng)、高效新型空調(diào)、太陽能利用、自動(dòng)控制等多個(gè)方面，采用了多種先進(jìn)的技術(shù)措施，終目標(biāo)是使該示范建筑的全年采暖和空調(diào)能耗降低到普通辦公建筑的1/4。為了驗(yàn)證采用多種節(jié)能后的節(jié)能效果，本文還采用了動(dòng)態(tài)能耗模擬分析軟件對(duì)生態(tài)辦公樓的全年能耗進(jìn)行了分析計(jì)算。
2 建筑節(jié)能措施
1. 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
生態(tài)樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)主要包括墻面、屋頂、門窗的保溫隔熱設(shè)計(jì)以及建筑外窗的遮陽設(shè)計(jì)。作為示范建筑，該生態(tài)樓在各向圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面又分別采用了多種不同的技術(shù)措施，以起到節(jié)能技術(shù)集成和示范的作用。
對(duì)外墻，參考?xì)W洲建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)該樓的不同朝向，分別采用了四種外墻外保溫體系，具體構(gòu)造見表1。生態(tài)辦公樓的屋面結(jié)構(gòu)包括平屋面和坡屋面，屋面的節(jié)能措施則分為兩種平屋面保溫體系和一種坡屋面保溫體系，此外平屋面均采用屋頂綠化技術(shù)，結(jié)合保溫材料和防水技術(shù)，達(dá)到了節(jié)能和改善頂部房間室內(nèi)熱環(huán)境的良好效果，同時(shí)有利于減弱建筑物的熱島效應(yīng)。對(duì)外窗，在提高保溫隔熱性能的同時(shí)，重點(diǎn)考慮其遮陽效果，對(duì)窗墻面積比比較大的南向外窗（達(dá)0.59）以及開窗面積較大的天窗（達(dá)100m2 以上）還采用了多種外遮陽措施，實(shí)現(xiàn)冬季大限度利用太陽能、夏季遮擋太陽輻射的作用，同時(shí)基本滿足了室內(nèi)的自然采光。
2. 自然通風(fēng)利用
從節(jié)能和舒適的角度考慮，應(yīng)優(yōu)先采用被動(dòng)方式，依靠自然手段來維持室內(nèi)的熱舒適環(huán)境。根據(jù)上海的氣候特點(diǎn)，完全可以在春秋過渡季節(jié)和夏季夜間，充分利用室外氣流，帶走室內(nèi)產(chǎn)出的余熱，保證室內(nèi)的熱舒適性，并縮短了空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的。
根據(jù)生態(tài)辦公樓本身和周圍環(huán)境以及氣候特點(diǎn)，利用熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)相結(jié)合的方式，通過運(yùn)用了CFD 模擬分析技術(shù)，確定并優(yōu)化室內(nèi)合理的氣流組織方式，以期實(shí)現(xiàn)有效的、可調(diào)節(jié)的自然通風(fēng)。在建筑北部頂端設(shè)計(jì)深色的玻璃“煙囪”，并在中庭內(nèi)開啟多處通風(fēng)通道，起到煙囪效應(yīng)；同時(shí)盡量使建筑位置沿夏季主導(dǎo)風(fēng)向進(jìn)行設(shè)計(jì)，在建筑外立面的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)的適當(dāng)部位開窗，起到通風(fēng)口的作用，增強(qiáng)室內(nèi)穿堂風(fēng)的冷卻效果。
3. 新型空調(diào)和太陽能利用技術(shù)
在上海地區(qū)，冬夏兩個(gè)空調(diào)季的室外相對(duì)濕度較大，因此要滿足室內(nèi)環(huán)境的舒適性、健康性要求，空調(diào)系統(tǒng)就必須對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行除濕處理。傳統(tǒng)的除濕方法基本上是冷凍除濕，即首先將空氣溫度降低到露點(diǎn)以下，除去空氣中的水分后再通過加熱將空氣處理到設(shè)計(jì)工況，由此使冷熱抵消，造成了能耗的浪費(fèi)。同時(shí)，為了達(dá)到除濕要求的低露點(diǎn)，要求制冷設(shè)備產(chǎn)生較低的溫度，設(shè)備的制冷效率較低，從而也導(dǎo)致了高能耗。此外，空調(diào)冷卻面、風(fēng)道又為霉菌的滋生提供了生存條件，易造成室內(nèi)空氣質(zhì)量的惡化。
為了避免上述情況的發(fā)生，生態(tài)辦公樓對(duì)新風(fēng)采用了熱濕獨(dú)立處理的方式，新風(fēng)通過帶全熱回收的新型液體除濕機(jī)組的除濕降溫處理過程，可以給室內(nèi)提供干燥的新風(fēng)，用來消除室內(nèi)濕負(fù)荷，滿足人員的新風(fēng)要求，從而有效的改善了室內(nèi)空氣品質(zhì)，提高了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能效比。而除濕系統(tǒng)的溶液再生可以通過高溫?zé)岜没蛱柲軣崴畞韺?shí)現(xiàn)。
生態(tài)樓還在屋頂上沿坡屋面方向架設(shè)了150m2 的太陽能集熱器供應(yīng)全樓熱水。冬季可利用太陽能用于地板采暖；夏季則采用太陽能熱水型吸附制冷機(jī)組和干盤管相結(jié)合的方式用于空氣顯熱負(fù)荷的處理；在春秋過渡季，可以利用太陽能對(duì)坡屋面頂部的斜通風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行加熱，增強(qiáng)了熱壓的“拔風(fēng)”作用。
3 節(jié)能效果分析
為了驗(yàn)證該生態(tài)樓采用各種節(jié)能措施后的節(jié)能效果，本文采用了兩種動(dòng)態(tài)建筑能耗模擬計(jì)算軟件：DeST 和TAS，對(duì)生態(tài)樓全年逐時(shí)的采暖和空調(diào)能耗進(jìn)行了模擬分析。計(jì)算中暫不考慮空調(diào)機(jī)組COP 提高所產(chǎn)生的節(jié)能效果。
關(guān)鍵詞： 生態(tài)建筑；節(jié)能技術(shù)；能耗模擬
隨著上海市城市建設(shè)的持續(xù)發(fā)展和人均GDP的增長(zhǎng)，人們對(duì)工作、生活的質(zhì)量和舒適性要求的不斷提高，致使建筑使用能耗在整個(gè)城市能源消耗中的比重逐年增大。從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略角度來看，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境已成為上海建設(shè)“生態(tài)型城市”的重要方面。因此針對(duì)現(xiàn)代化建筑，如何在改善生活質(zhì)量和保證工作效率的前提下，更為有效而科學(xué)的提高能源利用效率就成為目前各類建筑發(fā)展的主要目標(biāo)。正在建設(shè)中的上海市生態(tài)辦公示范樓（以下簡(jiǎn)稱“生態(tài)樓”），針對(duì)國(guó)內(nèi)外生態(tài)建筑發(fā)展現(xiàn)狀，通過大量生態(tài)建筑關(guān)鍵技術(shù)的集成研究、示范和推廣，建立具有上海特色的生態(tài)建筑集成技術(shù)體系。作為上海市科委重大攻關(guān)課題“生態(tài)建筑關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)集成”的主要內(nèi)容，該生態(tài)樣板樓將為生態(tài)建筑關(guān)鍵技術(shù)集成、測(cè)試、實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)提供科技平臺(tái)，并將成為上海生態(tài)建筑和技術(shù)的展示、教育和培訓(xùn)場(chǎng)所；同時(shí)結(jié)合上海經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和市場(chǎng)需求，通過推廣示范生態(tài)建筑適用技術(shù)體系，將整體提高上海生態(tài)建筑技術(shù)水平，為2010年世博園建設(shè)提供生態(tài)建筑技術(shù)支撐，推動(dòng)我國(guó)生態(tài)建筑領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步。
1 概述
生態(tài)樓坐落于上海市建筑科學(xué)研究院莘莊實(shí)驗(yàn)園區(qū)，占地面積904m2，建筑面積2000 m2，地上三層。按照使用功能進(jìn)行劃分，該樓西向?yàn)榄h(huán)境實(shí)驗(yàn)室，東向?yàn)檎故緟^(qū)和辦公用房，在東向中部設(shè)有中庭，中庭上部設(shè)計(jì)天窗，保證了建筑內(nèi)部的白天照明，建筑效果見圖1。為了盡可能的減少不可再生能源的消耗以及減少由此帶來的環(huán)境負(fù)面影響，并給生態(tài)樓的使用者提供健康、舒適、高效的工作環(huán)境，該樓分別從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、自然通風(fēng)、高效新型空調(diào)、太陽能利用、自動(dòng)控制等多個(gè)方面，采用了多種先進(jìn)的技術(shù)措施，終目標(biāo)是使該示范建筑的全年采暖和空調(diào)能耗降低到普通辦公建筑的1/4。為了驗(yàn)證采用多種節(jié)能后的節(jié)能效果，本文還采用了動(dòng)態(tài)能耗模擬分析軟件對(duì)生態(tài)辦公樓的全年能耗進(jìn)行了分析計(jì)算。
2 建筑節(jié)能措施
1. 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
生態(tài)樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)主要包括墻面、屋頂、門窗的保溫隔熱設(shè)計(jì)以及建筑外窗的遮陽設(shè)計(jì)。作為示范建筑，該生態(tài)樓在各向圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面又分別采用了多種不同的技術(shù)措施，以起到節(jié)能技術(shù)集成和示范的作用。
對(duì)外墻，參考?xì)W洲建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)該樓的不同朝向，分別采用了四種外墻外保溫體系，具體構(gòu)造見表1。生態(tài)辦公樓的屋面結(jié)構(gòu)包括平屋面和坡屋面，屋面的節(jié)能措施則分為兩種平屋面保溫體系和一種坡屋面保溫體系，此外平屋面均采用屋頂綠化技術(shù)，結(jié)合保溫材料和防水技術(shù)，達(dá)到了節(jié)能和改善頂部房間室內(nèi)熱環(huán)境的良好效果，同時(shí)有利于減弱建筑物的熱島效應(yīng)。對(duì)外窗，在提高保溫隔熱性能的同時(shí)，重點(diǎn)考慮其遮陽效果，對(duì)窗墻面積比比較大的南向外窗（達(dá)0.59）以及開窗面積較大的天窗（達(dá)100m2 以上）還采用了多種外遮陽措施，實(shí)現(xiàn)冬季大限度利用太陽能、夏季遮擋太陽輻射的作用，同時(shí)基本滿足了室內(nèi)的自然采光。
2. 自然通風(fēng)利用
從節(jié)能和舒適的角度考慮，應(yīng)優(yōu)先采用被動(dòng)方式，依靠自然手段來維持室內(nèi)的熱舒適環(huán)境。根據(jù)上海的氣候特點(diǎn)，完全可以在春秋過渡季節(jié)和夏季夜間，充分利用室外氣流，帶走室內(nèi)產(chǎn)出的余熱，保證室內(nèi)的熱舒適性，并縮短了空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的。
根據(jù)生態(tài)辦公樓本身和周圍環(huán)境以及氣候特點(diǎn)，利用熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)相結(jié)合的方式，通過運(yùn)用了CFD 模擬分析技術(shù)，確定并優(yōu)化室內(nèi)合理的氣流組織方式，以期實(shí)現(xiàn)有效的、可調(diào)節(jié)的自然通風(fēng)。在建筑北部頂端設(shè)計(jì)深色的玻璃“煙囪”，并在中庭內(nèi)開啟多處通風(fēng)通道，起到煙囪效應(yīng)；同時(shí)盡量使建筑位置沿夏季主導(dǎo)風(fēng)向進(jìn)行設(shè)計(jì)，在建筑外立面的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)的適當(dāng)部位開窗，起到通風(fēng)口的作用，增強(qiáng)室內(nèi)穿堂風(fēng)的冷卻效果。
3. 新型空調(diào)和太陽能利用技術(shù)
在上海地區(qū)，冬夏兩個(gè)空調(diào)季的室外相對(duì)濕度較大，因此要滿足室內(nèi)環(huán)境的舒適性、健康性要求，空調(diào)系統(tǒng)就必須對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行除濕處理。傳統(tǒng)的除濕方法基本上是冷凍除濕，即首先將空氣溫度降低到露點(diǎn)以下，除去空氣中的水分后再通過加熱將空氣處理到設(shè)計(jì)工況，由此使冷熱抵消，造成了能耗的浪費(fèi)。同時(shí)，為了達(dá)到除濕要求的低露點(diǎn)，要求制冷設(shè)備產(chǎn)生較低的溫度，設(shè)備的制冷效率較低，從而也導(dǎo)致了高能耗。此外，空調(diào)冷卻面、風(fēng)道又為霉菌的滋生提供了生存條件，易造成室內(nèi)空氣質(zhì)量的惡化。
為了避免上述情況的發(fā)生，生態(tài)辦公樓對(duì)新風(fēng)采用了熱濕獨(dú)立處理的方式，新風(fēng)通過帶全熱回收的新型液體除濕機(jī)組的除濕降溫處理過程，可以給室內(nèi)提供干燥的新風(fēng)，用來消除室內(nèi)濕負(fù)荷，滿足人員的新風(fēng)要求，從而有效的改善了室內(nèi)空氣品質(zhì)，提高了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能效比。而除濕系統(tǒng)的溶液再生可以通過高溫?zé)岜没蛱柲軣崴畞韺?shí)現(xiàn)。
生態(tài)樓還在屋頂上沿坡屋面方向架設(shè)了150m2 的太陽能集熱器供應(yīng)全樓熱水。冬季可利用太陽能用于地板采暖；夏季則采用太陽能熱水型吸附制冷機(jī)組和干盤管相結(jié)合的方式用于空氣顯熱負(fù)荷的處理；在春秋過渡季，可以利用太陽能對(duì)坡屋面頂部的斜通風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行加熱，增強(qiáng)了熱壓的“拔風(fēng)”作用。
3 節(jié)能效果分析
為了驗(yàn)證該生態(tài)樓采用各種節(jié)能措施后的節(jié)能效果，本文采用了兩種動(dòng)態(tài)建筑能耗模擬計(jì)算軟件：DeST 和TAS，對(duì)生態(tài)樓全年逐時(shí)的采暖和空調(diào)能耗進(jìn)行了模擬分析。計(jì)算中暫不考慮空調(diào)機(jī)組COP 提高所產(chǎn)生的節(jié)能效果。