0 引言

我國建筑總能耗約占社會總能耗的20.7%，其中，面積占比僅為15.0%的公共建筑用能占全部建筑能耗的28.3%，而在公共建筑中，大型公共建筑面積占比僅為8.3%，但用能占比卻達28.0%[1]。大型公共建筑的節(jié)能降耗對我國的節(jié)能事業(yè)具有重要意義。

我國綠色建筑標準已更新到第3版，綠色建筑理念已逐漸滲透到建筑行業(yè)的各個領(lǐng)域。對于建筑設(shè)計行業(yè)來說，尋找適合綠色建筑的新設(shè)計理念和方法將成為行業(yè)競爭的發(fā)展方向。

本文以深圳國際會展中心項目為例，探討以舒適和高效為最終目的，以節(jié)能為導向的建筑整合化設(shè)計方法，注重技術(shù)的應用，從工程實際出發(fā)闡述性能化分析技術(shù)與被動式建筑設(shè)計技術(shù)的融合，優(yōu)化傳統(tǒng)設(shè)計流程，提升設(shè)計品質(zhì)，適應綠色建筑的發(fā)展。

1 項目概況

項目位于深圳，占地約125萬m2，集展覽、會議、商務、餐飲、娛樂、體育等多種功能為一體，總建筑面積約154萬m2，包括16個2萬m2的標準展廳、2個2萬m2的多功能展廳、1個5.3萬m2的超大展廳及2個6.6萬m2的登錄大廳，見圖1。

注：C1～C4、C6～C9、A1～A4、A6～A9 為標準展廳；C11、C12 為多功能展廳；A11 為超大展廳；A5、C5為南登錄大廳；A10、C10為北登錄大廳。圖1 項目展廳分布

2 技術(shù)路線

會展類建筑具有體量大、功能復雜、人流密集、建筑用能負荷變化大的特點。該項目以節(jié)能為導向進行建筑整合設(shè)計，將可持續(xù)設(shè)計理念融入建筑設(shè)計中，并對目標進行細化和分解，基于建筑的地域和氣候特點，在建筑的平面布局、空間形體、圍護結(jié)構(gòu)、機電系統(tǒng)等各個設(shè)計環(huán)節(jié)中，采用恰當?shù)慕ㄖ?jié)能技術(shù)措施。

實現(xiàn)提高建筑能源利用率、降低建筑能耗、提高空間舒適度的整體目標涉及到建筑設(shè)計方面的多個要素。分析建筑設(shè)計的各要素，考慮各要素之間的相互關(guān)系并理清相關(guān)性，優(yōu)化設(shè)計并融合建筑與各項節(jié)能技術(shù)措施，是系統(tǒng)性地解決建筑綜合節(jié)能的關(guān)鍵。

建立以目標為導向的全過程技術(shù)控制策略。根據(jù)該項目的各項目標，如：綠色建筑、物理環(huán)境優(yōu)化、水資源高效利用、綜合節(jié)能等，將目標按照技術(shù)要求及建筑組團層面分解到各個專業(yè)，并通過專項任務書進一步落實到單體的施工圖設(shè)計。初步設(shè)計及施工圖設(shè)計階段通過外部及內(nèi)部專家審查確保設(shè)計質(zhì)量，并進行施工階段的專項施工方案落實；竣工驗收階段通過單項驗收及綜合性能驗收保證項目最終完美呈現(xiàn)；最后，通過后評估及運行策略優(yōu)化確保項目長久良好運營。具體流程見圖2。

該項目于2019年獲得國家綠色建筑二星級標識、英國BREEAM三星級標識、美國LEED金級標識。

該項目綜合利用多項業(yè)界領(lǐng)先的綠色技術(shù)，測算得年節(jié)約用電2 630萬kW·h，年節(jié)約用水42萬t，年減少碳排放1.3萬t，相當于節(jié)約標準煤3 300 t。

采用的綠色技術(shù)(節(jié)選)如表1所示。限于篇幅，本文僅對部分技術(shù)進行介紹。

表1 采用的綠色技術(shù)(節(jié)選)

2.1 圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計

根據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2008》，太陽輻射透過外窗進入室內(nèi)的熱量占夏季冷負荷的1/3，其余熱量為：1) 室內(nèi)發(fā)熱量和通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量；2) 通風系統(tǒng)的傳熱量。在夏熱冬暖地區(qū)，外遮陽系統(tǒng)對于降低冷負荷顯得至關(guān)重要。

通過設(shè)置遮陽系統(tǒng)，可以有效降低室內(nèi)太陽輻射得熱，東西向遮陽優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。

無屋頂遮陽時，全年累計太陽輻射得熱量東立面為537.87 kW·h/m2，西立面為575.34 kW·h/m2；有屋頂遮陽時，全年累計太陽輻射得熱量東立面為151.42 kW·h/m2，西立面為260.88 kW·h/m2；有遮陽與無遮陽相比，太陽得熱量東立面下降71.85%，西立面下降54.66%。設(shè)置遮陽對于降低室內(nèi)太陽輻射得熱量非常必要。

此外，該項目南北向進深較小，東西向進深較大。為兼顧遮陽及采光要求，根據(jù)遮陽系統(tǒng)所處的位置及環(huán)境進行了優(yōu)化，西立面、南立面采光優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

遮陽系統(tǒng)透光率為0時，西立面和南立面的太陽輻射得熱量分別為260.882、153.351 kW·h/m2；透光率為15%時，西立面和南立面的太陽輻射得熱量分別為298.533、158.895 kW·h/m2；2種透光率下，西立面和南立面的太陽輻射得熱量分別相差15%、3%。

根據(jù)圖4優(yōu)化結(jié)果，該項目選擇在東、西側(cè)采用不透光水平遮陽，南側(cè)采用透光率為15%的水平遮陽。

綜合考慮外窗熱工及屋頂隔熱等節(jié)能措施，該項目綜合負荷降低達12.66%(基于深圳市強制節(jié)能標準)，經(jīng)測算，僅此一項措施年可節(jié)電約440萬kW·h。

2.2 室內(nèi)自然采光與照明設(shè)計

會展建筑因室內(nèi)布展的需求不同，需要設(shè)置不同的室內(nèi)光環(huán)境。既往項目往往采用人工照明解決這一問題，既不符合在室人員健康需求，也不節(jié)能。有研究表明，如果未能正常感受自然光線，人體內(nèi)的節(jié)律鐘可能受到干擾甚至偏離正常節(jié)律，從而導致睡眠障礙[1]。

該項目采用自然光和人工照明結(jié)合的方式進行室內(nèi)照明，根據(jù)室外自然光全天的變化情況，制定室內(nèi)的照明策略，標準展廳室內(nèi)照度模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 標準展廳室內(nèi)照度模擬結(jié)果

結(jié)合室內(nèi)自然采光的效果，制定室內(nèi)照明控制策略，如圖6所示。

注：該控制策略適用于展廳C12北側(cè)，C11南側(cè)，A11、A12南側(cè)及北側(cè)，A9、C9北側(cè)，A6、C6南側(cè)，A4、C4北側(cè)，A1、C1南側(cè)。圖6 室內(nèi)照明控制策略

項目采用智能燈光管理系統(tǒng)實現(xiàn)燈的啟動與關(guān)閉，應用多種燈具調(diào)光技術(shù)對不同電氣特性與光照特性的燈具進行調(diào)光控制。依據(jù)展館內(nèi)的照明需求，使用高效LED燈具結(jié)合DALI單燈調(diào)光技術(shù)對展廳照明進行控制，最大化利用自然光照明，合理調(diào)節(jié)人工照明的啟閉與亮度。

除智能控制之外，為最大化節(jié)能，該項目在展廳非精裝區(qū)域均采用高效LED燈具，共設(shè)置燈具約4 200盞，功率共計約1 000 kW。與傳統(tǒng)90 lm/W的LED燈具相比，高效LED燈具光通量可達142 lm/W，壽命長達5萬h以上，相對節(jié)約電能75%，累計年減少用電151.9萬kW·h。

2.3 過渡空間的降溫設(shè)計

大型建筑中往往存在較多過渡空間，這些空間雖非辦公場所，但卻是人經(jīng)?；顒拥膮^(qū)域。該項目設(shè)有一條貫穿南北的連廊，總長度1.7 km。建成后，該區(qū)域?qū)⒊蔀楦鱾€展廳之間的連接場所。但由于場地限制等其他原因，該區(qū)域無法安裝空調(diào)，故提出采用加強機械通風緩解該區(qū)域的熱環(huán)境。為驗證機械通風對熱環(huán)境的改善作用，進行相關(guān)分析如下。

1) 分析標準。

相對于常規(guī)的非人工環(huán)境，該項目的連廊屬于人員快速通過的區(qū)域，非長久停留區(qū)域。本文探討的是人員短暫停留區(qū)域的熱舒適問題，故參照GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》[2]進行分析，該標準引入APMV指標對非人工冷熱源下的熱濕環(huán)境進行評價，其定義為

(1)

式中λ為修正系數(shù)，PMV≥0時取0.21，PMV<0時取-0.49。

評價等級對應的APMV見表2。

表2 評價等級對應的APMV

該項目也參考了美國ASHRAE 55-2013[3]標準的相關(guān)要求，該標準采用PMV作為熱舒適度的評價指標。

PMV是評價人體熱反應的指標。在非空調(diào)環(huán)境下，人的熱舒適反應與傳統(tǒng)的適用于穩(wěn)態(tài)空調(diào)環(huán)境的PMV指標預測值存在一定偏差，F(xiàn)anger教授提出了在溫暖氣候條件下非空調(diào)房間PMV修正模型，引入了一個值為0.5～1.0的心理期望因子e來修正當量穩(wěn)態(tài)空調(diào)條件下計算出來的PMV，即PMV′=ePMV。

根據(jù)深圳的氣候特點，e的取值為0.9。

根據(jù)ASHRAE 55-2013可知，適宜長時間停留的體感溫度上限為31.5 ℃，對應PMV=0.9。

2) 模擬分析。

限于篇幅，本文僅對連廊部分的自然通風+機械通風工況進行描述。為進一步增強通風對熱舒適度的改善作用，比較自然通風+機械通風與純自然通風的差異，從而找到利用自然通風的極限條件。圖7顯示了PMV及APMV的模擬結(jié)果。

圖7 PMV及APMV模擬結(jié)果

通過分析可知，當室外天氣晴朗、溫度達到29 ℃時，利用風道加強空氣流動，可以使得風道周邊人行高度處的APMV位于0.9～1.1之間，PMV位于1.0～1.2之間。按照我國GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》評價，已達到Ⅱ類標準的上限；按照ASHRAE 55-2013標準評價，PMV指標略高，但仍在可容忍范圍內(nèi)，已基本達到人員長時間活動的極限舒適度。

圖8顯示了室內(nèi)溫度及風速模擬結(jié)果。由圖8可見，風管下方多數(shù)人員活動區(qū)域溫度介于30～31 ℃，風速介于1.0～4.5 m/s，可以滿足日常的人員活動需求(再增加機械送風會導致風速超過人體舒適上限)。

圖8 室內(nèi)溫度及風速模擬結(jié)果

圖9、10分別顯示了4—10月09:00—17:00的逐時溫度和相對濕度。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，4—10月09：00—17:00溫度<29 ℃、空氣相對濕度<70%的時長共353 h，占比為18.32%。

圖9 4—10月09:00—17:00逐時溫度分布

圖10 4—10月09:00—17:00逐時相對濕度分布

由于空氣流動加強，人體在室外對相對濕度的敏感度有所降低[4]。若放寬相對濕度上限至80%，采用機械通風則有望解決41.40%時段的熱環(huán)境問題?？梢姍C械通風可以改善區(qū)域熱環(huán)境。

2.4 建筑中能量傳遞和機電設(shè)計的有機整合

將建筑與其使用功能融合，是建筑機電系統(tǒng)設(shè)計的首要任務，也是降低建筑能耗的主要保障。會展建筑不同于常規(guī)辦公建筑，其功能更復雜。會展建筑空間布局上高度不高、底面積較大，因此圍護結(jié)構(gòu)得熱負荷大，受季節(jié)影響較大，從而導致空調(diào)負荷全年峰谷差異較大。該項目預計將有10年的培育期，期間展館的使用率將穩(wěn)步上升?？照{(diào)負荷受展館使用率的影響較為顯著。故從運營經(jīng)濟性的角度考慮，應努力使空調(diào)系統(tǒng)高效運行在各個負荷段，從而適應不同情境模式的運行需求。

在前期策劃階段，通過分析不同使用場景組合下的全年逐時負荷特性(見圖11)，為項目機組選型提供參考?？紤]到建筑平面布置、后期運營管理的便捷性，該項目從南到北設(shè)置5個制冷站，提高空調(diào)系統(tǒng)在小型展覽期間的能效，減少空調(diào)系統(tǒng)輸送距離，降低輸送能耗。其中1#、3#、4#制冷站(各制冷站制冷量均為22 172 kW)為標準展廳供冷，2#、5#制冷站(各制冷站制冷量均為31 672 kW)為標準展廳及登錄大廳供冷，該項目的制冷站分布見圖1。

圖12顯示了2個標準展廳全年的冷負荷區(qū)間分布。由圖12可以看出，標準展廳的負荷介于30%～70%總負荷的占比最高，累計占比達到48.34%。

圖11 不同組合下的全年負荷

圖12 2個標準展廳全年冷負荷區(qū)間分布

因此該項目為普通制冷站(即1#、3#、4#制冷站)配備了三大(5 627 kW/臺)一小(2 813 kW)的冷源機組，為蓄冷制冷站(即2#、5#制冷站)配備了三大(6 330 kW/臺)一小(3 165 kW)的冷源機組。

以未設(shè)蓄冷的3#制冷站為例，在只供應2個標準展廳的情況下，其最低負荷段對應的冷負荷為1 270.2 kW，1臺2 813 kW的離心式冷水機組(變頻)可處于較高效運行狀態(tài)，如圖13所示。

圖13 制冷量為2 813 kW冷水機組COP曲線

通過圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化、機電系統(tǒng)整合及運營策略調(diào)節(jié)，項目實現(xiàn)了較大幅度節(jié)能降耗。eQUEST軟件8 760 h動態(tài)模擬結(jié)果顯示，該項目年平均綜合能耗約為70.98 kW·h/m2，為深圳市公共建筑能耗定額[5]所規(guī)定的A類一般購物中心(最為接近的業(yè)態(tài))引導值的70%；相較于美國大型會展類建筑的151.84 kW·h/m2(綜合底特律、丹佛、芝加哥、麥考密克展覽中心的運營能耗得到)降低幅度約為53.25%。

3 結(jié)語

深圳國際會展中心是亞太地區(qū)首個達到國家二星級、美國LEED金級、英國BREEAM三星級的會展類建筑，也是目前世界上單體面積最大的建筑，面臨多種展覽需求，存在各種設(shè)計矛盾。筆者力求通過可持續(xù)的綠色設(shè)計理念，探索一種適合氣候特征和建筑特點的設(shè)計方法，解決圍護結(jié)構(gòu)、室內(nèi)采光、過渡空間、機電設(shè)備等方面的矛盾關(guān)系，具體表現(xiàn)在：1) 通過精細化分析遮陽系統(tǒng)，平衡節(jié)能、遮陽及采光之間的矛盾關(guān)系；2) 精細化分析自然采光和照明的關(guān)系，針對運營提出分時分區(qū)控制策略；3) 挖掘自然通風與機械通風的降溫潛力，緩解非空調(diào)區(qū)域的不舒適性；4) 將運營控制思路融入到機電系統(tǒng)設(shè)計中，為實現(xiàn)節(jié)能運營提供了基礎(chǔ)。

該項目作為深圳市的地標建筑，充分實踐和應用綠色建筑技術(shù)，有助于提升場館的持久競爭力，乃至提升所在大空港片區(qū)的品質(zhì)和影響力，促進區(qū)域綠色建筑的發(fā)展。