【绿建讲堂】第三十九期 节能与绿色设计

【绿建之窗大讲堂】第三十九期【主讲人】曾志华【简介】教授级高级工程师、国家一级注册公用设备工程师、节能工程管理师（高级）曾志华先生于 1988 年获得 同济大学工学硕士学位后，长期在北京市建筑设计研究院工作。近几年，伴随着改革的潮流，曾志华先生积极探索新形势下的机电技术服务模式，奉行“技术服务于社会”的理念，在研发、设计、地产第一线脚踏实地地践行科学发展观。获得多项北京市科技进步奖及北京市、住建部优秀设计奖。【讲座导读】本期【绿建大讲堂】由教授级高级工程师曾志华先生就绿色建筑、绿色设计的现状与思考、以及绿色设计理念与方法的构建等方面从节能的角度讲解绿色设计。【讲座实录】随着时代的发展，绿色建筑越来越受到社会各方重视，据住建部有关部门的统计，截至 2015-01，全国通过“绿色设计”标识评价的建筑物达 2538 多座，通过“绿色运营”的建筑物不到 159 座。发展很迅猛。但是，另一方面据有关部门的调查报告显示：“许多绿色建筑的能耗高于同类型建筑能耗。” 我们不禁要问为什么部分绿色建筑不节能？问题出在哪里？在此，我们从节能的角度来聊聊绿色设计的问题。首先，回顾下绿色建筑的发展历程，然后，分析下绿色设计的现状，最后谈谈如何构建绿色设计的理念与方法。一、绿色建筑的发展历程绿色建筑大师赖特说:“建筑如同植物一样，是地面上一个基本的、和谐的要素，从属于环境，从地里生长出来，迎接太阳。”这个理念是非常浪漫的。然而，真正的绿色建筑发展是从六七十年代开始的，当时欧美国家迅速发展的经济，带来了越来越多的地球环境问题，比如能源危机、温室效应、水资源短缺等，促使人们不得不开始重新审视自己的生活。现代建筑对环境的响应，是从节能建筑和太阳能建筑开始，并逐步发展成为今天的绿色建筑的理念。绿色建筑围绕三个主题：如何减少建筑对地球的负荷和影响；如何创造健康舒适的生活环境；如何与自然环境相融合。图 1图 1 是世界绿色建筑评估体系分布概况，目前的绿色建筑评估主要有美国的 LEED、英国的 BREEM 和中国的绿色建筑评价标准等标准体系，范围覆盖 5 大洲 12 个国家。图 2图 2 是中国各省市地区绿色建筑评价标准分布图。在我国，GB/T50378-2006 版评价标准第一次明确了”绿色建筑”的定义：在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高校的使用空间，与自然和谐共生的建筑。近几年我国的绿色建筑发展很快，国办发【2013】1 号文件，绿色建筑行动方案中，明确提出来我国绿色建筑发展的目标和任务：主要目标 1.新建建筑。城镇新建建筑严格落实强制性节能标准，“十二五”期间，完成新建绿色建筑 10亿平方米；到 2015 年末，20%的城镇新建建筑达到绿色建筑标准要求。重点任务2.大力促进城镇绿色建筑发展。政府投资的国家机关、学校、医院、博物馆、科技馆、体育馆等建筑，直辖市、计划单列市及省会城市的保障性住房，以及单体建筑面积超过 2 万平方米的机场、车站、宾馆、饭店、商场、写字楼等大型公共建筑，自 2014 年起全面执行绿色建筑标准。积极引导商业房地产开发项目执行绿色建筑标准，鼓励房地产开发企业建设绿色住宅小区。由此可见：近十年，在我国绿色建筑经历了从无到有的历程。今天，“绿色建筑”已经进入高速发展的阶段。二、绿色设计的现状与思考图 3图 3 是中美绿色建筑评价标准的区别，中国绿色建筑评价标准 GB/T50378-2014 和美国 LEED 的评价主体、过程都是很不一样的。关于绿色建筑评价标准 GB/T50378-2014：比如，节能与能源利用：控制项有四项：5.1.1 建筑设计应符合国家现行相关建筑节能设计标准中强制性条文的规定。5.1.2 不应采用电直接加热设备作为供暖空调系统的供暖热源和空气加湿热源。5.1.3 冷热源、输配系统和照明等各部分能耗应进行独立分项计量。5.1.4 各房间或场所的照明功率密度值不应高于现行国家标准建筑照明设计标准G B50034中规定的现行值。评分项有四大类：1.建筑与围护结构 22 分2.供暖、通风与空调 37 分3.照明与电气 21 分4.能量综合利用 20 分机电这一部分主要包括第二三类，即：供暖、通风与空调和照明与电气部分，共 58 分。2014 版评价标准有待进一步完善：以下问题值得商榷：1.多层级的分值设置的依据是什么？2.绿色技术越多，分数越高！？3.没有结果导向的“绿色设计”评价有多少意义呢！？ 为什么不是“绿色建筑”的评价？案例 01：分值设置依据？重复评价？参考建筑物的确定？计算软件？等等，分值的合理性？5. 2. 3 围护结构热工性能指标优于国家现行相关建筑节能设计标准的规定，评价总分值为 10分，并按下列规则评分：1.围护结构热工性能比国家现行相关建筑节能设计标准规定的提高幅度达到 5 % ，得 5 分；达到 1 0 %，得 1 0 分。2.供暖空调全年计算负荷降低幅度达到 5 % ，得 5 分；达到 10% ，得 10 分。【工程案例】北京地区某绿色设计的评价（节能与能源利用部分）评价依据有中国绿色建筑评价标准和北京市地方绿色建筑评价标准。一般情况下，设计师会在设计之前做预评估，确定要达到的建筑评价总分数，达到这个总分数需要各个专业要达到的分数，不够就需要协调配合。设计文件完成之后需要进行设计文件审查。北京市设计文件审查是依据北京市评价标准，对各项指标进行打分:图 4图 4 是公共建筑绿色建筑一星级施工图审查集成表。可见：打分设计是目前的绿色设计的主要特点。要做好绿色设计与两个因素有很大关系：一方面与大环境有关。与开发商热衷于拿绿标，政府大跃进式地推进、建材厂商的“绿色”营销一样，设计行业的对产值的片面追求，是“绿色设计”的现状。另一方面与相关标准有关。评价标准是绿色设计的重要导向。国标与地标的关系？评价标准的科学性、合理性、可操作性又如何呢！？可见：要想真正实现绿色设计，仅仅满足评价标准还远远不够！那么，在现在这个形势下，我们能做些什么？怎么才能做到更好一些？三、绿色设计理念与方法的构建困惑 1：建筑物的能耗与哪些因素有关：图 5图 5 是清华节能中心调研的不同地域、不同文化、不同使用习惯的办公楼能耗对比，可以看出建筑物的能耗和地域文化有很大关系的。另外。针对北京市有关办公建筑不同的运行模式进行进一步的调查发现：全年 24 小时恒温恒湿。 全空气系统，全年稳定工况运行 高能耗， 150kWh/m2.a按照节约的模式运行 上班开启，下班关闭 风机盘管，VRV， 甚至，都优于中央空调 能耗较低， 80 kWh/m2.a可开窗的一般办公楼 分体空调, 可局部控制，室内环境较好 能耗低， 50 kWh/m2.a可见：分时分空可调的采暖空调运行模式远比全时全空的集中控制的模式节能！图 6图 6 是根据国际能源署的研究报告（IEA ECBCS ANNEX 53），影响建筑能耗的因素主要有六个方面。气候、外维护结构、建筑设备、运行和维护、使用者习惯、室内环境要求等。绿色是贯穿建筑物全寿命的“四节一环保”的过程！使用过程的能耗远大于建设过程的能耗。任何一项绿色技术的应用都应在“全寿命周期”内进行考量。在南方地区设“集中地暖”、在住宅设“恒温恒湿空调”、在缺水地区搞“地下水源热泵”等等，显然，这些就不绿色了。评价标准应更多地关注“合理性”本身，而不是是否采用了“xxx 技术”。困惑 2：绿色技术是否越多越好？图 7图 7 是绿建技术的运用。有外围护结构优化设计、遮阳系统优化设计、自然通风优化设计、被动太阳能设计、立体绿化设计；节水系统优化设计、高效照明系统优化设计、采暖制冷系统优化设计、空调新风系统、综合水处理净化再利用、垃圾分级处理与自动收集；热泵技术、太阳能光电技术、太阳能光热技术、风能的利用、生物能利用；综合能源管理与智能控制、计算机能耗模拟、二氧化碳排放评估等等.如今的很多示范楼，从严格意义上讲，它并不属于绿色建筑，只是作为绿色技术的展示楼，其投资和能耗远远大于同类型的建筑。在实际工程中的应用同样存在许多问题：案例分析：图 8图 9图 8、9 是某 LEED 白金项目绿色技术光导管照明的应用。项目走廊两面的自然光照很好，至于为何要在走廊里加入光导管照明，目的就是在参评时是争取更多的分数。绿色技术不能进行简单的堆砌，不能忽视绿色技术之间的关联性，技术的关联性注定了绿色建筑需要技术的综合最优，而不是单一技术的最优。再例如：图 10图 10 是西南地区土家族民居吊脚楼：以遮阳隔热、强化通风和改善湿环境为主。图 11图 11 是陕北民居-窑洞：以保温为主。坐北朝南，避风与采暖。设想下，吊脚楼建在陕北，而窑洞建在西南，会是什么样的结果？这就说明绿色技术需要有因地制宜，不同的地域需要有不同的绿色技术，应该优先采用被动式绿色技术。图 12图 12 奇异建筑。针对建筑形式主义，因大体型系数、大玻璃幕存在，谈节能很苍白。谈绿色没有意义。绿色技术的应用应因地制宜，并充分考虑技术的关联性、适用性、经济性等因素，优先使用被动性绿色技术。主动性技术应用越少越好，少就是多。困惑 3：绿色设计的模式与方法：由于建筑技术各元素的相互关联性，靠传统的设计模式和设计手段，对绿色建筑或复杂建筑进行绿色设计几乎寸步难行。图 13图 13 是传统建筑设计模式的困境：计划经济思维下的单项线性设计模式。计划经济：一切都安排好了，设计目标、设计组织、设计任务等等。一个僵化的运作机制。现状：市场经济下的双轨制缺乏对项目总体的设计目标控制，马路警察各管一段，各专业成“马路警察”，整体设计目标的控制受经济利益冲击，名存实亡。往往最后的结果是“面目全非”。既是运动员、又是裁判员。双轨制下不同部门、不同专业、不同个人会有不同的利益诉求，多个配合方之间 缺乏足够的沟通，互相制约的问题不能及时解决，效率低下。当前的线性设计传统模式下的设计目标的漏斗效应：缺乏专业之间、建设过程之间建设目标的沟通与控制。缺乏专业的工程管理与各专业顾问的全程参与。市场经济下需要有新的机制，对现有的设计模式进行整合。比如说做绿色设计，如果有一个绿色设计师在实施的各个环节不断地进行核查，那么就比较容易达到预期的目标。图 14图 14 是设计流程的整合流程。市场经济特点之一：计划赶不上变化。独立的第三方（专业顾问） ：一个能够实现设计目标的高效的技术服务体系至关重要。专业顾问的作用在于保证设计目标的最终实现。绿色建筑的设计过程就是寻求 全生命周期内、四节(节地、节材、节能、节水) 一环保、建筑功能与室内环境质量之间的辩证统一。 再来看看计算机模拟技术的发展情况：图 15图 15 基地分析：对项目基地所处环境的分析是绿色设计的开始，也是节能设计的基础与依据。通过对气候、地理、能源结构等资料的收集整理分析，可确定由自然因素决定的建筑最佳朝向和可再生能源利用评估报告。图 16图 16 风环境模拟：大空间利用自然热压通风原理，有效的组织气流，配合使用可控型电动窗，调节室内温湿环境。通过通风模拟设计计算优化自然通风方案。图 17图 17 能耗分析：合理的窗墙比，较小的体形系数是建筑实现低能耗的前提。图 18图 18 采光照明设计：充分利用自然采光、光导管或者高效节能灯具。图 19图 19 遮阳分析：拥有遮阳系统的建筑物，其冷却系统所需的能量可低至未采用遮阳系统建筑的15%。图 20图 20 室内空间 CFD 分析: 是提高建筑设备效能的有效手段，大空间分层空调比混合空调节能约 40%。综上分析可见：以市场化、高效的技术服务机制为基础，以计算机模拟技术为特点的精细化设计是未来绿色设计的必由之路。绿色设计不能满足于打分设计，绿色设计