實現(xiàn)我國社會綠色可持續(xù)發(fā)展，踐行大國責(zé)任和擔(dān)當(dāng)，中國政府在2021年初的政府工作報告中提出“2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。建筑業(yè)碳排放量占全國碳排放量的比例約50%，在實現(xiàn)溫室氣體減排方面扮演重要角色。
建筑業(yè)的碳減排和碳中和發(fā)展程度對我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有重大影響，因此推廣綠色低碳建筑刻不容緩。建筑業(yè)是我國實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的主戰(zhàn)場。未來，建筑業(yè)如何實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，是擺在建筑從業(yè)者面前的重要課題。
在繁榮時代背景下，建筑早已不僅僅是“實用功能的靜態(tài)呈現(xiàn)”，而是創(chuàng)作者結(jié)合各方條件表達(dá)出的“城市雕塑”或“個性名片”。建筑師往往會賦予建筑多重的含義。建筑的本質(zhì)是空間，空間設(shè)計合理是建筑應(yīng)具備的初級條件，設(shè)計師深入地思考并平衡多方條件選取出最優(yōu)的空間方案。
建筑早已不再局限于建筑本身，而是更加側(cè)重處理人與空間的關(guān)系。建筑的魅力與生命力在于建筑師的創(chuàng)作追求，綠色低碳的理念應(yīng)當(dāng)融入建筑師的血液中。這樣的創(chuàng)作思維可避免建筑創(chuàng)作與建筑綠色技術(shù)出現(xiàn)“兩層皮”的情況，有助于設(shè)計更綠色、低碳。
根植于我國西北地區(qū)的建筑師，根據(jù)地域性的氣候特點，應(yīng)考慮建筑耗能等問題：考量建筑布局的合理性;在不同季節(jié)平衡對陽光的利用與規(guī)避;充分挖掘清潔能源及其循環(huán)使用;對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體形系數(shù)與氣密性進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計等。
本文將以兩個實際工程為例，回顧設(shè)計團(tuán)隊在西北地區(qū)氣候特征條件下，在低碳技術(shù)指導(dǎo)下進(jìn)行的建筑創(chuàng)作思考，尋找低碳技術(shù)在不同氣候條件下，不同類型項目中，不同空間需求中，追求建筑高性能化的路徑，從而探尋建筑豐富多彩的生命力。
1 主動式建筑設(shè)計策略——陜西省灃西新城游泳館
游泳館項目業(yè)主在提出游泳館設(shè)計任務(wù)書時，除了提出相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求外，還希望游泳館在西安市冬冷夏熱的氣候特點下保持恒溫并陽光充足，保證使用者在室內(nèi)暢游時不被季節(jié)與溫度限制。同時，為迎合西北地區(qū)的氣候特點，西北體育建筑通常為空間較為封閉、形體厚重、開窗較小的造型傳統(tǒng)。因此，打破西北地區(qū)原有體育建筑呆板造型和室內(nèi)空間封閉的特點，營造出動感的線條，開放的視野，使建筑與自然充分交互，成為本次設(shè)計的著眼點。
灃西游泳館外景
灃西游泳館室內(nèi)
作為常年參加游泳鍛煉的游泳愛好者，筆者立刻領(lǐng)會了業(yè)主的意圖：在北方寒冷的冬天，游泳者能在有陽光的泳道上游泳，其體驗感更佳。所以，在設(shè)計之初筆者團(tuán)隊便設(shè)立了目標(biāo)：追求室內(nèi)場館空間的仿自然屬性;追求運動中人的身心愉悅感，追求光隨影動的自然水域體驗感。筆者團(tuán)隊希望這是一個冬季可以陽光覆蓋全泳道的游泳館，徹底擺脫運動場館封閉的傳統(tǒng)模式，但游泳館是一個相對不易處理的建筑空間，防冷恒溫、通風(fēng)除濕等往往是其能耗痛點，傳統(tǒng)的被動式措施也并不適合這樣的建筑空間。
經(jīng)過反復(fù)論證，筆者團(tuán)隊最終選擇了主動式建筑路徑，即追求建筑的“呼吸”性能——建筑可以自我感知，自動調(diào)節(jié)，具備能動性，讓項目成為一座可“呼吸”的場館。項目建成后的實際能耗尚待跟蹤監(jiān)測，但毫無疑問這是一座超低能耗游泳館：池水在陽光下波光粼粼，水波蕩漾，微風(fēng)拂面，有種自然水域中光隨影動的美好。該項目獲得了國內(nèi)第一座近零能耗游泳館建筑認(rèn)證和中國第一個體育場館類AH國際認(rèn)證。
灃西新城游泳館是全民健身綜合游泳運動館，也是少有的懼冷、不懼熱建筑空間。灃西新城游泳館充分利用這一空間使用特性，巧妙利用陽光房效應(yīng)、主動蓄熱、自然通風(fēng)等手段解決游泳館面臨的制熱、除濕、除熱等能耗痛點，讓場館室內(nèi)空間在春、夏、秋三季的大部分時段內(nèi)自然且“呼吸”可控，從而徹底避免空調(diào)的高能耗。項目大量運用清潔可再生能源解決冬季采暖、淋浴水加熱、泳池水加熱等主要高能耗問題，不再需要對圍護(hù)結(jié)構(gòu)加大建設(shè)投入的情況下，實現(xiàn)零能耗，甚至產(chǎn)能的設(shè)計訴求。
灃西游泳館通透的立面效果1.1 “以人為本”的核心設(shè)計理念本文從建筑的氣候適應(yīng)性、舒適度設(shè)定及場館使用者體驗等方面出發(fā)，對項目進(jìn)行分析。設(shè)計團(tuán)隊通過日照模擬分析確定項目最優(yōu)的朝向布局，采用“溫度分區(qū)法”進(jìn)行平面空間布置，結(jié)合精心設(shè)計的透光斜屋面采光體系，利用陽光房的集熱效應(yīng)，確保冬日陽光覆蓋泳池八條泳道，最大限度地讓冬季太陽輻射得熱被泳池空間存儲利用。
常規(guī)游泳場館空間獨立，相對封閉，自然通風(fēng)不足。根據(jù)游泳館的使用屬性，項目盡量采用被動的自然通風(fēng)方式，追求自我感知、主動調(diào)節(jié)、自然呼吸的自然水域體驗感，追求低能耗、高品質(zhì)的空氣質(zhì)量體系。
灃西游泳館中陽光下的泳道
灃西游泳館開窗
1.2 量體裁衣的主動式建筑能耗策略設(shè)計不追求極致節(jié)能，提倡能源效率與環(huán)境可持續(xù)保持平衡，即采用能效平衡策略，追求具有適宜性的外圍護(hù)措施，規(guī)避高性能外圍護(hù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)下造價成本過高的情況，在追求健康、舒適基礎(chǔ)上，保持能源效率的平衡。
建筑形體簡潔，體型系數(shù)達(dá)0.15。設(shè)計提升南朝向的窗墻比，減少北朝向的窗墻比，以提高太陽得熱系數(shù)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)，以及金屬面巖棉夾芯一體板外掛體系;外窗及玻璃幕墻采用高性能被動窗(斷橋鋁合金雙銀Low-E+12 Ar+6 mm+12 Ar+6 mm，傳熱系數(shù)1.550 W/㎡，K<1.60，太陽得熱系數(shù)為0.280);為防止夏季太陽直射輻射過強，在南向幕墻和屋頂天窗部分均設(shè)置了可調(diào)節(jié)的電動遮陽簾。
在氣密性方面的設(shè)計中，項目外墻采用全裝配式建造體系，整體密閉性強，金屬幕墻板內(nèi)外側(cè)接縫處、金屬屋面板鄰水側(cè)接縫處，以及所有穿透金屬幕墻板的連接螺釘均進(jìn)行專用的氣密性處理，保證關(guān)窗下的場館氣密性要求。
結(jié)合游泳館夏季不怕熱的特點，項目在南側(cè)幕墻、北側(cè)高窗及屋頂天窗均設(shè)置電動開啟窗，有利于形成穿堂風(fēng)，與室外空間形成對流，自然通風(fēng)換氣次數(shù)達(dá)19次/h以上。夏季閉館時，工作人員開啟電動窗系統(tǒng)通風(fēng)除濕，清晨時工作人員關(guān)閉窗系統(tǒng)集熱蓄熱，以達(dá)到室內(nèi)的溫度需求，有效消除室內(nèi)余熱、余濕及有毒氯氣;春、秋兩季，游泳館利用空間的可呼吸性能，實現(xiàn)自然通風(fēng)換氣場館自然呼吸系統(tǒng)除濕(極端天氣除外);冬季，游泳館利用陽光房的集熱效應(yīng)，讓陽光轉(zhuǎn)變成熱量，在空間和池水中，提升游泳館的室內(nèi)環(huán)境溫度和舒適度，并采用地敷采暖，根據(jù)天氣狀況有選擇地開啟熱泵空調(diào)系統(tǒng)，最大限度地降低系統(tǒng)制熱能耗。
1.3 多能互補的清潔能源策略項目采取干熱巖系統(tǒng)進(jìn)行日常能源供給，中深層地?zé)岵粌H可以作為游泳池水的加熱系統(tǒng)熱源，亦作為沐浴生活熱水的預(yù)熱系統(tǒng)，有效降低輔熱熱泵機(jī)組功率，降低場館能源消耗?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)作為補充，設(shè)多功能除濕熱回收熱泵系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)移、回收和綜合利用能量，實現(xiàn)空調(diào)、除濕和池水加熱的功能，做到“一機(jī)三用”。此外，游泳館在南向斜坡屋面設(shè)置太陽能光伏系統(tǒng)，鋪設(shè)光伏板，面積為2 800 ㎡，年發(fā)電量約49萬度并采用多能互補的清潔能源策略，節(jié)約了傳統(tǒng)能源消耗量，大幅減少了建筑運行產(chǎn)生的碳排放。
1.4 可循環(huán)利用的水資源項目結(jié)合自身用水特點，在室外設(shè)置了體積為300 m3的收集水池——可收集雨水用于泳池反沖洗，放空排水，還設(shè)置了屋面天窗自清潔循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)利用非傳統(tǒng)水源。該系統(tǒng)通過變頻加壓供水設(shè)備，將非傳統(tǒng)水提升至天窗進(jìn)行自動沖洗;利用優(yōu)質(zhì)雜排水打造中水回用系統(tǒng)，解決場館沖廁用水的問題;利用非傳統(tǒng)水進(jìn)行室外綠化澆灌及道路沖洗，達(dá)到節(jié)約水資源目的。
1.5 追求全壽命周期的低碳訴求游泳館通過被動式設(shè)計，大幅度降低建筑供熱、供冷的用能需求;通過主動技術(shù)措施大幅度提高能源設(shè)備與系統(tǒng)的效率;充分利用可再生能源，用最少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，最終達(dá)到近零能耗建筑的能效指標(biāo)要求。此外，游泳館采用裝配率可達(dá)到91.77%的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)建造，追求高集成化、一體化、免濕作業(yè)的建造訴求，追求全壽命周期建造及運行的低碳訴求，最終成為全國首個近零能耗游泳館。該項目獲得首個AH國際認(rèn)證的體育場館類建筑、首個陜西省AAA級裝配式建筑。
灃西游泳館鳥瞰
灃西游泳館綠色技術(shù)示意圖
2 近零能耗建筑設(shè)計技術(shù)路徑——西安際華園滑雪場
西安際華園滑雪場項目開始于2017年，總建筑面積約為54 000 ㎡，場館由室內(nèi)滑雪場、多功能綜合健身訓(xùn)練館、服務(wù)區(qū)及配套設(shè)施組成 。當(dāng)時，國內(nèi)在公共建筑高性能的標(biāo)準(zhǔn)上尚不完備，僅有《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則(試行)》(居住建筑)標(biāo)準(zhǔn)。2020年，業(yè)主在工程主體已部分施工的情況下，對場館內(nèi)部做出調(diào)整，將原滑雪場改為滑雪場和國際真冰館(短道速滑館)兩個主要場館。
隨著2022年北京冬季奧運會全民滑雪熱潮的興起， 以及鰲山滑雪場拉動西安市周邊地區(qū)旅游服務(wù)業(yè)態(tài)的蓬勃發(fā)展，滑雪場借勢擴(kuò)容升級。2019年國家頒布了GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，西安際華園為項目打造高性能建筑帶來了契機(jī)?；﹫龊退倩^在造雪、制冰及維護(hù)方面能耗都很高，打造超低能耗，甚至零能耗建筑，可以徹底解決未來場館淡季運營的能耗痛點。
滑雪場的構(gòu)造很特殊，原設(shè)計采用了內(nèi)膽式高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，場館巨型屋面剛好是南向光伏的最佳角度，同時滑雪場和速滑館本身具有多能、互補的可行性，這些特性和機(jī)緣讓這座規(guī)模超大的體育建筑的零能耗設(shè)計成為可能。
遲到的改變成就了場館最終的高性能設(shè)計。該項目于2021年獲得了國家近零能耗建筑認(rèn)證，也是目前國內(nèi)獲得認(rèn)證的、規(guī)模最大的體育場館。西安際華園滑雪場項目的清潔能源利用率非常高，達(dá)到了90%以上，所以設(shè)計團(tuán)隊期待其建成后成為國內(nèi)最大的零能耗體育建筑。
西安際華園滑雪場鳥瞰
西安際華園滑雪場近景
2.1 復(fù)雜空間下多性能的大型冰雪運動場館空間設(shè)計
西安際華園滑雪場是集室內(nèi)滑雪、室內(nèi)滑冰、運動休閑及生活配套于一體的多功能大型場館建筑，呈現(xiàn)出功能類型多、空間跨度大、結(jié)構(gòu)超限復(fù)雜、性能需求差異大、運行能耗高等特點：項目結(jié)合場地設(shè)計，針對滑雪場雪道的特點，基于空間利用最大化原則，將多功能健身訓(xùn)練館和設(shè)備用房布置在滑雪區(qū)底部，將真冰場布置在滑雪區(qū)南側(cè)，使其與滑雪區(qū)在功能上形成呼應(yīng)，將配套酒店布置在項目朝向和日照最好的南側(cè)，最終形成了既相互關(guān)聯(lián)、又相互獨立的平面布局。
2.2 大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計及體型系數(shù)與窗墻比控制
場館大尺度的空間特征對熱能耗影響最為明顯，過大的建筑外表面面積，極大增加了建筑供冷與供熱能耗。項目分為鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土體系(輔助用房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，國際真冰館為鋼排架結(jié)構(gòu)，多功能綜合健身訓(xùn)練館為“鋼筋混凝土框架—抗震墻”結(jié)構(gòu)，滑雪場屋蓋為鋼桁架結(jié)構(gòu))。建筑形體簡潔，設(shè)計體型系數(shù)僅為0.10，避免建筑呈現(xiàn)不必要的凹凸。較小的窗墻比(東、南、西、北向窗墻比分別為0.05、0.01、0.01、0.03)有利于降低能耗，也便于節(jié)點設(shè)計兼顧采光要求，從而實現(xiàn)建筑節(jié)能最優(yōu)化設(shè)計。
西安際華園滑雪場立面開窗比控制
西安際華園滑雪場雪道
2.3 適宜的建筑保溫構(gòu)造場館使用具有間歇性及短期內(nèi)負(fù)荷急劇增長的特點，而設(shè)備的介入則無形中增加了建筑的能耗。項目著重提高了建筑保溫性能，減小建筑的制冷能耗，使建筑本體具有適應(yīng)室外氣溫波動的能力，從而減少對設(shè)備輔助的依賴。
圍護(hù)結(jié)構(gòu)依據(jù)各功能單元的構(gòu)造“量體裁衣”：室內(nèi)滑雪場保溫選擇高性能無冷熱橋內(nèi)膽式保溫系統(tǒng)，保溫材料采用225 mm厚的保溫裝飾一體板(芯材50 mm巖棉+125 mm聚氨酯保溫板+50 mm硫氧鎂板);室內(nèi)真冰場非承重外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用280 mm厚的巖棉復(fù)合保溫板(AB型);配套設(shè)施區(qū)及多功能訓(xùn)練館采用復(fù)合自保溫砌體(290 mm自保溫砌塊+150 mm巖棉)。該設(shè)計提升了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能和氣密性能，減少了建筑的熱損失。
外窗均采用三層高性能被動式鋁木復(fù)合窗(5+12 Ar+5Low-E+12 Ar+5Low-E)，傳熱系數(shù)為1.0 W/㎡·K，遮陽系數(shù)為0.32，熱工性能遠(yuǎn)高于現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，在滿足采光要求情況下，可最大限度地降低夏季空調(diào)負(fù)荷。
2.4 不同功能單元的氣密性及無熱橋?qū)ｍ椩O(shè)計本文依據(jù)建筑不同功能單元、用能情況，將建筑分為四個氣密單元。外側(cè)防水鋁板、抹灰層、硬質(zhì)的材料板、氣密性薄膜等相當(dāng)于常規(guī)體系的防水透氣膜，內(nèi)側(cè)設(shè)粘貼密實的防水隔汽膜，整體構(gòu)成連續(xù)氣密層并包圍整個外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，形成閉環(huán)，確保整體氣密性良好。另外，項目對易產(chǎn)生熱橋的部位均設(shè)計了相應(yīng)的處理方式及節(jié)點做法，最大限度地減少了熱橋?qū)ㄖ?jié)能及舒適度的影響。
2.5 特殊功能需求下的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計項目的功能需求特殊。室內(nèi)滑雪場的室溫需要常年維持-3℃，其余區(qū)域需要兼顧采暖和空調(diào)需求，因此合理選擇暖通空調(diào)機(jī)組，是項目實現(xiàn)近零能耗的一個核心問題。項目根據(jù)建筑布局和功能特點，獨立設(shè)置服務(wù)區(qū)、雪場區(qū)及運動區(qū)的冷熱源系統(tǒng)：服務(wù)區(qū)站房位于對應(yīng)屋面專用機(jī)房;運動區(qū)站房位于五層設(shè)備夾層專用機(jī)房內(nèi);雪場區(qū)滑道下方設(shè)有專用站房。
2.6 結(jié)合建筑屋面設(shè)置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)利用滑雪場接近10?的傾角屋面及周邊無遮擋的太陽輻射優(yōu)勢，項目采用了太陽能光伏建筑一體化設(shè)計，選用高效的單面單晶硅組件。光伏方陣采用沿屋面豎向平鋪的布置方式，平鋪面積達(dá)到11 300 ㎡;年平均發(fā)電量約為222.4萬度，既能節(jié)能減排，又能充分利用可再生清潔能源。
2.7 全壽命周期的近零能耗節(jié)能效果通過對項目能耗模擬的分析，本文得到結(jié)果：建筑本體節(jié)能率為31.33%，建筑綜合節(jié)能率為99.86%，可再生能源利用率達(dá)到93.53%，各項能效指標(biāo)遠(yuǎn)高于寒冷地區(qū)近零能耗公共建筑要求;經(jīng)估算，項目采用近零能耗技術(shù)體系設(shè)計建造后，年節(jié)約能耗為3 241 000 kw·h，按照建筑全壽命周期運營50年計算，累計可節(jié)約1.62億度電，節(jié)能減碳示范效果顯著。
西安際華園滑雪場綠色技術(shù)示意圖
實現(xiàn)建筑零能耗成為全球建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢。在“雙碳”目標(biāo)下，無論建筑設(shè)計本身，還是不斷涌現(xiàn)的綠色建筑技術(shù)，都勢必影響未來建筑的發(fā)展。建造好的綠色建筑并不在于使用了多少綠色低碳技術(shù)，堆砌過多的綠色技術(shù)，反而使綠色建筑成為披著綠色皮膚的高能耗建筑。綠色建筑需要以人為本，關(guān)注使用者的感受，要量體裁衣，建設(shè)美觀、節(jié)能、功能完美結(jié)合的建筑。
在冬季寒冷、夏季炎熱、溫差較大、氣候特點明確的西北地區(qū)建設(shè)的條件下，項目功能不同，空間也不一樣，尤其是空間中人的使用需求也完全不一樣，對每個建筑，甚至每個體塊的低碳技術(shù)策略也應(yīng)有所不同。例如：游泳館空間怕冷，而滑雪場、真冰場就怕不冷;游泳館空間強化自然通風(fēng)會大大降低除濕能耗，而滑雪場、真冰場則正好相反，通風(fēng)量越大，能耗越高。依據(jù)空間的不同使用特點，制定不同的技術(shù)策略是建筑師在建筑創(chuàng)作中的重要抓手。根植于所在地區(qū)氣候條件特征，探尋最適宜的綠色技術(shù)，將建筑藝術(shù)和綠色低碳技術(shù)完美融合，也是建筑師目前面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
