“北京侨福芳草地”的可持续发展设计

  • 来源:建筑创作
  • 关键字:新纪元,可持续建筑,金字塔
  • 发布时间:2015-03-27 08:44

  “北京侨福芳草地”的首要设计目标是为高科技建筑开拓一个新纪元;为开发商、参观者以及用户提供具可持续性的发展方案。

  整个项目采用被动和主动式的环保设施,其中包括生态外罩、地道预冷却系统、冷吊顶系统、地板送风系统等。这些精心设计的被动和主动式系统显著减少了冷热源能耗。另外,为达到节约水资源的目的,项目亦会运用污水处理以及雨水循环系统。

  “北京侨福芳草地”是中国最大的可持续发展建筑项目之一,它标志着东亚地区建筑学的新起点。它不仅是北京最早的几座可持续建筑之一,也是首个利用生态外罩实现微气候的项目。外罩由香港奥雅纳团队特别设计,并为当代中国同类项目开辟新方案并奠定基础。

  这个项目的独特之处,在于四座独立的建筑及其所围绕下沉式广场被一个透明金字塔所覆盖,金字塔外罩由乙烯-四氟乙烯共聚物制造。这个外罩的作用犹如一层生态微气候表皮,在四座独立的建筑与外罩之间创造一个相对恒温的空气缓冲区。

  奥雅纳团队设计出自然通风机制以疏导外罩内的积存热量。跟据烟囱效应,在夏季时,空气由底部口进入,从顶部口散出。冬天时,缓冲区通过同时关闭底部及顶部两个出口,增强隔热以减少热量流失。

  计算流体动力学

  这个设计的最大挑战是控制生态外罩内部的气温和舒适度。为了达到这个目标,团队运用了计算流体动力学(CFD)。计算流体动力学是一门研究空气流动和热传导问题的高级技术,原理是将一个空气流动区域分割成若干小成分的计算机模型,通过计算质量、动量和能量守恒定律来预计空气流动。流体动力学原理被广泛应用于协助工程师预测空气流动、气温、压强以及污染物扩散等课题。

  1.生态外罩

  生态外罩的制胜关键是在适当的位置设计合理大小的开口。温度分层将会在项目巨大的垂直构造中产生。外罩内部上层的热空气可能影响用户的舒适温度(尤其是屋顶花园)。因此,团队使用计算流体动力学检验开口大小和位置是否能成功使得设计达到目的。

  2.中庭广场

  在中庭广场上装有直立式空调机组用来增进中庭用户区的气温舒适度。而流体动力学则可用以检测气温舒适度是否有所提高。

  3.办公空间

  楼房的设计运用了混合通风。在室外状况(如温度和空气质量)许可使用自然通风的时候,罩内的新鲜空气可以通过敞开的窗户进入办公室并从通风井排出。流体动力学模拟用以研究设计的可行性,其结果可以进行设计改良。

  能耗模拟

  1.建筑能耗模拟方法

  根据项目独特的设计和复杂的运行状况,eQuest和ESP-r这两种软件均被用于建立能耗模型。eQUEST是一个完整的、全互动的、专业的DOE-2.2计算机模拟环境。该模拟环境技术基于较早期发展的Power DOE技术之上,后来用于Windows系统。eQUEST具有模拟每小时空间人数,照明功率、设备功率、恒温器设定和空调系统运作的能力。

  ESP-r是一个用来模拟温度、视觉、声学、能耗以及环境控制系统的综合模拟工具。ESP-r具备模拟热量、空气、湿度、光和用户指定的电功率的能力。

  为了量化生态外罩的能源表现进展,我们设立了一个参照ASHRAE90.1-2004的基准模型。正如与美国绿色建筑协会讨论的,它被用来模拟直接暴露在北京天气中且没有生态外罩的基层楼房能耗表现。

  至于设计模型,我们认为需要联合不同模型建立方法(如eQUEST和ESP-r)创造一个以小时为单位的迭代模型用以展示节能表现。当预设模型在自然或通风环境下运行,设计模型和基准模型的室内条件和设定值应该一致。

  2.Model for the Environmental Envelope

  ESP-r和共轭空气系统被用来模拟每年以每小时为单位的在生态外罩内部微气候环境。考虑到ESP-r的稳定性,它的运行要控制在一小时以内。就北京室外的天气状况而言,这个项目考虑了以下因素:

  浮力和风压驱使生态外罩内的空气流动;

  建立了生态外罩内部的四座建筑物模型并模拟其热容量和太阳得热,但是内部没有进行细致模拟;

  外罩内部需要制冷和制热的小部分区域,以及

  底层和顶层百叶窗的开放程度和时间。

  3.生态外罩的模拟

  我们计算整理了大量数据文档,其中包括以每小时为单位的空气温度和湿度,然后生成了生态外罩里各个区域的变化率。由中庭玻璃墙和天窗的遮阳系数组成的气候数据被用来计算每小时的太阳得热,同时空气流率的气流速度计算参考了空气流动学模拟预测的气流速度。

  我们研发了生态外罩内部气候状况的气候数据。气候数据被转换成EPW格式并应用到eQUEST用以建立能耗模型。

  4.机电工程设计

  “北京侨福芳草地”是一个位于北京的复合式商业开发项目。该项目提供多种混合类型的商业活动,包括办公空间、酒店房间、购物广场和餐厅。诸多机电工程设计被用于满足不同运作特征和不同场所的用户需求。系统设计致力于为用户提供质量优良的室内环境,并同时强调节能表现和水资源利用。

  为了达到环保和可持续发展的目标并保证建筑性能,我们特别考虑以下设计事项:

  定义舒适的环境并且保证宜人的室内温度和湿度;

  防止夏季过热、反光和干旱;

  消除冷墙效应和冬季寒风侵入;通过运用不同操作手段在不同季节管理整座建筑用以降低升温和降温的能量使用;

  保证生态外罩内的空气畅通;

  建议合适的生态外罩材料;

  设计通风开口和生态外罩;

  设计地下与其他空气系统接触面的空气流动;

  考虑绿色系统的应用和它们与其他工程系统的接口;

  设计污水回收系统,以及考虑综合控制策略。

  暖气、通风和空调系统

  1.中央制冷设备

  北京冬冷夏热,需要大量耗能来维持适宜的室内温度。因此,項目对空调有很高的要求,使用水冷式空调系统和中央供暖用来满足极热和极冷的天气。四台一千一百冷吨和两台五百五十冷吨的水冷式制冷机安装在B3层。主要的辅助制冷水分配系统采用的是循环冷却水至建筑的不同区域。

  为达到散热目的,配备了双速风机的冷却塔也安装在B3层。为优化节能,水侧免费供冷会在室温低于8摄氏度时开始运转。冷凝水可以当作冷却介质而无需运行制冷机。

  2.办公区域的空调系统

  办公室运用冷吊顶系统和地板送风系统以实现节能和室内空气质量目标。为了避免冷吊顶表面出现冷凝现象,高温度的冷却水(16摄氏度进水和19摄氏度出水)在系统内循环。冷凝水感应器用来监控任何冷凝现象出现,降低风险。

  办公室使用可变风量(VAV)系统。地板送风依靠静压箱和风扇终端。区域控制风扇速度和温度设置方便满足用户个人需求。当全员负荷并未发生时,按需通风控制则用来降低新鲜空气的供应。

  3.零售层的空调系统

  生态外罩可以减少极端的外部环境为中庭和零售层所带来的热冲击效应。作为附加的空调设计,直立式空调系统可提升中庭的热舒适度。同时,办公室的冷却空气会通过增压风机释放到外罩内。这些局部冷却和冷却回用概念显着地降低了中庭制冷所需的大量能耗。

  4.新风预冷

  项目采用地道预冷却系统。当新鲜的空气通过地道时被提前预冷,然后进入新风处理机组(PAU)。这个诱导式设计减少了冷负荷。

  5.混合通风

  因为暖通空调系统通常占建筑总能耗的40%以上,减少其耗能是一个有效降低总体建筑耗能的途径。

  混合通风的概念是利用状况良好的室外空气来降低楼内温度,这包括了三种操作模式:空调模式、自然供冷模式和自然通风模式。自然供冷可以有效在过度时期提供室内适宜温度,例如秋季(十月到十二月)和春季(三月到五月),也就是室外温度少于15摄氏度的时候。新鲜空气会被引入楼内用以降温,并不需要新风处理机组或空调机组进行事先处理。这种关闭制冷机组、冷却塔和水泵的方法降低了空调系统能耗。节能的机遇可以继续被扩展至自然通风模式。这种模式允许冷空气通过打开的窗户进入办公室并通过通风口排出。通过运用混合通风,空调系统大概节能13%。

  在北京,沙尘暴经常在三月至五月出现。我们致力避免不良室外空气质量对室内环境的影响,亦不能以牺牲室内环境质量达成节能目标。有见及此,能见度感应仪、一氧化碳感应器、二氧化硫感应器、氮氧化物感应器、温度以及湿度感应器将被安装在外罩上,作为检查室外空气质量和楼宇系列控制之用。

  6.停车场机械通风

  停车场通风设计符合法定要求,提供每小时六次的空气交换次数。然而,停车场全开的空气风扇消耗大量能源。我们通过监测停车场一氧化碳和氮氧化物的浓度来进行通风控制。当停车场车流较低时,喷流式风机不会运转,换气扇则在低速下运行。在寒冷的冬天,供暖设备要求保持停车场温度在5摄氏度以上。

  给排水系统

  1.给水部份

  可饮用水由位于B3层的储存饮用水缸提供。单独的饮用水分配系统用于保证零售商,酒店和办公供水的可靠性。

  市热提供冬季室内热水供应。同时,当夏季无法使用市热时,由安装的电热水器为酒店提供生活用热水。

  2.水的循环利用

  北京的水资源有限。因此,在大型商业综合开发中必须安装中水回用系统。两种管道(污水和废水)系统用于排水设计以促进中水回收。办公楼和酒店区的中水(如从水池、淋浴和澡盆排放出来的水)、空调系统的冷凝水、冷却塔上的排放水均被收集回用。通过过滤、灭菌和去臭,中水会用作灌溉、冲厕和冲洗之用。雨水同样被采集和回收以备灌溉。

  3.污水排放

  主要的现场污水经处理后才往市政污水网络排放。隔油池和截油器分别安装在厨房和停车场。为了应对内部产生的粪渣污泥,我们根据法定要求安装了化粪池。

  4.防火设备安装

  防火设备安装是基于法定要求而设计的,系统包括如下:

  消防水喉和消防栓;

  自动洒水系统;

  水雾;

  自动火警警报;

  紧急广播和防火广播系统;

  防火闸;

  紧急指示灯和出口牌,以及排烟系统。

  5.建筑管理系统

  应对周边环境变化以及多变的建筑运行模式,项目采用自动监测和控制系统。混合通风运作模式的选择主要参考室内外参数如温度、相对湿度、空气焓量、风速和室外空气质量。数据的采集和结果分析对于控制机械和电动系统的运作以及建筑的外罩开口状况至关重要。设施管理人员可操控以满足特殊情况下的要求。

  绿色能源与环境设计先锋奖

  作为提供给建筑专家的一个可持续设计的全面框架,绿色能源与环境设计先锋奖主要考虑到楼房性能的五个方面,也就是可持续发展建筑场地、节水、能源和大气、材料和资源以及室内环境质量。

  由于“北京侨福芳草地”的环保科技和合理运用的建筑材料,它在能源使用方面优于ASHRAE90.1-2004基准案例31.8%。

  这个项目在各个细节方面都展现了它的环保理念。从外部来讲,项目通过乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜屋顶,透明玻璃幕墙和钢框架达到了节能和环保的目标。这些系统结合形成了一个独立的微气候和空间环境。这不仅保证了冬暖夏凉,还提供了优化环境控制系统的节约。从内部来讲,先进的空调系统、环境调节系统和智能建筑管理系统有效地达到节能效果。

  除此之外,项目同时展示了节水装置的广泛应用,包括电子感应装备、节水器械和低流量沐浴装置。雨水在过滤和循环利用之后被用作浇灌,同时节水装置使用污水来冲洗马桶。北京侨福芳草地获得48分并认证为绿色能源与环境设计先锋奖-CS白金级。

  能源表现分析

  绿色能源与环境设计先锋奖的能源与环境一类中的一个具体目标就是以附录G的ASHRAE90.1-2004为基础,测试建筑能源表现。

  绿色能源与环境设计先锋奖的基准和设计建筑都是基于ASHARAE90.1这个方法论。建筑的模拟需要输入的数据包括建筑外围的参数(如遮阳系数,U值)、楼宇运行情况、照明负荷、设备负荷、空调系统设计及北京公用事业收费率等。

  下图展示了基准和设计案例的能源消耗状况,包括加工系统及非加工系统中消耗的所有能源。加工系统包括插头、自动扶梯和升降梯。非加工系统包括制冷、制热、风扇、水泵、热水供给及照明。

  通过两种能源消耗图对比可知,电力消耗从基准的20,285,459千瓦每小时到设计的14,312,266千瓦每小时,降低了29.4%。这些节省的电力消耗主要削减自建筑供热所用能源,而建筑的供热和制冷系统的能源消耗削减则主要受益于建筑的环保外壳设计。在基准和设计案例中供热水的蒸汽系统是2,363MBTU(百万英热单位)。最终,拟建设计较ASHRAE基准能耗节省了31.8%。

  经计算,整个平均费用将从每年3,037,143美元(基准案例)降低至每年3,037,143美元(设计案例),相当于节约28.2%的能源费用。

  最终,设计模型的总体能源消耗较基础降低了31.8%,节省了28.2%的能源费用。根据修改后的能源与环境设计先锋奖2.0版建筑物外层环境评价体系的修改规定,项目获得能源利用最优化这一评分下的7个积分。

  能源与环境设计先锋奖-商业内部环境评价

  建筑物的外层和内部租户空间控制通常由建筑的所有者及租户分别控制。建筑的成功合理利用需要建筑所有者及租户的共同努力。

  环境评估系统的外围标准着力于建筑的基层设计,与此同时,环境评估系统的商业内部标准详细阐明了内部租户空间要求。为了切实展示基准建设如何可以让租户得益,北京侨福芳草地的总部办公室获得了能源与环境设计先锋奖认证。

  由于基准建筑中使用如污水再循环系统、节水器具及改良的空调系统设计,水资源及能源的使用大大降低。同时,租户的努力也是成功的关键。低照明功率设计加上采光传感器以及高能效装置能够进一步减少建筑空间能耗。

  实现了92分的铂金级别,北京侨福集团总部致力于激励租户主动肩负起自身的环境管理责任并向公众展示获得能源与环境设计先锋奖CI的可能性及益处。

  朱琳

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