创新节能建筑:山东建筑大学梅园1号学生公寓楼西楼

简介

中国济南市山东建筑大学在校区的一幢新公寓楼旁加盖了一座“绿色侧翼楼”，向人们展示了一系列的生态技术措施这些措施的应用起到了改善建筑环境的作用。生态措施包括：

①采用需求控制通风系统来改善空气品质。

②采用隔热、密气、高效窗提高能效。

③利用可再生能源提供空气采暖、制冷及其热水系统。

④节约用水。

加拿大咨询师们与国际可持续发展城市中心(ICSC)、加拿大工业部技术先行措施实施部门(TEAM)和山东建筑大学设计研究院共同合作，因地制宜，设计出了一套适合当地环境的公寓楼建筑节能方案。这座楼建成后的实际测试值远远超出了中国类似在建建筑的标准。 为减少温室气体排放，加拿大工业部通过采取技术先行措施实施计划，以承担部分成本为激励，促进加拿大技术在本国以至全球范围内的推广应用。山东建筑大学的有关工作人员将对这座楼的技术性能进行监督测试，以便利用在以后的节能设计研究之中。与此同时，他们也将对技术的成本效益进行评估。

山东建筑大学设计研究院在2004年承担过中国其他两所校区的设计，也参与过许多商用办公楼的设计。山东建筑大学在太阳热能应用方面一直处于国内领先地位，并正在向建筑节能专业领域发展。公寓西楼项目为他们提供现成的工程建设、运行经验，对他们加强这方面的专业实力大有帮助。

位于东经117°和北纬36°67′的济南市，介于上海和北京之间。它是紧临中国东海岸的山东省的首府，也是全省政治、经济和文化中心。济南市属于大陆性气候，冬季寒冷，气温在零下5℃到零下10℃(23°F到14°F)之间 夏季炎热潮湿，气温高达35℃到39℃(86°F)。济南市降雨量低，缺水问题比较突出(表1～表4)。

楼址和建筑

这个公寓楼项目属于山东建筑大学校园扩建二期工程。由于建设规模相对较大，该项目才有可能对投资适中、风险小的先进设计技术进行深入研究。梅园1号公寓西楼(图1、2)位于一片开阔园区北面，非常显眼。

这座楼的建筑工程平面设计与校区其他公寓楼相同，这样就很容易在它们之间进行性能参数的对比研究，从中看出节能技术的优势。

建筑东西走向，中心略偏东南。西楼公寓正南正北朝向，共六层、采用承重砖混结构。在不安装电梯的情况下，中国最高允许盖建六层楼。

公寓每一层楼都建有公共浴室和活动问。每一间宿舍都配备带两个洗手池的卫生间。大多数单元的卫生间都靠外墙，可以直接通过调节窗户保障空气流通。但是，这样设计却减少了单元内其它房间的采光、被动式太阳能采暖、自然通风和气流冷却的效果。

为使房间采光更有效，规划人员重新对朝南单元进行设计，把卫生间调至靠走廊边，把卧室、学习的空间调至靠近外墙。这样调整就需要在卫生间加装机械通风系统。朝北单元仍旧采用卫生间靠外墙的设计，但在卫生间需安装机械通风装置。走廊为双承重。

建筑施工

这座公寓楼楼层结构符合中国对居民楼最高六层的规定。它采用砖承重墙、现浇钢筋混凝土板的混合结构框架。

虽然预制空心混凝板在中国很常见，但由于从预制厂到现场的运费成本高而且对现场施工的起重机型号有特殊要求，公寓楼一般不采用预制板。在中国，大约75％的六层楼房采用现浇体系。因此，与提高建筑性能相关的技术在中国具有很大的推广潜力。

这类建筑通常没有保温隔热措施。虽然近来中国要求在大多数地区采用保温隔热的规范，但是一直以来没有得到严格执行。原因在于设计、施工、验收人员缺乏这方面经验，采用措施造成成本增加，还有就是缺乏规范的监督执行。尽管存在这些问题，随着市场的需求和行业的经验积累，会有越来越多的建筑采用保温隔热措施。

梅园1号楼采用在混凝土砖墙面涂抹水泥灰泥，形成空气阻隔。本地化生产的外墙隔热涂层系统(EIFS)赋予墙体阻隔空气的效果。外墙隔热涂层系统采用50mm(2in)膨胀聚苯乙烯泡沫与基层墙粘结，经玻璃丝网布加强，再涂抹丙烯酸面层。尽管外墙隔热涂层系统存在抵御气候变化的耐久力问题，设计研究院认为济南的干燥性气候加上将这套系统固定在石基层面会对加强耐久性有所帮助(图3)。

虽然保温隔热要求在加拿大看来相当普通，但对中国而言，却意味着迈出了重要的一步，它体现出2010年下一代建筑规范的使用价值(表5)。

常规的空气采暖方式

常规采暖采用集中燃煤分户供暖系统，在每户安装散热装置。这种类型的建筑往往采用单管送热，用户无法控制温度。梅园1号采用双管系统，用户可以通过散热装置上的温控阀调节温度。自动控制不需要用电操作可将室温控制在19℃到22℃(66°F到72°F)。在中国这种自动阀门控制比手动阀门节省20％的用电量。

被动太阳能空气采暖

直接受益式被动太阳能空气采暖将直接射入朝南窗户内的太阳光，通过内表面吸收转换为热量。墙和地板储存部分热量，当室内温度下降时，它们将热量释放出来，以达到采暖的目的。设计人员预测，36间朝南单元加上相关建筑储热体可提供全年25％的供暖量。朝南窗户采用大面积窗，相当于地板面积的64％，因此遮阳窗很好地控制了晚春、炎夏和早秋时节的强光照射(图4)。

室内热量

全年38％的室内热量来源于家电(尤其是计算机)、照明和人体，造成这么大比例的部分原因是建筑的高入住率和高效的建筑围护导致的对采暖要求的大幅度降低。

太阳能空气采暖系统

太阳能空气采暖系统由多孔金属板太阳能采集器(图5)组成，这种采集器的专利名称为太阳墙，由加拿大Conserval工程公司生产。采集器的深色表面吸收太阳热能通过屋顶管道送到朝北房间和中间走廊，起到供风和供暖的作用。

室内送风由温度控制启动风机来完成。面积为142m2(1528.5ft2)的太阳能集热器全年可提供65.3兆瓦(235千兆焦)热量。集热器纵向从上至下安装在南墙窗户间横向沿着南墙女儿墙倾斜60°铺设。沿顶层女儿墙横向铺设的集热器，在夏季为顶层单元提供遮阳和其它气候防护作用。夏季时，太阳能供热系统停止运行有助于减少建筑的制冷负荷。

太阳能室内热水系统

加拿大自然资源部制作的RETscreen太阳能热水系统专利软件为系统容量和性能配置提供模型分析(图6、7)。

模型假设：

①每一学生每天消耗60℃、20L(4.40加仑)水(使用电子划卡有利于控制学生节约用水)。

②冬季阳光缺乏时，这套系统可作为集中空气采暖的补充方式，夏季不作补充。

③真空管集热器由山东省制造提供。

④30根真空管2每根面积为2.8m2(30.14ft2)总面积

为84m2(904.17ft2)。

⑤真空管水平倾斜36°。

⑥集中蓄水、循环泵、抗冻冷却液。

⑦这套模型可产生效率为56％，63.8兆瓦时(229.6千兆焦)的能量，供11个月使用。它提供的热水占全年总需求量的73％。

③跟传统的电锅炉供应热水相比，这套系统每年节省费用127500元人民币(21250加元)。

被动冷却系统

以下措施可降低制冷负荷：

①隔热降低了墙和屋顶的热传导。

②朝南窗户水平固定的遮阳装置减少了夏季太阳能的吸收，它从4月21日到8月21日间起到明显遮阳的作用。

③绿色屋顶利用蒸气喷淋来减少太阳能吸收。绿色屋顶约占总屋顶面积的一半还能供研究用。植物栽培介质约100～150mm(4～6in)深。到2005年冬，采用哪种植物品种作为绿色屋顶还没确定下来。

春、夏、秋时节，建筑内外的空气流通为建筑提供降温作用。在建筑的西墙端建有一座风塔，用来促进空气流动也可用作太阳能烟囱。当风吹过塔口时，产生负压。塔口上有一帽亭，起到防雨的作用。其下端形似倒立的金字塔形起到了增强塔口负压的作用。因为塔呈深色、波纹金属板质，在午后阳光照射下开始升温，并由此加热于塔内空气，通过自然对流促使空气上升(图8)。

当朝南、朝北窗户打开时，空气从房间通过可调通风窗进到走廊。然后顺着走廊通过末端的窗户一直进到风塔。

白天走廊通过风塔西墙的固定窗采光。晚上打开窗户后，室外清新冷空气流入，降低了室温，对建筑体也起到了降温作用。因为高低楼层之间存在一定压差，所以系统可以通过调整各楼层通到风塔的通风窗的角度达到系统平衡。

由于风塔系统模拟相当复杂、费用又高，因此受预算限制，风塔不包括在系统分析模型中。风塔的设计基于成功的实例经验，并经能源工程师的认真校核。截至本稿的发稿时间(2005年2月)，还没有到降温制冷的季节。风塔与建筑其它节能系统一样，在测试使用中。

能源分析

能源系统分析采用加拿大自然资源部提供的Hot 20009.1版本软件，太阳能采暖系统分析采用RETscreen提供的模型软件。能源系统分析预测，如果采用节能措施，利用可再生能源提供采暖、热水系统，其建筑耗电量仅为常规建筑的22％。与此同时，二氧化碳的年排放量可减少186t。

需求控制通风系统

朝南单元的卫生间靠近走廊侧，采用集中式机械通风系统改善空气质量。朝北单元也采用集中式机械通风系统。为保证恰当的通风量，减少采暖季节时的排风热量损失，风口的排气量控制在10到40L/s(20～80ft3/min)之间。

Eneready公司生产的Power Grill排风装置，中间装有一可调节的活动盖，可通过调节它来控制风量。Power Grili的开启时间由定时器控制。持续运转的中央风机保持相对平稳的气流，这使得每一通风口能够达到预计的排风量而不受其它排风装置是开启还是关闭状态的影响。

Eneready公司也提供了穿墙式的进风装置，固定在朝南窗户的顶部，为朝南的每个房间送入适量新鲜空气。朝北单元则通过太阳能墙的空气采暖系统、天花板顶的通风装置将新鲜空气送到每个房间。

用水管理

山东省中部地区的城市发展主要受到缺水的影响，工业、农业和城市公用事业都受到考验，污染更导致供于居民用水的处理十分昂贵。

①中国的城市居民用水每人每天达260L(57.19加仑)(2000年)。

②加拿大的居民用水每人每天达326L(71.71加仑)。

③美国的居民用水每人每天达425L(93.49加仑)。

按中国平均用水量考虑，济南市有必要将当前用水量减少50％，以备将来开发和其它用。公寓楼只提供学生个人卫生用水，不提供烹饪和洗衣用水。梅园1号公寓楼西楼的用水量指标为：

①每人每天总用水量90L(19.80加仑)。

②每人每天总热水用量为60℃(140°F)水，20L(4.40加仑)。

早在此项目前，研究认为灰色废水(译者注：轻度污染的民用废水，区别与重度污染的工业废水及重度污染的民用废水)的热回收有可能降低热水系统的能耗。但是将灰色废水热回收和太阳能热水系统结合使用，从经济上看并不实用，因此项目没有采纳这个结合方案。

项目中采用的节水措施包括：

①低冲水量马桶。按中国标准，一般马桶每一次冲洗要使用20～40L(4.40～8.80加仑)水，而低冲水量马桶仅使用6L(1.32加仑)。

②低流量、水压淋篷头用水量小于9L/min(1.98加仑／分钟)。

③弹簧水龙头，在放开后几秒钟，自动关水。

④浴室使用电子装置记录用水量。

2004年10月，这所公寓向学生开放。2005年1月，学校记录所有采暖和通风系统如预期工作正常 并计划将在连续后三年继续进行详细测试监督。

中国主要采取燃煤供电供暖，居世界上二氧化碳和其它温室气体排放量第二。以其建筑业每年增加2.5亿平方米和建筑能耗增长5％～6％开发节能建筑和可再生能源已迫在眉睫。

该项目所使用的技术可被中国75％的新建楼宇参照使用。经研究分析，应用于该公寓楼的建筑技术至少可以减少25％到78％的温室气体排放量，从长远来看，这种技术降低运营成本，改善空气质量。

缺水已成为中国发展高质量楼宇的另一限制因素。该项目性能显示采用绿色技术可节约用水量一半到三分之二。总体而言，建立有远见的合作关系，采用中国和加拿大专利技术，有可能大力提高中国的建筑性能。