编 ? 辑 ? 团 ? 队
原文/ 武桐
文献/ 王岗 校验/ 众山小
编辑/ 众山小 排版/ 马程
一
城市
交通
览
译者导读
绿色大环境下的中国,绿色建筑的数量以指数倍增长,这离不开积极促进改善环境质量的每个人。也许你刚刚把家里的荧光灯换成节能灯;也许你在挑选冰箱的时候选择了Energy Star?的产品;也或许你是一名城市规划师,你努力实现更多多功能社区,安全便利的公共交通系统和更多开放空间,也或许你作为场地设计师在选择厂址的时候考虑了周边开发密度和多样化服务,保护和恢复栖息地;也许你是一名建筑设计师,你努力减少热岛效应和光污染让未来的孩子可以看到星星;或许你是一名景观设计师,你将雨水回收,屋顶绿化融入到你的设计;也许你是一名机电工程师,你将高级调试能源计量,可再生能源在项目设计初期就提出来;再或许你作为施工人员采取了减少施工污染的防止措施;或许你是一名空调制冷工程师,选择了GWP<50(全球变暖力),ODP(臭氧破坏潜力)为零的制冷剂;也或许你是一名室内设计师,你选择低挥发材料,努力改善室内空气质量。绿色建筑不是噱头,也不是只会增加成本的痛点,她是一个能帮助我们在日常工作和生活中多思考一些、多沟通一些、多合作一些,以减少未来维护和运营成本的工具。宏观上说她可以保护环境减轻气候变化,微观上说她可以帮助改善我们每个人的生活环境及身体健康。作为实现习主席第13个5年计划的重要组成部分,以人为本也是绿色建筑的宗旨,中国可持续的未来将依赖于更节能,更少的浪费,保护自然资源,提供清洁的水和空气,提供家庭所需要的、想居住和想工作的场所和社区。在这个目标下,政府及公共部门,企业(咨询公司、投资公司、开发商、制造商、建筑商、室内设计师等)以及供应商(能源公司等)需要互相协助,而生活和工作在这些建筑中的每个个体才是中国可持续发展未来的领导者。
一、商业建筑什么最耗能?
商业建筑包括许多建筑类型,办公、医院、学校、警察局、宗教场所、仓库、酒店和购物中等。不同的商业建筑活动具有独特的能源需求,但总体来说最耗能的项目是照明和暖通系统(采暖、通风和空调),根据美国能源信息管理局,“2012年商业建筑能耗调查:能源使用总结”,暖通系统可以占到建筑总消费量的约44%,住户(业主)总能耗的70%。
图一、美国商业建筑主要终端用户的能源使用,从左至右分别是供热、其它、照明、冰箱、通风、冷却、电脑和其它办公设备、厨房、热水器。来源:U.S. Energy Information Administration, 2012 Commercial Building Energy Consumption Survey: Energy Usage Summary, Table 5 (March 2016) (参考文献1,如需下载请公号后台留言索取)
饼图显示了典型的办公楼的能耗构成, HVAC 系统39%,照明25%,机器设备22%。
图二、办公楼建筑能耗构成。来源:Guide to Best Practice Maintenance and Operation of HVAC Systems for Energy Efficiency (January 2012), Pages 36–37 (参考文献2,如需下载请公号后台留言索取)
二、暖通空调HVAC
HVAC作为商业建筑耗能最大的项目,事实上,根据美国能源部(DOE)数据,其中平均30%是无用和浪费的。减少这些浪费的能耗就等于减少了维护成本,也为整栋建筑的绿色迈出了一大步。减少能耗的方法中其中很多是很简单易操作的比如:
1、通过定期更换过滤网减少5 - 10%被浪费的能源
肮脏的过滤网阻挡了空气流通,加大了暖通空调系统的过滤工作量,同时也导致室内空气质量不佳,出现问题的次数增多因而产生更多维护成本。按季度检查空调过滤器并定期更换过滤网(过滤器)是最简单最容易操作的HVAC节能方法。过滤网根据使用情况应该至少每三个月更换一次,可以减少5% - 10%被浪费的能源。
2、程序化恒温系统
程序恒温器根据时间和季节设定舒适的温度,可以大幅度的减少能源浪费。当室内环境没有被使用,建筑的温度可以设置为更高或更低的温度(根据季节),可以节省多余开支。对于很多商业建筑特别是办公建筑5+2天的模式可以在周末无人办公的时间调整办公环境温度减少暖通空调的运作量。
图三、程序化恒温系统
3、选择高效ENERGY STAR? 模型
Energy Star建议出厂默认供暖温暖21度(70F)制冷 25度(78F)
4、“免费的”制冷剂
图四、免费的制冷剂。来源:
https://www.energycodes.gov/
在室外温度低于室内温度时,免费的制冷剂就是室外的空气。首先最大程度的使用自然通风系统需要达到室内空气质量的基本标准。将室内浑浊的热风换为室外冷风。
图五、免费的制冷剂。来源:https://www.energycodes.gov/
HVAC系统分类有三项,集中机房包括锅炉,冷水机组及冷却塔;分布系统包括水泵,管道和控制阀门,管道系统及通风口;二次暖通空调系统包括空气处理,风机盘管和变风量空调箱。
供暖能源主要是电力和天然气,电力有100%的能效,天然气80%的能效,冷凝式锅炉可以达到90%。
制冷类型包括中央冷却系统,水冷式或气冷式(由于蒸发冷却,水冷式比气冷式效率更高),水冷需要冷却塔或排热系统。
复式二次暖通空调系统,热回收部分使其更有效率。将能源从流出空气转为进入空气。
液体循环加热的系统控制,液体循环加热系统连接冷却或加热二次暖通空调系统,冷、热水来源的中央机房。系统包括水泵, 管道,控制阀门和热交换器(线圈)。大多数液体循环加热的系统当总泵≥10 hp或总量≥500 MBH时需要流量变化。自动重置供水温度,重置到至少25%的设计和回报差异,重置可以基于返回温度,或区域需求,冷却水重置可以使冷水机组的运行的更有效率,加热系统重置减少配送损失。调试报告应该显示温度重置。以比设计温度高的冷水供应的温度运营冷却装置可以减少压缩机的工作量从显著节省能源。
图六、冷却水重置。来源:
Pacific Northwest National Laboratory
三、照明 (Lighting)
从三大绿色评级体系对光照部分所关注的项目来看,显色指数(CRI),光源,测量光照级别,指定灯具,用户开关,炫光控制(Clare control)以及与建筑环境的过渡是主要的评分对象。
图七、三大绿色评级体系。来源:RWDI
1、CRI 显色指数(CRI)是一种定量测量光源和自然光源相比显示各种物体的真实颜色的能力。高CRI的光源适用于光源非常重要的环境,比如新生儿护理及艺术品修复等。
图八、CRI
2、选择更多全光谱照明(太阳光、自然光线)
FSI(Full-spectrum)全光谱是光谱中包含紫外光、可见光、红外光的光谱曲线,并且在可见光部分中红绿蓝的比例与阳光近似,显色指数接近于1的光谱。太阳光的光谱可以称作全光谱。
3、考虑眼睛感受到的光线强度-选择适合的光线测量工具,比如校准测光表并等到光源稳定后再测量,尽量减少外部光源干扰。
4、多区域控制系统-有投影的墙面光源需要有单独的开关,并且给每个工位配设台灯。
图九、多区域控制系统
5、指定灯具
a) 泛光灯(Flood)- 突出的反射器及抛物面镀铝反射灯
b) 投光灯 (Spot)- 7度到25度
图十、灯具
6、光源设计- 视力为焦点及亮度管理策略
图十、光源设计。来源:WELL Building Standard
7、炫光控制
自然光炫光控制:光源窗户遮光设计
小于2.1米的窗户至少有以下设计中的一项
根据用户位置和使用,在室内窗户安装遮光设备或百叶窗或设置自动防止眩光
外部这样系统设置
不同种类的不透明玻璃
低眩光工位:避免眩光
将电脑屏幕位于离光源窗户4.5米之内,垂直于最近的窗户角度在20度以内
顶灯避免直射电脑屏幕
图十一、炫光控制
图十二、炫光控制
软件参考:
Sensor Placement + Optimization Tool (SPOT) ? Rhinoceros with DAYSIM ? Lighting Analysts’AGi32 ? Autodesk’s Ecotect Analysis
免费软件:Comcheck ? Commercial Lighting Solutions (CLS) - U.S. D.O.E.
应用程序(APPs):Light Meter
四、从三个视角讨论商业建筑能源管理
7月25日,美国华盛顿特区USGBC总部举办了一场关于商业建筑能源管理的讨论会,参加讨论的有代表三个视角的机构代表,第一个视角是政府职能部门, 第二个视角是企业用户, 第三个视角是供应商。
视角一:政府部门
华盛顿特区市政(DGS)管辖区内有500栋建筑,占地4000万平方英尺,41%是学校建筑,23%是办公室、警察局、图书馆,消防站和收容所。这些建筑每年的电费高达9500万美元。为节约能源,市政创建了一个准确、开放的能源数据库,为了减少用户的能源使用总量,同时也为了给住户提供更高水平的服务。市政区内的能源使用数据,公众可以在BuildSmartDC.com 查询,这也是建设智能城市项目的基础。数据包括区间电力用量、缴费,太阳能和风能数据。
图十三、数据。数据来源:DGS
图十四、授权人员使用数据。数据来源:DGS
图十五、从数据到项目。数据来源:DGS
市政(DGS)同时也在实施以下措施 (数据来源DGS):
建筑基准测试 (Building Benchmarking)
衡量和节能调试 (Constant and retro commissioning)
图十六、供暖/制冷驱动能源使用。
零/低成本优化建设 (No-and low-cost building optimization)
图十七、智慧建筑战略 – 计划
图十八、HVAC计划
需求反应 (Demand Response)
重点要提到DGS的自动化控制系统,HVAC根据实际住户数量调整调度,关掉T&V设备、冷却塔和额外的灯可以大大减少能源使用。了解住户使用能源的规律,创建入住资料,为能源区域地图提供数据支持,考虑峰值房间用能,能源地图将负载管理联系在一起,会自动关闭电器和百叶窗。
图十九、需求响应通讯。数据来源:DGS
图二十、网络层概述。数据来源:DGS
视角二:企业
企业代表从客户的体验方面阐述了企业运营人员依据现有的系统实现最优化的实践来实现零/低能耗优化建设。
确定设备运行时间 (determining equipment run times)
限制同时加热和冷却 (Limiting simultaneous heating and cooling)
规范设置点 (Standardizing set points)
进行照明审计 (Conducting lighting audits)
完成夜间监测 (Completing night-time walk-throughs)
图二十一、负载曲线。数据来源:Cushman & Wakefield
视角三:能源公司
能源公司代表主要阐述了一种一边继续提供普通电网服务并提供一种鼓励或者奖励用户的政策。
图二十二、能源公司奖励政策
案例分析(BULLITT CENTER)西雅图最绿色的商业建筑之一
图二十三、西雅图绿色商业建筑
Bullitt Center位于美国华盛顿西雅图市, 是一个六层,44700平方英尺的办公大楼(SF),总投资3250万美元。建筑师丹尼斯·海耶斯(Denis Hayes)希望Bullitt Center是“世界上最环保的办公楼”。 项目建成于2013年,同年,她获得了世界额建筑新闻(World Architecture News)颁发的年度环保建筑奖。
项目设计步骤
步骤一:建立零能耗目标
步骤二:场址和气候分析
高性能的设计需要设计与大自然融为一体。首先要解决这三个问题:场址目前有什么?什么是自然允许我们做的?什么是大自然会帮助我们做的?理解昼夜温度波动,降雨,云层,日照,风和光线,一年8760个小时都要考虑在内,然后建立起一个以所在地气候设计为重点的建筑设计策略。
图二十四、西雅图绿色商业建筑。来源:Living Proof High Performance Building Case Study-THE BULLITT CENTER-University of Washington Center for Integrated Design(参考文献3,如需下载请公号后台留言索取)
步骤三:节能设计
建筑的形式、外墙和构成是由气候、用途、建筑系统以及严格的测试,建模和优化性能所决定的,目标是建立一个即便没有机械系统的协助下,依然舒适、健康的建筑。减少建筑物的能源需求只是一半的挑战,另一半是如何让建筑里工作的人可以很自然的减少使用能源,比如用一个“很有诱惑力楼梯”来减少电梯的使用;设置淋浴来促进更多的人选用比如自行车或其他非机动车交通工具,低流量或堆肥马桶等。
步骤四:使用高效设备
设计团队选择智能、节能设备提供加热、冷却、通风和照明。传感器连接监测光照强度,CO 2水平,室内和室外的温度以及风能和太阳强度的中枢系统从而控制和提供加热、冷却、通风和照明,提高运作效率。
步骤五:使用可再生能源
244 kW,1152平方米光伏阵列组成的575个固定在钢底座朝向西面的独立面板。满足100%的建筑的能源使用,同时独特的建筑造型也吸引了很多人的目光。
图二十五、西雅图绿色商业建筑。
图二十六、西雅图绿色商业建筑。
步骤六:验证性能
性能管理是一个需要稳定数据来源并不断提供反馈的过程,需要对项目性能目标经常维护并时刻关注预警信号。系统需要能够监测到建筑的性能预警,并持续提供改进方案。
五、辐射和通风系统
建筑使用混合冷却、加热和通风系统来优化空气和减少能源的使用。控制和传感器测量室内空气温度和湿度并对比预先建立的热舒适度来控制气流通过。低速吊扇及自动窗户的配合实现自然新风冷却以及改善空气流动。如果室外温度较低或较高或空气质量不佳,自动开启的窗户将被关闭,专用换风系统(DOAS)会启动并在供暖季节使用排风所产生的能量。这个系统大约可以抵消每年750个小时的冷却能耗。辐射系统通过在每层楼板下几厘米缠绕的液体循环加热或冷却辐射管道传输。水和乙二醇的混合液体在管道内加热或冷却混凝土楼板,有效地辐射到使用空间。这个系统是闭环周期性系统,唯一使用能源的地方是运行水泵和压缩机。
图二十七、西雅图绿色商业建筑。
系统分为水系统和空气系统。水系统用于加热和冷却,而空气系统提供通风和无动力制冷。
图二十八、水系统和空气系统。
六、冷却和加热设备
建筑使用地热交换系统,水和乙二醇的混合液体通过26个现场10米深井泵(在这个深度,在西雅图地区地面保持环境温度约12°)在冬季为加热液体,夏季提供降温。
图二十九、冷却和加油系统。来源:Radiant Cooling and Heating Systems Case Study (参考文献4,如需下载请公号后台留言索取)
图三十、西雅图绿色建筑
七、建筑外墙
设计团队开始选用高性能的窗户来减少能源的负载。在设计研究中,用简化的建筑几何,把墙体保温从R-19 提高到 R-25,屋顶保温从R-30 提高到 R-39,并且提高窗户的 U-factors从0.60(绝缘玻璃)提高到0.14(多窗格)使热负荷减少了62%。 超级隔热的幕墙系统选用三层窗格,5cm厚的玻璃。
“R值代表建筑材料阻止热量穿过的能力。R值越高,材料的阻热和隔热性能越高”
“热导系数(U值)U值用来度量导热能力,表示材料在单位面积上允许热量通过的能力, U值为R值的倒数,即U=1/R。U值越低说明材料保温性越好。”
图三十一、建筑外墙。来源: Results on thermal comfort question within the CBE occupant satisfaction survey. Credit: Caroline Karmann
窗户有由传感器和计时器自动控制外部百叶窗,配合自动调节窗户来调节光线,热量和空气。百叶窗也可以由住户降低或提高到不同倾斜角度来最小化或最大化建筑的热量增加并且消除眩光。
图三十二、建筑外墙。
八、高性能辐射的作用
虽然仅有辐射系统一项节能不能决定建筑是否是节能建筑,但他是从项目整合,设计到运营过程一个非常重要的组成部分。在加州, 低能耗取决于商业建筑耗能最高的项目HVAC系统(32%)。这个研究发现大多数研究建筑(96%)申请LEED认证而节能是获得认证的基本要求。
图三十三、西雅图绿色建筑太阳能传导。
最后,在平时生活中,多留意一些有这些标签的建筑。有了这个标签,很大可能参与到这个项目的人,无论是开发,设计,施工,运营,管理,投资,维护等和这栋建筑有关的人,用心考虑了你和每一个会住进这个楼里人的身心健康和我们未来的生存环境。
图三十四、LEED 认证 与 能源之星电器。
图三十五、WaterSense与 Forest Stewardship Council。
图三十六、绿色建筑认证体系。
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1、《商业建筑能耗调查》
2、《辐射供冷供热系统》
3、《HVAC能源代码与调查》
4、《 Bullitt Center: 高性能建筑案例研究》
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