绿色理念导向下的建筑性能协同创新及未来趋势

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导读

2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，表示我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，建筑行业作为占全国能源消费总量约1/5的“能源大户”，绿色化成为其发展的必然趋势。联合国政府间气候变化工作组指出，绿色建筑减碳效果居所有行业之冠。

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作者简介：

林波荣，清华大学建筑学院教授、博导、副院长，清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室主任，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，2020腾讯科学探索奖获得者，国际建筑性能模拟学会会士。主要从事绿色建筑环境营造与节能相关基础理论、关键技术和新产品研究。

Part 01

什么是绿色建筑呢？

《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2019对其这样定义：在全寿命期内，节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用、高效的使用空间，最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑。

比起早在数千年前出现的建筑，绿色建筑发展历史并不长。20世纪60年代，美籍意大利建筑师保罗·索勒瑞(Paola Soleri)把生态学(Ecology Ecology)和建筑学(Architecture Architecture)两词合并为“Arology”，提出了“生态建筑”（绿色建筑）的理念。1991年布兰达·威尔和罗伯特·威尔(Brenda and Robert Vale Brenda and Robert Vale)合著的《绿色建筑：为可持续发展而设计 为可持续发展而设计》问世，提出了综合考虑能源、气候、材料、住户、区域环境的整体的设计观。1999年UIA大会发布《北京宪章》，明确要求将可持续发展作 ，明确要求将可持续发展作为建筑师和工程师在新世纪中的工作准则。

我国在绿色建筑方面的相关政策, 历经了“建筑节能”“节能省地”“四节一环保” (节能、节地、节水、节材、保护环境和减少污染) 的发展阶段。2006年《国家中长期科学和技术发展规划纲要》首次将城镇化和城市发展作为独立领域，建筑节能和绿色建筑成为其中重点发展方向之一。《绿色建筑评价标准》于同年颁布，并在2008年正式进行评审认证，我国绿色建筑发展进入全面开展阶段。

图1 绿色建筑政策发展

Part 02

新时代绿色建筑发展特征与趋势

2019年《绿色建筑评价标准》将传统的“四节一环保”体系修改为安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约和环境宜居五个新描述，并且取消了设计标识。而这也意味着新时代绿色建筑发展的三个重要转变：

（1）以“房子为本”向“以人为本”转变，从以房屋为主体的评价表述转变为以使用者角度的评价表述意味着绿色建筑更加注重提升建筑品质和使用者获得感；

（2）以“技术主导”向“更注重建筑师的设计主导”转变，“四节一环保”体系下更强调绿色技术的应用，而新体系则更加强调创造建筑的先天绿色基因；

（3）从“措施导向”向“性能效果导向”转变，措施是否有用还是要用数据说话，取消设计标识意味着只有真正有性能优化的建筑才能拿到标识，才是国家鼓励发展的建筑。

这些转变同样为多专业技术创新协同提出了新要求：要有共同语境和统一目标，实现同一理念下的技术创新。为此，我们团队在下列三个方向中分别做了一些探索性的工作。

2.1健康节能多目标下的智能设计方法

传统的建筑设计往往遵循业主、建筑师、结构工程师、设备工程师各司其职的流水线工作模式，负责运行能耗主体的设备工程师自然承担了节能的主要责任。然而正如刚刚讲到的，绿色化的发展需要多专业技术协同创新，这其中也为建筑师提出了更高要求，建筑专业需要强化“空间节能优先”原则及要求，优化体型、空间平面布局，与之对应的，设备专业也需要跟上思维，找准语境，方案阶段及时介入，快速反应、精确设计。

建筑能耗是由能耗强度、空间和时间共同决定的，传统设备专业导向的节能往往是通过提高热工设计标准和提高设备系统能效实现能耗强度的降低，而在“空间节能”的语境下，合理控制建筑空调供暖的规模、区域和时间，在保证舒适度的前提下，合理设置少用能、不用能空间，实现 “小空间保证、大空间过渡”的理念，能够在增量成本更低的条件下实现相同甚至更好的节能效果。

图2 建筑节能设计新方法

东莞生态园办公楼是分区控温的典型案例。方案采用了自然通风优先的原则，同时对中庭不进行控温处理，使空调时间缩短40天左右，仅此一项技术就降低了空调耗电量约15%，折合22.3万kWh/a。该项目荣获 2017 年国际气候大会 Construction 21 全球绿色建筑智慧解决方案奖第 2 名、全国绿色建筑创新奖一等奖、三星级绿色建筑运行标识项目等标识或奖项，实测能耗50kWh/平米年，节能55%，用户满意度>85%。

图3 东莞生态园办公楼效果图

图4 东莞生态园办公楼自然通风设计剖面图

图5 东莞生态园办公楼自然室温模拟结果

通过空间设计等方式进行优化显然是有极限的，建筑师在有限的工作强度内实现的是满足设计任务要求的方案，而这个设计任务，也就是建筑领域常说的设计任务书，往往是由业主或者说甲方来决定的。

在确定设计任务书的方案初期，更改决策的成本是最低的，我们也着眼于这一特点，开发了方案初期智能辅助设计优化工具MOOSAS，通过反向优化实现了方案快速生成模拟，为业主制定任务书和建筑师设计过程中实现“即绘即模拟”提供了硬件支持。

图7 方案快速模拟优化结果

图8 基于决策偏好的智能参数化与交互式设计

2.2 新型空调和照明环境控制末端开发

从空间和时间上实现节能不仅仅是建筑设计阶段需要考量的事情，在设备层面也面临着革新。传统的供暖末端类型大致可以分为对流末端，也就是我们常见的分体空调或者办公室常用的风机盘管；以及辐射末端，也就是北方冬天常用的地暖、暖气片或者公共建筑中会使用的毛细管吊顶等等。前者的热惯性小，也即能够即开即用，这意味着这类设备间歇性高，然而实际使用的舒适性缺不佳；而后者尽管舒适，但是热惯性大，无论启停都需要很长时间，这造成了间歇性差，不适合部分时间供暖。显然，这些末端类型难以在间歇性和舒适度上实现兼顾。

因此，我们希望能够开发一种间歇性供冷供热，同时还具备辐射末端舒适性的新型末端。平板热管因为其高效传热性能（间歇性）和平板特征（辐射供暖空调-舒适性）成为首选。

图9 平板热管工作原理

我们初步研发了大尺度平板热管末端模块，尺寸约为长1m，高0.8m，平板热管很薄，仅厚5毫米。模块背面贴有两个换热翅片，其中流动有冷热流体。当供冷时，冷源流过平板热管顶部后的翅片，如蓝色的流线所示；供暖时，热源流过平板热管底部的翅片，如红色的线所示。该平板热管进行了工质的特殊配置，能兼顾供冷和供暖。

图10 基于平板热管的供暖空调末端

这种末端由于工质温度与传统的蒸气压缩制冷空调一致，能够实现与传统空调系统的融合，便于在现有空调系统基础上改进的同时能够降低辐射末端传热温差，提高系统综合能效。另一方面，由于这种末端仅仅5毫米厚，能够于围护结构相结合，通过围护结构末端一体化为未来优化的建筑形式提供更多可能性。

图11 新型末端设备应用前景

平板热管除了直接应用于供暖空调末端，还能够和一些特殊的冷热源结合，比如半导体材料。半导体材料工作原理是Peltier效应，类似于小型热泵，当电流通过半导体材料时，其两端会有一定的温差，分别是冷端和热端。

半导体材料具有的优势为：没有移动部件、可靠性高、稳定性高和没有制冷剂。但是半导体材料目前没有大范围应用于暖通空调领域的原因是因为，冷热端的热量密度大，如果不能做到及时散热时，其效率极低。

由于半导体具有非常紧凑的结构，可能可以替代一些特殊场景的冷热源，并且随着近些年半导体材料的发展，性能得到提升。考虑其散热问题，可以通过结合平板热管对其进行优化，并结合平板热管可实现供暖空调末端的特性，具有一定的应用前景。

图12 半导体制冷制热原理

受现有热电材料限制，整体系统效率偏低，随着材料领域发展，新型高效热电材料研发，热电系统能效将大幅提升，可与传统供暖系统媲美。而将半导体供冷供暖与平板热管融合则能发挥平板热管优势，充分对半导体散热，同时紧凑的结构能够适用于特殊场景供暖。

在相变蓄热和太阳能集热系统的加持下，合理的系统架构能使系统高效稳定运行，达到间歇性清洁辐射供暖，未来随着半导体材料的发展，该系统能效的提升前景广阔。

图13 半导体与建筑系统结合示意图

2.3 数据驱动的智慧运维方法

建筑绿色化发展设计是源头，运维是重点。目前，全国公共建筑接近100亿平米，每年运维费用达38万亿。然而当前建筑运维尽管数据量大，但信息化/智能化程度低，智慧运维转型已经迫在眉睫。这其中，如何高效准确获取数据和如何使用数据快速识别诊断运行效果进而优化控制是智慧运维当前面临的最大挑战。

传统环境监测方法繁冗、侵入性强造成数据质量差且少，其监测往往是几栋建筑内少量测点现场或短期测试，数据量级仅仅为KB/MB，难以支撑长期、大规模的环境数据采集和数据库建立。我们研发了非侵入式室内环境健康性能监测设备和平台系统，建立了多维云端可视化监控系统和数据仓库。

图14 高精度、实时在线的室内环境监测设备及系统

设备集成温湿度、CO2、PM10/2.5、照度等传感器，实现了长周期、高频次、高密度、多参数的连续高精度监测。该设备在国内外22个城市的142个建筑案例（共630万平米建筑面积），包括综合办公楼、医院、航站楼中得到了应用，积累数据量总条数达27亿条，总容量达317G。

图15 数据库分布

传统的环境监测往往采用集总参数法，也就是认为一个特定功能空间内的环境是均匀的，从而仅仅使用一个点代替整个空间的环境，这种方法往往只能分析环境的时间维度属性，而忽略了空间差异性，在疫情期间，这一监测方法的缺点也被进一步放大。

为了解决这一问题，我们以室内环境多测点的连续监测数据为基础，辅以环境模拟或空间插值方法，建立多维参数、海量数据的动态环境场，这种方法能够分时段、分区域对室内环境性能表现进行精细化剖析和靶向诊断。

图16 动态环境场诊断方法

这项技术应用于一大批实际工程，辅助建筑运营者对室内环境进行诊断和控制策略优化，实现室内环境达标率提升20%以上。

以夏热冬冷地区某办公楼为例，夏季工作日该楼标准层中部开敞办公区面积大，人员多，空调末端送风可及性较差，室温偏高，CO2浓度偏高，而冬季工作日整个楼层的室温普遍偏低，特别是靠近围护结构的区域；北向小办公室位于角落的工位附近CO2浓度偏高，通风不畅。通过针对性调整实现环境控制优化。

图17 夏热冬冷地区某办公楼动态环境场节能诊断

基于这项技术，在新冠肺炎疫情期间，开发了医院环境气溶胶传染风险实时预警技术，解决了无法实时测量新冠病毒气溶胶的难题。疫情期间共识别隐性高危险气溶胶感染风险区10余处，推动了武汉雷神山/火神山/金银潭/江夏方舱医院等院感风险防控信息化，得到院方高度评价。

图18 疫情期间医院环境预警平台部署

发展绿色建筑已成为大势所趋，相信随着产业和技术的不断成熟，未来将会有很大的发展空间。

供稿｜建筑学院研团总支

图文｜林波荣教授课题组

编辑｜史宛琪 周圣钧 邱雨浩 李艳文 高松龄

审核｜张可人