超低能耗效果目标下的建筑创意设计——中德生态园被动房体验中心规划与建筑创作回顾

时间：2024-07-28

张晓东，王计玲，曾晓东

（中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

中德生态园被动房体验中心（见图1）是中国与德国在被动房和低能耗建筑示范工程领域的重点合作项目，也是亚洲首个获得德国被动房研究所（PHI）中级认证的被动房示范项目。已有很多论文［1-5］从可再生能源、高效热回收、被动式节点设计等方面对其进行了全方位解析。但这些多为选用高性能围护结构、采用高能效的空调机组、制定合理的运行模式等方面的归纳总结，缺乏在方案设计阶段用建筑布局和巧妙设计的方法去降低能耗的阐述。本文从规划和建筑设计角度探讨了中德生态园被动房体验中心“超低能耗效果目标下的建筑创意设计”。

图1 中德生态园被动房体验中心

1 项目概况

中德生态园被动房体验中心位于山东省青岛市黄岛区中德生态园核心区域，项目于 2015 年 3 月开工建设，2016 年 9 月完工并正式投入使用。项目用地面积 4 300 m2，总建筑面积近 14 000 m2，建筑地上 5 层，半地下 1 层，地下 1 层，是一座集被动式超低能耗绿色建筑技术研发、体验、展览展示、会议、居住等功能于一体的综合性建筑。作为中德两国技术合作的亚洲首个最高标准被动房项目，设计目标是高舒适度、超低能耗，项目建成后将达到一次能源需求不超过 15 kWh/（m2·a）的能耗控制目标。项目运行能耗监测结果显示，项目每年可节约一次能源能耗 130 万 kWh，减少碳排放 664 t，节能率达到 92 % 以上；与现行国家节能设计标准相比，节能率大幅提高。该项目获得由 PHI 颁发的被动房认证，并同时达到国内绿建三星认证，成为目前亚洲体量最大、世界功能最复杂的通过 PHI 权威认证的单体被动式建筑，荣获住房和城乡建设部 2020 年度绿建创新奖一等奖。

2 超低能耗效果目标下的建筑创意设计过程

超低能耗效果目标下的建筑创意设计过程就是结合场地自然条件和建筑功能需求，对建筑的体形、平面布局、空间尺度、围护结构等进行节能设计的过程，其中建筑节能技术体系主要由三方面的技术措施构成。①整体环境节能规划。在整体环境节能规划中，技术措施的选择主要强调建筑与环境的和谐，以当地气候条件、可再生能源为主要因素，协调建筑与地貌、植被、水土、风向、日照及气候之间的关系。②单体建筑节能设计。单体建筑节能设计中，选择的措施主要是运用建筑构造、自然通风、建筑遮阳及可再生能源利用等技术手段。③建筑耗能设备节能。建筑耗能设备节能是指对用于营造建筑内部物理环境舒适的设备进行节能，如空调、照明、热水供应、电梯等，所用的节能技术措施主要包括采用高效、低能耗的技术措施和设备，提高建筑设备的用能效率等。

2.1 整体环境节能规划

在整体环境节能规划阶段，用整体设计的理念将超低能耗技术体系恰当地融入建筑设计方案，是提高建筑中能源利用效率的基本保障，也是实现建筑整体节能目标的关键。因此从建筑规划阶段就应根据建筑的能量运行规律，运用适当的设计策略把超低能耗技术与传统建筑设计融合在一起，在建筑平面布置、空间形体、单体设计、围护结构等各个设计环节中综合采用多种节能技术措施提高能源利用率并降低建筑能耗，形成一套合理且适用的建筑节能设计方案并贯穿整个建筑设计过程。

2.1.1 场地自然条件与和建筑功能需求分析

在工程规划与建筑方案设计之初要解决的首要问题，就是如何正确地处理该建筑单体在基地中的位置，这对项目超低能耗效果的实现起着重要的作用。在这个过程中，能否最终达成目标取决于能否正确认识和了解场地所处位置、环境特征、交通路网布局、地形现状以及工程本身的功能要求。

从项目所在地的气候条件来看，青岛地处北温带季风区域，属温带季风气候，略有海洋性气候特征。空气湿润，温度适中，四季分明。年平均风速为 5.2 m/s，以东、南风为主导风向。

在整体建筑环境节能设计阶段，应综合考虑建筑物的结构、朝向、间距和排列方式、体形、体量、绿化配置等因素对节能的影响，尽可能提高建筑平面利用系数，营造舒适的热环境［6］。建筑平面的布置、朝向的选择根据能源布局策略，即在冬季有适量的阳光射入室内，尽量减少或者避免冷风吹袭；夏季则要有良好的通风，还应尽量避免太阳直射室内并减少外墙面太阳辐射面积。从节能和热环境的角度考虑，建筑物朝向以南北向或接近南北向最好，尽力避免东西向；若不能都为南北向，则主要房间宜避开冬季主导风向，尽量设在冬季背风和朝阳的部位，以减少外围护结构的散热量。同时，注意建筑间距与节能的关系，使建筑南墙的太阳辐射面积在整个采暖季节中不因其他建筑的遮挡而减少［7］。

本项目总体规划平面布置如图2 所示，建设场地南北长 56 m，东西宽 66 m，西边、北边为已建成的宽 30 m的道路，南侧和东侧都已建成高层住宅。这样的建筑规划布局存在先天局限性：建筑位于场地西北角，南侧有高层建筑遮挡，冬季太阳得热量低；且作为本地块内最矮的建筑，展示性难度较大。优点是东南角有大片公园，可作为休闲场所和活动场地。

图2 中德生态园被动房体验中心总体规划平面布置图

2.1.2 解决方案

开始设计阶段，采用适合常规超低能耗建筑设计的长方形布局，中规中矩，施工简单。后经反复研究，此种布局南向为主立面，存在着被高层建筑遮挡，太阳得热量小、视野差、体型系数大等缺点，使得项目的节能效果、宣传展示效果都不太理想。

后经多方案比对，对设计方案进行了优化调整，平面采用卵石形状，将主立面转向东南方，建筑尽量朝西北方向靠拢，东南侧留出大片活动场地，与中心花园完美融合。单体建筑形状及位置的确定，对项目各个功能分区的合理性布局提供了有力保障。例如，活动场地放在东南侧，这样设计的好处是人们的活动范围可以随着太阳高度的变化逐渐变化，夏季上午太阳照射角较低时，人们在此可以得到舒适的光照；下午太阳直射时，这个地方可以是凉爽的阴影区；冬季主导风向为西北风，此处位于建筑的东南方向，又是温暖的室外交往场地。

2.2 单体建筑节能设计

2.2.1 造型设计

本项目单体设计的创新之一就是采用卵石性造型，体型系数仅 0.17，远远小于长方形布局的 0.3。设计过程通过东南西北四个方向窗墙比的控制，在充分考虑降低夏季制冷负荷的前提下，冬季尽量引入辐射得热。同时，采用曲线形的建筑形体把美学和气流组织要求整合为一体，即利用曲线形式对建筑周围气流产生的阻碍最小，引导气流平滑通过［8］，夏季可以将南立面的热量迅速带走，且由于北立面的长度最小，冬季北向冷气流对建筑能耗损失可以减小到最小，达到了超低能耗和造型美观的完美统一。

2.2.2 阳台设计

传统的超低能耗建筑，为了节能，外立面大部分封闭，设置阳台的比较少。本项目采用开放式大阳台，将大自然的光、风、水、空气等元素引入种植阳台，在有限的空间中创造了一个微型生态圈，并获得了自然通风、采光和开放的空间，让更多的人能够接触户外。完全敞开的阳台在水平方向上将室外的自然拉近到建筑的外侧，使阳台成为室内与室外交流的场所，效果类似空中庭院，可以感受风、光乃至温度的变换，更提供了人与人交流的场所。国际交流中心，安排在半地下空间，西向及北向完全埋在土中，南向是室外广场，因为覆土和半地下形式而保特着较为恒定的内温，宽大的南向窗户让自然光深入室内，并为游客带来舒适的南向景观。东南方向的大挑板同时也作为外遮阳，种植的植物，有效地吸收了太阳直射光。

2.2.3 中庭设计

中庭是室内外空间的交换场所，对建筑的整体节能、气温控制等方面能起到积极的作用。本项目方案设计中将中庭作为应对温度变化的缓冲区，利用烟囱效应产生气候梯度达到自然风的最大利用，即利用空间高度不同造成空气压力差，形成室内气流的运动，从而实现自然通风。

室内设计依旧采用超低能耗的设计理念。中庭采用透明玻璃栏板，便于光线透射，太阳光可以从天窗照射下来，具有导光作用的外遮阳百叶，和内侧高窗的采用，可以保证白天室内不开灯，就具备足够的照明。中庭周边的房间也可以通过高窗进行采光，以节约能耗。中庭绿化采用室内外一体化的设计手法，将绿化引入室内，提高视觉舒适性，形成生物气候缓冲带，改善建筑微环境，赋予建筑以生命；天花板上的 LED 灯产生星辰闪烁的效果，寓意仰望浩瀚寰宇，拥抱星辰大海，未来的美好生活值得期待和向往。这样设计的意义在于让身处其中的人们生活中充满阳光、映满绿色，从环境景观绿化到室内绿化再到整个建筑的绿色美学，共同创造拥抱自然、绿色健康的生活方式，把功能与环境很好地融合在一起。中庭设计效果如图3 所示。

图3 中庭设计效果图

2.3 节能技术与能源利用要点［9］

1）建筑外墙保温材料采用厚度为 250 mm 的岩棉板，外墙传热系数低至 0.17 W/（m2·K）；屋面保温材料采用厚度为300mm的挤塑聚苯板，屋面传热系数低至 0.12 W/（m2·K）。

2）建筑围护结构按照德国被动房设计标准进行气密性处理，保证结构密闭性好。

3）外窗外挂无冷桥安装，可以将冷桥降低到最小。

4）建筑空调采用土壤源热泵中央空调，利用地热资源实现冬季供热和夏季制冷；通过全电脑自动控制设备高效、统一控制整楼的温湿度，产生的废气经过能量回收后方可排出室外，达到能源的高效利用。

5）项目空调系统末端采用被动式冷梁和独立新风系统，利用自然对流原理进行制冷换热，实现室内气流循环。屋面设置有太阳能光伏发电和太阳能热水设备，以先进的集成技术实现可再生能源最大程度的利用，并减少能源消费和需求。

6）建筑设计中每层设置有室外挑台，给人们创造一个舒适的室外活动空间；挑台板与建筑主体楼板采用避免产生热桥效应的分离设计，解决了挑板断桥的问题。

3 以节能为导向的建筑整合设计

以节能为导向的建筑整合设计，就是在确保建筑功能实现的基础上，以提高建筑能源利用效率为目标，将建筑的绿色化、节能化、高效化运用理念融入建筑设计中，并使能源的可持续利用成为建筑设计的必要元素。首先根据建筑所处地域的能源分布特点和气候特征，分析考虑建筑功能、建筑工艺技术及环境协调性、建筑艺术效果等建筑设计各要素之间的相互联系及相互问题；其次根据建筑形式与能量传递的内在关联规律，在建筑的平面组合、空间关系、结构形式、内外围护、材料和设备选用等各个设计环节中，采用适宜的保温隔热、遮阳、自然通风、自然采光、地源热泵空调、太阳能与建筑物一体化、智能控制等建筑节能技术，并优化组合形成资源利用高效循环、节能措施综合有效的建筑节能技术体系；最后系统地进行设计并建造综合能耗最低的建筑，实现建筑节能。

运用节能与建筑的整合设计策略进行建筑设计，其过程涉及节能技术与建筑设计两方面的多个要素，针对当代建筑设计过程，可以从能源合理布局、系统应用绿色技术及节能技术协作等方面运用相应的节能设计策略。

3.1 能源合理布局策略

能源合理布局策略，就是根据实际条件的具备情况和决策时考虑的侧重点的不同，从物理环境、工程环境、经济环境等方面对建筑供能方式进行系统性规划和分析，给出实际情况下的最为优化与适宜的建筑物能源方式，合理优化配置各种可利用能源，并在建筑中合理利用风能、水能、太阳能、海洋能、地热能和生物质能等可再生资源，尽可能使建筑物能源供应多元化，提高能源利用效率，降低采暖、制冷设备使用率，减少能源负荷，从而使建筑环境健康舒适、废物排放减量无害、建筑功能灵活适宜，达到高效利用资源、节约能源、保护环境的目的，实现能源、经济和环境协调发展。

适应可再生能源分布的建筑布局，就是需要考虑目前资源分布的局限性和可再生能源在单体建筑中利用的成熟度，把基地内可再生能源的空间分布与建筑整体平面布局设计进行有机整合［8］，以最高效、最经济地满足建筑物所有各种终端用能需求。

3.2 系统应用绿色技术策略

绿色是时代主旋律，无论是国家的大政方针和发展观念，还是设计师、科研工作者、产品供应商，现在都在谈绿色理念，生产绿色产品，做绿色建筑。同时，我们也要看到国际、国内的标准在不断更新，科研创新在不断地突破，因此，绿色所涉及的内容是多维度、多要素的，既不是概念层面的宣讲，也不是个别技术的堆叠，其间往往充满着多专业、多学科的复杂交叉，需要系统的解決方案。然而在设计过程中，绿色策略往往被片段化，应用起来很容易顾此失彼，甚至在很多时候绿色建筑脱离了建筑设计的主体过程，变成了另外一件叠加的工作，其效果自然大打折扣。

建筑师的创作过程也是系统性解决问题的过程，绿色建筑的设计最需要设计师的广泛参与，把各专业、各专项系统地整合起来，把绿色策略与技术融入到创作的全过程中，实现绿色技术的系统化应用。本项目也是通过各专业通力合作，将绿色照明技术、太阳能光热一体化技术、自然采光技术、生态绿化配制技术等绿色技术有机融合，因地制宜整合运用，与气候适应，与地理环境协调，才能建造符合当地气候特点绿色节能建筑。

3.3 节能技术协作策略

提高建筑能源利用率往往离不开建筑节能技术和能源综合利用技术的协同作用，比如外墙保温技术、遮阳技术、外窗保温隔热技术、自然通风和采光技术、光伏建筑一体化技术、地源热泵技术、中水回用技术、绿色建材和智能控制技术等各项技术，经过筛选、优化、整合利用，均可用来改善建筑热工环境、室内空气质量、光环境等，提高室内环境舒适性。同时，这些节能技术也可以是建筑外立面设计的有利因素，从而实现彼此的整合。因此，在设计创作过程中要考虑建筑节能技术与建筑外立面设计的有机整合，以提高能源利用率，降低整体建筑能耗。

在一定的功能要求和技术条件下，综合考虑气候特点、地理环境、自然资源等因素，充分发挥设计者主观作用的、合理的建筑设计方案是高效利用资源、节约能源的基本保障。单项高新技术或节能技术的应用只是建筑节能设计的一个方面，基于节能的建筑整合设计，不是简单地在建筑设计过程中把节能技术进行堆砌和累加，而是要因地制宜，综合、系统地运用上述三项策略，把用能、节能与建筑设计进行有机整合，从而探索出新的设计方法，创新设计方案。建筑师熟练应用节能与建筑整合设计的策略，掌握一定的建筑节能技术体系并在建筑设计中加以实践，才是建筑设计方案达到理想节能效果的必要前提。