意大利设计的可持续建筑案例在北京

中国北京环境保护履约中心，亦称“4C大楼”，是在将建筑、可持续战略、热力设备和照明系统整合在一起的典型工程案例。 
The China Convention Compliance Centre of Beijing, called also “4C Building”, is an good example which integrated the architecture, sustainable strategies, thermo-mechanical and lighting systems.
文：朱里奥·加里波第
By Giulio Garaboldi

图1：4C 大楼展示出采用符合市场条件的技术方案和建设成本建造具有可持续性建筑的可能性  
4C 大楼是负责管理和监管多边环境协议、实施和制止非法运输危险化学品的国家部门的新驻地，隶属于中国环境保护部 MEP。
该大楼已于2009年9月揭牌启用，它的建造是意大利环境、领土与海洋部与中国环境保护部之间签订的中意合作计划的一部分。该建筑楼群还接纳了意大利合作部门的环保材料和可持续发展的新技术。大楼的环保理念设计中结合了顺应性和可辨别性。
全面的可持续性 
4C 大楼项目的战略目标是展示建造具有可持续性、节能兼具高价值建筑形式且建设成本符合市场条件的建筑物的可能性。4C 大楼项目由马里奥·奥奇托建筑事务所和法威洛米兰工程咨询公司担纲设计，地点位于首都西直门地区，靠近二环路。初期节能课题研究委托费德利科·布特拉教授和可持续建筑协会承担，大楼设备已由法威洛米兰工程咨询公司与 TiFS 工程技术公司（马西莫·卡都林和威廉·斯特法努狄工程师）合作开发。由于采用了独特的建筑设计和创新的技术，因此赋予了这幢大楼超群的性能。与具有类似建筑容积和用途的传统大楼相比，其能耗几乎减少了一半。鉴于对建筑物所用资源的限制，事先已规定使用可循环使用的材料，以减少施工和安装中的用水量。

图2：北立面为天然石料构成的通风立面，具有优异的保温隔音效果 
所采纳的建设方案可以解读细微的背景要求及其气候、城市规划和建筑各种要素，诠释建立具备强烈识别特征的形象的目标，同时反映政府办公大楼的特有代表性。此外，大楼的设计还遵照了中国古老的风水原理，而这种风水学说就是研究建筑物的相互关系和作用，其中建筑物确定了天地间自然能量流的引力和方向。从立体上看，整幢大楼呈拼合结构，类似于沿东西轴线分布的平行六面体，底层之上还有9层（使用面积约29,290 m²，供暖体积102,000 m³）。大楼正面朝南，分成好几段，全部朝向太阳移动路线和附近住宅区的视野。
大楼的北面因面对冬季寒冷的北风，更兼面临嘈杂的城市交通干道，最终决定较大程度地封闭。
与简约外观的其它政府办公大楼相比较，这幢大楼的外墙最终设计是镶上大理石板和凝灰石板形成的通风立面，由岩棉保温层和轻质混凝土砌块砌成的墙体支持，从而获得热传导很微弱和高度隔音的效果。有限的窗洞尺寸和优异的保温窗性能减少了冬天的热量散失，同时又能实现内外视觉的交互沟通。
设计紧凑的北立面与采用生动包覆的南立面明显不一致，阳光交替作用于平立面和曲立面上，展示出一系列封闭和空洞，朝向周围主要的城市住宅区。南立面为巨大的彩色背景和透明的墙面（结构立面：U = 1,2W/m²°K，太阳能因子40%，透射率71%），既符合冬季利用太阳能的需要，又可利用马西莫开发的通风墙面技术，特别是对大楼东南角暴露于夏日凉风的区域，而且又有利于自然光线的透射。

图3：内中庭之一，除了起重要的生物气候作用之外，还用于在内部空间中分配自然光线（照片1-3提供：马里奥•奥奇托建筑事务所）
通风、视线、照明 
对于朝南的窗洞来讲，应用了使视觉功能与天然照明之间的分隔原理，通过广泛利用光架，保证了从环境的高处透入光线，即使在过量辐射场合有必要对于透光部分采用有效的遮阳措施。因为夏季太热和太阳光眩目，实际上，玻璃窗都有尺寸适当的窗檐保护。南立面不透光的部分覆盖了铝夹芯板。
东立面的上方又采用主立面的方案，而在下层楼层添加较薄的遮阳构件。在西立面，设置了垂直的遮阳帘，特别是在较热的几个月内，几乎完全遮蔽掉间接透射入玻璃幕墙的自然光线。楼内垂直横贯两个中庭，相互之间由透明幕墙分隔，以最大程度地利用自然太阳能资源，其重要作用在于不仅办公场所内部可以实现理想、舒适的温湿度条件和视线条件，而且在底层的集体活动区同样可以享受这些条件。
在夏天，打开庭院顶部的透明百叶窗，加强自然通风和排出热空气。而在冬天，关闭百叶窗，以保持大楼内部的热量。借助含自动跟踪太阳的定日镜系统，使得太阳光透入中庭，保证适当强度的漫射光进入幕墙附近的工作区。人工照明装置用得较少，利用传感器（籍此自动接通和断开照明装置，不过可以手动调光和控制）和光电管，按照自然光线条件，实现工作楼层人工照明的最佳调节。

图4：在较小的内中庭顶上同轴定向设置了两面自动跟踪太阳的定日镜（照片提供：法威洛米兰工程咨询公司）
调查显示，用户感到重要的是正确使用遮阳系统和人工照明，并结合对大楼管理系统中的设备以及大楼运行管理系统的监测、控制和自动控制。与不重视和缺乏大楼管理系统的情况相比，4C大楼的用电量限制为20%（中庭附近）和东南角暴露区的50%多。
热力系统 
对于冬天供暖来说，大楼与远程供暖区域分配管网连接，利用两台热交换器向热水箱供应60℃ 热水。制冷系统由两组水冷机构成，两者均配冷凝水塔，具体如下：
–  一台离心式（额定功率1.300kW），专用于生产空气处理装置用水（7至12 °C）；
–  一台螺旋式（额定功率750kW），用于生产冷却梁用水（16至19 °C） 。共有9台空气处理装置，带出风量可变的的通风系统，全部配备全热式转轮热回收装置（总能力120,000m³ / h）。终端主要由819根冷却梁和两根管道系统构成，还有设置在走廊和会议厅里大约70个左右的就地装置（阀箱、风机盘管）。
热力系统的主要特点有以下几个：
– 采用模块设备可以使空间布置高度灵活（管网和终端全部布置在假平顶上）；
– 典型的辐射式和诱导式一次风系统，响应迅速；
– 水压系统实现了水的循环和回用；
– 成本具有可比性，即便不低于具有类比性能的其它方案；
– 维护管理简单。
大楼形状的设计也考虑到能使安装在屋顶上和楼群南立面高处曲面部分处的太阳能收集系统的作用得到最佳的发挥。一共安装了 112m² 的真空管集热器，安装在平顶位置，配两个储存热水的水箱，总容量16m³，可以满足每年50%卫浴用水需求。224m²单晶硅太阳能电池板（峰值功率20kW）组合入玻璃幕墙模块之中。因此，太阳能电池板定向追随立面的形状而向水平方向倾斜0°至73°。整个模块化系统的设计最大限度地减少了能耗，通过电缆与交直流变换系统相连，而与技术设施间连接。

 
图5：朝南的曲面屋顶：太阳能光伏电池装在透明包覆之下（照片提供：TiFS 工程技术公司）
对比案例

4C大楼建成之后，法威洛米兰工程咨询公司委托帕多瓦大学的米歇尔·德·卡利教授对4C大楼实施深入的研究（*），他对该大楼的有效性能进行了分析，并与配置类似的不同设备系统的大楼作了对比。在 CEN TC 89 WG 5的框架内，采用 Lightswitch 用户的性能模型，利用专为多房大楼能量平衡设计的 Digithon 程序进行仿真模拟。
该软件利用了北京地区参考年气象数据，结合对气温、直接和分散的太阳辐射、楼内人员、设施和照明设备形成的内部荷载的考虑，计算出了显热荷载和潜热荷载。应用传热法计算了外墙和顶棚的热惯性。
依据运行介绍，将大楼分成8个区域，按不同的方位评估太阳辐射效应。这里输入几个参数：
–   冬季阶段 ，工作日从8:00至18:00, 温度设定点为21°C，其余时段的设定点定为12 °C，当温度超过25 °C 时，启动空调设备；
– 在夏季阶段的同样时段，温度设定点分别定为25 °C 和40 °C;
– 排风温度全年定为18 °C 。
所实施的这些模拟仿真显示出这幢大楼的潜在问题；在最近发布的这项研究，我们报告了所考虑的五种案例的主要特征和所得到的结果。

图6：安装生产卫浴用热水的真空管集热器的一个步骤 （照片提供：法威洛米兰工程咨询公司）
案例 1
采用中国标准建筑技术建造的参照大楼，配置了压缩式制冷机，空气式空调装置无热量回收功能；设在环境中的空调终端设定温度夏天为60 °C，冬天为7 °C；没有安装大楼管理系统。
一次能耗总量为每年243kWh/m²：能耗过大源于通风、制冷和电器。
能耗分配如下：电器（37%）, 制冷（32%）和供暖（31%）。
案例 2
系统设备与案例1类似的现有大楼，空气式空调装置上装有较多的热量回收装置（基于暖通空调系统）。
一次能耗总量为 每年24kWh/m²（比案例 1 减少8%）。
能耗分配如下：电器（41%），制冷（39%），供暖（20%）。
案例 3
基于暖通空调系统（案例2 ）的现有大楼，安装多个大楼管理系统。
一次能耗总量为 每年176kWh/m²：比案例 2减少21%；比案例 1减少28%。
能耗分配如下：电器（32%），制冷（38%），供暖（30%）。
案例 4
系统设备与案例 3 类似的现有大楼，以较低温度方式运行（环境终端设定温度冬季定为30～35 °C，夏季定为16°C）。
一次能耗总量为 每年141kWh/m²（比案例1减少42%）。
能耗分配如下：电器（40%），制冷（28%），供暖（32%）。
案例 5
系统设备类似案例4的现有大楼，整合了很多太阳能集热器和光伏发电部件。
一次能耗总量为 每年130kWh/m² （比案例1 减少47%）。
能耗分配如下：电器（42%），制冷（31%），供暖（27%）。
（*）法威洛米兰工程咨询公司（负责）：
《环境保护履约中心– 4C 大楼，中国北京 – 可持续设计战略 – 能耗分析》。

图7：冷却梁上的模块化设备能够提供空间安装的灵活性，很快的反应速度（照片提供：法威洛米兰工程咨询公司）

功能分段
地下2 层：             车库、技术设施间、民房设施
地下1 层：              车库、食堂和厨房、技术设施间
底层：                      联络中心、银行、商业空间、咖啡店、办公室
1 层：                        办公室、会议厅
3 至9层：                办公室
 
外部空调
冬季：                     温度12,2 °C；相对湿度. 95 %
夏季：                     温度33 °C；相对湿度. 45%
 
内部空调
办公室、 会议厅
冬季：                     温度20 +/- 1（°C）；相对湿度. 45 +/-5（%）
夏季：                     温度25 +/- 1（°C）；相对湿度. 60 +/- 5（%）
食堂
冬季：                     温度20 +/- 1（°C）；相对湿度. 45 +/-5（%）
夏季：                     温度26 +/- 1（°C）；相对湿度 55 +/- 5（%）
卫浴服务
冬季：                     温度18 +/- 1（°C）

 
图8：技术中心位于地下二层（照片提供：TiFS 工程技术公司）

客户：                              SEPA – 国家环保总局（中华人民共和国）；环境、领土与海洋部（意大利共和国）
建筑项目：                     马里奥•奥奇托建筑事务所，建筑师 Mario Occhiuto
工程设计：                     法威洛米兰工程咨询公司, 桑德罗 工程师 Sandro Favero，建筑师 Marina Tosetto
设备项目：                     TiFS 工程技术公司
电气专业设备：            工程师 Massimo Cadorin
热力设备：                      工程师 Villiam Stefanutti
节能方案咨询：            可持续建筑协会， 教授 Federico Butera
局部设计工程：            BIAD 北京建筑设计院
供应商
太阳能集热和光伏发电模块：          阿里斯通（Ariston Thermo）
制冷机组和空调装置：                        特灵（Trane）
冷却梁：                                                    Trox