建筑节能技术的崭新升级

如今的 Leo 大楼,是昔日的 Poseidon Haus 大楼,于1986年建成的综合办公大楼,位于德国金融首府,美因河畔法兰克福的金融商业区中心内的一个三角形地块中。

该大楼是由 Nagele、Hofmann、Tiedemann & Partners 建筑设计事务所设计,其构成如下:

- 地下三层,主要作为车库(480个汽车车位)和设备安装场所;

- 东西两楼,分别高9层(35m)和17层(67m),向着面前的大广场汇聚。

- 一幢高5层的连接楼,由一个内设过道的圆筒状主楼和两侧开设了服务区的翼楼构成。

这幢大楼具有后现代建筑风格特点,其立面设计不禁令人联想为纽约世贸中心的缩小版,那些涂色透明或不透明的玻璃幕墙构成了一幅精密的立体全景画面,而幕墙玻璃与白色铝合金板框架最终终止于隐蔽布置了设备中心的冠状塔顶。

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陈旧建筑的改造

Poseidon Haus 大楼建成不到20年就呈现出陈旧过时的趋势,这一点与美国世贸双塔的不幸遭遇有点类似,但并非是引起争论的唯一一点,而根据现代原则也引发了一些在空间功能上值得注意的问题,同时根据标准、技术和节能的要求也有必要实施深度改造。

实际上,这是一幢特别的能源密集型综合楼。冬季供暖的热负荷曾为100kWh/m2a左右,而夏天供冷的热负荷更为140kWh/m2a。尽管这幢大楼的地段位置很有魅力。但是它的种种缺点,特别是高昂的管理维护成本,已经严重地损害了其物业价值。

往昔的 Poseidon Haus 大楼,如今的 Leo 大楼以银行徽标中的狮子作为纪念标志,目前是德意志银行的总部,也是一幢综合性办公大楼,每天大概要接待1,500人进出,特别是那些按照 LEED 协议(金奖)的能源认证人员。

扩建、节能和舒适

这个改建项目由 Schneider+Schumacher 设计事务所主持,其主要目标定为整个楼群统一设计思想,使新的工作场所与新的外立面之间恢复明晰、协和的关系,不再按照空间的外观构思,而是将整个楼群作为能够为活动提供最佳环境条件的总体进行设计。

在约20个月的施工期间,现有的两幢连体楼完全拆清腾空,并对四周的钢筋混凝土结构作重点破拆,以求增加立面的开放幅度,使楼内外形成最明晰、舒心的关系。

拆除了楼底下的建筑结构,另外再建造一个横贯新楼,楼体从17层倾斜至9层,从楼顶的露台上可探身俯瞰城市全景。除了使总面积增加了约15,000m2(现在建筑总面积略低于50,000m2)之外,从布局观点来看,这幢新楼体更使 Leo 大楼成为一个统一体。

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现在,主入口实际上借助双高新大厅,大厅面向广场并位于封闭的内部庭院之中,后者供休闲和代表活动之用。将全部主要的公共活动功能(酒吧、食堂、厨房、服务区等)分布在大厅底层,登上上层全透明的连接空间,可以进入原有的两幢连体楼宇。

改善能源绩效,使之符合客户的环境目标和舒适条件,构成该项目的下一个认证目标,为此也可采用双层外皮的建筑外壳系统实现这一点,而 Permasteelisa 集团成员的德国 Joseph Gartner 公司对此创新理念作出了全程指导。

与以前情况相比,目前冬季供暖的单位能耗为28kWh/m2a, 夏季空调供冷能耗为59kWh/m2a,供热供冷的一次能源总需求减少了60%。

供给立面的压缩空气

德国好多地方夏天气候温暖,因此从节能角度讲,双层立面(双层幕墙)是特别有效的方案。安装在 Leo 大楼立面上的空腔封闭型立面(CCF)构件实际上构成了一个由相互隔离的下述模件组成的双层表皮系统:

-  铝合金断桥隔热框架;

-  外层整块特殊玻璃(厚度6mm);

- 水密内部墙体(厚度94mm),利用细管网以最低的速度将干燥压缩空气吹入空腔,实施定期换气;

- 机动转向的遮阳遮光装置(软百叶窗帘、卷式窗帘)安装在通气空腔内,通常由集中控制管理机构操纵;

- 内层中空玻璃。

压缩空气经过过滤后流入墙体空腔(50L/h;0,05-0,2bar过压),目的是侵入空腔内的粉尘,根据外部温度冷却模件,防止结露。CCF 模件冷却空气的温度越低,则模件含湿量也越低。因此,CCF 模件不仅可以避免在外层玻璃板的内侧结露,而且也不需要传统型双层幕墙那种典型的清扫作业,后者会因对流带入悬浮颗粒。

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CCF 详细介绍

Leo 大楼的外壳(总面积28,000m2)由2,598个 CCF 模件构成(总面积10,000m2),其中:

- 1,683个模件,宽度1,200mm(分成两种对称件)x高度2,300mm,安装在改建楼体的幕墙上;

-  915个模件,宽度2,100mm(分成两种对称件)x高度2,300mm,安装在新建楼体的幕墙上。

只有小部分 CCF 模件是固定的,1,311个模件配属于采用缩放机构的立面(180mm以下)平行开启系统,利用大楼的建筑管理系统自动控制操纵该系统,不仅用于启动自然通风,而且在发生火情时排出烟气。

其余692个模件采用手动开启(70mm以下)。在这两种场合,开窗时,建筑管理系统会暂停机械通风和向有关的房间供给传热液。在开启窗户时,也可操作百叶窗帘。

CCF 模件的传热系数是较低的(Uw:1.0W/m2K),太阳辐射因子 g 等于0.44,但是,从声学观点说,CCF 的性能值得注意,在 Leo 大楼的房间内,噪声级降低到了37–45dB。大楼底层的透明立面采用竖框横档式双层中空玻璃的传统幕墙系统。

不透明的幕墙(14,000m2)为通风幕墙,由稳定的绝热层和按图制作的特殊平板玻璃构成,制作时,将粘合剂和增强玻纤(GFRC)倒入模具内,合模后开模。于是,这两种组分会在幕墙上交互排列形成一种纹理组织,从而使立面设计达到多样化和轻量化。

设备与安装场所

热力设备的设计由 Seidl+Partner 工程公司担当。由建筑师按照楼内房间的类别,联合评估将新风引入室内的设备的类型、位置和形状。美茵河畔法兰克福的气候是典型的大陆性气候,冬季寒冷(一月份平均 Tmin 为–1.1℃),夏天炎热(七月份平均为25.5℃),这些季节还常常因降水和相对湿度的峰值而出现特殊变动。以下表1中列出了新空调设备的设计规格。

表1 – 工程规格

该项目的气候条件 冬季:T(℃); U.r. (%) 夏季: T(℃); U.r. (%)
-12 90 32 40
项目区域 冬季:T(℃); U.r. (%) 夏季: T(℃); U.r. (%) 通风
办事处 22 35 26 55 6,9m3/h/m2
会议室 22 35 26 65 18m3/h/m2
员工餐厅、入口、大厅 22 - 26 - 18m3/h/m2
影印室 22 (max) - 26 - -
更衣室 24 - - - -
淋浴 24 - - - 100m3/h
走廊、电梯 15 - - - ~3m3/h/m2
档案 15 - - - 3m3/h/m2
服务器机房 22 - 22 (max) - -
厕所、楼梯 18 - - - 35÷70m3/h
技术部 > 0 - - - 3÷6m3/h/m2

注:温度偏差为±1℃。楼内最高进风风速为0.12m/s(冬季)- 0.15m/s(夏季)

设备间位于地下筏板基础和各楼顶的设备区内。冬季供暖制热依靠2台功率相同的板式换热器(总功率2,400kW),与城市远程供暖管网相连以备后援。利用配备了无油离心压缩机和冷凝水系统的2个冷冻机组(总功率2,500kW)制取冷冻水。

采用微孔铝板制作的辐射吊顶,并结合新风,实现所有办公室内部的供暖供冷,而吊顶的激活范围到达离立面4.2m的地方。与大楼底层集会场所内透明立面相对应,安装了地板对流器。

按照使用区域的不同,安装了不同的通风设备;这些区域包括了:办公室和会议厅、大厅和餐厅、厨房、吸烟室等等。另外,还安装了排风设备,包括消防安全所需的,涉及厨房的橱柜、与垂直人员流动节点相应的分隔空间、卫生设施、设备间和维修间、车库等。

总的说来,空气处理机组设置在屋顶设备区内,主要服务于办公场所,并利用镀锌钢板制作的风道,沿竖井通道分配空气。空调和卫生换气所考虑的总风量等于228,340m3/h(送风))和225,890m3/h(回风)。

在夏季,进风17℃,直至外部气温至32℃;一旦超过此阈值,则按照实际需要,查核每个房间温度,逐渐降低进风温度。为了应对外部空气较高的湿度,余热回收装置利用一套两级间接绝热冷却系统,在湿热阶段切断部分回路(效率:冬季80%;夏季35%)。一般,利用:

- 线型消声风口(办公室,会议厅);

- 吊顶线型风口(大厅,连接空间);

- 螺旋型风口(餐厅、休闲场所、吸烟室),某些场合与室内陈设结合;

- 蘑菇头风口(服务器机房、走廊、卫生间、设备间等);

- 壁装格栅(设备间)。

排风终端主要为装在天花板上或墙壁上方的格栅型终端。厨房内配备不锈钢强制排风罩。

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