绿色建筑设计与执行的完整清单

Joy of Sustainability (乐持)的平台于2020年年中正式发布,这个平台基于扎实的技术基底,通过教练技术,为读者呈现全面的可持续发展的理念。科技与知识会在这里大方透明的分享,我们更希望看到的是每个人都可以拥有可持续发展的基因。我们希望支持渴望了解可持续的每一个专业和非专业人员,但愿每位朋友都秉持着可持续发展的理念,一起携手守护我们尤为宝贵的地球。

此平台以博客文章的形式发表行业内专业人士对可持续科技、理念、未来发展的独特观念。每个观点会先以英文文章发布,然后会根据中国国情与项目需求以中文形式重新整理呈现。欢迎大家以双语形式访问乐持的平台。

平台的第一篇中文文章将为大家列出行业中最常见的绿色建筑思路和呈现的特征。需要澄清的是,可持续发展是一个非常广阔的概念,这里包含可持续的思维模式与可持续的产品特征;对于一栋建筑来说,可持续代表很多方面:可持续可以是对建筑材料的精心筛选,保证建材的体现碳指数和碳排放量公开透明,并在生产过程中对环境有所保护;可持续也可以是对能源使用与洁净能源开发的专注,让一栋建筑的能耗优化,并对整体城市的能源发展有积极贡献作用。

这样说来,可持续的理念是说不完的,涉及到的方面也跨越众多学科。所以,设计一栋可持续的建筑也为设计师提供了巨大的画布。设计师可以用自己熟悉的形式,或者是针对建筑周围独特的地理和气候环境打造独一无二的可持续理念。总之,可持续是一个合作共赢的过程,是一个环境与建筑完美结合的累积效应。

平台中曾经发布过一篇较短的文章,简单明晰的列出常见的可持续设计形式: previous article.

欢迎查看此文章的英文版本

一个绿色可持续的建筑需要涵盖以下主要方面:

能源

如果我们把建筑的能耗想象为建筑的“肥胖指数”,由此,建筑节能就可以想象为建筑要“减肥”。如果我们的目标是减肥,那么怎么做才是最有效的减肥方式呢?

要减肥,首先我们肯定是要控制好自己的嘴巴,少吃,或者吃的健康是减肥最最重要的步骤。当然,很多人没有办法成功减肥也是因为很难控制自己的食欲。如果食欲可以被控制,并成为一个健康的生活习惯,那么继续有效减肥就要加入适当的运动了。当少吃、多运动已经成为一个健康的生活习惯,我们也可以适当吃一些控制体重的保健食品,比如代餐、增加新陈代谢、促进消化等等的健康食品。这些补品主要是一个对体制的提升,而不可以作为减肥的主要元素。


类似的, 一栋建筑要”减肥“也是要遵循以上健康、可持续的理念。一栋建筑的节能理念首先要从减少能耗开始。只有在建筑能耗已经优化的前提下,高效率的系统才可以得以发挥,才会为建筑节能有积极的促进作用。最后,只要在建筑能耗已经最优化,加上高效率的系统之后,安装传感器和智能装置才会对建筑节能有添彩的意义。由此,建筑节能的步骤为:1. 优化建筑能耗负荷;2. 高效系统;3. 节能新科技与传感器。


供热与空调系统

在不同气候下,一栋建筑的能耗比例不同,大部分的建筑以供热和空调系统为最大的能耗类型。由此,建筑供热与空调系统是节能减排设计中首要关注的部分。以新加坡为例,空调系统的节能目标从降低能负荷,到优化空调系统效率到0.56 to 0.58 kW/RT。此效率包括冷机、冷却塔、冷却水与冷冻水泵。


建筑也可以考虑不同形式的冷机:比如Magnetic bearing centrifugal chillers 磁悬浮离心式机组, absorption chillers 吸收式机组等等 (适用于当项目有废热,同时建筑也有对热水的需求)。


如果一个建筑群的不同建筑的对空调的使用时间不同,(比如有一些24小时的数据中心,或者一些夜间营业的餐饮等),district cooling system区域供冷系统则可以很好的调节负荷的平衡,在有效范围内达到更高的效率。Thermal storage冰蓄冷技术适用于峰谷电费差比较大的情况,可以在夜间电费比较低的时间把冷量存入蓄冷装置,在白天电费较高的时间平衡电价差别,从而减少总电费(冰蓄冷系统并非单独的节能系统,而是一个优化电费的措施。除非冰蓄冷系统的运行是要保持在机组的最优条件下)。


外围护系统

欢迎参考平台的另一篇关于外围护系统设计的文章


建筑外围护将室内与室外空间有效的分隔开,从而保护室内的环境不受外界污染、噪音、极端气候等条件的影响。优化的建筑外围护也是可持续设计中减少空调冷量最有效的方法之一。从室外传送的热量越少,室内空调系统需要的”工作量“就越少,从而达到节能的目的。

另外,建筑外围护也是一个提高自然采光和自然通风质量的媒介。一个遮阳设计得当的建筑可以有效的把自然光导入建筑内部,提高自然光照的受益面积,同样的设计也可以遮挡室外直射光,从而减少不舒适的眩光。这样的优化设计有效的增加自然光对建筑的辅助作用,从而降低对白天对室内照明的过度依赖。

同时,建筑也需要增加自然通风的效果,自然通风不仅舒适,也会为建筑带来更多室外的氧气,减少房间过多二氧化碳的累积。自然通风的效果需要专业流体模拟软件模拟分析,以达到准确的设计效果。在雨季时节,自然风也会携带雨水,导致很多室内空间空间无法使用,所以可持续的设计也有必要模拟强风携带雨水对室内环境的影响,模拟结果为预测室内空间在不同风速下对受影响区域的标识。


简单来说,一个绿色建筑的外围护结构应该有相对较少的玻璃面积,由于玻璃的传热系数远远大于墙体,也就是说,热量和冷量更容易通过玻璃传入室内,从而增加空调和供暖的压力。外围护结构材料的传热系数有U value,Shading Coefficient (SC),也有K value,在新加坡的绿色建筑认证体系下,主要是用ETTV作为一个整合过的数字来计算外围护的热传导指标。


是的,我们了解,玻璃是建筑设计中多么透明美丽的元素,玻璃的使用为建筑的设计提供了那么大的创作空间,不仅通透明朗,又可以在造型设计中添加无限的想象空间,玻璃的光滑、柔美和纯净的确是对建筑师最好的材料。虽然热量传导是一个建筑节能的考虑因素,但是一个建筑的设计的确不应该只因为一个因素而限制建筑师的想象和创作。所以,最终的结果则是一个艺术与技术的结合,一个视觉效果与运行性能的平衡。


这种平衡也可以反映在设计的创新中:比如与外围护相结合的太阳能板(BIPV),low-e 玻璃,隔热玻璃等。还有一项考量的点为造价与性能的平衡,无论如何,玻璃的单位造价远远高于砖块、钢筋和混凝土。


*注:如果作为减少热量传播的意图,low-e的薄膜或者遮阳板要装在建筑外墙,以隔挡热量传播。如果遮阳设备置于室内,则意为提高自然采光和改善眩光。


传感器系统

传感器系统是建筑”减肥”的”补品”,也是对节能的一个促进作用。传感器的效果只有在建筑能耗已经优化,并使用高效系统的前提下才更有效。

常见的传感器系统包括:

  • 自然光传感器 - 置于建筑外围,在自然光足够强的时间自动关闭室内照明设备,达到节能的目标。

  • 动作传感器 - 在人数不多的地方,动作传感器可以探测出空间内是否有人员,并直接控制照明与空调,从而节省不必要的能耗。动作传感器适用的空间包括:厕所、楼梯间、走廊、电梯厅、储藏室等。

  • 二氧化碳传感器 - 二氧化碳的工作原理是:房间内越多的人员,二氧化碳的浓度则会累积升高。传感器会设定一个二氧化碳的浓度上限,一般为1000ppm,当浓度超过上限,则增加室外新风量,用于平衡二氧化碳的浓度,提升室内的空气质量,也进而优化能源。

  • 红外线传感器 - 红外线传感器对人员的探测比二氧化碳传感器则更加准确,尤其在办公空间内,人员不一定会一致保持活动状态。红外线传感器则更准确的根据人员的需求调整照明与空调的设置。

  • 一氧化碳传感器 - 一氧化碳主要是汽车的尾气排放,传感器主要用于地下停车空间,地下密闭停车空间需要大风量的排风扇,传感器可以检测地下停车空间一氧化碳的浓度而按需运行排风装置,设置在峰谷期间会更明显的优化风扇的能耗。

  • 雨水传感器 - 主要用于室外园林。在雨季或者即将下雨的时间,则减少或停止灌溉,减少水电使用量。


可再生能源

可再生能源也称为“洁净能源”,也就是从自然界直接获取的、可以无限补充的能源。虽然我们了解,采集可再生能源的产品的生产过程可能不一定可持续(比如太阳能板的生产),即便如此,绿色建筑一向鼓励使用大自然给予的免费的可持续能源。


常用的可再生能源主要包括以下几种,对可再生能源的选择完全依赖于项目本身的先天地理和气候条件:

  • 太阳能:光伏板通过硅将阳光转化为电能。

  • 风能:在基地自然风条件很好的地方设置风力发电机组,以自然风速带动叶片供给发电机,产生可再生能源

  • 水力发电:当水在重力作用下下落或快速运动时,驱动水轮发电机涡轮叶片并产品能量

还有很多项目在特殊的地理位置还可以用地热能源、潮汐能源和生物能源。


其他系统

除以上所述,节能的方法与创新点还有很多。我们常见的LED节能灯、灯管将阳光导入更深的室内区域、变压变频电梯(VVVF)加休眠模式、热回收系统、变速驱动泵(VSD)、可变风量风扇、混合送风系统(风扇加空调系统)等等。


对于一栋建筑来说,每一度电都是宝贵的资源,切不可浪费,也不要低估任何一个设计或产品对节能的潜力。

材料

默认情况下,建筑材料成本占建筑成本的45%(根据LEED指南),这使得建筑材料成为建筑中成本最高的单一类别。

建筑中使用的材料包括建筑结构、室内装饰、建筑外维护和景观。


可持续建筑对材料部分的总指南是“减少、再利用和再循环”。

建筑施工材料

市面上有很多比混凝土更好的建筑施工材料。绿色建筑鼓励项目重新利用建筑前身拆卸掉的建筑材料,鼓励建筑选择可回收的产品,并在施工过程中回收建筑垃圾。


可持续项目鼓励使用低碳混凝土,此材料用负碳生产工艺,解决严重的环境问题,并将混凝土生产的碳足迹降至最低。此外,项目应通过减少每层建筑面积的混凝土量来有效地使用混凝土,这是由混凝土使用指数(CUI)来衡量的。


项目还应减少施工阶段产生的废物,并回收建筑废料,以减少城市填埋或焚烧废品的压力。那些送至回收公司的材料还将被回收再利用。以下材料可以回收利用:混凝土,木材,砖石,纸板,钢,铝,家具,瓷砖,土地清理废物,地毯,等等!


建筑材料/产品

最近的一段时间,已经可以清晰的看到绿色建筑的认证标识开始逐渐推广绿色产品的系统,而不是单一的绿色产品或着构件。这也是鼓励市场推行通过整合考虑的绿色产品。


建筑项目应该准确的验证产品原材料的来源、成分及其生命周期影响分析,保证产品的公开透明性。


以下材料/产品认证是我们常见的一些机构认证,以帮助我们决定材料采购、制造或交付的可持续性:


  1. Cradle to Cradle certified: 产品种类繁多,从婴儿用品到建筑材料应有尽有。该认证通过关键的可持续性方面来验证其对环境的影响。 

  2. FSC Certified, COC Certification: 这是针对木材有关的产品,认证过程中鼓励那些对保护森林和环境作出的努力。

  3. Energy Star: 认证电子设备的能源效率。由美国环境保护署组织。

  4. Green Seal: 它是第三方ISO类型1认证,全球生态标签网络的创始成员。它遵循美国环保署对其产品和材料认证的要求。

  5. Singapore Green Building product: 由新加坡绿色建筑委员会管理,绿色建筑产品的认证考虑到从采购、制造过程到健康和环境影响。

  6. Singapore Green labelling scheme: 该认证由新加坡环境委员会管理,涵盖范围广泛。


值得注意的是,可持续建筑的设计应该是经久耐用的,所以在选取材料的时候要考虑耐用和可持续的材料/产品。

室内空气品质与热舒适

我们90%的时间都生活在室内。室内空气的质量对我们的健康、生产力和思维发展有着长期的影响。室内空气质量直接关系到病态建筑综合症 (SBS)的现象。

绿色建筑标准通过空调送风特性、消除室内外污染物和定期维护的设计准则强调室内空气品质。


空调与通风系统

研究表明,室内空气品质与房间的通风存在明显的联系(Seppanen等人。1999年;Wargocki等人。2000年)。在SARS非典、Covid冠状病毒和一些区域气候污染事件之后,室内空气质量问题变得更加紧迫。


根据我们的一般理解,优质的室内空气具有低浓度的二氧化碳,其室内材料排放的有害化学物质浓度也非常低。在特殊的雾霾季节,良好的室内空气质量也意味着要避免室外污染。

二氧化碳浓度是影响室内空气品质的重要指标之一。城市室外空气中的二氧化碳浓度在400ppm左右。我们室内的二氧化碳含量应该低于1000ppm。室内密闭空间内二氧化碳浓度过高会导致困倦、头痛或生产力低下。为降低二氧化碳浓度,建筑空调系统将向房间提供新风(室外新鲜空气)。由于空调系统将室外空气处理到室内所需的条件需要消耗更多的能量,许多建筑都在尽量最小化其新风量,这样就会影响到室内空气质量。二氧化碳传感器通常用于测量室内二氧化碳浓度,以平衡室内空气品质和能源消耗。


室内与室外污染

室内污染物包括建筑材料、清洁剂、油漆产品和燃烧源(烟草、取暖和供热设备)。我们关注的重点包括油漆中的挥发性有机化合物(VOC)、杀虫剂和清洁产品、压制木制产品中的甲醛、潮湿和通风不良地区的霉菌生长。


为防止室外空气污染传播到室内,新风入口必须安装高效过滤器。MERV14过滤器是针对室外污染的工业高标准过滤器。由于高等级的过滤器会给成风机过多的压力而导致风机的耗能增加,所以高等级的过滤器一般是在室外污染时手动装入的。而风机尺寸的选择应考虑MERV 14过滤器。


维护

保持良好的室内空气质量是一项持续不停的努力过程。项目可考虑周期性的用户反馈调研,进一步帮助维护团队了解对室内空气质量和热舒适性的反馈。项目还可以考虑定期空气冲洗,以有效去除二氧化碳和细菌积聚。空气冲洗是为了向空间输送更多的室外空气(建议14000立方英尺/平方英尺)。

热舒适

空调也许是历史上最重要的发明之一。

— 李光耀


有了空调系统,我们在室内的感觉更加舒适,尤其是在炎热的夏季和热带气候的任何时间。”“舒适”是一个非常主观的术语,它取决于许多基于个人偏好的因素。研究归纳出影响个人热舒适性的主要因素有6个。


6个主要因素是:空气温度、风速、相对湿度、平均辐射温度、衣物隔热性和代谢率。


我们通常使用PMV(表征人体热反应的评价指标)模型来建议热舒适状况。该模型由Fanger开发,并在EN ISO 7730中进行了标准化。PMV有7个刻度,从-3到3,代表非常冷到非常热。“舒适”的等级建议在-0.5到0.5之间。尽管大多数研究者对此模型对舒适的定义有不同的看法,有些研究表明性别和地域都是影响舒适度的指标,大部分的绿色建筑设计还是根据ASHRAE的热舒适模型来进行设计定义。

水资源

绿色建筑应尽量减少用水,并最大限度地循环利用非饮用水。

常见的节水策略包括:

- 安装低流量水喉。

- 在气候条件和用水需求明确的情况下鼓励收集雨水,用于灌溉、冲厕或一般洗涤。

- 循环使用灰水冲厕、灌溉或一般洗涤。

- 如有条件,使用城市级循环水源(比如新加坡的再生水)。

- 选择本土植物或低耗水植物。

- 设置传感器,在水管漏水的情况下及时报警。

- 对于有冷却塔的项目,最大限度地循环用水周期(建议使用有效过滤系统至少7个循环周期,以满足水质要求)。

- 对于配有空气处理机组(AHU)的项目,收集冷凝水。

- 提高省水意识,通过公布用水基础来激励节水运动。

设计与创新

可持续发展的设计带有强烈的积极心理与正能量。设计者和决策者的设计应该有效的考虑到持久性。设计的理念也要考虑长远性,并造福用户。可持续的设计也是要创造一个广泛的学习平台,设计也要与全球可持续发展运动的长期利益相呼应。


可持续设计是每个设计师心中的DNA。可持续性是一个全面整合和共同创造的过程。这个集成过程和最终的项目设计对于每个项目都是量身定做、独一无二的。项目设计应涉及各专业,包括建筑师、工程师、概算工程师、项目经理、承包商、设施经理、建筑业主和未来用户。


绿色建筑的主旨是为了保护环境,而不是破坏环境。它应该充分利用大自然的美妙恩赐,造福于地球和人类。我们正在利用地球资源赖以生存,我们也在利用其带给我们的利益与优势。我们也有责任反馈和照顾滋养我们的地球。我们更有责任为下一代预留一个他们值得享受的美好环境。我们不需要等待任何人或任何授权,可持续发展的努力应该成为每个人日常生活的一部分。


为了一个快乐的可持续理念,让我们携手同行!

参考文献:

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2. LEED rating system.

3. IS GREEN CEMENT THE FUTURE OF SUSTAINABLE CONSTRUCTION?, kapre.

4. Green cement a step closer to being a game-changer for construction emissions, The conversation.

5. Singapore Green Mark rating system.

6. Elemental green, https://elemental.green/23-green-certifications-to-look-for-building-remodeling-home

7. Whole building design guide: https://www.wbdg.org/resources/green-building-standards-and-certification-systems

8. EPA Indoor Air Quality Report: https://www.epa.gov/report-environment/indoor-air-quality#:~:text=The%20potential%20impact%20of%20indoor,higher%20than%20typical%20outdoor%20concentrations.

9. Seppanen, I.A.m W.J. Fisk, and M.K. Mendell. 1999. Association of ventilation rates and CO2 concentrations with health and other responses in commercial and institutional buildings. Indoor Air 9(4): 226-252.

10. Wargocki, P., D.P. Wyon, J. Sundell, G. Clausen, and P.O. Fanger. 2000. The effects of outdoor air supply rate in an office on perceived air quality, sick building syndrome (SBS) symptoms and productivity. Indoor Air 10(4): 222-236.

11. https://www.kane.co.uk/knowledge-centre/what-are-safe-levels-of-co-and-co2-in-rooms

12. ANSI/ASHRAE Standard 55-2017, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.

13. Falk Schaudienst, Frank U.Vogdta. 2017. TU Berlin, Gustav-Meyer-Allee 25, 13355 Berlin, Germany.

14. Karjalainen, Sami (2007). "Biological sex differences in thermal comfort and use of thermostats in everyday thermal environments". Building and Environment. 42 (4): 1594–1603. doi:10.1016/j.buildenv.2006.01.009.

15. Lan, Li; Lian, Zhiwei; Liu, Weiwei; Liu, Yuanmou (2007). "Investigation of biological sex difference in thermal comfort for Chinese people". European Journal of Applied Physiology. 102 (4): 471–80. doi:10.1007/s00421-007-0609-2. PMID17994246. S2CID26541128.

16. Harimi Djamila; Chi Chu Ming; Sivakumar Kumaresan (6–7 November 2012), "Assessment of Gender Differences in Their Thermal Sensations to the Indoor Thermal Environment", Engineering Goes Green, 7th CUTSE Conference, Sarawak Malaysia: School of Engineering & Science, Curtin University, pp. 262–266, ISBN978-983-44482-3-3.

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