崇明生态人居关键技术集成与示范

住宅产业化　

索明生态人居关键　

技术集成与示范　

Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　Ｅｃｏ—　

ｈａｂｉｔａｔ　ｉｎ　Ｃｈｏｎｇｍｉｎｇ　

●莫弘之Ｍｏ　Ｈｏｎｇｚｈｉ王海松Ｗａｎｇ　Ｈａｉｓｏｎｇｓｏｎｇ　

林榕Ｌｉｎ　Ｒｏｎｇ　

【摘　要】在崇明生态岛的建设中，生态人居是其中重要的组成部分。崇明　生态人居关键技术集成与示范楼的建设，是以生态性能为主旨，通过合理的规划　布局，建筑设计和建筑技术手段的采用，在建筑全生命周期内降低资源和能源的　消耗，减少废弃物的产生和对生态环境的破坏，并强调社区自组织和自调控能　力，为使用者提供健康、舒适的生活环境。　【关键词】生态人居；集成设计：技术示范；案例研究　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｃｏ—ｈａｂｉｔａｔ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｆｆｏｒｔｓ　ａｉｍｅｄ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　Ｃｈｏｎ￣ｎｉｎｇ　ｉｎｔｏ　ａｌｌ　ｅｃｏ—ｉｓｌａｎｄ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｏｆｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ｅｃｏ—ｈａｂｉｔａｔ　ｉｎ　Ｃｈｏｎｇｍｉｎｇ　ｉｓ　ｔａｒｇｅｔｅｄ　ｆｏｒ　ｅｃｏ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，　ｉ．ｅ．ｒｅｄｕｃｅｄ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ，ｒｅｄｕｃｅｄ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｓｔｅ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｄａｍａｇｅ　ｔｏ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ’Ｓ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｌｉｆｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｌａｎ—　ｎｉｎｇ＆ｌａｙｏｕｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ；ｂｅｓｉｄｅｓ。ｓｅｌｆ－　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｌｆ－ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｓｔｒｅｓｓｅｄ．ｉｎ　０ｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃｒｅａｔｅ　ａ　ｈｅａｌｔｈ—ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｏｃｃｕｐａｎｔｓ．　【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｅｃｏ—ｈａｂｉｔａｔ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ，ｃａｓｅ　ｓｔｕｄｙ　

基金来源：上海市科学技术委员会０５ＤＺ１２０１２。　

莫弘之，上海大学建筑系讲师，系主任助理，建筑物理　

实验室主任，建筑技术博士（在读），可再生能源与建筑学硕士　

（诺丁汉大学）；王海松，上海大学建筑系教授，系主任，博　士；林榕，蓝璀建筑钢结构（上海）有限公司工程师。　

３６住宅科技／２０１Ｏ．０９　０引言　

“崇明生态人居建设关键技术与示范”课题是上海市科学技　

术委员会资助的重大攻关计划，是上海市科委崇明生态岛建设科　

技专项的一个子课题。课题的总体目标是：通过创新设计、新能　

源、新技术的应用、智能化控制技术的集成等，使所示范的生态　

人居体现节约土地总要求，建筑总体节能６５％～７０％，清洁能　

源使用达２Ｏ％以上，绿色建材使用率达４０％以上，雨污废水总　回用率达６０％以上。项目由上海大学、上海建筑科学研究院、崇　明县教育局合作完成。该示范建筑位于崇明县竖河职校教育基地　

内，已于２０１Ｏ年３月完工（图１）。　

１生态人居优化设计　

生态建筑的设计作为一个综合学科、综合效益要求的集合　

体，同样具备系统所具有的属性，解决生态建筑设计的综合问　

题可以借鉴系统思维。系统思维给生态建筑设计所带来的启示　

是：将整个生态建筑体系的系统层次、功能、属性和指标同　

步考虑，并行设计。既包括主系统高层次的体系设计，也包　≯≯≯　

。鬈　｝各自子系统的要素的集成设计。在考虑任何一个子系统设计　素的同时始终考虑到与其关联要素之间的制约关系。生态建　

集成设计可以整合各单项生态技术，使之成为一个有机系　

，发挥各子系统的长处（图２）。　

从建筑全生命周期角度来看，各种高科技手段的叠加对于　

态建筑的“性价比”提升并无帮助，其结果并不是　“１＋　

＝２”。如单位厚度的材料可以节能５Ｏ％，再增加同样厚度　

１仅能节能６０％左右，可见第二层材料的性价比就很低。如　

采用集成设计的方法，在设计同时也考虑合理的建筑选址、　ｊ向和体形设计，或者再加入对某些设备的热回收利用，却能　

｛轻松地再提高建筑总体的节能表现和性价比，达到“１＋１　

．２”的效果。在生态建筑的设计过程中，采用系统整合的　

案设计相对于采用简单技术叠加的方案，不仅能够提升性　

，还能大幅降低造价。建筑师进行的技术优选，要以精简　用技术，在建筑全生命周期内以尽可能少的技术投入获得尽　

『能多的效益为基础（图３）。　

集成设计关键技术与集成　

建筑平面采用４　８００×４　８００框架，东西两条为建筑主要　能布置区域。中间条作为连接部分及设置一些辅助功能。生　

设备及仪器放置在地下一层的控制机房内。一层西条南北两　分别为客房，中间作为设备核部分（图４）。　

图１崇明生态示范建筑　ｌ　ｌ　住宅产业化一　

“整合”　优于　“叠加”　

热交换换气管　

屋面采光管　轻钢结构屋面　

气象数据检测　

建筑自遗阳　

Ｌ０ｗ—ｅ门窗　

高性麓保温外墙　～＿　ｌ　ｌ　＞　

，　子系统１　

图２整合优于叠加　

图３示范建筑技术集成示意　太阳能发　星面　

太阳能生活热水集热装置　

垂直风力发电涡轮机　

地源热泵空调系统　

水平台　雨水收集储水罐　

牮　带　零　够　ｆｉ—＿　丰　

图４崇明生态人居示范建筑平面　

２．１自然通风　

示范楼设计充分考虑了自然通风策略，自然通风能有效实　

现被动制冷，可在不消耗不可再生能源情况下降低室内温度，　改善室内热环境。自然通风设计并不是为了完全取代空调，而　

是为尽可能减少全年空调使用时间并满足热舒适，从而达到节　

能减排的效果。在建筑上设置一被动式捕风口以满足卫生问的　

被动式换气需要（图５）。　２．２光管技术　

光管技术为大进深建筑的内部光照提供了良好的解决方　

案。不仅有效地利用自然光，而且节约了白天人工照明能耗。　

２０１　Ｏ．０９／住宅科技　３７　－　窜　牛　喾　｛＋錾　一　

，０套　●住宅产业化　

■　

出屋面烟囱　

Ａ－Ａ剖面图　鼙嬲　

图５被动式捕风口原理示意　

示范建筑将两个光管分别设置在二层东西两个卫生间内来增加自　

然采光，联排住宅在东西侧不能开窗时，可以利用导光管在白　

天替代灯光（即使在恶劣天气下）来实现自然采光（图６）。　２．３外围护结构保温　

采光管安装过程　

图６导光管示意　面，研究表明，其保温隔热性能优于一般瓦屋面。　

根据上海市夏至日正午１　２时太阳高度角为８２。１　５’，以　

及考虑建筑挑出的屋檐和建筑造型，示范建筑南向墙面设计向　

外倾斜６。，形成建筑形体自遮阳。通过自遮阳手段来减少夏　季太阳热辐射，降低夏季空调制冷负荷，且能防止太阳直射形　

成的眩光。冬季也能让阳光充分射入室内，不影响冬季利用太　

阳辐射采暖（图８）。　

２．４太阳能利用　对于太阳能的利用在建筑设计中，要同时考虑两个方面的　

问题，一是考虑太阳能在建筑上的应用对建筑物的影响，包括　

建筑物的使用功能，围护结构的特性，建筑体形和立面的改　

变：二是考虑太阳能利用的系统选择，太阳能产品与建筑形体　

的有机结合。本项目结合建筑的形态，设计了建筑复合式太阳　能屋顶ＰＶ系统以及热水系统（图９）。　

建筑复合式太阳能发电屋面兼具采光天窗功能，覆盖率　

８０％的采光ＰＶ可以避免太阳直射入室内造成的眩光。在夏季也　

能防止室内过热。据测算，每年可以发电１　１８６ｋＷｈ。　２．５地源热泵　

地源热泵（ＧＳＨＰ）是一种利用大地中的能量作为热交换　

介质的热泵系统，是一种先进的高效节能、无污染、低运行　成本的既可供暖又可制冷的新型空调技术。由于热交换介质相　

对于空气源有更为适宜的温度条件，这使得热泵系统的功效　

（Ｃ０Ｐ）极大提高，能耗仅为普通空调的１／４～１／３。投资地　

源热泵在经济上也是非常有吸引力的。地源热泵的极低运行和　

维护成本使其的初期投资可以在很短的时间内通过运行收回，　

一Ｉ　’　

传统建筑的能量损耗途径是建筑外围护结构。提高建筑外　围护结构保温隔热性能可以有效降低建筑总能耗达６０％以上。　

建筑外围护结构包括建筑外墙、外门窗和屋顶３个部分。建筑　

外墙是室内外空间的一道屏障，墙体的面积和构造设计决定室　

内的小气候，因此，建筑外墙保温隔热设计是建筑节能设计中　

一个重要的组成部分（图７）。　结合示范建筑特点、朝向及当地气候特征，把《夏热冬　

冷地区居住建筑节能设计标准》规定的外墙传热系数１　５０Ｗ／　（ｍ　２・Ｋ）作为参考来进行设计。外墙构造设计如下：抗裂砂　

浆、压二层耐碱玻纤网格布＋挤塑聚苯板（ＸＰＳ）６０ｍｍ＋　

水泥砂浆２Ｏｍｍ＋混凝土墙体２４０ｒａｍ。这样的构造经计算使　外墙的导热系数降到０．４６７Ｗ／（ｍ　・Ｋ）。建筑采用轻钢结构屋　

３８住宅科技／２０１０．０９　【１ｌ建筑外墙保温构造　伫）双层Ｌｏｗ—ｅ门窗对太阳光的反射　图７外墙保温构造示意　

夏季太阳　夏至１２点旧２。１５　

Ａ－Ａ｛Ｊ面图　图８墙体自遮阳原理示意　冬至１２

点南立面阴影情况　图９建筑复合式ＰＶ与太阳能热水系统　

■　

图１０地源热泵系统　

济效益（图１　Ｏ）。　

热泵采用闭路式地热耦合系统中的垂直埋管方式，将　

器设置在建筑东侧场地，地热耦合器采用单Ｕ型垂直　２套，每套埋深１　Ｏ０ｍ，间距４～５ｍ。地源热泵机房　

室控制机房内。　『发电　｝上海市的风玫瑰图显示，在夏季的盛行风向为东南　

力较强，而崇明地区的风力资源相对更为丰富。所　

Ｉ建筑在南向钢架上设置的垂直轴风力发电机组，作为　

技术的示范。　

】发电系统由风力发电机组和逆变装置组成。根据上海　住宅产业化簟■　

气象资料和垂直轴风力发电机性能测算，１　ｋＷ垂直轴风力发电　

机年发电总量预估为２　Ｏ００ｋＷｈ。　

２＿７轻钢结构　

镀铝锌钢板特别适合用于住宅。镀铝锌涂层在现场和加速　腐蚀试验中均有更佳表现，提供了更好的防腐蚀保护，使用寿　

命至少达７５年。与瓦屋顶相比，无论是否隔热，使用钢屋顶　

室内最高温度明显降低。所以钢屋顶室内热舒适性能更好，从　

而提高能源利用效率，减低房屋所有人的居住成本。建筑材料　

吸收外部热量和辐射越多，冷却房屋的成本就越高。在没有隔　热的房屋中，使用钢屋顶与瓦屋顶相比，空调费用减少了６３％　

左右。另外，钢屋面作为雨水收集的水质优于瓦屋面（图１　１、　

图１　２）。　

钢结构屋面和墙面从材料运到工地开始拼装到安装完成，　３～４名工人只花费了两周时间就全部完成了。　

２．８雨水收集　

示范建筑雨水收集策略是从钢屋面收集的较为干净的雨水　用作厕所冲洗；而从地面草地明沟收集的水质较差的雨水则用　

作草地灌溉。屋面收集下来的雨水储存在成品埋地式水箱内，　

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０９／住宅科技　３９