基于德州太阳谷的实证分析
摘要：基于低碳绿色节能建筑这个新兴而颇具有发展前景的建筑潮流，以德州太阳谷绿色节能建筑群为调研对象，通过对低碳绿色节能建筑概念的整体把握和对范例的详细考察，了解低碳绿色节能建筑的发展现状、存在的问题和未来的发展趋势，为构筑和谐健康的低碳绿色节能建筑的“复制”推广提供资料参考。
1 调研背景及意义
在全球节能减排大背景下，建筑业作为三大耗能大户（工业、建筑、交通）之一日益引起关注。数据显示，目前我国建筑能耗占全国能源消耗总量的近30%。特别是我国房地产业兴起比较晚，一些法规还没有健全，致使近10年来建设了很多达不到节能要求的和一些质量低劣的房子。增加了几十亿平方米高耗能的房子，破坏了很多的耕地。特别是现在的节能材料生产、节能住宅技术不足，难以满足市场需求，一些国外的节能技术，由于造价高，很难被我国的中低收入的消费者所接受，所以在这种大的机遇到来之时，谁能把握住这次机遇，就看谁拥有了最先进的技术，谁拥有了最先进的生产手段，谁拥有了既技术领先又经济的适用技术，谁拥有了自己真正以技术优势为主的品牌，并形成一个适合我国国情的大型生产、开发一体化的产业集团，谁就能够成为这个每年超过万亿产值中的巨人。
当下，高耗能、高污染问题成为全球各地可持续发展的最大障碍，向低碳和绿色转型成为城市可持续发展的根本方向。早在几年前，皇明集团就开始实践城市与社区及农村的新能源应用，目前在德州太阳谷已形成了一整套未来城市生活模板，其整合了全球顶尖太阳能光热利用科技，构建了集民用、商用、工业、农业为一体的太阳能利用样板工程，使得整个“城市”在建筑、社区、交通、公用设施、能源使用等领域实现了微排化，大大减少了二氧化碳等排放物，成为将微排技术与实践结合的典范工程。
德州太阳谷通过充分应用太阳能等多项清洁能源技术，已经实现了交通、生活社区、酒店、办公大厦、公园、体育场、商贸、工厂、农业等各种生产与生活过程的微排化，大大减少了二氧化碳等排放量，成为将微排技术与实践结合的工程典范。通过在德州太阳谷现场调查了解到，在能源供应方面，太阳能高温热发电、光伏发电、风力发电、沼气发电等多种可再生能源已得到综合应用；在交通
方面，太阳能车、太阳能轻轨、太阳能游艇替代了传统的交通工具；在建筑方面，办公大楼、居民小区、酒店、公园等均运用了太阳能热水供应、采暖制冷、光伏发电、光电照明、雨水回收、中水处理、海水淡化、跨季蓄能、太阳房、温屏节能玻璃、节能门窗等诸多领先节能技术。基于此，太阳谷也被誉为“21.5世纪绿色城市模板”，对未来城市具有重要的示范意义。
图1 太阳能“硅谷”——德州太阳谷总规划图
2 调研内容
2.1 太阳谷标志建筑—日月坛·“微排”大厦
日月坛·“微排”大厦被称为世界最雄伟壮丽的太阳能建筑、是2010年世界太阳城大会主会场[1]。总建筑面积约7.5 m2，太阳能光热面积4980 m2，光伏面积210 m2，它集展示、科研、办公、会议、培训、酒店等功能于一身，大厦不仅对太阳能进行了综合利用而且应用了众多先进的建筑节能技术，使大厦综合节能效率达88%。
图2 日月坛·微排大厦
整个建筑分为前后两部分，形状分别像“日”、“月”二字。“月”字部分是皇明公司的总部办公楼，“日”字部分是太阳谷微排酒店。它外形上用屋顶太阳能圆盘将东、西、南、北四个建筑单体有机的联系起来，既是太阳能部件又是建筑的装饰，设计方案大胆创新、气势恢宏，完全彰显了太阳能建筑的特色。
大厦采用全球首创太阳能热水供应、采暖、制冷、光伏发电等与建筑结合技术，节能效率高达88%，远远高于国家公共建筑节能50%的设计标准。每年可节约标准煤2640吨、节电660万度，减少污染物排放8672.4吨。下面将就其节能技术和措施进行详尽论述。
2.1.1 光伏发电——给房屋阳光般的活力
太阳能作为可再生能源，与化石燃料相比具有以下优势：（1）无污染；（2）来源无穷尽；（3）无需长距离运输，方便使用。尤其是第三条，对于光伏发电具有重要价值。只要通过专门的设备，便可以就地将太阳能转化为电能。避免了长距离输电损失。
日月坛·“微排”大厦共安装太阳能光伏面积达到210m2，系统平均日发电量为35kW·h，平均年发电量为11000kW·h。太阳能光伏组件采用了满天星光伏组件、双面玻璃中空 BIPV光伏组件、双面玻璃BIPV光伏组件三种。三种光伏组件通过三种不同的形式安装，实现了与大厦本体的完美结合。
满天星光伏组件主要安装在日月坛·“微排”大厦钢结构飘板的外轮廓上，此种光伏组件在单体组件间隙中镶嵌有LED灯，所以满天星光伏组件不仅可以发电而且可以实现夜间美观亮化。
图3 满天星光伏组件
双面玻璃中空BIPV光伏组件主要安装在大厦二层的女儿墙和采光顶。此种光伏组件是一种中空、透明、节能、隔声、隔热的新型光伏组件，这种光伏组件可作为窗户采光用，又可用于发电，实用与环保一举两得，能够在底面玻璃上刻上各种标识及图案，不仅可以发电而且美化了大厦的二层的女儿墙和采光顶。
图4 双面玻璃中空BIPV光伏组件
双面玻璃 BIPV光伏组件主要安装在光电活动遮阳上，实现了双重节能，双倍环保。光电活动遮阳是利用光电板作为遮阳部件的一种遮阳形式，通过调节推杆，调节光电板和水平面角度，实现四季的光电板的光电转化效率最高，同时实现了夏季遮阳的作用。
2.1.2 遮阳系统——室内保护伞
微排大厦采用外遮阳技术，不仅能够有效阻挡日光辐射，隔热节能，还能改善室内光线柔和度。在欧洲，外遮阳设备已成为建筑设计不可缺少的一部分。外遮阳技术节能效果好、经济效果优、艺术性强。
图5 微排大厦遮阳技术
建筑遮阳对防止室内温度上升有明显作用，据测算，在闭窗的情况下，有无遮阳，室温最大差值达4～6℃。每降低1℃，可降低空调能耗10%。为有效减小夏季空调负荷，日月坛·“微排”大厦所有南向及西向外窗均采用了建筑遮阳系统，并针对建筑结构特性分别采用了智能光电活动遮阳、横百叶遮阳、可调百叶水平遮阳、智能竖百叶遮阳和智能升降百叶遮阳五种遮阳技术，总体建筑遮阳面积达2100 m2。日月坛·“微排”大厦的建筑遮阳系统与大厦融为一体，装饰了大厦南立面，增强了大厦的立面效果。通过调节应用建筑遮阳系统，使大厦一年四季拥有恰当的太阳光照。夏季，最大限度的遮阳，阻挡太阳光进入室内，降低室内温度；冬季，使阳光尽量进入室内，增加室内温度。
2.1.3 中水处理和雨水收集——让水的价值翻倍
通常人们把自来水叫做“上水”，把污水叫做“下水”，而再生水的水质介于上水和下水之间，故名“中水”。中水不能饮用，是一种介于建筑物生活给水系统与排水系统之间的杂用水。中水主要用于洗车、喷洒绿地、冲厕、冷却水等。这种对减少污水排放对环境的污染，缓解城市供水不足和保护环境具有重要意义。微排酒店用水量大、水费贵，仅以冲厕计，一次节水可达九升，节水空间十分巨大。
中水净化系统共分两级，一级是格栅除去大体积杂质，二级处理通过生物、化学和膜处理技术，可截留90%以上的污染物。微排大厦中水系统建成后，维护费用很低，运行良好。
2.1.4 太阳能综合热利用系统——提高热量利用率
日月坛·“微排”大厦安装太阳能集热器的面积为4980 m2，年平均日集热量
为22395 MJ。太阳能主要为游泳池、生活热水和太阳能空调提供所需要的热量。空调制冷机组设计选用了1台溴化锂吸收式机组、1台螺杆式水源热泵机组和 1台螺杆式冷水机组。太阳能集热系统和溴化锂吸收式机组及辐射吊顶末端空调系统联合组成了太阳能空调系统。太阳能集热系统夏季为溴化锂吸收式制冷机组提供溴化锂再生所需要的热源，冬季直接用于采暖，并全年为大厦提供生活热水。春秋季节多余的太阳能热量通过滞水层进行跨季节蓄能，在冬季时提取所蓄存的能量进行采暖。
运行原理为：
春秋季，太阳能以满足建筑生活热水和游泳池用热为主。剩余的热量通过滞水层蓄能技术蓄存到地下，进行跨季节蓄能到冬季时提取出来供暖。
夏季，太阳能集热系统为溴化锂吸收式制冷机组提供溴化锂再生所需要的热量，使溴化锂制冷机组进行制冷循环过程，产生出冷冻水供给辐射吊顶空调末端。夏季优先采用太阳能热水驱动的吸收式制冷机组供应空调系统日常冷负荷，当系统负荷过大或太阳能不足时，开启螺杆式冷水机组进行供冷，在螺杆式冷水机组仍不能满足负荷要求时开启热泵机组联合供冷。
冬季，首先采用太阳能满足建筑采暖热负荷，当太阳能不足时，使用滞水层中蓄存的热量进行供暖；当滞水层中蓄水温度较低时，滞水层中所蓄热量作为螺杆式水源热泵的高温热源，使热泵机组系统产生热水供系统采暖使用。当太阳能和热泵系统不能满足所需负荷时，使用市政热源进行供暖。
2.2 微排大厦周边建筑
整个太阳谷由皇明公司投资建造，占地3000余亩，是太阳能生产制造、技术研发相关产业和高新产品示范区的集群，有“太阳能硅谷”之称。太阳能产业带动了太阳谷的崛起，而围绕皇明总部的几大核心建筑，更是彰显低碳节能的创新理念。下面简单介绍太阳谷内除微排大厦外的典型绿色建筑。
2.2.1 太阳能“水立方”——光立方
国际低碳馆，位于太阳谷大门西侧，建筑面积11000 m2。整个建筑由硅电池板覆盖，故称光立方。作为2010年世界太阳能大会主要展馆之一，建成后将成为世界最大洁能技术、产品及建筑博览馆，建筑设计大量采用太阳能、温屏等较高的节能材料和设备进行全面系统的节能优化，并参考北京市地方标准，可使建筑总体节能达到70％以上。它的开发对整个德州市乃至国内其它城市的节能住
宅建设起到良好的示范作用。
图6 太阳能“水立方”——光立方
2.2.2 太阳能“贝壳”——国际会议中心
太阳能贝壳建筑外部空间被赋予雕塑般的象征意义，正立面高大的柱廊设计给人以海纳百川的气量。其力求突出建筑作为多功能会议中心的标志性作用，世界友人至此可切身体会节能建筑的王者风范。外立面构图中充分运用了较大的造型尺度；如凹入式外条窗的大面积使用，不仅视觉上使建筑有了挺拔的性格，而且弱化了对称式平面布局所带来的单调感；室外南广场景观设计中采用了绿化喷泉，跌水池等手法渲染出生动亲切的建筑表情。刚劲有力的柱廊与屋面太阳能弧形大飘板的结合浑然一体，令建筑外立面在刚柔并济中渗透出丰富庄严的感情，角度不同则建筑风格亦随之变化，大气现代的文化积淀给人无限思考的空间。
图7 太阳能“贝壳”——国际会议中心
2.2.3 太阳能“鸟蛋”——天地温泉
天地温泉的理念是使用自然能源中地热能和太阳能。供热供冷能源方案以最大限度可能利用太阳能解决建筑的天地温泉生活用热水、温泉用热，制冷用热问
题为主要目标，天地温泉热水和采暖不足部分使用地源热泵进行补充；同时使用地源热泵满足建筑的夏季制冷，冬季供暖。本项目利用太阳能和地源热泵为整个园区建筑提供生活热水、采暖和空调热源。天地温泉可用于安装太阳能集热器的屋面面积为4500 m2，天地温泉全年有热水需求，4500 m2太阳能集热器中，500 m2用于满足天地温泉的热水需求，其余4000 m2用于提供天地温泉温泉用热。由此可见，天地温泉是太阳能和地热能的完美结合。
图8 太阳能“鸟蛋”——天地温泉
2.2.4 时空——道馆
“时空”——道格拉斯别墅是中美合作项目，是美国太阳能建筑之父、节能建筑大师Douglas先生的梦想之作，总体建筑面1252 m2。该建筑以“零能耗”为设计建造标准，综合运用了太阳能热水、太阳能采暖制冷、太阳能鹅卵石蓄能、太阳能与地源热泵、太阳能烟囱、被动式太阳房、温屏节能玻璃、高效围护保温、无限远程监控等12项建筑节能技术，已成为中国传统园林建筑与现代太阳能技术结合的典型模板。
图9 时空——道馆
2.2.5 太阳能“黄埔军校”——大学城
本建筑运用了皇明独特的高端三维聚光集热技术，该技术在中温80摄氏度以上条件下效率达0.45以上，比普通集热器高20%，为太阳能空调的运用推广开拓了广阔空间。建筑总体布置太阳能集热器面积近8000 m2，所产生的热量用于教学区、生活区的冬季采暖、夏季制冷，供应四季生活用水为可再生能源学校提供了完美的能源平衡解决方案。
图10 太阳能“黄埔军校”——大学城
2.3 国家级节能建筑小区——蔚来城
蔚来城位于德州市河东新城，到达市中心商业区10分钟车程，在天衢路、三八路两条东西主干道之间，东至规划三号线，西至杏园路。该项目占地面积195963m2，建筑面积约35万m2。小区园林、广场，造型奇特，创新性强，是典型的标杆性建筑；由高层与小高层楼群组合成半围合式布局建筑，气势宏伟、视野开阔，容积率低、绿地指数高，与路南占地近两千亩的长河公园鲜花绿树、碧水蓝天浑然一体，使这一国家级节能、环保生态小区锦上添花、更富有特色。虽然蔚来城在地理位置上从属于太阳谷，但我们还是决定单独论述这个号称“三十年不落伍，三千里不落俗”的楼盘。
蔚来城是皇明的“节能示范小区”，德州市委、市政府倾力支持的重点开发建设项目。建筑设计大量采用太阳能、光电、温屏等较高的节能材料和设备进行全面系统的节能优化。小区除采用环保节能材料外，主要是利用可再生能源、太阳能解决日常生活用热水、部分建筑供暖、照明等。
图11 国家级节能建筑小区——蔚来城
与单一的节能建筑不同的是，蔚来城整体规划为三大排高层建筑，十分注重作为建筑群整体的节能环保构思设计，试图使建筑的宜居性、景观性、科技性融为一体。下面将从能源、排水、换气系统及周边绿化等方面系统介绍。
2.3.1 节能系统
（1）太阳能热水器和照明系统
太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射把水加热的装置，目前是技术最成熟的太阳能利用方式。相对于燃气、燃煤式和电热水器，其使用过程不产生任何污染物，不会产生煤气中毒、触电事故。正常太阳能热水器寿命均在十年以上，有的甚至达到二十几年。
图12 光导照明
蔚来城应用的光伏照明系统和遮阳系统原理同太阳谷其他光电建筑基本相同，同时在施工中还采取了独特的光导照明。光导照明由采光装置、导光装置、
漫射装置组成，它通过采光罩将自然光高效导入系统内重新分配，经过光导管传输和强化后，由漫射装置投射室内，可以保证每天至少十小时的自然光照，打破了室内照明过分依赖电力的传统观念。
（2）地源热泵
地源热泵利用了当地的浅层地热能进行供热制冷（通常是空调），是热泵技术的一种。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季把热量转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，形成年度冷热循环。
图13 地源热泵
（3）节能电梯
电梯工作原理是以曳引绳连接轿厢和对重以达到运输目的，但传统电梯能耗巨大，且70%的电耗来自电机拖动负载。蔚来城建筑内部电梯的曳引机采用变频器调速取代异步电动机调压调速，同时运动中负载上的机械能（位能、动能）通过能量回馈器转换成电能并回送交流电网，从而达到节能目的。
2.3.2 保温系统
（1）温屏玻璃
蔚来城应用的温屏玻璃是一种光学和热学性能优越的中空低辐射镀膜玻璃，采用磁控溅射方法在玻璃上镀上温屏膜。温屏膜具有高透射比、低辐射率的优点和良好的耐高温性，因此比普通玻璃更加稳定，有效减少室内的能量损失。具体有如下优点：隔音：噪声穿过可降低36分贝；隔热效果好：传热量只是普通单片玻璃的四分之一，冬暖夏凉；无霜露：在不低于零下四十度时，不结露不结霜；耐高温，寿命长：膜层在空气中保存半年以上不会损坏，普通玻璃一周即损坏。
图14 温屏节能门窗结构示意图
（2）外墙保温技术
蔚来城建筑采用了外墙外保温技术，将导热系数较低的绝热材料（150mm厚的保温聚苯板）与墙体固定一体，从而达到保温的目的。同时还可节省室内空间每户1.3～1.8 m2。
2.3.3 排水系统
（1）同层排水系统
同层排水，顾名思义是指排水问题在本层解决（排水立管仍然贯通各层）。传统卫生间排水管设在楼板下，需要防漏的地方较多，施工检修都很麻烦。同层排水系统解决了排水管易堵塞、难疏通的问题。典型施工技术有整体浴室（工厂化一次成型，底盘即是整体的防水盘）、降板（降低地板200㎜用于铺设排水管）、同层排水接入器等。
（2）雨洪利用系统
我国六百多个城市中，有400多个存在不同程度的资源性缺水和水质性缺水；山东德州也是缺水较为严重的城市；另一方面，城市汛期又面临雨洪风险。蔚来城小区除应用中水处理系统外，应用了先进的雨洪利用系统。主要包括屋面落水管收集雨水、小区坡向绿地利于径流、铺装地面采取透水材料保证雨水回渗等技术工艺。可以有效补充景观和绿地用水，节约水资源。
2.3.4 换气系统
空气品质是影响室内环境的最重要因素之一，一般来说室内换气应该尽量用自然风。自然通风是改善室内空气品质的最有效方法，因为任何病菌只有在空气中达到一定浓度才可以致病。良好通风可以稀释病菌，有效保护健康。蔚来城建筑采取独特自然换气和新风系统。可以24小时将室外新鲜空气排入并将室内污浊空气排出。
2.3.5 周边绿化
周边绿化也是蔚来城整体布局的关键一环。全部建成后绿化率可以达到62.4%（含屋顶、墙面绿化），绿地率达到57.8%（含水域），是国家标准的2 倍多。
3 存在的问题与我们的思考
3.1 成本问题首当其冲
推广建筑节能，主要的制约因素是成本问题，消费者难以承受，开发商也不愿意开发。据了解，开发区普通楼盘均价在4000元/m2，而蔚来城最低也高达8000元/ m2甚至上万元；核心的别墅区单幢价格则高达600万元。由此可见，绿色住宅在应用新工艺、新技术的同时，不可避免地提高了造价。而能在德州负担这种价位房屋的只能是少数富人。根据我们随机走访调查，德州市普通市民月薪基本在2000元左右。因此，绿色节能住宅目前更像是富裕阶层的炫富手段，工薪阶层只能望而却步，绿色建筑需要进一步降低成本。
3.2 技术推广前景不容乐观
目前民用最为广泛的是太阳能热水器，以德州为例，尽管新城区太阳能热水器的普及率将近100%，老城区却依旧有大量旧式楼盘，这里的居民有近半数并没有选择太阳能热水器，主要原因是对性价比的担忧。更不用说温屏玻璃、遮阳板的改造了。在中国整体状况也如此，城市化进程加快后，大量旧城区、城乡接壤部亟待改造，基础设施的更新带来大量二次施工问题，难度十分大。
3.3 建筑节能召唤配套政策和技术规范
德州作为太阳能产业的样板化模范，当然在政策方面大力支持太阳能光电光热技术，以此作为拉动旅游业等第三产业的手段，同时又有皇明公司这个中流砥柱，在建筑节能领域取得这样的成绩并不意外。然而德州模式究竟可否被复制？如在内地边远山区和经济欠发达地区，由于受经济、地理条件、行政区划、体制机制等方面因素的制约，很难想象这种地方近期内可以大规模推广太阳能。因此，
能否出台相应的绿色建筑支持政策，建立资金补贴、产业互动机制，关乎绿色建筑的未来。
4 结语
目前国内外尚无对低碳绿色节能建筑的权威定义，通过调研，我们认为总结起来，低碳绿色绿色建筑应该符合以下三大主题：
4.1呵护健康，以人为本
保证居住者的健康是住宅的基本要求，无论从建筑装修材料、空间布局、安全设施等方面，都应该从健康、安全角度出发，使空气清新、采光良好、隔音优良、防火防电，保证居住着基本的生理需求。
4.2 资源节约、环境友好
低碳绿色节能建筑筑应该尽量减少或高效利用煤、天然气等一次性能源，还要尽可能多利用太阳能、风能、地热能等清洁能源；同时还应注意居住过程产生的各种废弃物的无害化处理。也就是以最少的资源消耗、最低的排放创造最大的财富。
4.3 天人合一、道法自然
建筑工程不应以破坏自然地质、水文、植被为代价，在开发过程中，应该从协调生态环境的空间规划布局出发，考虑建筑单体或建筑群与自然条件的结合，例如分析园林绿化对阳光的利用，建筑群互相考虑遮挡和风廊效应以及充分利用自然水源等，达到人与自然的完满统一。
总之，随着人类社会的不断进步，人们对健康生活、生态家居的认识及要求也会不断提高。相信只要规范上不断完善，技术上勇于创新，政策上多加引导，消费理念多加转变，绿色建筑一定会成为未来建筑的主流，引爆一场人居环境的风暴。