哥本哈根国际学校北校区_主...筑体系下“能动式”建筑之美_吕帅_.pdf

在中国，建筑面积超过2万m2的公共建筑被称为大型公共建筑1)，此类建筑造价高、能耗大、使用人数多，在城市生活中发挥重要作用，且常具有标志性和示范性。因此，高品质、低环境影响的大型公共建筑对我国“双碳”战略的实现和人民生活水平的提高均具有重要意义。文章特甄选2017年竣工、建筑面积超2.5万m2的综合性教育建筑哥本哈根国际学校(CIS Nordhavn)作为示范案例，以期为中国建筑师和工程师如何在现代大型公共建筑设计中实现主动式建筑的指标要求提供设计参考和数据演示。该案例的设计运行实践还表明，在运行管理上实现建筑的主动性能，即建筑的主动感应、主动调整，对达成主动式绿色可持续建筑的运行指标预期弥足重要。1 Active 与 Passive 概念解析主动式建筑(Active House)与被动式建筑(Passive House)是否对立？Active 与 Passive 从字面意思上讲确实是一对对立的词语。但这里要讲到的主动式建筑不是被动式建筑的相对面或对立面，也不是简单的“主动式技术”，事实上，主动式建筑可以看作在被动式建筑基础上的一次革新。被动式建筑的概念可追溯到 1980 年代的欧洲，强调建筑仅使用非常少的能源甚至不使用额外能源就能保证室内的舒适1，这便要求建筑的围护结构具有极佳的保温隔热性能、建筑构造具有极好的气密性、玻璃材质透光且隔热、构造细部避免出现热桥、通过通风实现热回收等2。相比空调、暖气等建筑设备，以上节能措施不需或仅需很少的能源就能维持室内舒适，“Passive”这一概念亦指于此。然而，随着环境形势愈加恶化，和人们对舒适健康生活品质的日益追求，仅关注“能耗”这一单一维度的被动式建筑已不能完全满足对于建筑的需求。此外，光伏发电技术近年来取得了快速的发展，高效率、低成本、高灵活性的光电板使得即使使用了设备来改善环境舒适性，建筑依然能做到低能耗、净零能耗、甚至负能耗3-4。主动式建筑是起源于欧洲的国际知名建筑标准评价体系之一，由注册于 2002 年的主动式建筑国际联盟开发。主动式建筑是指在建筑的设计、建造、运营维护的全生命周期内，将使用者利益置于首位、以使用者“福祉”为第一目标，通过提升建筑的主动感知和调节能力，实现健康舒适、节约资源和保护环境综合平衡的一种建筑。从广义上说，主动式建筑不仅是一种建筑评价标准体系，更是一种生活方式和哥本哈根国际学校北校区:主动式建筑体系下“能动式”建筑之美CIS Nordhavn:The Beauty of“Active”Architecture under the Active House SystemABSTRACTThis paper explores the development of Active House and how it builds upon the energy-efficient principles of Passive House while prioritizing comfort and the building space environment.Using the Copenhagen International School as an example,the paper demonstrates how the three core concepts of Active House are implemented in architectural design:human health,energy efficiency,and environmental friendliness.It contends that Active House offers a new standard for future architecture.KEY WORDSActive House;active;green design;energy saving;evaluation system;solar technology摘 要通过解析主动式建筑与被动式建筑概念与历史发展沿革，阐述主动式建筑如何在继承被动式建筑追求能效的基础上，对舒适性和建筑空间环境提出更高要求。以哥本哈根国际学校为例，展现主动式建筑中3 个核心观念人类健康、能源效率和环境友好如何在建筑设计中实现。主动式建筑为未来建筑的发展提供了 一种新思路、新标准。关键词主动式建筑；能动式；绿色设计；节能；评价体系；太阳能技术 吕帅 LYU Shuai 1 李嘉皓 LI Jiahao 1 邱筱月 QIU Xiaoyue 1 罗懿鹭 LUO Yilu 1 朱利安 韦耶 Julian Weyer 2 (通讯作者)作者单位1 清华大学深圳国际研究生院(深圳，518055)2 C.F.Mller 建筑事务所(丹麦)收稿日期2023/04/13国家自然科学基金项目(52078294)DOI:10.19819/ki.ISSN0529-1399.202306006建筑学报 2023 06特集 主动式建筑的理念与本土实践Special Issue The Concept and Local Practices of the Active House038价值观5。主动式建筑理念在继承被动式建筑对建筑能效追求的基础上，增加了“舒适性”与“环境影响”两个维度。其中舒适性又细分为天然采光、热环境、室内空气质量 3 个分维度；环境影响细分为环境负荷、淡水消耗、可持续建造 3 个分维度；在被动式建筑聚焦的能耗维度也进一步细分为能源需求、能源供给、一次能源性能 3 个分维度6。因此，主动式建筑是在被动式建筑基础上更全面、更符合当代技术条件及生活需求的提升。从此意义上讲，被动式建筑可翻译成“防御式”而非“被动式”以避免消极之意；主动式建筑则可翻译为“能动式”而非“主动式”以避免过分依赖设备系统的暗示，同时避免产生二者概念相对立的误解。在主动式建筑国际联盟举办的 2018 国际主动式建筑设计竞赛(Active House Award，AHA)中，由 C.F.Mller 设计的哥本哈根国际学校斩获总冠军(图 1)。文章将从能源设计、舒适性提升和环境影响降低 3 个方面，探讨该建筑如何通过智能化的控制系统和可再生能源的利用，积极主动地与环境互动，实现建筑的可持续性和舒适性。2 项目概述哥本哈根国际学校北校区是该学校的全新校区(图 24)，坐落于哥本哈根的海港区丹尼马卡(Danimarca)，周围大部分是新建的现代建筑。该校区占地 2.5 万 m2，可容纳学生 1200 人，教职工 280 人，是哥本哈根北部新区乃至该城市最大的学校建筑。当代教育类建筑设计倡导与城市环境的连接，本项目也希望营造一个开放舒适的校园环境，形成丰富、具有区域特色的户外休闲活动场所。该校区主要建筑被分割成4 个略小的塔型建筑，其高度为 57 层不等，以适应学生的不同需求。低年级学生的教室安排在较大空间，便于进行集体活动。4 座独立的建筑单元通过底层公共区域相互连通，该区域包括各种体育活动设施、公共食堂、图书馆和表演场地等，学生及教职工可以在此进行多样的室内及户外活动。校园分区规划形式令建筑内部区域更明确、学生行动更便捷，教学区域可与其他公共区域隔开，与户外活动互不影响(图 5)。4 个特色单元促进了社群交流、自我认知，使孩子们可以轻松踏上求知之路。底层屋顶则作为户外体育场，设有可满足低龄儿童玩耍的体育2 鸟瞰1 哥本哈根国际学校在主动式建筑中的评价结果5 一层平面4 区位3 夜景舒适性1.1 天然采光：5.1%1.2 热环境：更好的水平1.3 室内空气质量：500ppm能源2.1 能源需求：30.1kWh/m22.2 能源供给：21.7kWh/m22.3 一次能源性能：14.9kWh/m2环境3.1 环境负荷：好的水平3.2 淡水消耗：28%节约3.3 可持续建造：好的水平结果能源舒适性环境1.1 天然采光 3.3 可持续建造1.2 热环境1.3 室内空气质量2.1 能源需求 2.2 能源供给2.3 一次能源性能3.1 环境负荷 3.2 淡水消耗0100 200500m0102050m阅览自修休息厅卫生间卫生间专业教室教室教室教室教室办公办公办公039ARCHITECTURAL JOURNAL设施，既为玩耍的学生提供了良好的海岸景观视野，又避免了学生过于接近海岸、保证其安全(图 6)。3 能源设计3.1 能源供给项目最大的特色为整个建筑立面被 1.2万块太阳能板覆盖(图 7)，能够满足学校大部分用电需求。北欧的地理位置决定其大部分时间太阳高度角较低，因此位于建筑立面的太阳能板能够保持高效率。太阳能板所覆盖面积高达 6048m2，使其成为丹麦最大的太阳能供应建筑，年产电量高达 200MW。值得一提的是，这种绿色供电的方式不仅成为其独有标签、为学校的绿色形象做出贡献，还成为学校课程组成的一部分，让学生观察能源转换过程并在物理和数学课程中使用相关数据，为课程教学提供了有趣的帮助。太阳能板由 SolarLab 生产，其标准光伏组件是 700mm716mm 的 60W 绿色铬酸盐钢化玻璃面板，具有 16 个单晶光伏电池(6 英寸)和一个旁路二极管。每 8 个面板连接到位于天花板上的微型逆变器7(图 8)。光伏板有标准、中型、小型 3 种尺寸，中型与小型适用于特殊的建筑尺寸，但是它们都有相同的高度，且标准尺寸的光伏板占总数的绝大多数，这使得立面仍然具有整齐的阵列感。通过在使用前的风洞测试，发现光伏板的缝隙间容易产生噪音。为避免这种现象，建筑师设计具有不同角度的面板，具有随机选择的 4 倾斜度，同时也因为它们的角度不同，在阳光下呈现出不同的色彩效果(图9、10)。地面以上所有外墙的 720kWp 光伏板的贡献是 10.7kWh/m2，这已与建筑的年耗电量相近：建筑照明、风扇、供水、供冷分别消耗 7.0、5.3、0.2、0.9 kWh/m2。据开发商的计算，光伏贡献了大约 50%的年电力消耗。能源方面，主动式建筑要求能源供应需基于可再生或具有碳中和能力的能源，评价标准包括每年来自可再生能源和无 CO2能源的能量供应以及对单个可再生能源的性能要求等。据估计，该学校的太阳能电池板总发电量每年可达约 300MWh，相当于 70 座三口之家房屋的年电能消耗量。该电池板产生的能量占学校总能源消耗的 40%50%，该数据相当可观，因为无论天气如何，建筑蓄能系统能够储存太阳能并在全年内使用。此外，由于气候原因，学生在学校活动的时间段是学校最需要降温的时间，每年只有在极少数时间需要建筑为学校供暖，因此在大多数时候，太阳能板很好地将太阳辐射能转化成电能再为制冷提供能源。按每 1000m2太阳能电池板的功率计算，在建筑北端时其效益为每年 25kWh，但在建筑南侧时却能带来高达每年 68kWh 的能源。3.2 能源需求除了优异的建筑产能，该学校建筑表皮良好的保温隔热性能以及热回收系统也使得建筑能耗大幅减低。主动式建筑希望在设计阶段尽量减少能源的使用以及热损失，其中6 低层屋顶游乐场及公共活动空间7 太阳能板立面细部设计319.501向左标准太阳能板319.502向右标准太阳能板319.505向左中型太阳能板319.506向右中型太阳能板319.505向左小型太阳能板319.505向右小型太阳能板319.503向下标准太阳能板319.504向上标准太阳能板319.507向下中型太阳能板319.508向上中型太阳能板319.511向下小型太阳能板319.512向上小型太阳能板319.551&319.552玻璃面板(要求面板外部的框架不能被肉眼看到)建筑学报 2023 06特集主动式建筑的理念与本土实践Special Issue The Concept and Local Practices of the Active House040包括通过建筑围护、热桥等物理介质的热传输损失。这意味着，主动式建筑应最大限度地利用非能源密集型的解决方案来对建筑环境进行优化，这些解决方案包括太阳辐射、日光、自