丹麦首个零能耗公建 哥本哈根大学绿色灯塔

一：项目概况
绿色灯塔项目，是迄今为止，丹麦的第一个按照碳中和理念设计的公共建筑。该总建筑面积950平方米，位于哥本哈根市内的哥本哈根大学校园内。设计单位是丹麦克里斯坦森设计师事务所（Christensen&CoArchitects）。能源设计由丹麦最大最富盛名的科威（COWI）咨询公司负责。该项目的发起、协调由丹麦国家科技部、哥本哈根大学、哥本哈根市政府、威卢克斯公司以及其旗下的威尔法科公司共同完成。
建成后，该项目的使用者是哥本哈根大学，所有人是国家科技部。
绿色灯塔项目，建成后的具体使用单位是哥本哈根大学的科学系，其具体用途是该系学生的学习、生活、就业监管咨询中心。
绿色灯塔从构思、到设计、施工竣工，大约经过了两年时间，已于2009年的11月份，正式交付使用运营。

图一：绿色灯塔建成后效果
二：绿色灯塔的建筑设计
在建筑设计方面，该建筑有如下可供介绍的内容。
1. 建筑物的名字的由来

图二：绿色灯塔建筑设计时取名日晷
绿色灯塔项目，在进行设计招标时，克里斯坦森建筑设计事务所的设计师们，根据其圆柱外加倾斜顶面的造型，以及根据它和太阳有着密切联系的设计，给它取了一个富有文化色彩、形象、和富有东方情调的名字：日晷。后来，大家又根据其更强大、更先进的环保、节能、可持续等特征，给它改名绿色灯塔，有号召大家关注绿色，关注环保的意思。
2. 该建筑的色彩设计

图三：绿色灯塔色彩的文化含义以及入口处理
绿色灯塔项目，设计成绿色，最开始的本意，还是萃取的丹麦民间文化。原来，丹麦有一种独具特色的奶酪，外表呈斑驳的绿色，内部则是奶白色，绿色灯塔的色彩设计，外部就是有些斑驳的绿色，内部则全为奶白色。
3. 为什么建筑要做成圆柱体形状
该建筑在创意之初，就想到了2009年年底在丹麦召开的世界气候变化大会，想通过自己的努力，向世界展示，凭借2009年的技术和材料，完全可以实现碳中和的设计目标。也就是说，绿色灯塔在设计之初，就是一个具有强烈展示功能的建筑。而要展示建筑的各个不同的立面在接受日照、采集太阳能的即时的数据变化，最好就是做成圆柱形的。因为一天中，以至一年中，太阳的角度、高度、光照强度等等，都是在变化的，而最能及时反映这些变化的又可以作为建筑使用的实用形状，应该就是圆柱形了。
4. 中庭
绿色灯塔设计，采用了带大中庭设计，其用意有四，一是根据其用途，刻意设计出一种开敞、通透、开放的空间，二是为参观时人多、需要集中讲解的功能考虑，三是为了采用烟囱效应自然通风，四是为了提高整个建筑内部采光的均匀度。
5. 露台
建筑的露台，是一种过渡空间，是一个可以用来放松、观景、临时小憩的场所。设计师为这个建筑设计了一个比较大的开放的露台。目的就是使建筑的使用者们，可以有轻松、惬意、享受生活的空间。
6. 入口
绿色灯塔的入口，做了嵌入式处理，目的一是将就场地的比较狭窄的空间，不使雨棚占用过多的空地空间，二是增加建筑体型上的变化。
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7. 名为仪器的雕塑——绿色灯塔佩戴的艺术品
丹麦国家建筑规范里，有一个有趣的规定：每栋公共建筑，可以拿出相当于预算1.5％的钱来做艺术装饰。绿色灯塔项目，请了丹麦国家艺术院的两名艺术家，做了一个名为仪器的艺术雕塑，这个雕塑看起来像一个探测器，其主体共由8个“手臂”组成，每个手臂上装有30面小镜子，艺术家说，每一个手臂上，会在每一年之内的两天时间里，如果阳光灿烂的话，有两面小镜子可以在中庭的地板上透出一个圆形的光环来。

图四：位于绿色灯塔中庭天花最显眼处的艺术雕塑——仪器
8. 绿色灯塔的采光设计
绿色灯塔项目，花在采光模拟计算上的时间，较之以往的任何建筑，都要多出许多。
此次采光计算，用了威卢克斯公司最新开发的采光模拟分析计算软件Daylightvisualize,该软件经过国际照明协会的鉴定，是一款非常精确的计算软件，其对光照分析计算的结果，与实测结果的最大误差不超过4.9％，平均误差，仅有2.9％。
首先，建筑的内部照明以自然采光为主，结合丹麦当地的光气候条件，除了在建筑的立面，安装了适量的竖窗，还在建筑的顶部，设置了一定数量的屋顶窗，这无疑给建筑的中庭，带来了巨大的光的照度的变化。
其次，这个项目的工程师们，应用该软件，对这个建筑的每一个房间，每一个角落，分全云天、半阴天、晴天等几种情况，对全年的几个标志时间段的春分、秋分、夏至、冬至，分别进行了计算，对有眩光的部位，对采光系数小于3％的部位，和建筑师进行反复的设计和比较。直到满意之后，才告一段落。

图五：绿色灯塔的中庭天窗采光

图六－1：三层采光分析

图六－2：二层采光分析

图六－3：首层采光分析
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图六－4：3月21日上午10点，南侧一层和二层上的照度级（勒克斯lux）

三：绿色灯塔的结构设计
绿色灯塔项目，由于体量较小，功能也比较单一，所以从结构设计上没有什么特别的地方，值得说明的是它的地基采用我们所谓的满堂红片筏基础，现浇混凝土，它的上部结构采用钢结构作为主要承重结构。维护结构采用预制件，工厂加工制作，现场吊装。


四：绿色灯塔的能源设计
绿色灯塔，作为可持续、无碳、环保的建筑，当然会把能源的消耗与使用，作为一个重点课题来研究。其解决方案如下：
1. 绿色灯塔能源使用的总体思路

图七：绿色灯塔朴实的能源策略

图八：绿色灯塔能源策略的具体实施

绿色灯塔的能源设计总体原则，说起来其实也非常简单，就是三句话
一是尽量减少能耗，二是尽量使用可再生能源，三是高效使用化石能源。
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2. 良好的维护结构保温性能
丹麦地处北欧，气候比较寒冷，建筑的良好的保温性能是建筑节能的重要环节。为此，绿色灯塔在外墙设计，门窗选择上化了大量时间。这里值得一书的是太阳热的采集和防止问题。
在夏天，如果是对于采光的窗户而言，太阳热是负面的，此时我们需要太阳的光线，却要求把太阳的热量隔绝在室外。而在冬天，我们在需要太阳的光线的同时，也需要太阳的热量。这样来说，使用所有时间都是一个传热系数的LOW-E玻璃，就不是一个聪明的办法了。比较好的方式是，和窗相配合，使用合适的遮光、遮热窗帘。
3. 太阳能集热板
近300平方米的屋顶面积，除了少部分用作屋顶窗采光外，大部分就可以用来安装太阳能集热板和光伏电池了。绿色灯塔项目上的太阳能集热板，满足了建筑本身的热水需要，同时，夏天建筑本身使用剩余的来自太阳的热量，将通过管道传入地下的季节性蓄热设备，以备冬天使用。
4. 光伏电池
绿色灯塔项目上，安装了一定数量的光伏电池，光伏电池所产的电量，主要是用于照明，和维持热泵的运转。
5. 热泵
热泵主要用来收集由太阳能集热板收集的建筑使用剩余的热量。
6. 热敏地板
在丹麦的气候条件下，建筑内的地板，可以用作热储存器，尤其是在冬天，把白天的热量，储存在地板内，可以使得第二天工作期间，不再使用过多的热源来加热建筑。同时，地板供热，比起空气供热来，人的感觉要舒适一些。
7. 季节性蓄热技术
在绿色灯塔项目中，使用了季节性蓄热技术，这项技术的实质，是在夏天太阳能量过剩的时候，将一些热能，以一定的形式储存在地下，待到冬天能源短缺时，再行放出来使用。这个技术如果说在丹麦还不算有多大实用价值的话，那么在中国的大部分夏天有着充足日照，冬天又非常寒冷的地区，则有着巨大的价值。
8. 能源中控系统和能耗记录系统
在绿色灯塔项目上，约以100平方米为单位，分为9个区域，平时，有光感、温感、风感、二氧化碳等若干个探头，对这些区域进行监控，一旦发现有需要，比方说光照不够，温度不够，空气质量不好，这些探头就会把信息发到中央处理的电脑上，该电脑再根据室外的气候情况，通过自控系统，采取开窗、启闭窗帘、启闭电灯等措施，使用最佳策略，来改善室内气候。同时，能源的使用记录系统，还将随时记录各个区域的供热、热水、通风、照明等项的耗能情况，以供分析和研究。
9. 绿色灯塔的能源数据
绿色灯塔项目供热消耗指标初步估计为22千瓦时/平米/年。按预计方案，下列能源可以满足热能供应需求：
•35%为可再生能源太阳能，来自于屋顶上的太阳能电池。
•65%为热泵驱动的区域热能，由储存在地下的太阳能热能供给，对生态环境不会造成威胁。
•热泵可将区域热能利用效率提高约30%。（按目前汇率计算，该项目每年的区域供热成本为1900欧元左右。）
绿色灯塔的屋顶上45平米的太阳能电池是建筑物主要能量来源，可满足照明、通风和热力泵动力需求。
在这个项目中，能源设计是整个丹麦进行的首次崭新尝试，是一次具有真正意义的试验。从长远来看，此方案可被推行至欧洲大部分地区的办公楼和厂房建设项目，并将成为未来二氧化碳零排放问题的创新解决方案而得到更广泛的应用。这一方案设计仍在不断完善之中。


图九：绿色灯塔能源设计技术使用一览图
最后，作为总结，我们想用该项目项目经理龙娜女士的一段话来结束本文：
绿色灯塔项目，是丹麦的第一个一零碳为目标而进行设计进行施工的项目，它是哥本哈根大学科学系一个学生咨询中心。当你进入绿色灯塔时，第一引起你注意的就是它的它的充足的采光。日光，是一项非常重要的资源。仅靠对日光的合理的设计使用，我们就节约了几乎过去照明用电的38％的能量。结合自然通风等环节，该项目仅通过精心的建筑设计，就使能耗降低了几乎75％。
如果我们仅使用2009年的技术和材料，就能达到2020年的设计预想要求，那这其实就是一个佐证，说明只要引起重视，只要精心设计，精心施工，人们是能够在很大程度上减少化石能源的使用增加可再生能源的利用的。
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这个设计有一个非常重大的缺陷，那就是假设丹麦有足够的日光