摘要：落基山研究所新办公总部采用了被动式设计、新型热舒适度方式和高级控制系统一体化等技术。这座位于美国最寒冷气候气候带——巴索尔特的创新中心办公大楼没有中央制冷和制热系统，仅依靠一个33kw小型分布式制热系统。通过专注于气密性隔热建筑外墙、积极控制太阳能热量吸收、影响人体舒适度6项变量因素以及关注系统一体化进程，该建筑的能效比该气候带办公建筑平均水平高74%，同时还能够提高用户的舒适度和工作效率。
关键词：被动式设计，被动节能建筑，控制一体化，ASHRAE 55，预测平均投票数（PMV），自然通风，用户参与度，一体化设计
作为节能技术的理论与实践专家，落基山研究所 (Rocky Mountain Institute, RMI) 以来都在推动建筑行业一体化和整体系统思维模式的发展。当落基山研究所需要建造一座新办公大楼时，我们发现这是一个突破传统能效建筑设计思维定式，推动行业前进的绝好机会。新办公大楼位于美国最寒冷的气候带——巴索尔特。令人兴奋地是，这是一个能够证明被动式设计显著效果，促进建筑行业摆脱对过量中央制热和制冷系统依赖的机遇。为了达成这一目标，落基山研究所运用了一种创新的方法来实现热舒适度，它涵盖了包括温度在内的6项影响人体舒适度的变量因素。此外，落基山研究所还推动了建筑控制系统一体化的发展，达到了空前的一体化和优化水平。
1. 被动式设计: 被动式设计特点一览
- 高度的隔热能力
- 在冬天尽量吸收太阳热量
- 在夏天避免吸收太阳热量
- 提供自然通风
- 使用储热材料减小温度变化幅度
- 将日光作为主要光源
- 控制刺眼强光
- 为保持气密性封闭所有缝隙
- 太阳能发电
- 视野最大化
当落基山研究所开始与设计团队合作建造创新中心时，团队首先将注意力放在了整体系统设计上。他们考虑什么才是建筑用户最需要的，即一个舒适、愉悦、有利于提高工作效率的空间。在开始考虑任何能够满足这些需求的机械技术前，团队首先要通过最大化被动式设计来满足这些需求。
气密性与隔热性：密闭、隔热的外墙是任何被动式设计的基础。创新中心是美国气密性最高的办公建筑之一，每小时换气仅0.36次，比美国传统商用建筑平均气密性高97%。高级材料加上严格的施工细节，在最大程度上避免了空气的泄露，实现了该建筑不可思议的高度气密性。这种对气密性的专注是该建筑获得被动式节能建筑认证的基础。
该建筑外墙使用了结构保温板 (SIPs), 这种材料能够同时提供高度的隔热性能和气密性。在结构保温板的外侧，两层胶带和阻气材料的运用严密封闭了保温板间的缝隙。项目使用的所有门窗也都经过被动式节能建筑认证。
比设备更重要的是，通过设计来限制所有不必要空气流通，并专注于所有必要空气流通的细节。设计团队细致检查了所有空气流通的状况，并尽可能将其消除。在需要空气流通的情况下，建筑师通过特殊安装技巧保证了最低程度的热交换。团队还聘请了一位外部顾问来检查所有这些细节，并在施工过程中多次来到现场，保证正确的安装方法。施工团队时刻保持警惕，并持续检查有可能发生的泄露情况。最后，整个建筑还进行了两次鼓风门测试来检查气密性。
在完成了保证气密性这个首要任务后，设计团队开始专注于高度隔热的建筑外墙。向南的大型窗户能够提供日光照明，并在漫长的供暖季吸收太阳能热量，这要求团队使用高度隔热的玻璃材料。创新中心使用的四层窗户由两层玻璃，两层薄膜构成，其中填充了氪气，窗框中还使用了大量高密度热阻材料。这样的窗户具备多种功能，包括日光照明、被动制冷与制热、隔热和气密性等。根据窗户的不同位置，窗户的R值范围在4.8到7.1不等，而平均值（包括窗框）则为6.5。R-50的结构保温板和R-67及R-20的窗户构成的整个外墙系统具备的隔热性能是行业规范要求水平的3倍。
热质量：除了高度隔热的外墙，建筑的储热材料也是被动制热和制冷的关键，它能够稳定室内温度不受室外温度每日和季节性大幅波动影响。裸露的混凝土地面构成了最主要的储热材料。在冬天，地面受到日光照射加热，然后将热量辐射到整个空间。除此之外，墙体和遮阳板中加入的变相材料（PCM）也提供了更多热质量。这种以植物为基础原料的蜡状物能够在白天从固体变为液体，吸收热量。而在夜间，凉爽的夜晚空气使变相材料变回固体，将储存的热量释放。使用这种材料后，在夜晚温度为4华氏度（-15摄氏度）且没有设备加热的情况下，建筑在整个夜晚中的降温幅度仅为3度。
最大化自然通风：积极的自然通风策略能够使创新中心在一天当中充分利用储热材料的功能。当夜晚室外空气温度下降后，建筑会自动打开窗户使室内混凝土地面和变相材料降温，从而在第二天白天保持建筑物的凉爽。一个控制装置能够根据预报的第二天最高气温来计算当天晚上混凝土地板需要降温的幅度。由于这种自动的温度设置方式，建筑物的温度在最热日子的清晨是最低的。
在一天当中，控制系统监控室内和室外温度，如果条件正确，它将自动打开窗户。南面较低的窗户和北面较高的窗户会造成一种烟囱效果，确保空气更好地流经整个空间。另外，系统还能够在条件允许时，通过指示灯通知用户打开手动控制窗户，进一步加强自然通风。
这种基本的被动式节能方案运用了低热交换、高热质量和高度隔热性方法，为建筑高效运行提供了稳定、舒适的基础。在这个基础上，团队能够集中精力于智能控制方法，在美国最寒冷的气候带优化热量吸收和自然光照。
控制阳光：这是创新中心最重要的资产和最大的挑战。由于高海拔和晴朗天空的条件，科罗拉多巴索尔特在全年都拥有充沛的阳光资源。通过在调节夏季的日光吸收量和最大化冬季的日光吸收量，创新中心能够消除对制冷系统的需求，并将制热系统减小到一套小型分布式系统。
为达到这个目标，团队在建筑的初始设计阶段就试图最大化其在冬季的热量吸收。狭窄的楼层，向南朝向和“蝴蝶形”屋顶设计都是为了尽可能多地将建筑的储热材料暴露在冬日暖阳之下。建筑各个立面窗户的大小和类型都经过精心设计，从而尽可能优化南面吸热功能和控制北面的热量损失。最终创新中心四个立面的窗/墙比分别是南面52%，北面18%，东面23%和西面13%。南面的窗户得到了优化设计，能够比北面的窗户吸收更多的光与热，而北面的窗户则具备更高的R值，即更高的隔热性能。东西朝向的墙面则使用了电致色窗户，在日光吸收最强烈时会自动变暗。作为被动式设计方案的一部分，这种设计方式经过了充分研究，并对每个立面进行了调试。
为了控制夏季的太阳能热量吸收，团队使用了能够在冬季收起的自动室外百叶窗。这些百叶窗能够自动跟踪日光照射角度，在获得照明的同时避免刺眼强光和吸热。通过将这些室外百叶窗整合入建筑的控制系统，创新中心能够在空间过热时将其启用，或在空间需要更多热量时将其收起。虽然许多建筑都使用固定的室外遮阳装置控制对阳光热量的吸收，但这种自动系统能够在春秋季节起到更好的控制效果，因为春秋季的天气很不规则且无法在设计阶段进行准确估计。
这些系统和设计方式不仅能够控制太阳能热量的吸收，还提供了充足日光照明和有效刺眼强光控制。创新中心能够在一年中大多数时间实现完全日光照明，因此极大降低了对能源密集型室内照明设备的使用。而剩余的照明需求可以使用高效的LED和个人台灯等来满足。
在整个设计阶段对被动式日光控制的关注消除了建筑对制冷系统的需求，也极大地降低了对传统制热和照明系统的需求，从而实现了显著地能源节约。
2. 重新定义热舒适度
这些被动式设计策略能够减小传统机械系统的规模，并促进对新型热舒适方式的探索。目前的建筑行业为了减少热舒适度风险或安装问题，常常使用过量的机械制热和制冷系统。由于更多的子系统分类，建筑系统控制正在变得越来越复杂，如照明和自动百叶窗，都在使用智能控制系统。这种系统功能强大，但也需要更多专业知识，并要求更多设备安装、编程、调试与操作。这些控制系统常常出现故障，造成大量能源消耗和热舒适问题。落基山研究所想要放弃这种能源密集型方案，专注于控制系统一体化，并根据6项影响热舒适度的变量因素（而不仅是空气温度）进行设计。
在寒冷的冬天，即使墙上的恒温器显示室内温度是72华氏度（22摄氏度），这对任何坐在单扇玻璃窗边的人来说，并没有什么实际作用。有许多其它因素，如辐射温度和空气流速等，都会影响一个人的舒适度。通过专注于每一个变量因素，设计策略能够更具针对性，并将能量集中在能够最大程度改善用户舒适度的方面——从单一手段满足所有用户发展为直接满足每一位建筑用户需求。
美国采暖、制冷及空调系统工程师协会（ASHRAE）和加州大学伯克利分校建筑环境中心（CBE）通过大量研究，发现了影响一个人热舒适度的6项变量因素。
人们能够直观地感觉到影响自身舒适度的因素，但迄今为止，建筑行业还没能把这些因素转化为设计师能够直接应用的度量标准。ASHRAE 55舒适度标准用公式将这6项因素转化为一个单一变量，叫做预测平均投票数（PMV）。通过大量的测试，预测平均投票数能够预测在给定状态下，有多少比例的人会感到舒适。例如，PMV值为0.5则表示在给定条件下，90%的人会投舒适票。通过这个度量标准，我们能够将表面温度等各不相同的变量转化为直接反映人体舒适度的标准。
从所有者角度来看，预测平均投票数为一栋建筑提供了清晰、标准化的指标。大多数人只用温度一项指标来评判建筑是否满足需求，这是因为温度是单一、容易测量。而当我们将标准扩展到6项指标，计量工作就困难得多了。即使是在设计阶段，6项指标中的任意一项都没有确定的范围能够参考。相反，每项指标可接受的变化范围都会随着另外5项指标的变化而变化。这就是使用预测平均投票数的优势所在。它能够包含6项指标的所有组合方式，并将其转化为一个单一的、能够轻松模拟的具体数值。
虽然预测平均投票数公式能够提供一个清晰的单一数值，但在如此复杂的公式里，每个单项指标都有可能被忽视。
为了解决这个问题，建筑环境中心将这个复杂的公式转化为了一种交互式图形工具。通过改变各个变量因素的数值，用户不仅能够得到最终的预测平均投票数结果，还可以找到室内环境条件在舒适条件范围内的具体位置。此工具在设计过程中也十分关键，它能够让客户和设计团队试验不同的具体条件，更直观了解设计决策的实际效果。例如，当需要在安装额外制冷设备或增加吊扇间做出选择时，这个工具能够直观地证明空气流速对用户舒适度的显著影响。
虽然落基山研究所对于预测平均投票数提供的创新、以用户为中心的设计方式感到非常兴奋，但要将这种理论应用于当前可用的控制系统中却是非常困难。控制序列擅长于优化一项变量因素，如温度，但当多项变量因素互相影响时就会变得十分复杂。为了将其简化，我们根据预测的用户使用情况做出假设，将这些变量因素设为恒定值。首先，我们为每一区域的活动量和着装设定了上下边界。在会议中心里，一位身穿薄毛衣的听众需要制热，而身穿传统长袖系扣衬衫和宽松长裤，活跃且激动的发言者则需要制冷。通过建模，我们运用针对预测平均投票数修正过的测量图表找到了能够满足这些用户舒适度所需的气流和平均辐射温度范围。每小时的情况都在下图这张年度表格中以一个红点的方式标记了下来。
在这个过程的最后，所有假设和预测用户行为的集合将着装、活动量、空气流动、空气温度和湿度设为恒定值，在控制策略中仅剩下空气温度一个变量。这提供了一种标准温度控制策略，能够提供一个较宽泛的温度范围，使用户自己控制其它所有变量。表面上看，预测平均投票数似乎仅仅提供了一个更宽的温度范围。然而，这种看法忽略了除所有补充用户控制系统设计外，着装、活动量以及表面温度等因素在设置温度边界中所起到的关键作用。
3. 管理系统控制复杂度
将热舒适度分解为6项变量因素，促使团队研究什么方法能够最好地满足每一项要求。这种分解方式常常会导致整个系统分化为若干定向满足每一项需求的分系统。创新中心用这种方式取代了用一套大型中央系统，满足整体舒适度需求的方法，包括用定制的室外百叶窗满足光照需求，用吊扇控制气流等。
当这些被动式系统创造一个稳定的舒适温度范围后，用户就可以利用小型个人手段在这个范围内调整各自的舒适度。这种方式能够满足由于个体新陈代谢、性别、健康程度和衣着的不同，而造成的不同的舒适度需求。个人风扇和手动调节的窗户/百叶窗是最简单的解决方案。个人舒适度方面的新兴研究也在不断创造着令人激动的新技术，比如能够制热和制冷的超级座椅，或能够对手腕制热和制冷的手链等。
关注于控制一体化：但是，所有这些针对性的系统集中在一起，造成了严重的控制一体化复杂性。许多系统（如室外百叶窗或风扇）的设计都是独立控制的，使用它们各自专有的系统进行控制。虽然它们可能分享外部通信协议，但在设计时并不是由外部控制的，将它们集成在一套中央控制系统会很困难。这些系统安装和集成需要与所有供应商进行合作，并需要大量编程时间。许多项目往往都是失败在这一步骤，进而选择过量的机械系统。相对于这种选择，落基山研究所将精力集中在一体化技术和运行过程上，开发出了一套可供行业广泛学习并能够转化为可复制模式的定制化方案。
落基山研究所发现最好解决方案是专注于系统一体化和试运行过程本身。由于要集成在中央控制系统中的每一个分系统都是特定的，团队首先确认该分系统能够与中央系统协议进行通信，并且由分系统的制造商提供接入系统的技术支持。这种支持非常重要，为了在一体化和运行过程中解决故障检测问题，我们将这种技术支持都纳入了长期合作关系之中。
改变基于单个设备的试运行方式：即使具备了一支如此敬业与投入的设计和施工团队，彻底的试运行仍是保证建筑能够正常工作的关键。事实上，研究表明许多绿色建筑的能耗都是其最初设想目标的三倍之多，其中的主要原因就是试运行和运行维护方面的问题。传统的试运行方式只是单独测试每一件设备独自的运行状况。
对于传统的中央系统而言，其大多数控制都来自一个单一系统，这样的式运行方式是合适的。但在我们的建筑中，许多针对性系统看起来都能够被方便地测试，但实际上整个系统的试运行是复杂的。我们能够很容易地测试每一个系统是否能够独立运行，但更重要的是每个系统之间的配合才能够决定整个设计方案的成功。这些配合常常由许多因素控制，并且由于许多系统的被动式特点，很难被模拟。
相反地，试运行过程必须将整个建筑表现作为一个整体来看待。这包括对每件设备功能的常规测试，以及针对整个建筑的长期调试。要了解各个系统如何互相配合，如何针对不同情况做出反应，每一点都必须经过长期的，各种不同情况下的监测。多数建筑拥有者没有足够的知识和能力进行这样长期的建筑监测与分析。这种做法需要与试运行代理及设计团队建立长期合作关系，以及足够完成这项工作的相关预算。这笔相对短期的投资会通过较低的能源消耗和降低的用户投诉而迅速得到回报。
用户培训与参与度：用户在这样的空间里不能再被动地期待中央系统为他们提供舒适，而必须了解信息，主动控制所有这些系统。在我们的创新中心里尤其是这样，在这里，我们有许多被动式的简单系统能够共同为用户提供舒适。从用户角度来看，如果他或她感觉很热，那么有4种方法可以解决：个人制热或制冷座椅、桌面风扇、吊扇和窗户。
这个挑战需要用一种不同的方式实现用户培训与参与。与传统的向新用户发放使用手册和进行高级培训不同，最重要的是让用户参与到空间中，亲自测试系统会如何影响他们的舒适度。我们通过游戏的方式，提高用户的兴奋度与参与度。这些游戏会挑战用户试用所有可用的系统，来达到最高和最低的预测平均投票数。这样他们不仅能够感受每一个系统的效果及其与相邻系统的交互，还能够更深刻的理解满足舒适度的技术方法。
为进一步提高用户参与度，创新中心使用了122个电能表来监测每一件设备和建筑回路的用电情况。除了这些主要电表外，还有一套测量系统，能够监测为每个用户办公桌供电的独立电源板的用电情况。有了所有这些数据，用户能够在办公楼大厅的触摸屏上了解这些信息，或通过在线平台发现更多更详细的数据。这些数据同时还能够持续对建筑系统的测试以及故障检测提供帮助。
4. 使用高效、针对性的系统
在将被动式设计和创新热舒适度手段的效果最大化之后，我们在冬天只剩下了对通风和制热非常有限的需求。为了满足这些需求，落基山研究所利用最高效的热回收通风系统和针对性制热系统，集中加热用户本身，而不是他们身边的空气。
创新中心使用了一部高效的专用室外空气热量回收装置，将新鲜空气引入室内。该系统会在窗户关闭时自动启动，在窗户打开时自动关闭。该系统包括了一个热回收效率为93%的装置，利用向外流出的空气余热提前加热向内流入的空气。该热回收过程能够提供足够的热量对引入室内的空气进行加热，而不必再安装流入空气预加热盘管。
为了向用户提供针对性制热，创新中心在办公区域的地毯下安装了小型电热毯。虽然电加热效率远低于其它制热技术（如热泵），但在被动式设计策略基础上，建筑对制热的需求非常小，投资其它更昂贵系统将无法收回成本。同时电热毯能够针对性地将热量集中于用户身上，并能够根据建筑需求的变化方便地移动。
5. 用智能系统满足能源需求
创新中心可以成为电网资产的一个真实范例。凭借高水平的能效、现场能源生产与存储能力，创新中心不仅能够在全年中生产自用能源，还能够在一天中控制自身负荷水平。通过使用光伏（PV）发电和储能电池系统，建筑可以在电网用电峰值期间降低用电负荷。这减小了落基山研究所对电网的影响，并帮助电网避免了为满足更高峰值负荷所需建造的大型供电系统。
创新中心的屋顶光伏发电系统能够为建筑提供83.08KW装机容量，最高发电效率为21.5%。由于创新中心屋顶角度和地理位置原因，该系统预计会在冬季被积雪覆盖达3个月之久，而这些因素在计算预计产能时都得到了考虑。即使在这种负面影响下，光伏系统设计产能仍然达到了创新中心用电需求的123-148%。
目前，创新中心安装了2套电动汽车（EV）充电装置，为4辆电动汽车充电。然而，许多令人兴奋的研究表明双向电动汽车充电技术不仅能够为汽车充电，还能在建筑需要更多电力时，将电量从汽车输送给建筑。落基山研究所相信这种技术即将在几年内进入市场，并打算到那时，再安装第三套充电装置。
一部30kW，45kWh锂离子电池储能系统降低了建筑的峰值用电需求，从而使峰值负荷保持在50kW以下。如果落基山研究所的峰值负荷超过了50kW，那么就将适用于电力公司更昂贵的电价范围。为了控制该储能电池，落基山研究所选择了Geli能源控制系统。它不仅能够管理电池充电过程，还能整合建筑所有能源系统。比如，它能够整合建筑暖通空调控制器和电动汽车充电站，在建筑总负荷接近峰值需求时，降低用电量。当双向充电技术实现之后，落基山研究所还将把该系统整合入Geli控制系统。这能让落基山研究所了解、探索建筑如何作为清洁、可再生电力的电网资产实现更高效和经济地运行。
结论
落基山研究所在推动建筑行业改变用昂贵低效的过量中央制热和制冷系统，来降低风险和系统复杂性的做法。在该项目中，落基山研究所通过精心设计实现了系统复杂度和一体化的空前水平，并用创新的方式满足了用户热舒适度的需求。通过投资于一套高气密度的外墙，三倍于规范要求等级的隔热以及积极地控制太阳能热量吸收，落基山研究所能够消除对中央制冷系统的需求，并将对制热的需求降低到仅使用一套小型分布式电热毯。为了100%提供这些最低负荷所需的电量，落基山研究所使用了屋顶光伏系统和高级锂离子电池控制系统。实施这一系列创新做法，将项目总投资增加了10.8%，但落基山研究所经过计算得出，通过节约能源、提高用户工作效率以及降低维护费用，这些投资仅需不到四年时间就可被收回。
随着落基山研究所继续调试创新中心，我们会继续寻求更好地控制一体化技术和个人舒适度解决方案，并改善热舒适度方式。创新中心成为了继续尝试新科技、新方法的绝佳机会，同时落基山研究所将继续与行业分享这些经验，加速这些技术的大规模推广。