丹麦零排放生态建筑－绿色灯塔
“VELUX-Model Home 2020”之Green Lighthouse
一：项目概况
项目管理：威卢克斯/VELUX公司
设计单位：克里斯坦森设计师事务所（Christensen &Co Architects）
能源创意：科威（COWI）咨询公司
战略合作伙伴：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、威尔法科公司
物业业主：丹麦哥本哈根大学
绿色灯塔项目是迄今为止丹麦第一个按照碳中和理念设计的公共建筑，位于哥本哈根市内的哥本哈根大学校园内，是威卢克斯集团“VELUX-ModelHome 2020” 六个未来示范项目中，第二个完成的生态可持续节能示范建筑。该建筑为三层的圆形建筑，总建筑面积950平方米，具体用途为哥本哈根大学科学系学生的学习、生活、就业监管咨询中心。绿色灯塔项目是无二氧化碳排放的零排放生态型建筑。
绿色灯塔的目标在于展示节能型建筑需求和建筑质量、健康室内气候以及良好的日光，是可以通过可持续和创新的建筑设计方法达到平衡的。绿色灯塔已于2009年的10月20日正式交付使用运营，它是2009年在哥本哈根召开的联合国气候变化峰会（COP15）的一个献礼性展示项目。
图一：绿色灯塔夜景图
二：绿色灯塔的建筑设计
1. 建筑的创作灵感
图二：绿色灯塔建筑设计构思来源于“日晷”
绿色灯塔的创作来源于中国的“日晷”，克里斯坦森建筑设计事务所的设计师们，根据“日晷”创作了其圆柱外加倾斜顶面的造型，充分的表现出建筑与太阳之间的密切关系。项目合作各方希望该建筑竣工后，成为哥本哈根、丹麦、及至整个欧洲环保建筑的榜样，因为命名为“绿色灯塔”。
2. 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
绿色灯塔建筑的色彩设计，外部是斑驳的绿色，内部为奶白色。创意萃取于丹麦民间饮食文化，一种独具特色的奶酪，外表呈斑驳的绿色，内部则是奶白色。
3. 圆柱体的建筑外形
该建筑的设计目标是实现最佳的能耗效率、建筑质量、健康的室内气候，和良好的采光条件。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。既要展示建筑的各个不同的立面在接受日照、采集太阳能即时的数据变化，又可以作为建筑使用，最佳形状就是做成圆柱形。
4. 中庭
绿色灯塔采用了大中庭设计，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，二是为参观者聚集时提供集中讲解的功能考虑，三是采用烟囱效应自然通风，四是为了提高整个建筑内部自然采光的均匀度。
5. 露台
建筑的露台是一种过渡空间，设计师为这个建筑设计了一个比较大的开放式露台。目的就是为建筑的使用者们提供一个可以用来放松、观景、临时小憩的公共空间。
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。
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％的资金来做艺术装饰。为此丹麦国家艺术院的两名艺术家，为建筑做了一个名为“仪器”的艺术雕塑，这个雕塑看起来像一个探测器，其主体由8个“手臂”组成，每个手臂上装有30面小镜子。艺术家说，如果天空晴朗阳光灿烂的话，仪器每一个“手臂”上，会在一年内的两天时间里，由两面小镜子投影在中庭的地板上形成一个圆形的光环。
图四：位于绿色灯塔中庭天花板最显眼处的艺术雕塑——仪器
8. 绿色灯塔的采光设计
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，设置了一定数量的智能电控屋顶窗，这无疑给建筑的中庭，带来了巨大的光照度的变化。
建筑师们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，用了威卢克斯集团最新开发的《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％。
工程师们应用《Daylightvisualize》采光软件，对建筑的每一个房间与角落，按全云天、半阴天、晴天等几种情况，对全年的几个标志时间段春分、秋分、夏至、冬至分别进行了计算，对有眩光的部位，及采光系数小于3％的部位，工程师与建筑师进行了反复的设计和比较，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
With roof windows：有屋顶窗
Without roofwindows：无屋顶窗
Daylight factorlower than 3％：日光系数低于3％
With roof windows：有屋顶窗
Without roofwindows：无屋顶窗
Daylight factorlower than 3％：日光系数低于3％
图六－3：首层采光分析
With roof windows：有屋顶窗
Without roofwindows：无屋顶窗
Daylight factorlower than 3％：日光系数低于3％
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
绿色灯塔项目能耗概念设计以实现二氧化碳零排放为目标。作为可持续、无碳、环保的建筑，必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
绿色灯塔的能源设计总体原则，一是降低能源需求，二是尽量使用可再生能源，三是高效使用化石能源
Reduced energy need：降低能源需求
Renewable energies：利用可再生能源
Efficient fossil energy：高效利用矿物能源 
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
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，门窗选择上花了大量的时间。这里值得一提的是太阳热的采集和防止问题。在夏天，太阳过热是负面的，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，我们在需要太阳光线的同时，也需要太阳的热量。因而使用所有时间都是一个传热系数的LOW-E玻璃，不能全面解决问题，绿色灯塔采用了与窗户相匹配的多种智能电控室内外遮阳、隔热窗帘等产品。
3. 太阳能集热板
近300平方米的南向屋顶面积，除了少部分用作屋顶天窗采光外，大部分用于安装太阳能集热板和光伏电池。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. 太阳能光伏电池
绿色灯塔的屋顶上45平米的太阳能光伏电池是建筑物主要能量来源，可满足照明、通风和维持热泵的运转需求。
5. 热泵
热泵主要用来太阳热能及地热能的循环利用，实现建筑物的供热和制冷，从而保证了季节性储热的优化利用。
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
项目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
整体建筑约以100平方米为单位，分为9个区域，均设有光感、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中枢的电脑上，该电脑再根据室外的气候情况，通过自控系统，采取开关窗、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光伏电池。
· 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。）
这一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，我们想用该项目经理威卢克斯公司洛娜女士的一段话来结束本文：
绿色灯塔项目，是丹麦的第一个以零碳为目标而进行设计施工的项目，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充足的自然采光。日光，是一项非常重要的资源，仅靠对日光合理设计使用，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。