零碳建筑技術路線研究

陳俊亦 賈琪 崔明輝

摘 要：為實現(xiàn)零碳建筑的零碳排放和超低能耗目標，提出了零碳建筑的技術路線。利用負荷能耗指標作為技術評價標準，以保定市某幼兒園實際工程為例，通過DeST軟件模擬，分析了本項目全年負荷變化，冷熱負荷指標以及負荷能耗指標，然后通過正交試驗與極差分析得出不同影響因素對建筑熱負荷的影響程度。結果表明，零碳幼兒園全年累計熱負荷指標為61.60 kW·h/m2，全年累計冷負荷指標為75.99 kW·h/m2，采暖季熱負荷指標為18.36 W/m2，空調季冷負荷指標為25.76 W/m2;不同影響因素對建筑熱負荷的影響程度從大到小依次為外墻傳熱系數(shù)>人員密度>設備功率>屋頂傳熱系數(shù)，對建筑冷負荷影響程度從大到小依次為人員密度>設備功率>外墻傳熱系數(shù)>屋頂傳熱系數(shù)。零碳建筑技術路線的運用對于降低建筑能耗、實現(xiàn)建筑零碳目標具有重要意義。

關鍵詞：建筑設計方法與理論;零碳建筑;節(jié)能技術;DeST模擬;正交試驗;極差分析

中圖分類號：TU244.1?文獻標志碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2019yx06005

文章編號：1008-1534（2019）06-0396-07

Abstract：Aiming at the zero-carbon emission and ultra-low energy consumption targets of zero-carbon buildings， the technical route of zero-carbon buildings is proposed. The load energy consumption index is used as the technical evaluation standard. The actual project of zero-carbon kindergarten in Baoding City is taken as an example to analyze with DeST software. The annual load change， cold and heat load indicators and load energy consumption indicators of the project are analyzed， and the effect of different factors on building thermal load and cold load is obtained by orthogonal test and range analysis. The results show that the annual cumulative heat load index of the zero-carbon kindergarten is 61.60 kW·h/m2， the annual accumulated cold load index is 75.99 kW·h/m2， and the heating season thermal load index is 18.36 W/m2. It is 25.76 W/m2 in air conditioning season. The relationship between the influence of different influencing factors on building thermal load is the external wall heat transfer coefficient > personnel density > equipment power > roof heat transfer coefficient; the relationship between the degree of influence on building cold load for personnel density > equipment power > external wall heat transfer coefficient > roof heat transfer coefficient.The use of zero-carbon building technology routes is of great significance for reducing building energy consumption and achieving zero carbon targets.

Keywords：architectural design method and theory; zero carbon construction; energy saving technology; DeST simulation; orthogonal test; range analysis

現(xiàn)階段，中國正處在經(jīng)濟高速發(fā)展時期，面對不斷推進的新型城鎮(zhèn)化建設和不斷提高的居民生活水平需求，建筑行業(yè)也面臨著能源、資源消耗和環(huán)境影響之間的沖突和挑戰(zhàn)。在全球倡導低碳經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的趨勢下，實現(xiàn)能源結構改革，探索零碳建筑模式，必將成為未來城市建設和發(fā)展的主流。

2019年9月1日，由住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的國家標準《近零能耗建筑技術標準》正式實施。

零碳建筑的概念源于零碳城市，指采用綜合建筑設計方法，在不消耗常規(guī)污染性能源的情況下，實現(xiàn)建筑物的零碳排放。零碳建筑的核心是在建筑物消耗的能源與其自身產(chǎn)生的能源達到平衡時實現(xiàn)零碳排放。世界上著名的零碳建筑示范項目有倫敦貝丁頓零碳社區(qū)、美國赫斯特大廈以及上海世博會零碳館等[1-2]。

目前已有不少對零碳建筑技術路線的研究。宋德萱等[3]探究了在夏熱冬冷地區(qū)發(fā)展近零能耗建筑的技術途徑和可行性研究。劉偉等[4]通過對建筑氣密性等級和新風系統(tǒng)性能參數(shù)的研究，分析了建筑氣密性對近零能耗居住建筑總體能耗的影響。鄧琴琴等[5]分析了近零能耗居住建筑保溫系統(tǒng)的應用類型，為北方地區(qū)近零能耗建筑外墻保溫系統(tǒng)的設計與應用提供了理論依據(jù)。

本文研究零碳建筑在寒冷地區(qū)的技術路線，從建筑設計、圍護結構保溫、設備與系統(tǒng)節(jié)能3個方面進行論述，并結合保定市實際工程案例進行負荷分析和建筑負荷能耗的影響因素分析。

1?零碳建筑技術路線研究

零碳建筑的設計技術和節(jié)能技術是實現(xiàn)建筑零碳的核心，通過對零碳建筑相關技術措施的總結和整個技術路線的研究，提出了以下3方面的內容。

1.1?建筑規(guī)劃與空間設計

零碳建筑的規(guī)劃與空間設計應以建筑物所在地氣候特征為導向，根據(jù)當?shù)貧夂蛱攸c進行建筑朝向、體形系數(shù)、開窗形式、遮陽、通風、室內空間布局的設計[6]。

1）零碳建筑的規(guī)劃設計應充分利用當?shù)氐牡乩項l件優(yōu)勢和自然資源。通過設置南北向或接近南北向的朝向、緊湊建筑外觀、規(guī)整建筑體形、合理化建筑空間布局，來營造適宜的建筑內部微氣候。增強夏季自然通風和冬季自然采光，實現(xiàn)建筑內環(huán)境的自調節(jié)功能。

2）零碳建筑應以零碳排放和超低能耗為目標，采用遮陽技術和自然通風技術等措施降低建筑物的供熱供冷負荷。遮陽設計應綜合考慮房間功能需求和窗戶所在朝向。常用的遮陽技術有設置不同類型的遮陽設施和采用特殊材料的玻璃（熱反射玻璃、鍍膜玻璃、低發(fā)射率膜玻璃等）。自然通風技術是通過設計建筑物中庭、廊道等結構，利用風壓、熱壓以及機械輔助通風等形式，來實現(xiàn)自然通風效果。常用的技術有設置排風裝置、設計建筑夾層通風空間以及設計大空間立體中庭[7]。

1.2?圍護結構的保溫

零碳建筑圍護結構的保溫應綜合考慮當?shù)貧夂驐l件、建筑使用功能以及建筑物類型。

1）零碳建筑墻體及屋面的保溫技術可分為自保溫技術和復合材料保溫技術。自保溫是指墻體材料自身具有保溫效果。復合材料保溫是指由傳統(tǒng)材料+新型材料+絕熱材料所構成的圍護結構。常見的零碳建筑外墻保溫做法有：自保溫、內保溫、外保溫以及夾芯保溫。常見的零碳屋面保溫做法有倒置型外保溫屋面、通風屋面、坡屋面以及種植屋面等技術。

2）零碳建筑的門窗設計和選擇是降低建筑能耗的關鍵步驟。在進行外窗設計和選擇時應當綜合考慮窗戶的玻璃層數(shù)、Low-E膜層、邊部密封、窗框材料及外窗開啟方式。對于外門的設計，需要分區(qū)考慮，嚴寒地區(qū)需設置門斗;寒冷地區(qū)可設置雙層外門;其他地區(qū)外門宜采取防風防滲透措施[8]。

1.3?建筑設備與系統(tǒng)的節(jié)能

1）零碳建筑的供暖供冷應優(yōu)先利用可再生能源（太陽能、風能、地熱能等）。設計時宜采用土壤源熱泵、空氣源熱泵以及輔助電采暖爐等設備[9]。

2）零碳建筑的給排水系統(tǒng)應按照高質高用、低質低用的原則進行分配和處理。建筑物內應采用節(jié)水器具和設備。例如，衛(wèi)生間宜采用低水量沖便器和感應式水龍頭。

3）零碳建筑的照明系統(tǒng)應選擇高效節(jié)能的照明器具，以及智能照明控制系統(tǒng)來減少耗電量。建筑物內公共區(qū)域照明宜采用聲光控制、定時控制及紅外感應控制等控制技術。室外照明宜采用太陽能路燈或風電路燈作為光源。

2?案例分析

2.1?項目概況

河北省保定市地處京津冀核心地區(qū)，是國家發(fā)改委確定的全國首批8個低碳城市試點之一。直隸新城幼兒園位于河北省保定市向陽北大街直隸新城示范社區(qū)內，項目總建筑面積5 619 m2，占地面積1 694.56 m2，框架結構形式，地上3層，局部4層，無地下室，建筑內部主要功能區(qū)包括多功能教室、辦公室、體音美活動室、門衛(wèi)室等。建筑總平面圖和建筑功能分區(qū)圖分別見圖1和圖2。本項目根據(jù)零碳建筑技術路線進行規(guī)劃設計，在保證幼兒園建筑功能需求和室內環(huán)境舒適的前提下，盡可能降低建筑碳排放量和建筑負荷能耗[10]。

2.2?建筑節(jié)能技術

本項目使用的零碳技術主要有陽光房設計、遮陽技術、自然采光通風技術、新風熱回收系統(tǒng)以及綠化屋頂設計等，具體措施見表1[11-13]。

2.3?建筑負荷分析

2.3.1?評價指標的選取

依據(jù)《近零能耗建筑技術標準》（GB/T 51350—2019）和《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）居住建筑》選取零碳建筑評價指標，將分季節(jié)負荷面積指標和全年負荷能耗指標作為建筑冷熱負荷需求和建筑能耗的評價依據(jù)。

2.3.2?模型參數(shù)的設置

利用DeST能耗分析軟件對零碳幼兒園的全年供熱、供冷能耗進行模擬計算，模擬計算模型見圖3。

在DeST軟件中設置幼兒園建筑采暖期為11月15日至次年3月15日，共122天，其中將寒假時間設置為1月15日—2月20日;設置空調期為6月1日—8月31日，共92天，其中暑假時間設置為7月15日—8月31日。室內熱擾設定參數(shù)見圖4。圍護結構的保溫構造做法見表2。建筑負荷能耗計算結果見表3。

2.3.3?計算結果分析

通過負荷計算得出整個建筑物全年逐時負荷變化圖（見圖5）和全年逐時單位面積負荷變化圖（見圖6）。由圖可知，該建筑物全年冷熱負荷變化幅度較大，夏季冷負荷明顯增大，全年最大冷負荷值為449.76 kW。全年最大逐時冷負荷指標為113.59 W/m2。冬季熱負荷明顯增大，全年最大熱負荷值為337.79 kW。全年最大逐時熱負荷指標為85.81 W/m2。保定市屬于典型的大陸性季風型氣候，冬夏較長，春秋較短。另外，可得到分季節(jié)負荷指標和全年負荷面積指標，其中采暖季熱負荷指標為18.36 W/m2，空調季冷負荷指標為25.76 W/m2，全年累計熱負荷指標為61.60 kW·h/m2，全年累計冷負荷指標為75.99 kW·h/m2[14-15]。

3?建筑負荷能耗影響因素敏感性分析

3.1?能耗模擬正交試驗設計

為研究不同影響因素對建筑物負荷的影響關系，現(xiàn)取外墻傳熱系數(shù)Kwall、屋頂傳熱系數(shù)Kroof、人員密度D、設備功率Qe共4個因素進行敏感性分析，每個因素取3個水平[16]，其中第1個水平為本文案例分析中的設置參數(shù)，各因素水平見表4。進行建筑能耗模擬時，若每個因素取 3 個水平，則需做 64 次模擬試驗，耗時較長。因此，本文采用正交試驗法簡化模擬過程，根據(jù)正交試驗設計方案[17]，將各參數(shù)輸入到DeST模擬軟件的相應位置，可得出9組試驗工況下給定建筑全年累計熱負荷和冷負荷，其正交試驗設計方案及計算結果匯總見表5。

3.2?影響因子極差分析

極差分析包括計算和判斷2個步驟。Kjm為第j列因素m水平所對應的試驗指標和，

jm為Kjm的平均值。由jm的大小可以判斷j因素的影響顯著性水平。Rj為第j列因素的極差，即j列因素各水平下指標值的最大值與最小值之差，其計算公式見式（1）。

將各因素的極差進行比較，由極差大小順序便可判別各因子的影響主次。極差最大者，敏感度最大，影響程度最大;極差較小者為較次要的因素，依次類推[18]。極差分析結果見表6和表7。

從極差分析結果中可得出：不同影響因素對建筑熱負荷影響程度從大到小依次為外墻傳熱系數(shù)>人員密度>設備功率>屋頂傳熱系數(shù);不同影響因素對建筑冷負荷影響程度從大到小依次為人員密度>設備功率>外墻傳熱系數(shù)>屋頂傳熱系數(shù)。因此，技術人員在進行節(jié)能設計時，在滿足室內舒適性要求的前提下需盡可能提高室內設計溫度，并考慮減小設備功率。在設置圍護結構保溫時，重點考慮外墻的保溫構造設計。

4 結?語

本文通過對零碳建筑的實例研究，提出了零碳建筑技術路線。以保定市某幼兒園實際零碳工程為例，使用DeST能耗模擬軟件對該項目進行負荷能耗模擬，分析了該項目的負荷組成、負荷變化、分季節(jié)負荷指標以及全年累計負荷指標。采用正交試驗與極差分析法，對該地區(qū)幼兒園類公共建筑負荷能耗影響因素進行了敏感性分析。通過模擬研究，得到以下結論。

1）零碳建筑技術路線分為建筑規(guī)劃與空間設計、圍護結構的保溫以及建筑設備與系統(tǒng)的節(jié)能3個方面。通過案例分析表明零碳建筑技術路線的運用對于降低建筑能耗、實現(xiàn)建筑零碳目標具有重要意義。

2）通過案例負荷能耗計算可得，零碳幼兒園全年累計熱負荷指標為61.60 kW·h/m2，全年累計冷負荷指標為75.99 kW·h/m2;采暖季熱負荷指標為18.36 W/m2，空調季冷負荷指標為25.76 W/m2。

3）通過正交試驗與極差分析可知，不同影響因素對建筑熱負荷影響程度從大到小依次為外墻傳熱系數(shù)>人員密度>設備功率>屋頂傳熱系數(shù);不同影響因素對建筑冷負荷影響程度從大到小依次為人員密度>設備功率>外墻傳熱系數(shù)>屋頂傳熱系數(shù)。

4）本文尚有一些不足之處，如：公共建筑類型廣泛，只針對某一特定類型開展研究，不具備普遍性;在進行負荷能耗影響因素敏感性分析時選取的影響因素不夠全面。未來需對不同類型公共建筑及其體形系數(shù)、窗墻比、建筑朝向等因素進行分析。

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