近零能耗技術(shù)在未來能源館設(shè)計中的示范應(yīng)用

趙園園 齊冬暉

(太原市建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030002)

習(xí)近平總書記視察山西發(fā)表重要講話，明確提出“山西要爭當(dāng)全國能源革命排頭兵”，大同市肩負(fù)著做全省能源革命“尖兵”的重大使命，于大同御東新城中心區(qū)域強(qiáng)力推進(jìn)山西大同國際能源革命科技創(chuàng)新園的規(guī)劃建設(shè)，為全省乃至全國資源型地區(qū)走出轉(zhuǎn)型發(fā)展新路發(fā)揮先鋒示范作用。

1 山西未來能源館建筑介紹

(山西大同)未來能源館項(xiàng)目建設(shè)用地位于大同市國際能源革命科技創(chuàng)新園A區(qū)的東南角中心門戶區(qū)域，在大同市貫穿新舊雙城的東西向空間主軸與御東新城南北向主軸線的交匯處。作為園區(qū)最重要的標(biāo)志性建筑，承擔(dān)著全方位宣傳展示山西能源革命歷程和成就的重要職能，建設(shè)定位為集主題展示、會議接待、園區(qū)管理、科普教育等功能為一體的開放型展覽交流中心(見圖1)。展館總建筑面積2.9萬m2，主體地上3層，地下1層，建筑高度23.7 m，其中主題展示區(qū)面積約2萬m2(見圖2)。項(xiàng)目建筑技術(shù)設(shè)計的戰(zhàn)略重心突出綠色低碳和新能源利用技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用的攻堅突破，運(yùn)用前沿技術(shù)，牢固樹立對標(biāo)國際一流的設(shè)計目標(biāo)，始終堅持即使創(chuàng)新引領(lǐng)，通過覆蓋工程設(shè)計全專業(yè)的系統(tǒng)集成創(chuàng)新，未來能源館成為國內(nèi)首例實(shí)現(xiàn)“正能建筑”目標(biāo)的大中型展館，并同時達(dá)到國內(nèi)國際有關(guān)“超低能耗”“綠建三星”“LEED”及“健康建筑”四個認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求，完美詮釋了“云端上的正能量”的創(chuàng)作理想和時代精神。

2 技術(shù)目標(biāo)與實(shí)施方略

隨著項(xiàng)目的快速推進(jìn)，未來能源館的創(chuàng)作與實(shí)踐獲得了政府和社會各界的廣泛認(rèn)可。本項(xiàng)目結(jié)合大同市當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)與展覽建筑自身功能特點(diǎn)，通過合理規(guī)劃與模擬分析，按照綠色建筑理念進(jìn)行設(shè)計建造，從節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、提高與創(chuàng)新六方面出發(fā)，實(shí)現(xiàn)綠色建筑三星級的設(shè)計目標(biāo)。

在2019年9月1日國家《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)施發(fā)布之前未來能源館項(xiàng)目就確定在節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)上達(dá)到正能建筑水平，通過各專業(yè)緊密合作，實(shí)現(xiàn)規(guī)定設(shè)計目標(biāo)，成為我國首例近零能耗展館建筑，達(dá)到國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域領(lǐng)先水平。

項(xiàng)目以“被動優(yōu)先、主動優(yōu)化”的設(shè)計理念，構(gòu)建核心技術(shù)體系，被動式和主動技術(shù)手段深入結(jié)合，建立展館空間使用實(shí)態(tài)參數(shù)模型，反復(fù)進(jìn)行建筑全年逐時能耗工況模擬計算，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的動態(tài)耦合分析研究，做多方案比較及統(tǒng)籌權(quán)衡，最終精準(zhǔn)確定設(shè)備系統(tǒng)選型與被動技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)造措施的最佳組合方案，實(shí)現(xiàn)建筑本體能耗(不包括展陳設(shè)備能耗、數(shù)據(jù)中心能耗和室外景觀照明能耗)的最小化和本體可再生能源利用最大化(見圖3)。通過仿真模擬預(yù)測建筑的年能耗為1 457 532.42 kWh，可再生能源年發(fā)電量為1 230 036.50 kWh，占建筑年用電量比例為84.39%，建筑每平方米每年的凈能耗約為98.59 kWh，最終實(shí)現(xiàn)國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51350—2019近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的近零能耗指標(biāo)。

除較為常規(guī)的綠色建筑技術(shù)(如：被動式技術(shù)、地道風(fēng)、導(dǎo)光管、節(jié)能電梯、中庭采光通風(fēng)、屋面花園、雨水污水回收利用等)以外，本項(xiàng)目在以下方面突出其示范引領(lǐng)作用。

2.1 高效建筑光伏一體化技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)近零能耗建筑的能效指標(biāo)，本工程應(yīng)適應(yīng)氣候特征和自然條件通過選用保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用高效新風(fēng)熱回收技術(shù)，最大程度地降低建筑供暖供冷需求以實(shí)現(xiàn)近零能耗綠色建筑的前提下，最大可能的利用建筑屋面和立面，選用高效的太陽能光伏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電量最大化，以達(dá)到最小的能源消耗。由于實(shí)際使用情況的氣候變化，尤其是太陽輻射量的不完全準(zhǔn)確性，在設(shè)計階段，應(yīng)以確保建筑效果的前提下設(shè)計最大發(fā)電量。

該太陽能光伏發(fā)電方案由五個子系統(tǒng)組成。分別是屋面光伏系統(tǒng)、東立面光伏系統(tǒng)、西立面光伏系統(tǒng)、南立面光伏系統(tǒng)、采光頂光伏系統(tǒng)，共有1 340塊410 Wp單晶硅光伏組件、926塊320 Wp單晶硅光伏組件、1 405塊40 W的薄膜光伏組件、160塊100 W的薄膜光伏組件，總裝機(jī)容量為917.92 kWp，接入微電網(wǎng)系統(tǒng)的光伏組串總功率為917.23 kWp。系統(tǒng)主要設(shè)備由23個智能匯流箱，18臺50 kW的 DC-DC 變換器，1臺20 kW的DC-DC 變換器、1個二級匯流計量箱組成。光伏系統(tǒng)為計入組件功率衰減的首發(fā)電量合計1 230 036.50 kWh(見表1)。

表1 首年月度發(fā)電量統(tǒng)計表 kWh

2.2 交直流混合的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)

相比交流供電系統(tǒng)，直流供電系統(tǒng)在減少交直流轉(zhuǎn)換過程及具有較高的轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢而被建筑以及電力行業(yè)廣泛關(guān)注，尤其是在大量應(yīng)用可再生能源的今天。項(xiàng)目采用交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)，既含有交流母線，又含有直流母線。在此系統(tǒng)中運(yùn)用了主動配電系統(tǒng)技術(shù)、需求側(cè)管理技術(shù)、配電側(cè)儲能技術(shù)、能量路由器技術(shù)、電力電子網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、交直流混合配電技術(shù)等。項(xiàng)目設(shè)計微電網(wǎng)蓄電池容量為2 000 kWh，光伏直流并網(wǎng)容量近1 MW，直流總負(fù)載功率為1 107 kW，實(shí)現(xiàn)除展陳設(shè)備以外的從照明、插座、數(shù)據(jù)中心到暖通空調(diào)系統(tǒng)的全直流化，成為規(guī)模最大的柔性互聯(lián)交直流混合系統(tǒng)。系統(tǒng)規(guī)模遠(yuǎn)超目前所有直流示范項(xiàng)目的直流應(yīng)用規(guī)模，居中國之首，對推動建筑直流電的應(yīng)用起到至關(guān)重要的意義。同時為展示直流電能和熱能的直接轉(zhuǎn)化，項(xiàng)目將貴賓接待室作為選取示范，將石墨烯采暖技術(shù)運(yùn)用其中。石墨烯采暖地板通電后能使碳纖維發(fā)出對人體有益的遠(yuǎn)紅外波，對人體具有良好的治療的作用。與傳統(tǒng)的采暖相比，它的發(fā)熱機(jī)理和人體產(chǎn)生溫暖的感覺完全不同，能給予人體一種陽光般溫暖的健康舒適型人居環(huán)境。配套太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)石墨烯供暖系統(tǒng)可做成交流(220 V)和直流(24 V～48 V)供電兩種模式。本項(xiàng)目使用配套太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)給石墨烯地暖系統(tǒng)供電，完美解決了用戶用電問題，提高采暖舒適度降低采暖能耗。

2.3 建筑智能化系統(tǒng)及智慧園區(qū)管理系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括中央空調(diào)、采暖系統(tǒng)、空調(diào)末端的自動化運(yùn)行。系統(tǒng)采用室內(nèi)二氧化碳濃度與新風(fēng)聯(lián)動的控制方式，當(dāng)室內(nèi)二氧化碳濃度高則增大或啟動新風(fēng)送風(fēng)。系統(tǒng)通過全面的自動化運(yùn)行來最大化的降低空調(diào)、采暖能耗，提供更加舒適的人居環(huán)境。

智能照明系統(tǒng)采用基于DALI技術(shù)的智能調(diào)光照明控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)每一盞燈均可獨(dú)立控制，包括開關(guān)、室內(nèi)亮度調(diào)節(jié)，配合室內(nèi)照明傳感器、人體感應(yīng)傳感器可實(shí)現(xiàn)建筑燈光自動化控制，進(jìn)一步降低建筑照明能耗。

傳統(tǒng)智能化系統(tǒng)各個子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，相互之間不通信，存在一定的信息“孤島”，智能化集成系統(tǒng)是將不同功能的建筑智能化系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的信息平臺實(shí)現(xiàn)集成，以形成具體信息匯集、資源共享及優(yōu)化管理等綜合功能的系統(tǒng)。本項(xiàng)目的智能化集成系統(tǒng)將建筑內(nèi)的各個子系統(tǒng)集成到一個平臺，對各系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。降低建筑運(yùn)維的人力投入，提高系統(tǒng)的智能化程度。

2.4 勁性大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計

展廳空間主跨度達(dá)到34.5 m，實(shí)現(xiàn)展館展示區(qū)域無柱空間效果(見圖4)。最終使展廳具備了最大限度的布展靈活性和空間應(yīng)變能力，有效解決了展陳設(shè)計工作開展延后及存在較大不確定性而造成的技術(shù)銜接難題。同時充分考慮與被動房節(jié)能構(gòu)造優(yōu)化相結(jié)合，在充分解決展館大跨度空間需求的同時，從數(shù)量上大幅降低了熱橋的影響，并充分應(yīng)用結(jié)構(gòu)層，進(jìn)行管線綜合布設(shè)，有效增強(qiáng)了展館內(nèi)部空間的序化效果。最終使展廳具備了最大限度的靈活性和應(yīng)變能力，也有效的解決了展陳設(shè)計工作開展延后和存在較大不確定性而造成的技術(shù)銜接難題。勁性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在解決大跨度空間的同時，減少了主體結(jié)構(gòu)中熱橋的面積，極大幅度的降低了熱橋?qū)ㄖ芎牡挠绊憽?/p>

2.5 被動式智能調(diào)光門窗幕墻

超低能耗智能調(diào)光門窗幕墻，用被動式門窗幕墻的設(shè)計理念和原則，實(shí)現(xiàn)整體采光部分的傳熱系數(shù)小于1.2 W/(m2· K)，玻璃采用雙Low-E暖邊鋼化雙中空充氬玻璃，內(nèi)貼調(diào)光膜。電致智能液晶調(diào)光膜不改變原有玻璃通透性，白天滿足采光要求，也可根據(jù)建筑使用需求通低功率電流自由實(shí)現(xiàn)玻璃透明或者霧化狀態(tài)，調(diào)節(jié)室內(nèi)光線，并有效阻隔紫外線、紅外線。對于展陳項(xiàng)目，還可以加上一臺或多臺激光投影機(jī)將普通玻璃幕墻變?yōu)槎嗝襟w玻璃幕墻。實(shí)現(xiàn)幕墻的智能化和低能耗要求。

2.6 新風(fēng)系統(tǒng)及空調(diào)設(shè)計

新風(fēng)熱回收裝置采用全熱回收，全熱型全熱交換效率不小于70%，顯熱型顯熱交換效率不小于75%。單位風(fēng)量耗功率符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50189公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。新風(fēng)由地下風(fēng)道進(jìn)行預(yù)熱、預(yù)冷，根據(jù)新風(fēng)溫度做PID調(diào)節(jié)，預(yù)熱(冷)后加防凍裝置，當(dāng)預(yù)熱后溫度低于5 ℃要開啟預(yù)熱盤管的電加熱(電量由光伏發(fā)電提供)，以防止新風(fēng)機(jī)組內(nèi)板式換熱器凍結(jié)。新風(fēng)熱回收系統(tǒng)空氣凈化裝置對不小于0.5 μm細(xì)顆粒物的一次通過計數(shù)效率宜高于80%，且不應(yīng)低于60%。新風(fēng)熱回收系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置低阻高效的空氣凈化裝置，過濾等級不低于G4+F7，并具有提示更換功能。

建筑的輔助冷熱源選用可再生能源，本項(xiàng)目選用低溫型空氣源熱泵，低環(huán)境溫度名義工況下的性能系數(shù) COP≥2.0。供暖、供冷系統(tǒng)設(shè)計選用能效等級為一級的產(chǎn)品，冷熱源、空調(diào)系統(tǒng)末端、通風(fēng)機(jī)等用能設(shè)備應(yīng)優(yōu)先采用變頻控制的節(jié)能控制措施。展廳等大空間采用轉(zhuǎn)輪式空氣熱回收組合式空調(diào)機(jī)組，空調(diào)設(shè)備均分層布置于各層空調(diào)機(jī)房內(nèi)。辦公、配套等采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)熱回收系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)冬夏兩用，夏季供冷，冬季供熱。1層大廳設(shè)置低溫?zé)崴匕遢椛涔嵯到y(tǒng)，冬季輔助供熱。冷熱源系統(tǒng)：空調(diào)熱源由3層屋面超低溫空氣源熱泵機(jī)組提供熱水，并在地下1層預(yù)留供熱機(jī)房作為備用熱源，由市政熱源提供 75 ℃/50 ℃熱水；空調(diào)冷源由地下1層制冷機(jī)房磁懸浮離心式冷水機(jī)組提供,并配置一臺超低噪聲橫流式冷卻塔，設(shè)于2層屋面。

2.7 全過程全專業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用

設(shè)計階段全專業(yè)利用 BIM 技術(shù)進(jìn)行協(xié)同化設(shè)計，加強(qiáng)各專業(yè)協(xié)同工作，提高設(shè)計質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計。具體應(yīng)用如下：

三維可視化：通過三維模型可直觀的向使用方及施工單位展示設(shè)計成果；用過管線綜合、碰撞檢查實(shí)現(xiàn)多專業(yè)設(shè)計協(xié)同，減少設(shè)計錯誤。

設(shè)計完成后導(dǎo)出的BIM模型可以進(jìn)行節(jié)能分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)計上下游貫通，無需再重新建立模型，節(jié)約大量時間；通過BIM模型，模擬建筑的聲學(xué)、光學(xué)，建筑物的能耗、舒適度，進(jìn)而優(yōu)化其物理性能。

模型也可以進(jìn)行各類模擬、工程量統(tǒng)計、VR 應(yīng)用、效果展示、空間體驗(yàn)，通過BIM 精細(xì)化設(shè)計，避免工作的重復(fù)，打通設(shè)計全過程，大大提高工作效率和設(shè)計質(zhì)量。

施工階段可通過 BIM 技術(shù)的全息性模擬指導(dǎo)，突出對施工過程中人機(jī)料法環(huán)的控制，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理精細(xì)化。

3 成果與意義

項(xiàng)目采用Design Builder軟件對能源館建筑進(jìn)行能耗模擬評價，能耗模擬計算采用山西省大同市典型氣象年逐時氣象參數(shù)，通過對設(shè)計建筑和基準(zhǔn)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、房間人員、設(shè)備、照明的內(nèi)熱設(shè)置及作息參數(shù)和供暖、空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)模擬耦合計算，得到設(shè)計建筑與基準(zhǔn)建筑的能耗綜合值的各類分項(xiàng)能源消耗(如表2，表3所示)和建筑能效指標(biāo)(見表4)。

表2 設(shè)計建筑的建筑能耗綜合值的各項(xiàng)分項(xiàng)能源消耗

表3 基準(zhǔn)建筑的建筑能耗綜合值的各項(xiàng)分項(xiàng)能源消耗

表4 設(shè)計建筑與基準(zhǔn)建筑的能效指標(biāo)

通過技術(shù)的集成運(yùn)用，本項(xiàng)目在建筑綠色節(jié)能設(shè)計方面突出體現(xiàn)了如下先進(jìn)性和創(chuàng)新性。

1)是國內(nèi)第一個以“超低能耗”“綠建三星”“LEED 金級”及“健康建筑”四個認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為總體設(shè)計目標(biāo)的高性能建筑；2)國內(nèi)首例實(shí)現(xiàn)“近零能耗建筑”目標(biāo)的大型展館類公共建筑，面積達(dá)2.9萬m2，層高7 m，大空間大尺度，無參考案例，需采用創(chuàng)新技術(shù)，反復(fù)對比實(shí)驗(yàn)論證來實(shí)現(xiàn)“近零”甚至“凈零”目標(biāo)；3)先進(jìn)的建筑光伏一體化組件系統(tǒng)，立面光伏構(gòu)件采用最新的釉面工藝實(shí)現(xiàn)啞光銀白色仿鋁板的建筑效果，基于半片疊瓦技術(shù)的高效晶體硅光伏雙玻組件應(yīng)用于建筑屋面(轉(zhuǎn)換效率>20%)，裝機(jī)功率和發(fā)電量占整個光伏系統(tǒng)的 93%。助力建筑基本實(shí)現(xiàn)零能耗目標(biāo)；4)勁性大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計，室內(nèi)實(shí)現(xiàn)“無柱設(shè)計”，減少熱橋，屬于將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與被動式設(shè)計相結(jié)合的設(shè)計思路創(chuàng)新；5)全國最大的建筑全直流應(yīng)用項(xiàng)目，為建筑直流技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供安全性、標(biāo)準(zhǔn)化的指導(dǎo)示范作用；6)光伏直驅(qū)變頻離心機(jī)技術(shù)，項(xiàng)目使用了“全球首創(chuàng)”的光伏離心機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了光伏直驅(qū)變頻離心機(jī)技術(shù)、三元換流技術(shù)、動態(tài)負(fù)載跟蹤MPPT技術(shù)、基于PAWM交錯調(diào)制控制技術(shù)、能源管理系統(tǒng)五大核心技術(shù)，比常規(guī)光伏空調(diào)用電效率提高 6%～8%；7)首次將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流電給石墨烯地暖系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)舒適度和能耗的雙向指標(biāo)優(yōu)化；8)國內(nèi)首例建筑智能化集成示范。實(shí)現(xiàn)了共享辦公云系統(tǒng)、綜合能源管控中心，機(jī)器人停車、物聯(lián)網(wǎng)感知體系、能耗監(jiān)測、BIM+GIS公共服務(wù)平臺等多重示范。

4 結(jié)語

通過(山西大同)未來能源館近零能耗示范建筑，詳細(xì)的分析了近零能耗建筑中系統(tǒng)集成的必要性。文章首先詳細(xì)描述了該近零能耗建筑的技術(shù)特點(diǎn)，包括高效建筑光伏一體化技術(shù)、交直流混合的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)、建筑智能化系統(tǒng)及智慧園區(qū)管理系統(tǒng)、勁性大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計、被動式智能調(diào)光門窗幕墻、全過程全專業(yè)全周期的BIM技術(shù)應(yīng)用。結(jié)合以上技術(shù)運(yùn)用，對項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)的計算和數(shù)據(jù)分析，得出該項(xiàng)目設(shè)計實(shí)現(xiàn)了近零能耗建筑的結(jié)論。項(xiàng)目落成昭示著山西能源革命的歷程進(jìn)入新紀(jì)元，其規(guī)劃設(shè)計理念和技術(shù)創(chuàng)新成果的前沿性和探索性，將持續(xù)發(fā)揮宣傳示范效應(yīng)，展館主題鮮明，新穎獨(dú)特的形象也為城市增添了一道亮麗的風(fēng)景，同時其在近零能耗建筑技術(shù)的集成應(yīng)用為我國近零能耗公共建筑的發(fā)展起著重要的啟程作用。