寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑設(shè)計(jì)方法——以某展館建筑為例

李丹

（山東省人民防空建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250000）

0 引言

建筑節(jié)能對(duì)于緩解全球能源短缺和改善建筑環(huán)境質(zhì)量有起著非常重要的作用，是建筑行業(yè)一個(gè)重要的技術(shù)領(lǐng)域。《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T51350—2019）》的頒布實(shí)施在我國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展的道路上邁出了重要的一步，超低/近零能耗建筑成為建筑節(jié)能發(fā)展新趨勢(shì)。近零能耗建筑的能耗水平較國(guó)家和行業(yè)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)將再降低60%以上，可有效的降低建筑能耗、提高室內(nèi)建筑環(huán)境水平。

1 寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及重點(diǎn)

1.1 寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

近零能耗建筑通過(guò)高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高效采暖空調(diào)設(shè)備的選用、能量及熱量的循環(huán)利用及可再生能源系統(tǒng)的應(yīng)用，大幅度降低建筑能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)電的目標(biāo)，具有低碳排放、低能耗、高舒適度的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

寒冷氣候區(qū)近零能耗建筑設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮冬季取暖，兼顧夏季制冷，因此其設(shè)計(jì)重點(diǎn)：①保證工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性和氣密性，提高熱工性能，同時(shí)應(yīng)兼顧建筑朝向、窗墻比、形體系數(shù)等。例如建筑形體不宜太復(fù)雜，盡可能減少房間的外圍護(hù)面積，盡量減小形體系數(shù)；建筑朝向宜避開冬季主導(dǎo)風(fēng)向，降低熱能滲透損失；②采取可靠適用的可再生能源；③提高暖通空調(diào)系統(tǒng)綜合能效。在此基礎(chǔ)上，配合以節(jié)能工藝、先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)及科學(xué)運(yùn)行管理，從而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的近零能耗。同時(shí)，高性能的保溫材料、被動(dòng)式技術(shù)、高效的用能系統(tǒng)和設(shè)備、可再生能源的利用等節(jié)能措施的選用，使近零能耗建筑的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，如何適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀患皻夂驐l件，選取經(jīng)濟(jì)可靠適用的技術(shù)措施，也是近零能耗公共建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)任務(wù)之一。

2 近零能耗公共建筑設(shè)計(jì)解決方案

2.1 高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用

公共建筑要實(shí)現(xiàn)近零能耗建筑能耗指標(biāo)，首先應(yīng)保證建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能。對(duì)于寒冷氣候區(qū)，冬季的冷風(fēng)風(fēng)速較高，溫度較低，因此必須要強(qiáng)調(diào)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的升級(jí)。增加外墻保溫層厚度可提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能，但保溫層過(guò)厚在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是不合理的，因此應(yīng)選用高性能保溫材料，限制保溫層厚度。另外，對(duì)于寒冷氣候區(qū)建筑外窗玻璃的選取，宜選用遮陽(yáng)系數(shù)較大的外窗。這是由于寒冷地區(qū)采暖能耗大于空調(diào)能耗，外窗玻璃遮陽(yáng)系數(shù)增大使太陽(yáng)輻射得熱量增加，冬季采暖耗熱量降低，全年冷熱源總能耗減小。

以某展館建筑為例，經(jīng)熱工敏感度及性能化設(shè)計(jì)計(jì)算，最終選定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)各熱工參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各熱工參數(shù)指標(biāo)

寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑還應(yīng)保證建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性，包括屋面、墻體、門窗、穿墻管道位置的密閉性。某展館建筑在墻體裝飾面層板材交界處粘貼防水隔汽膜，同時(shí)提高室內(nèi)砂漿刷涂質(zhì)量，防止因墻體不均勻沉降或收縮致使墻體開裂或抹灰層開裂；優(yōu)化設(shè)備管道布置方式，減少穿外墻、屋面管線數(shù)量，并于管道穿越圍護(hù)結(jié)構(gòu)處填充保溫隔熱材料，保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性。

2.2 減小熱橋設(shè)計(jì)

在寒冷氣候區(qū)公共建筑的近零能耗設(shè)計(jì)中，熱橋節(jié)點(diǎn)處理是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)任務(wù)之一，需要充分考慮到熱橋設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。易出現(xiàn)熱橋的部位包括門窗安裝部位、結(jié)構(gòu)外挑構(gòu)件、金屬龍骨部位及管道穿墻部位等。不同的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)形式，熱橋的產(chǎn)生部位不盡相同。

某展館建筑屋面為鋼結(jié)構(gòu)，屋面及外立面表面由石板瓦搭接而成，石板瓦需要金屬龍骨固定，龍骨支架的固定支座會(huì)穿透保溫層形成熱橋。熱橋考慮減弱的前提是確保龍骨受力安全性及其所提供的支撐功能足夠，經(jīng)反復(fù)研究論證，采取了支座中間增加橡膠墊塊進(jìn)行隔斷熱橋的方法。圓形屋面鋼梁上設(shè)壓型鋼板，壓型鋼板上方鋪設(shè)防水隔汽膜，隔汽膜上鋪設(shè)巖棉板保溫，巖棉板上方設(shè)有龍骨及鍍鋅鋼板，鍍鋅鋼板上噴涂聚脲防水。由于聚脲防水不具備透氣性，屋面在最高處設(shè)計(jì)了通氣孔，便于保溫內(nèi)部水蒸氣排出室外。

2.3 排風(fēng)熱回收技術(shù)

排風(fēng)熱回收技術(shù)是一項(xiàng)常用的建筑節(jié)能措施，節(jié)能效果突出且技術(shù)較為成熟。排風(fēng)熱回收技術(shù)通過(guò)排風(fēng)對(duì)新風(fēng)的加熱或冷卻，對(duì)室內(nèi)人員、設(shè)備生成的能量熱量循環(huán)利用，有效減少能量損失，回收熱效率不低于60%。室外的新鮮空氣經(jīng)過(guò)濾及能量交換后引入室內(nèi)，可在不需開窗的情況下保證室內(nèi)空氣新風(fēng)量，新風(fēng)負(fù)荷及冷風(fēng)透入量較小。送入室內(nèi)的空氣經(jīng)過(guò)熱交換機(jī)，同經(jīng)過(guò)熱交換器的排風(fēng)氣流發(fā)生能量和熱量的交換，送入室內(nèi)的新風(fēng)溫度與室內(nèi)溫度差額不大，具有耗電量低、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、體感舒適的優(yōu)點(diǎn)。排風(fēng)熱回收技術(shù)包括全熱回收及顯熱回收，對(duì)于寒冷氣候地區(qū)，濕度相對(duì)較小，潛熱較小，采用顯熱回收裝置經(jīng)濟(jì)更為合理。

2.4 可再生能源利用

可再生能源的利用是近零能耗建筑設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，通過(guò)太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用、太陽(yáng)能光熱建筑應(yīng)用、地源熱泵技術(shù)應(yīng)用、生物質(zhì)能應(yīng)用、風(fēng)能及其他可再生能源的應(yīng)用，解決建筑的采暖空調(diào)、熱水供應(yīng)、照明等能源消耗。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)地域氣候特征選取合適的可再生能源技術(shù)。

某寒冷氣候區(qū)展館建筑利用太陽(yáng)能-地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行，結(jié)合兩種能源，互相彌補(bǔ)各自不足，提高資源利用率。

地埋管地源熱泵系統(tǒng)將地埋管換熱器埋在地下，以土壤作為釋熱和吸熱對(duì)象，傳熱介質(zhì)在管內(nèi)循環(huán)，通過(guò)豎直或水平地埋管換熱器與巖土體進(jìn)行熱交換的地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)冷、熱模式的轉(zhuǎn)變通過(guò)連接在機(jī)組外部的循環(huán)水路在機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器之間的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于寒冷氣候區(qū)冬季吸熱量大于夏季放熱量，若單獨(dú)采用地源熱泵系統(tǒng)，由于全年吸熱量與排熱量不平衡，長(zhǎng)期運(yùn)行將會(huì)導(dǎo)致土壤溫度逐年降低，熱泵運(yùn)行效率降低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)使用目標(biāo)。

因此，為了保障地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率，解決冬季吸熱量與夏季放熱量不平衡的問題，可采用地源熱泵系統(tǒng)與太陽(yáng)能系聯(lián)合運(yùn)行的方式。以太陽(yáng)能作為空調(diào)采暖系統(tǒng)的輔助熱源，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能，供給建筑物熱水及冬季采暖系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱及蓄熱系統(tǒng)、末端分配系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)集熱系統(tǒng)收集太陽(yáng)輻射能，通過(guò)建筑構(gòu)件各種蓄熱系統(tǒng)將熱能儲(chǔ)存起來(lái)，最終通過(guò)分配系統(tǒng)將熱能送入各個(gè)末端，實(shí)現(xiàn)使用功能，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)原理

3 結(jié)語(yǔ)

寒冷氣候區(qū)近零能耗建筑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮技術(shù)的有效性、普及性、適用性、經(jīng)濟(jì)性等方面，通過(guò)被動(dòng)式設(shè)計(jì)降低能耗負(fù)荷，通過(guò)采用高性能建筑材料、高能效的暖通空調(diào)系統(tǒng)及可再生能源，通過(guò)科學(xué)的監(jiān)控及運(yùn)行控制為近零能耗的實(shí)現(xiàn)提供保障。隨著建筑節(jié)能技術(shù)的不斷進(jìn)步和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，還有更多高效環(huán)保的節(jié)能技術(shù)有待應(yīng)用，被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)、智能監(jiān)測(cè)及自控系統(tǒng)還有很大提升空間，近零能耗建筑作為一項(xiàng)新生事物，技術(shù)難度及造價(jià)是影響其廣泛推廣普及的重要因素，應(yīng)作為今后研究發(fā)展的重要方向。