近零能耗公共建筑設(shè)計中的一些體會
——以山西綜改區(qū)“新源智慧建設(shè)運(yùn)行總部A座”為例

翟帥奇

（山西省建筑設(shè)計研究院有限公司，山西太原 030013）

0 引言

近零能耗建筑是通過被動式設(shè)計，通過加強(qiáng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，并利用可再生能源，以及先進(jìn)的能源回收技術(shù)來實(shí)現(xiàn)最少化的建筑產(chǎn)能。在現(xiàn)有建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)上通過節(jié)能設(shè)計和高效運(yùn)行，使建筑室內(nèi)環(huán)境舒適，能耗強(qiáng)度大幅度降低。夏熱冬暖和夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能75%以上，公共建筑節(jié)能60%以上，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)建筑不再需要傳統(tǒng)的供熱方式，居住建筑建筑節(jié)能60%以上，公共建筑節(jié)能70%以上，是未來建筑節(jié)能減排的重要途徑。

1 項目概況

山西綜改示范區(qū)，由山西省省會太原市和晉商故里晉中市等8個國家級、省級產(chǎn)學(xué)研院區(qū)組建而成，并向南向北擴(kuò)展，規(guī)劃面積600km2，是省委、省政府落實(shí)習(xí)近平總書記賦予山西“建設(shè)國家資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗區(qū)”這一重大歷史使命做出的戰(zhàn)略決策，擔(dān)負(fù)著為山西加快轉(zhuǎn)型升級、創(chuàng)新驅(qū)動、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高速發(fā)展探路領(lǐng)跑的重大任務(wù)，是山西深化轉(zhuǎn)型綜改的主戰(zhàn)場、主引擎。

新源智慧建設(shè)總部A座項目位于山西省太原市山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)瀟河產(chǎn)業(yè)園區(qū)太原起步區(qū)核心區(qū)，為“五大中心”核心區(qū)，建設(shè)用地定位為藝術(shù)商業(yè)街區(qū)，南側(cè)及北側(cè)均為商業(yè)地塊，以城市風(fēng)貌為主要界面。西側(cè)為城市綠色生態(tài)帶以步行體系為主。東側(cè)為城市真武東路?？偨ㄖ娣e14353m2，其中地上建筑面積13080m2，地下建筑面積1273m2。坐北朝南，寬約72.5m，長43.0m，地上5層，地下2層。地下一層為設(shè)備用房、職工餐廳、車庫，地上一層為陳列室、大堂、接待室、消控值班室等，地上二層為多功能廳、附屬管理用房等，地上3～5層為工程管理用房。所有房間均考慮中央空調(diào)，夏季制冷，冬季采暖，冷熱源為地源熱泵。近零能耗區(qū)域主要為地上區(qū)域。

2 項目簡介

本工程為山西省首例近零能耗建筑，近零能耗建筑在建筑布局、朝向、體形系數(shù)等方面均體現(xiàn)節(jié)能理念和特點(diǎn)，注重與氣候的適應(yīng)性。使用保溫隔熱性能更高的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，無熱橋的設(shè)計與施工等技術(shù)，提高建筑整體氣密性，降低供暖需求。使用活動外遮陽、自然通風(fēng)等技術(shù)，降低建筑在過渡季和供冷季的供冷需求。建筑的暖通空調(diào)、照明和電氣系統(tǒng)優(yōu)先使用能效等級更高的系統(tǒng)和設(shè)備。通過建筑被動式設(shè)計、主動式高性能能源系統(tǒng)的應(yīng)用，最大幅度減少化石能源消耗[1]。

3 建筑方案設(shè)計

遵循“高定位、精設(shè)計、嚴(yán)施工、智運(yùn)行”的原則，從建筑方案設(shè)計階段，即采用性能化設(shè)計方法，建筑設(shè)計充分考慮周邊環(huán)境，兼顧體形系數(shù)的條件下，采用合理的建筑布局，結(jié)合自然采光、自然通風(fēng)等因素，對建筑內(nèi)中庭環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，使得建筑內(nèi)各功能區(qū)間均能達(dá)到優(yōu)越的舒適性能的同時不增加能耗。

建筑根據(jù)建筑不同方位，采用冬季得熱的技術(shù)措施，最大限度地減少冬季采暖能耗。在東、西、北向采用窗洞，盡可能增加實(shí)墻面積，降低熱量流失的界面；在南向窗戶采用橫向帶形窗戶，盡可能增加太陽得熱；屋頂天窗冬季全部為得熱的界面。

為最大限度提升建筑內(nèi)各區(qū)域的自然環(huán)境舒適度，采用中庭+天窗的結(jié)構(gòu)，在方案設(shè)計階段，建筑遮陽作為必要的節(jié)能措施，充分結(jié)合建筑日照條件確定建筑遮陽和照明的相關(guān)控制策略，優(yōu)化建筑節(jié)能措施[2]。

4 設(shè)計策略

太原市屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，日照充足，太陽能資源豐富。夏季相比同緯度之華北平原地區(qū)較為涼爽，很少出現(xiàn)高溫天氣，晝夜溫差大。冬季較為寒冷。全年大部分時間濕度適宜。

根據(jù)氣候特點(diǎn)分析，總結(jié)適宜當(dāng)?shù)貧夂虻慕隳芎慕ㄖ?jié)能策略如下。

（1）冬季寒冷且采暖，因此外保溫、門窗保溫性能及新風(fēng)熱回收對于節(jié)能非常重要。

（2）冬季南向太陽得熱最多，建筑應(yīng)采取正南北向布局，并在南向盡可能開大窗。

（3）北向冬季太陽得熱少，且朝向主季風(fēng)風(fēng)向，容易散失熱量，應(yīng)盡可能減小開窗面積。

（4）夏季較為涼爽，晝夜溫差大，且濕度適宜，因此在夏季及過渡季應(yīng)盡可能更多的利用自然通風(fēng)降溫，設(shè)置中庭利用煙囪效應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)效果。

（5）增加室內(nèi)蓄熱表面，選擇蓄熱能力強(qiáng)的材料作為室內(nèi)裝飾材料（如石材），高蓄熱能力的材料可以在白天吸收室內(nèi)多余的熱量并在夜晚溫度低的時候釋放出來，平衡室內(nèi)晝夜負(fù)荷差異。

（6）夏季主導(dǎo)季風(fēng)為南風(fēng)，綠色庭院與中庭形成通風(fēng)廊道，引導(dǎo)夏季季風(fēng)穿過建筑的中庭帶走室內(nèi)多余的熱量，起到夏季被動降溫的作用。

（7）中庭上空的太陽能光伏板收集太陽能發(fā)電，夏季太陽高度角較高的時候反射部分太陽光線以減少進(jìn)入建筑內(nèi)部的熱能[3]。

5 項目關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

5.1 新型外墻保溫系統(tǒng)

外墻采用新型裝配式高效保溫墻體，外墻保溫一體化設(shè)計使用150mm厚ALC墻板+210mm厚發(fā)泡聚氨酯+預(yù)制鋼筋混凝土復(fù)合墻板（46mm厚擠塑板+50mm厚勁性混凝土保護(hù)層），傳熱系數(shù)為0.14。屋面設(shè)350mm厚擠塑板保溫層，傳熱系數(shù)為0.1。地下室頂板設(shè)200mm厚巖棉保溫層，傳熱系數(shù)為0.22。

5.2 外門窗及幕墻構(gòu)造體系

外門均采用被動式門窗。其中外窗、玻璃幕墻均采用德國被動房研究所（PHI）認(rèn)證產(chǎn)品。

外窗采用玻纖增強(qiáng)聚氨酯窗6Low-E+18Ar暖+6+18Ar暖+6Low-E（全鋼）三玻兩腔鋼化中空玻璃，傳熱系數(shù)為0.91。玻璃幕墻采用隔熱鋁合金玻璃幕墻6雙銀Low-E+18Ar暖+6+18Ar暖+6Low-E（全鋼）三玻兩腔鋼化中空玻璃，傳熱系數(shù)為0.88。

屋頂天窗采用隔熱鋁合金玻璃幕墻6雙銀Low-E+18Ar暖+6+18Ar暖+6Low-E+1.52PVB+6四玻兩腔鋼化中空夾膠玻璃，傳熱系數(shù)為0.88。

5.3 連續(xù)氣密層設(shè)計

近零能耗控制區(qū)域采用連續(xù)氣密層體系，建筑墻體和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)滿鋪氣密膜，建筑整體氣密控制目標(biāo)為室內(nèi)外50Pa壓差下，建筑換氣次數(shù)為0.6次/h。外側(cè)鋪設(shè)防水透汽膜，防止室外水汽滲入。建筑氣密性小于1.0，保證外墻保溫性能，保證隔音效果，防止結(jié)露產(chǎn)生的建筑損壞，降低通風(fēng)熱損失[4]。

5.4 高性能遮陽體系

本建筑設(shè)有多種建筑遮陽裝置，遮陽裝置在不影響采光和自然通風(fēng)的情況下，最大限度地減少了太陽輻射，降低了夏季空調(diào)能耗。在東、西向窗洞外側(cè)設(shè)置升降百葉可調(diào)節(jié)外遮陽卷簾，結(jié)合立面設(shè)計在南、東、西向窗戶外側(cè)設(shè)置了固定水平遮陽百葉；屋頂天窗內(nèi)側(cè)設(shè)置電動可調(diào)節(jié)內(nèi)遮陽百葉。

5.5 斷熱橋處理

熱橋是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)中傳熱能力較強(qiáng)，熱流比較密集，能量損失明顯高于附近區(qū)域的部位。幕墻龍骨與主體連接處采用隔熱墊塊斷熱橋構(gòu)造。窗戶與墻體連接部位采用隔熱墊塊斷熱橋構(gòu)造。設(shè)備管道穿墻部位和電線穿墻采用局部巖棉保溫封堵，實(shí)現(xiàn)斷熱橋處理。外圍護(hù)墻板、外遮陽以及外飾面板采用斷熱橋錨固件與主體連接，同時結(jié)合聚氨酯發(fā)泡層，實(shí)現(xiàn)斷熱橋安裝。女兒墻、地下室頂板、外挑構(gòu)件部位均采用斷橋錨栓固定保溫材料，實(shí)現(xiàn)斷熱橋安裝。

5.6 自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計

本建筑著重優(yōu)化中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加整體自然通風(fēng)效果。同時考慮充分利用太原地區(qū)當(dāng)?shù)叵募疽归g氣溫和相對濕度較低的自然條件，結(jié)合智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，利用自然通風(fēng)，在過渡季節(jié)或夏季夜間，自動打開采光天窗，熱氣流上行，建筑物內(nèi)形成自然通風(fēng)效應(yīng)。增加了夜間外窗和頂部天窗自動開啟功能，實(shí)現(xiàn)夜間自然通風(fēng)冷卻，降低建筑冷負(fù)荷。

5.7 高效熱回收系統(tǒng)

采用溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)（干式風(fēng)機(jī)盤管+內(nèi)冷式雙冷源新風(fēng)機(jī)），新風(fēng)機(jī)組夏季高溫冷源由高溫冷水機(jī)組提供，對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷；低溫冷源由內(nèi)置壓縮式制冷系統(tǒng)提供，對新風(fēng)進(jìn)行進(jìn)一步冷卻除濕，并利用冷凝余熱對送風(fēng)進(jìn)行再熱，保證送風(fēng)溫度滿足舒適要求。

新風(fēng)系統(tǒng)選用內(nèi)冷式雙冷高效熱回收新風(fēng)機(jī)組，顯熱回收效率不低于75%，全熱回收效率不低于70%。高效的內(nèi)冷式雙冷源熱回收除濕機(jī)組進(jìn)行全熱回收，冬季全熱回收效率不低于70%，夏季全熱回收效率不低于80%。

5.8 屋頂光伏技術(shù)

本項目結(jié)合建筑造型和屋面條件，配置了588m2的屋頂太陽能光伏，可以提供建筑所需電能的3.01%。94kW×4.2h（每天）=394.8kW·h，A座用電量1189kW·h，由可再生能源提供電量比例Re=3.01%。光伏發(fā)電能夠滿足公共區(qū)域照明、室外景觀照明及A座樓體亮化的需求。

5.9 低溫?zé)嵩础⒏邷乩湓磻?yīng)用

采用中深層無干擾地?zé)峒夹g(shù)為本項目提供穩(wěn)定、可靠的供熱熱源，清潔環(huán)保、高效節(jié)能、解決了回灌和冷熱平衡問題，進(jìn)一步降低建筑的一次能源消耗。變頻高溫冷水機(jī)組（16～21℃）的應(yīng)用大幅提高了冷水機(jī)組的COP值，最大限度降低建筑的供冷能耗。

5.10 溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)（新風(fēng)+干式風(fēng)機(jī)盤管）

采用溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)（干式風(fēng)機(jī)盤管+內(nèi)冷式雙冷源新風(fēng)機(jī)），新風(fēng)機(jī)組夏季高溫冷源由高溫冷水機(jī)組提供，對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷；低溫冷源由內(nèi)置壓縮式制冷系統(tǒng)提供，對新風(fēng)進(jìn)行進(jìn)一步冷卻除濕，并利用冷凝余熱對送風(fēng)進(jìn)行再熱，保證送風(fēng)溫度滿足舒適要求。

新風(fēng)系統(tǒng)選用內(nèi)冷式雙冷源高效熱回收新風(fēng)機(jī)組，顯熱回收效率不低于75%，全熱回收效率不低于70%。

干式風(fēng)機(jī)盤管由能源島提供16～21℃高溫?zé)崴袚?dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。盤管回風(fēng)口設(shè)置復(fù)合空氣凈化器，由電子除塵、UVC殺菌、觸媒分解化合物等功能集成，可以分解空氣中多種污染物及病菌。

大幅提高了冷水機(jī)組效率及系統(tǒng)整體節(jié)能率；通過新風(fēng)深度除濕，保證空調(diào)末端干工況運(yùn)行，杜絕室內(nèi)潮濕表面，防止滋生霉菌等微生物，減少“病態(tài)建筑綜合癥”、“軍團(tuán)菌”及各種空調(diào)傳播疾病，有效保證室內(nèi)空氣品質(zhì)；可精準(zhǔn)控制送風(fēng)含濕量，維持室內(nèi)濕度控制要求，適應(yīng)房間熱濕比的變化，濕度控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 濕度控制系統(tǒng)

5.11 直接數(shù)字式集中監(jiān)測控制系統(tǒng)

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測：設(shè)置室內(nèi)溫度、濕度（可計算露點(diǎn)溫度）、窗戶啟閉狀態(tài)、細(xì)顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、人員密度區(qū)二氧化碳濃度監(jiān)測；空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)測：對冷熱源、新風(fēng)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管等運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時能耗及綜合能耗進(jìn)行集中監(jiān)測和控制，保證系統(tǒng)合理運(yùn)行，節(jié)約能源[5]。

5.12 高精度模型節(jié)能分析

本建筑地上部分建筑綜合節(jié)能率比《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）降低61.78%，建筑的本體節(jié)能率達(dá)到45.52%，可再生能源利用率達(dá)到29.86%，建筑氣密性小于1.0，滿足近零能耗公共建筑相關(guān)指標(biāo)要求，建筑節(jié)能率計算結(jié)果如表1所示。

表1 建筑節(jié)能率計算結(jié)果 單位：kW·h/m2a

6 結(jié)語

新源智慧建設(shè)運(yùn)行總部A座在不設(shè)傳統(tǒng)采暖設(shè)施而僅靠太陽能輻射、人體散熱、室內(nèi)燈光、電氣散熱等自然得熱條件下，室內(nèi)冬季溫度能達(dá)到20℃，夏季具有必要的舒適度。實(shí)現(xiàn)恒溫、恒濕、恒靜、恒潔、恒氧的健康環(huán)境；而且在建造和使用過程中最大幅度降低了資源和能源消耗，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益的可持續(xù)發(fā)展。