既有軌道交通樞紐配套建筑近零碳排放實施路徑研究

馮 岑，蒲曉斌，杜永幫，雷保國，尚 策

（深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

隨著城市現(xiàn)代化建設的高速發(fā)展，我國建筑能耗逐年上升，其中2019年我國建筑運行階段能耗10.3 tce，占全國能源消費總量的21.2%[1]。早在“十三五”期間，我國就提出深化低碳城市、低碳園區(qū)和低碳社區(qū)試點，形成一批可復制、可推廣的低碳發(fā)展典型案例，并在此基礎上深化各類低碳試點，實施近零碳排放區(qū)示范工程?！笆奈濉睍r期，我國生態(tài)文明建設進入了以降碳為重點戰(zhàn)略方向、推動減污降碳協(xié)同增效、促進經濟社會發(fā)展全面綠色轉型、實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質量改善由量變到質變的關鍵時期。而近幾年我國軌道交通系統(tǒng)發(fā)展迅速，在大城市綜合交通系統(tǒng)中的主體地位日趨明確；同時，為滿足人們的生活需求，以綜合軌道交通樞紐為核心的周邊配套公共建筑已經成為城市生產生活不可或缺的部分[2]。配套建筑主要為包含酒店、商業(yè)、辦公等多種功能在內的綜合型公共建筑；與一般的公共建筑相比，配套建筑具有人流量大、能源系統(tǒng)復雜、使用時間長等特點，能耗會更高。對于既有配套建筑，需要加以改造才能實現(xiàn)節(jié)能減排，順應國家低碳、零碳政策變化趨勢。

2 研究背景

徐偉[3]等人根據(jù)我國特點分析了適用于我國的被動式近零碳排放建筑技術路線，針對建筑、設備等方面提供了思路。林美鳳[4]以福建漳州某辦公建筑為例，從圍護結構熱工性能優(yōu)化、主動式系統(tǒng)節(jié)能和可再生能源系統(tǒng)設計3個方面，分析夏熱冬暖地區(qū)辦公建筑近零碳排放關鍵技術的應用效果，發(fā)現(xiàn)在屋頂、外墻和外窗的傳熱系數(shù)方面，外墻傳熱系數(shù)對建筑負荷影響最為顯著，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)次之，外窗傳熱系數(shù)的影響極小。丁曉欣[5]等人綜合分析被動式節(jié)能技術、太陽能光-電、光 -熱一體化、輔助熱源應用、提高圍護結構保溫性能等諸項節(jié)能技術在嚴寒地區(qū)的應用效果，給出了適用于嚴寒地區(qū)的近零碳排放途徑。張時聰[6]等人認為近零碳排放辦公建筑的被動式設計已近最優(yōu)，能源系統(tǒng)在運行階段的優(yōu)化調適對提升能效非常重要，并以北京市某近零碳排放建筑為例使用TRNSYS軟件，分析了其負荷特性及復合式可再生能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化。

我國地域廣闊，不同地區(qū)的氣候條件有顯著差異，導致同一節(jié)能措施在不同地區(qū)的適用程度也有差異。例如，在北部地區(qū)應優(yōu)先考慮建筑外墻保溫層，而在南部地區(qū)，外部遮陽和夜間通風措施在夏季尤為重要。因此，為獲得更好的節(jié)能效果，必須檢驗近零碳排放建筑實施路徑的適用性和可行性。本文以深圳市某交通樞紐配套建筑為例，使用EnergyPlus軟件模擬分析圍護結構熱工性能優(yōu)化、可再生能源系統(tǒng)設計和暖通空調系統(tǒng)運行優(yōu)化對建筑能耗的影響，為設計近零碳排放實施路徑提供參考依據(jù)。

3 建筑概況與 EnergyPlus 模型

本文研究對象為深圳市某軌道交通樞紐周邊的多棟配套建筑，建筑相關信息見表1。深圳市位于廣東省中南沿海地區(qū)，屬于夏熱冬暖地區(qū)。

表1 深圳市某交通樞紐配套建筑概況

該綜合軌道交通樞紐建筑面積近10萬m2，由東西廣場及商業(yè)建筑構成，為各類人群出行活動提供便利、快捷的綜合性商業(yè)服務，包括商務辦公、酒店、餐飲。受其建筑體量大、功能空間復雜，和氣候狀況、交通組織、空間特征、人員行為模式等眾多因素影響，該建筑的能耗與碳排放特點與其他類型公共建筑顯著不同；其能耗的構成也較為復雜。由于客流量大、照明等設備密度高，運行時間長，供冷能耗大，單位面積能耗指標高，該建筑全年總耗電量大，約為200～400 kW·h/m2，是普通公共建筑的4～8倍?？照{系統(tǒng)形式主要為風機盤管+新風系統(tǒng)和一次回風系統(tǒng)。為便于分析不同策略對配套建筑冷負荷的影響，本文采用EnergyPlus能耗模擬軟件進行建模分析，車站實景圖與建筑模型如圖1所示。

圖1 深圳市某交通樞紐軌道總體布局與EnergyPlus模型

4 近零碳排放實施路徑及效果分析

為達到近零碳排放的建設目標，需最大化地降低深圳市某軌道交通樞紐配套建筑能耗，提高設備與系統(tǒng)效率，并結合大規(guī)模的可再生能源利用以及碳匯手段，達到“凈零排放”的目標。本文針對配套建筑特點與建設需求，從建筑圍護結構、能源系統(tǒng)等方面展開分析。

4.1 圍護結構熱工性能優(yōu)化

4.1.1 屋面

建筑非透光圍護結構主要包含屋面和外墻。由于其占建筑物圍護結構面積較大，應考慮非透光圍護結構的熱工性能對建筑運行能耗的影響。

根據(jù)GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術標準》（以下簡稱《標準》）[7]中規(guī)定的近零能耗公共建筑的屋面平均傳熱系數(shù)為0.30～0.60 W/（m2·K）；圍護結構各部位傳熱系數(shù)、標準參照參數(shù)與節(jié)能措施如表2所示。配套建筑原始保溫措施為采用30 mm厚擠塑聚苯板隔熱層作為屋頂保溫材料。本研究通過改變保溫材料厚度（從30 mm增加至80 mm，每段增加間隔為10 mm）分析建筑負荷變化。部分結果如圖2所示；隨著屋面平均傳熱系數(shù)減小，所有建筑全年冷負荷均有不同程度降低。其中降幅最低的建筑為B1b，僅有0.47%；最高的為E1，高達2.16%；這是因為B1b地上共5層，而E1僅有2層且建筑面積小，故對屋頂采取措施時效果顯著。

圖2 屋面保溫對建筑冷負荷的影響

4.1.2 外墻

由于深圳所處地區(qū)夏熱冬暖，太陽高度角較大，相較于屋面，外墻的保溫需求較低。根據(jù)《標準》中規(guī)定的近零能耗公共建筑的外墻平均傳熱系數(shù)為0.30～0.80 W/（m2· K）。配套建筑原始保溫措施為采用B06級190 mm厚加氣混凝土作為外墻主體材料，并附加50 mm厚硬質礦棉板作為保溫材料。如表2所示，本文通過改變保溫材料厚度（從50 mm增加至110 mm，每段增加間隔為20 mm）分析建筑負荷的變化。部分結果如圖3所示；隨著保溫材料厚度的增加，外墻傳熱系數(shù)降幅與屋面相比不大，建筑全年冷負荷降幅效果甚微；降幅最大的建筑為B1a僅有0.17%，僅有2.17 MW · h，折合單位建筑面積年總冷負荷僅有0.13 kW · h/m2；這也反映出深圳地區(qū)太陽高度角高導致的通過外墻得熱形成的冷負荷占比較小，制定相關節(jié)能措施時應優(yōu)先考慮屋面。

圖3 外墻保溫對建筑冷負荷的影響

4.1.3 外窗

外窗作為透光圍護結構的主要部分，是連接室內外環(huán)境的重要結構，是對建筑節(jié)能產生重要影響的關鍵要素。外窗的遮陽板、SHGC（太陽熱增益系數(shù)）、WWR（窗墻比）是影響建筑能耗的重要參數(shù)[8]。其中，隨著緯度的減小，采用遮陽裝置的節(jié)能效果更為顯著。外部窗戶造成的能量損失占建筑能量損失的57%～63%，其中傳熱和輻射占23%～27%，滲透占34%～36%。因此，提高外部窗戶的熱性能對于建筑能效至關重要[9]。

《標準》中規(guī)定，近零能耗公共建筑的外窗傳熱系數(shù)K≤2.80W/（m2· K）。因此，本研究通過改變外窗玻璃厚度或空氣間隔改變其傳熱系數(shù)，從3.5 W/（m2· K）降低至2 W/（m2· K），降低間隔為0.3W/（m2· K），模擬得到建筑全年冷熱負荷及能耗變化。部分結果如圖4所示；隨著外窗傳熱系數(shù)減小，建筑空調負荷降幅較大；降幅最大的建筑B1a為1.47%，最小的建筑為C1，僅有0.43%。單位建筑面積年總冷負荷降幅最大的為E1，為9.85 kW · h/m2。本文中關于外窗的模擬結果與林美鳳[4]在同處于夏熱冬暖地區(qū)的漳州辦公建筑結果有所出入；原因在于于本案例中建筑的窗墻面積比較大，通過外窗傳熱形成的冷負荷占比較高；E1汽車客運站有大量的玻璃幕墻，其結果也符合此規(guī)律。

圖4 外窗傳熱系數(shù)對建筑冷負荷的影響

綜合上述模擬結果可以看出，由于深圳市緯度較低，太陽高度角較高，屋面接受的太陽輻射最多，故屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化對建筑能耗的影響最大。同時由于窗墻面積比較大，外窗傳熱形成的冷負荷較大，故其傳熱系數(shù)對建筑冷負荷影響比外墻大。因此對于太陽高度角較高的建筑，在近零碳排放改造中應重點關注對屋面的保溫；對于窗墻面積比較大且通過窗戶傳熱形成的冷負荷占比較高的建筑，應該注重對外窗的保溫。

4.2 暖通空調系統(tǒng)優(yōu)化

空調系統(tǒng)作為公共建筑必不可少的一部分，發(fā)展越來越迅速。傳統(tǒng)制冷空調設備消耗了大量的電能（發(fā)達國家的空調能耗占全年民用能耗的20% ～40%），給能源、電力和環(huán)境帶來了很大壓力。本文中配套建筑的空調系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)年久未啟用；冷水機組、空調機組、空調設定溫度等設備與設定參數(shù)都通過人工調節(jié)；人工調節(jié)包含一定弊端，例如供冷需求較小的時候冷水機組仍然按照平時設定的狀態(tài)運行，導致部分能源的浪費，而這部分能耗可以通過優(yōu)化運行策略減小，進一步減少碳排放。

本文使用EnergyPlus軟件中的能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS） 編 寫 Erl（EnergyPlus Runtime Language）程序，控制冷水機組的啟停，將冷凍水出水溫度分別維持在7.5℃、8℃、8.5℃、9℃，程序示例如圖5所示。

圖5 EMS程序設置（以7.5 ℃為例）

通過模擬得出不同冷凍水出水溫度下的空調系統(tǒng)負荷與下降的百分比，如圖6所示。其中C1、D1、E1三棟建筑的負荷降幅最大，均能達到1.5%；其空調形式主要為集中式空調系統(tǒng)，更易于調節(jié)。另外三棟建筑A1、B1a、B1b主要采用風機盤管加新風系統(tǒng)，降幅僅有0.8%左右。無論何種空調形式，其冷負荷降低速度都隨著冷凍水出水溫度升高而越來越慢，故不宜為了節(jié)能而過度提高出水溫度。若恢復空調自動控制系統(tǒng)，可優(yōu)先考慮從集中式空調機組運行的運行策略入手。

圖6 冷凍水出水溫度對建筑冷負荷的影響

4.3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)產生的電力可用于建筑暖通空調系統(tǒng)、照明及其他電器設備。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是實現(xiàn)近零碳排放智慧綜合交通樞紐建設的主要貢獻力量之一；利用配套建筑屋頂、連廊、建筑立面等空間，進行建筑與光伏一體化設計，規(guī)?；瘧每稍偕茉?，可以減少對常規(guī)能源的需求。

該配套綜合體坐落于深圳市中部，附近高大建筑物很少，光照環(huán)境良好，將光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在建筑樓頂效率最高。另外，此地日照時間長，平均年日照時數(shù)2 120.5 h，太陽年輻射量5 225年MJ/m2，符合光伏投資要求。

本文在配套建筑的A1屋頂、B1屋頂、C1屋頂、D1屋頂、翼廊鋪設光伏組件建設屋頂分布式光伏項目。分布式光伏發(fā)電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)。在屋頂采用支架將組件安裝在四周鋼結構頂部（以最高支架為平面搭建光伏屋頂，頂層屋頂設施具備防風、防雨的基礎功能），不破壞原有屋頂結構；在翼廊，需將其原有玻璃拆除，用防水導軌安裝透光組件。其中E1建筑層高較低，且屋頂面積較小，故暫不設置光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏組件總占地面積約3萬m2，預計裝機容量3 MW。安裝效果圖與EnergyPlus模型圖如圖7所示。EnergyPlus模型中光伏元件的可用太陽能電池表面積分數(shù)為50%，發(fā)電效率（發(fā)電功率/太陽能入射功率）為12%。

圖7 項目整體設計效果圖

通過模擬，得出各棟建筑年發(fā)電量見表3。根據(jù)《標準》[7]，可再生能源利用率REPp應按式（1）計算：

表3 光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量

式（1）中：EPh表示供暖系統(tǒng)中可再生能源利用量，kW · h；EPc表示空調系統(tǒng)中可再生能源利用量，kW · h；EPw表示生活熱水系統(tǒng)中可再生能源利用量，kW · h；fi表示i類型（i表示式中包含的能源類型數(shù)量；此處僅涉及光伏發(fā)電，i=1）能源的能源換算系數(shù)；Er，i表示年本體產生的i類型可再生能源發(fā)電量， kW · h ；Erd，i表 示 年 周 邊 產 生 的i類型可再生能源發(fā)電量，kW · h ；Qh表示供暖年耗熱量，kW · h ；Qc表示供冷年耗冷量，kW · h；Qw表示年生活熱水耗熱量，kW · h；E1表示年照明系統(tǒng)能源消耗，kW · h；Ec表示年電梯系統(tǒng)能源消耗，kW · h。

其中空調系統(tǒng)年耗電量為15 682.46 MW · h，若能充分利用光伏發(fā)電系統(tǒng)，將模擬數(shù)據(jù)代入式（1）得到可再生能源利用率為14.5%，滿足《標準》可再生能源利用率不小于8%的核心指標。

5 結論

以響應國家近零碳排放建筑政策為目標，本文以深圳市某軌道交通樞紐周邊配套建筑為例，利用EnergyPlus建立能耗模型，綜合分析改變屋面、外墻、外窗的傳熱系數(shù)和增加光伏發(fā)電系統(tǒng)等措施對建筑能耗變化的影響，得出結論如下。

（1）本文對于屋面和外墻的改造措施主要為增厚保溫層的厚度；模擬結果顯示屋面改造后建筑全年能耗最大降幅為0.47%～2.16%，單位建筑面積年能耗降低0.47～2.24 kW · h/m2，而外墻改造后的相應數(shù)值僅為0.06%～0.17%，0.04～0.21 kW · h/m2；故對于本案例中配套建筑的非透光圍護結構，改造時應以屋面為主。

（2）對于外窗的改造措施為改變玻璃厚度和空氣隔層的厚度；模擬結果顯示建筑全年能耗最大降幅為0.43%～1.47%，單位建筑面積年能耗降低0.42～9.85 kW · h/m2；故對于窗墻面積比高的建筑，在改造時應重點關注外窗的傳熱系數(shù)。

（3）對于暖通空調系統(tǒng)，本文通過EnergyPlus軟件中的EMS系統(tǒng)控制冷水機組啟停以將冷凍水出水溫度維持在不同的水平；模擬結果顯示相同集中式空調系統(tǒng)節(jié)能率比風機盤管加新風系統(tǒng)高，改造時應該注重集中式空調系統(tǒng)的運行管理。

（4）為充分利用深圳地區(qū)太陽高度角高的自然條件，本文在配套建筑的屋頂設置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)；模擬結果顯示年總發(fā)電量可達2.27 MW · h，若能充分利用這些發(fā)電量，可再生能源利用率可達14.5%，滿足《近零能耗建筑技術標準》可再生能源利用率不小于8%的核心指標。

綜合以上幾方面的考慮，本案例的配套建筑在實施近零碳排放改造時應重點關注屋面和外窗的改造，同時應充分利用豐富的太陽能資源，合理布置光伏發(fā)電系統(tǒng)或光伏光熱系統(tǒng)，進一步降低整棟建筑的能耗。