淺談近零能耗建筑技術(shù)應(yīng)用
——以山西新源智慧建設(shè)運行總部A座為例

李靖

(山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計咨詢有限公司，山西 太原 030001)

著眼世界，積極推行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略得到了全球高度重視，尤其是在當(dāng)前極端天氣不斷增多以及氣候變化日益惡劣的背景下，越來越多的國家積極關(guān)注低能耗發(fā)展，制定了相關(guān)政策和標準，尤其是建筑行業(yè)，更是著眼于低能耗進行了充分研究，由此形成了超低能耗建筑、被動房、近零能耗建筑等。

我國的建筑節(jié)能起始于20世紀80年代。1986年中國實施第一個建筑節(jié)能標準《民用建筑節(jié)能設(shè)計標準》開啟了我國建筑節(jié)能新階段。現(xiàn)階段，我國發(fā)展速度不斷加快，尤其是伴隨著工業(yè)化以及城鎮(zhèn)化的發(fā)展，能耗正處于不斷升高的階段，應(yīng)該引起高度關(guān)注。黨中央以及習(xí)近平總書記多次強調(diào)要爭取早日實現(xiàn)碳達峰和碳中和，逐步解決當(dāng)前存在的能耗損失問題。從建筑行業(yè)來看，為了迎合碳達峰以及碳中和需求，積極推廣近零能耗建筑成為重要手段，也是未來發(fā)展的趨勢。

“零能耗建筑”一詞，最早出現(xiàn)在20世紀70年代，由丹麥技術(shù)大學(xué)Torben V. Esbensen 等人提出，他們針對住宅進行研究，探討如何借助于太陽能實現(xiàn)冬季供暖，以求降低建筑能耗。我國《近零能耗建筑技術(shù)標準》GB/T 51350—2019的出臺，作為全球本領(lǐng)域首部以國家標準形式出臺的技術(shù)標準，界定我國超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑等相關(guān)概念，引領(lǐng)未來2025～2050年我國建筑節(jié)能發(fā)展，也是促進我國節(jié)能減排、綠色發(fā)展，實現(xiàn)碳中和的重要手段之一[1]。

本文以山西新源智慧建設(shè)運行總部A座為例，對該建筑實現(xiàn)近零能耗設(shè)計難點進行分析，介紹了該項目的能耗在常規(guī)節(jié)能建筑的基礎(chǔ)上進一步降低61.78%，節(jié)能水平達到86%以上，通過采用光伏發(fā)電、地?zé)峒夹g(shù)，本項目可再生能源利用率達到29.86%，達到了近零能耗建筑標準。

1 項目概況

山西新源智慧建設(shè)運行總部A座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)(圖1所示)，太原屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫9.5℃，無霜期平均202d，年均降水量456mm。該項目規(guī)劃用地面積為24 323.56m2，地塊方正。建設(shè)用地東側(cè)為真武東路，規(guī)劃紅線寬度34m；北側(cè)為24m規(guī)劃路；西側(cè)毗鄰30m綠化帶；南側(cè)為30m規(guī)劃道路。該項目地上五層，地下兩層，總建筑面積14 353m2。其中地上建筑面積13 080m2，地下建筑面積1 273m2；地下二層為汽車庫，地下一層主要功能為廚房及餐廳，層高6.2m，地上一層主要功能為大堂、陳列廳、管理及消防監(jiān)控室，層高6.3m，地上二層主要功能為陳列廳及管理用房，層高5.4m，地上三、四、五層主要功能為管理用房，地上三、四層層高4.2m，五層層高4.8m。

圖1 山西新源智慧建設(shè)運行總部A效果圖(虛線內(nèi))

本工程融入了被動優(yōu)先的設(shè)計理念，采用近零能耗建筑技術(shù)，降低了建筑的能耗。智慧建設(shè)運行總部A座的能耗在常規(guī)節(jié)能建筑的基礎(chǔ)上進一步降低61.78%，節(jié)能水平達到86%以上，通過采用光伏發(fā)電、地?zé)峒夹g(shù)，本項目可再生能源利用率達到29.86%，遠大于國家標準(10%)。達到了近零能耗建筑標準。

2 山西新源智慧建設(shè)運行總部A座近零能耗主要指標

2.1 被動式設(shè)計

項目規(guī)劃設(shè)計時，設(shè)計人員需要綜合考慮到項目所處區(qū)域的各方面基本狀況，尤其是對于場地狀況以及其后狀況，均需要進行綜合考慮，以便有目的地探討如何降低能耗來維系建筑工程項目應(yīng)有功能發(fā)揮。比如針對建筑工程項目的朝向、布局以及結(jié)構(gòu)等，均需要進行優(yōu)化設(shè)計，以便實現(xiàn)不必要能耗的控制。針對建筑工程項目設(shè)置恰當(dāng)?shù)膰o結(jié)構(gòu)，以便促使其具備理想保溫隔熱性能的基礎(chǔ)上，還能夠達到其它功能，比如建筑保溫外墻、節(jié)能門窗、幕墻(玻璃幕墻均采用德國PHI認證產(chǎn)品)等，均可以在有效提升建筑整體空間其密度的基礎(chǔ)上，降低建筑供暖環(huán)節(jié)出現(xiàn)的能耗損失問題。此外，自然通風(fēng)、遮陽以及夜間免費制冷等，也可以在建筑工程項目中協(xié)調(diào)運用，以滿足降耗要求。

2.2 能源系統(tǒng)和設(shè)備效率提升

智慧建設(shè)運行總部A座優(yōu)先使用能效等級更高的系統(tǒng)和設(shè)備。

2.3 使用可再生能源對建筑能耗進行平衡和替代

充分挖掘建筑本體、周邊區(qū)域的可再生能源應(yīng)用潛力，對能耗進行平衡和替代。

3 山西新源智慧建設(shè)運行總部A座近零能耗技術(shù)策略

3.1 高性能外維護結(jié)構(gòu)

太原地區(qū)常見公共建筑外保溫厚度只有100mm左右，近零能耗建筑則需要有良好的維護結(jié)構(gòu)。本工程采用裝配式超低能耗外墻系統(tǒng)，新源智慧建設(shè)運行總部A座外圍護墻采用了裝配式超低能耗外墻系統(tǒng)，此系統(tǒng)為國內(nèi)首創(chuàng)，由裝配式鋼混外墻板作為外頁板、ALC輕質(zhì)墻板作為內(nèi)頁板，中間留出中空層以現(xiàn)場發(fā)泡聚氨酯填充密實，傳熱系數(shù)達到0.20W/(m2·K)，保證了良好的氣密性，同時滿足防火、安全、耐久要求。外墻做法為：①鋁板幕墻；②幕墻配套龍骨；③50mm的勁性混凝士保護層；④46mm擠塑板 (B1級)；⑤210mm南向260mm)發(fā)泡聚氨醋(B1級)；⑥150mmALC墻板；⑦內(nèi)裝修做法。高性能圍護結(jié)構(gòu)可以有效降低建筑工程項目能耗損失，同時還可以在采光、通風(fēng)方面發(fā)揮出積極作用，由此更好優(yōu)化建筑工程項目應(yīng)用效果。

山西新源智慧建設(shè)運行總部A座根，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。

3.2 外遮陽優(yōu)化設(shè)計

本建筑設(shè)計除固定遮陽外，為了避免夏季得熱過多并對外窗通光量有所控制，東西南三向外窗采用活動外遮陽百葉，太陽能透射系數(shù)10%。采用橫向的外百葉遮陽，可以自由調(diào)節(jié)通光量，兼顧遮陽、視線與照明；屋頂天窗內(nèi)側(cè)設(shè)置電動可調(diào)節(jié)內(nèi)遮陽百葉。無外遮陽情況下室內(nèi)超溫概率達17%，有外遮陽情況下室內(nèi)超溫概率僅為6%。

3.3 自然通風(fēng)

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，迎風(fēng)面大部分區(qū)域以玻璃幕墻為主，設(shè)置部分幕墻開啟扇并保證其氣密性；背風(fēng)面以玻璃幕墻為主，設(shè)置部分開啟扇；頂部設(shè)有中庭，四周為幕墻，利于形成良好視野和通風(fēng)。迎風(fēng)面設(shè)置上懸下開窗，背風(fēng)面設(shè)置下懸上開窗，有利于形成穿堂風(fēng)。同時結(jié)合智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，增加夜間外窗和頂部天窗自動開啟功能，實現(xiàn)夜間自然通風(fēng)冷卻，降低建筑冷負荷(圖2所示)。

圖2 自然通風(fēng)優(yōu)化分析

3.4 良好的氣密性措施

本工程在近零能耗控制區(qū)域采用連續(xù)氣密層體系(圖3所示)，建筑墻體和關(guān)鍵節(jié)點滿鋪氣密膜，建筑整體氣密控制目標為室內(nèi)外50Pa壓差下，建筑換氣次數(shù)為0.6次/h。主要采取的措施：1)裝配式外圍護墻體氣密層設(shè)計；2)門窗洞口、玻璃幕墻及雨棚氣密性設(shè)計；3)穿墻管線部位的處理。

圖3 連續(xù)氣密層(粗線內(nèi))

3.5 防熱橋設(shè)計及施工

本項目對圍護結(jié)構(gòu)中的熱橋部位進行表面結(jié)露驗算，并采取保溫措施，確保熱橋內(nèi)表面溫度高于房間空氣露點溫度。玻璃幕墻采用有斷熱構(gòu)造的玻璃幕墻系統(tǒng)，非透光的玻璃幕墻部分、金屬幕墻、石材幕墻和其他人造板材幕墻等幕墻面板背后采用高效保溫材料保溫。幕墻與圍護結(jié)構(gòu)平壁間(除結(jié)構(gòu)連接部位外)不形成熱橋，并對跨越室內(nèi)外的金屬構(gòu)件或連接部位采取隔斷熱橋措施。外圍護墻板、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，實現(xiàn)斷熱橋安裝[2]。

3.6 高效熱回收的新風(fēng)系統(tǒng)

項目采用溫濕度獨立控制系統(tǒng)(干式風(fēng)機盤管+內(nèi)冷式雙冷源新風(fēng)機)，新風(fēng)機組夏季高溫冷源由高溫冷水機組提供，對新風(fēng)進行預(yù)冷；低溫冷源由內(nèi)置壓縮式制冷系統(tǒng)提供，對新風(fēng)進行進一步冷卻除濕，并利用冷凝余熱對送風(fēng)進行再熱，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)機盤管由能源島提供16/21℃高溫?zé)崴袚?dān)室內(nèi)顯熱負荷。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。

3.7 可再生能源利用—光儲直柔+地源熱泵

“光儲直柔”即光伏發(fā)電、儲能、直流、柔性應(yīng)用，它不僅是一項技術(shù)的變革，也是認知和理念的變革。此技術(shù)的應(yīng)用最低可使建筑用電節(jié)約10%左右交直流轉(zhuǎn)換損失。山西新源智慧建設(shè)運行總部A座結(jié)合建筑造型和屋面條件，采用光伏直流微網(wǎng)系統(tǒng)對樓座照明系統(tǒng)供電，光伏直流微網(wǎng)系統(tǒng)包括，光伏系統(tǒng)、備用供電系統(tǒng)、EMS能量管理系統(tǒng)。配置了588m2的屋頂太陽能光伏，光伏發(fā)電方陣由482塊光伏板和5臺匯流箱組成，每日發(fā)電量約為330kW·h，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。

地源熱泵是現(xiàn)階段比較常見的一類地?zé)崮茉磻?yīng)用設(shè)施，可以在空調(diào)系統(tǒng)中發(fā)揮節(jié)能效益。新源智慧運行總部A座能源島為太原市綜改區(qū)瀟河新城第一座開工能源島，首批嘗試采用閉式無干擾中深層地源熱泵，為建筑提供低溫?zé)嵩醇案邷乩湓?。中深層無干擾地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)相比，最主要的區(qū)別在于該技術(shù)從地下2～3 km深區(qū)域內(nèi)進行低溫?zé)崃刻崛?，該區(qū)域的溫度一般在70～90 ℃，提取出來的熱量相對穩(wěn)定，可以在項目中可靠運用，在智慧建設(shè)運行總部能源島項目中采用套管結(jié)構(gòu)。地?zé)峋疃葹? 570m，井底溫度為77.7℃，供水溫度可達40℃，取熱功率為400kw左右。地?zé)峒夹g(shù)的應(yīng)用真正實現(xiàn)了“取熱不取水”，避免直接利用地下水帶來的污染問題。本項目年取熱量35萬kW·h，大大減少了化石能源消耗。變頻高溫冷水機組(16～21℃)的應(yīng)用大幅提高了冷水機組的COP值，最大限度降低了建筑的供冷能耗[3]。

4 結(jié)語

“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要指出，加大清潔能源利用率，推進低碳發(fā)展，成為工業(yè)、交通業(yè)以及建筑業(yè)等高能耗行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要目標。目前，從我國政策層面要求，城鎮(zhèn)新建民用建筑節(jié)能強制性標準能效持續(xù)提升；加快推動近零能耗建筑規(guī)模化發(fā)展，鼓勵積極開展零能耗建筑、零碳建筑建設(shè)。

山西新源智慧建設(shè)運行總部A座設(shè)計滿足近零能耗建筑技術(shù)標準的要求，對近零能耗技術(shù)推廣起到積極作用，為寒冷地區(qū)近零能耗建筑技術(shù)應(yīng)用提供技術(shù)經(jīng)驗參考。該項目對山西全方位邁向低碳社會，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。我們應(yīng)抓住機會，積極研究創(chuàng)新，努力推動我省建筑領(lǐng)域的低碳轉(zhuǎn)型。