文章精选丨近零能耗公共建筑节能降碳技术路径研究
2024-12-01 作者:GBWindows
摘要：
关键词：
0 引言
建筑领域高排放、高能耗等特点备受关注，2020 年中国建筑全过程能耗总量为 22.7 亿 tce，占全国能源消耗总量比重为 45.5%；碳排放总量为 50.8 亿 tCO2，占全国碳排放的比重为 50.9%。我国公共建筑面积存量迅速增长，从2001 年的约 38 亿 m2增长到 2020 年的约 140 亿 m2 [1-4]。目前，办公建筑在公共建筑中分布最广、占比最高，是公共建筑的主要类型，2020 年占比达到 34%。传统办公建筑具有人工照明和空调能耗大、使用时间较长等特点[5–7]，其所在区域位置、建筑平面空间布局、外围护结构保温、用能设备能效、后期运营管理模式等均对运行能耗和碳排放产生直接影响。因此，在满足不同功能需求的前提下，近零能耗建筑在运行阶段节能减碳效果显著，可最大限度提高建筑用能效率和降低建筑运行碳排放，充分发掘办公建筑的节能降碳潜力。
机场作为大型交通设施，是聚集航空运行、生产保障和生活服务设施的建筑群。人员流动密集、建筑群体规模大和能源需求标准高是机场建筑显著特点。笔者以西安机场物流业务配套用房项目办公楼为例，根据其所属的寒冷地区气候条件，以近零能耗建筑能效指标为目标导向的设计方法，结合建筑能耗模拟分析和碳排放计算方法，通过被动式建筑设计提升本体节能、主动式节能技术降低能耗及可再生能源利用为手段降低运行碳排放[8]，实现项目的节能降碳，提出适宜于寒冷地区机场办公建筑的节能降碳的技术路径。
1 项目概况
项目位于西安咸阳国际机场用地范围内，距 T3 航站楼约 1.2 km，项目用地面积为 15 811 m2。办公楼为钢筋混凝土框架结构，总建筑面积为 13 746 m2，地上 7 层，建筑高度为 41.35 m。建筑在首层主入口附近设置 2 层室外露台，创造入口灰空间。这一设计不仅为旅客提供了额外的休闲和交流空间，而且通过与企业展厅及中庭的结合，增强了建筑的功能性和视觉吸引力。此外，建筑的西北侧配备了职工厨房，以满足员工的日常需求。在建筑的 2 层和 3 层，设计了开敞式办公空间，以促进员工之间的交流和协作。4 ～ 7层则根据不同办公需求，分别设置了开敞式办公室和独立式办公室，以适应不同工作性质的员工使用需求。为了进一步提升建筑的室内环境和办公品质，每两层的角落处均设计了两层通高的花园。这些花园不仅有助于改善建筑的微气候，还能为员工提供视觉上的舒适感和心理放松的空间，从而提高整体的办公体验。项目团队综合考虑功能性、舒适性和美观性，旨在打造一个高效、健康且具有吸引力的办公空间，建筑外立面及室内设计效果图如图 1 所示。
设计团队首先以国家标准 GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》[9]关于寒冷地区近零能耗公共建筑的能效指标为依据，通过优化建筑的体形系数和窗墙比，有效控制了建筑的热交换；其次，采用高性能的围护结构材料，结合关键部位的冷热桥消除设计，进一步提高了建筑的保温隔热性能；此外，外遮阳和被动式窗户的应用，有助于减少太阳辐射对室内热环境的影响，同时在保证室内舒适度的前提下，降低了建筑的能耗；为了进一步降低空调和采暖系统的能耗，设计团队设计了区域能源站，利用中深层地热资源，结合变频离心制冷空调机组和全热回收新风机组系统，实现了能源的高效利用和能耗的大幅度降低；利用屋面太阳能光伏发电系统提高建筑的可再生能源能利用率，最终实现近零能耗建筑办公建筑的设计目标。本项目采用的技术措施如图 2 所示。
2 被动式建筑设计
2.1 平面布局与形体设计
项目用地呈三角形，北侧与机场西进场路高差约为 5 m，南侧与现有机场西货运区平齐。项目采用与所在地区气候环境相适应的建筑设计，总平面布局利用地势地形成了南北广场的高差空间，如图 3 所示，因地制宜地根据周边道路高差设计双首层办公，充分考虑布局形式与建筑整体形式和谐统一。
建筑体形和立面设计上，最大限度减小体形系数，减小建筑外围护面积并避免呈现不必要的凹凸，办公楼建筑体形系数 0.14，小于寒冷地区体形系数规定的 s ≤ 0.40，建筑体形系数如表 1 所示。
在保证建筑室内有充足的自然采光的同时严格控制窗墙比，增大南向透明围护结构面积有利于冬季日照得热，办公楼东、南、西、北向窗墙比分别为 0.29、0.45、027、0.29。经过多次负荷及能耗分析，各朝向窗墙比均不超过 0.5 时，可以保证不会因建筑外窗玻璃面积过大带来能耗的增加，建筑窗墙面积比如表 2 所示。
2.2 室内外风环境优化和自然采光利用
本项目最大限度利用自然通风提高建筑室内外环境舒适度，因此人流密集区域利用过渡季外窗外表面风压、增加外窗可开启面积加强主要办公区域的自然通风，改善室内空气质量，提升舒适度品质。为了获得良好的室内风环境和开窗通风效果，外窗外表面需要足够的风压差，即关窗状态下外窗外表面的风压绝对值需大于 0.5 Pa；另外，建筑的位置要有效地避免冬季主导风向，以降低建筑围护结构的热能渗透损失[10]。项目所在场地的室外风环境模拟基于以下几个工况进行计算，对建筑室外风环境进行优化，如表 3 和图 4 所示。
办公楼室内平面布局充分考虑自然通风，过渡季结合建筑迎风面和背风面对应外窗表面的风压分布图，合理布置门窗位置，达到舒适的室内环境条件。人流密集区选择夏季的盛行风向，该部分在夏季有良好的自然通风，降低夏季空调能耗。办公楼设计中庭，与主入口形成“烟囱”效应，改善室内微气候，如表 4 和图 5 所示。
项目在设计中通过对缓冲层的设计与利用，降低建筑能耗的同时创造出舒适宜人的内部工作环境。在办公区域，通过增加开窗面积，提高了自然光线的利用率，有效降低了办公照明所产生的能耗，同时提升了室内环境的视觉舒适度；在中庭部位，设计了一个体积较大的绿化通高空间，该空间不仅为建筑内部提供了丰富的绿色景观，还通过上部的天窗引入了充足的自然光照，提高了核心筒中央区域空间的天光照度及采光均匀度。建筑各层的全自然采光时间百分比（DA）模拟分析图如图 6 所示（办公楼主要采光房间的 DA 值，即全年工作面上计算点超过最小照度值要求 450 lx 的时间比例）。
2.3 近零能耗围护结构节能设计
2.3.1 非透明围护结构节能
非透明围护结构的热工性能是建筑性能的重要组成部分之一，该部分传热量约占总建筑的 40%。设计团队通过提高建筑围护结构的保温隔热性能，降低建筑的冷热负荷，有效地提高建筑的气候适应性。同时，在室内使用高效采暖和制冷设备，从而降低建筑的运行成本，也为使用者营造了一个舒适高效的工作和生活环境。主要围护结构热工性能均达到 GB/T 51350—2019 中寒冷气候区近零能耗公共建筑的指标要求，具体参数如表 5 所示。
2.3.2 透明围护结构节能
项目透明围护结构部分采用被动式外窗设计。窗户外侧配备了电动活动外遮阳系统，以适应不同的光照条件；幕墙的构造采用了外侧钢化镀膜夹胶玻璃，而内侧则是三玻两腔结构的铝包木复合被动窗，具体为 6 mm 双银Low-E 玻璃配合 12 mm 的空气层，再叠加另一层 6 mm 玻璃，形成高效的隔热体系。外窗玻璃的上下两端均设有100 mm 宽度的局部通风口，以保证室内外空气交换。双层窗体中部还设计有电动遮阳设施，可以根据室内的实际需求进行调整。
在热工性能方面，外窗的传热系数为 1.22 W/（m2·K），太阳得热系数（SHGC）为 0.26，这表明窗户在冬季能有效引入室外辐射热量，降低室内采暖负荷。考虑到夏季的遮阳需求，通过电动遮阳系统的调节，遮阳系数可以达到 0.8 以上，有效隔热。此外，外窗气密性等级高于 8 级，确保了良好的气密性能。天窗部分选用了断桥铝合金结构，配置了 6 mm 双银 Low-E 玻璃配合 9 mm 空气层的多层玻璃，其太阳得热系数为 0.29，整体传热系数为 1.82，通过增加外遮阳设施，天窗的遮阳系数同样可以达到 0.8 以上，以满足夏季的遮阳需求。
综合考虑外窗及天窗的设计，确保了在冬季综合太阳得热系数不低于 0.45，而在夏季不超过 0.30。这样的设计不仅在冬季有效利用了太阳辐射得热，降低了办公区域的采暖需求，同时也通过遮阳措施避免了夏季制冷负荷的大幅增加。被动式外窗及天窗具体节点构造如图 7 所示。
2.3.3 关键部位断热桥
在近零能耗建筑设计中，围护结构关键部位热桥问题是关键考量因素之一，直接影响建筑能效和室内环境的舒适度。本项目借鉴被动房的热桥处理经验，采取了一系列措施消除或削弱热桥效应，优化建筑保温性能和节能效果。外墙的主体保温材料选用了双层自保温砌块，并在中间夹入 60 mm 厚的岩棉带，有效降低了传热系数，提高了保温隔热性能；使用了断热桥的锚固件，避免了外墙固定导轨、龙骨、支架等可能导致热桥的部件，确保了保温层的连续性和完整性；在管道穿越外墙的部位，预留了套管并保证了足够的保温间隙，以防止热量通过管道传递，形成热桥；同时，室内的开关、插座和接线盒等电气设备均被置于内墙上，避免了对外墙保温性能的不利影响。部分防热桥专项节点设计如图 8 所示。
2.3.4 气密性分区设计
本项目建筑气密性遵循 GB/T 51350—2019 关于气密性设计施工的要求，依据建筑不同功能单元、用能情况对建筑进行合理气密分区，进行气密性专项设计；采用简洁的造型和节点设计，减少气密性难以处理的节点；在建筑设计施工图中明确标注气密层的位置，确保气密层连续，并包围整个外围护结构，如图 9 所示。
2.4 建筑隔声设计
本项目紧邻机场飞行区，建筑本体对隔声减振要求较高。针对该项问题，项目隔声减振设计不低于现行隔声标准要求值，并且对每个频段都需要按照相关方法计算，最终选择的材料应该保证每个频段达到隔声要求的同时适当提高隔声标准：如室内及地下有噪声的机电设备注意噪声及振动因素；有振动及产生噪声的机电设备用房，其室内墙面、吊顶已采取隔声减噪做法；机电设备、管道与建筑主体（墙、梁、板、柱）相接处的隔声减振措施；与主要功能房间相邻的楼面采取隔声措施，在楼板上铺隔声减振垫板；其他有噪声要求的房间，如会议室、多功能厅等，其室内墙面、吊顶均已采取隔声减噪做法。
3 主动式节能降耗
3.1 高效供暖空调系统节能技术
本项目在供暖空调及新风系统的系统能效，设备效率等方面进行最优节能设计。夏冷负荷 550 kW，冷指标为44.6 W/m2；冬季热负荷 404 kW，热指标为 32.8 W/m2。空调冷冻 ( 热 ) 水由能源站 集中供给，空调系统冷热水 均由能源站统一供给，能源站选用高效变频离心式制冷机组，夏季采用大温差系统；冬季热源以利用中深层地热为冬季空调供热主要能 源。所选制冷机组的性能系数（COP）为5.746，综合部分负荷性能系数（IPLV）为 7.839，均达到相关节能标准要求。
根据建筑布局和功能特点进行通风空调设计，办公楼采用带热回收的空气处理机组，室内新风气流组织为上送上回；选用高效低噪风机，单位风量耗功率 Ws 值均小于0.24；热回收新风机组冬、夏全热交换效率 73%，新风机组 PM2.5过滤效率均＞ 95%，有效降低了新风系统能耗。
3.2 照明、电梯及电气设备节能
本项目采用智能照明系统，所选灯具均为高效、节能型LED 灯具，采用节能控制。对设备用房采用翘板开关分区控制，公共走廊等采用红外延时感应开关控制，达到照明节能控制要求。智能照明系统通过回路搭配模式对所有区域照明设置为高峰模式及普通模式等，节省用电达到最佳的控制效果。主要房间照明功率密度低于现行照明节能标准目标值的 70% 以下，具体如表 6 所示。
办公楼电梯均为无机房电梯，电梯具备按程序集中调控和群控的功能，无外部召唤且轿厢内一段时间无预置指令时，自动转为节能运行模式的功能。所选电气产品均为低能耗产品，选择效率高、功率因数高的设备。变电所选用低损耗、低噪声的 SCB13 节能型电力变压器。非消防设备均采用变频调速控制电动机，降低机电设备运行能耗。
3.3 智能化与能耗监测平台
本项目开发设置近零能耗建筑能耗监测管理平台，旨在实现对办公楼实际运行能耗的全面监测。通过采集和记录各类分项能耗数据、电量数据以及分楼层电量数据，系统能够对这些数据进行统计与分析，并将分析结果存储于中心数据库中。这样的数据管理策略不仅便于随时调取和查看，而且为后期的设备管理、能源运营调配提供了参考依据。
该平台具备长期连续且稳定的运行能力，并确保所收集数据的保存时间不少于 3 a。系统设计了综合的计量功能，能够对电、水、热等能源消耗进行分类计量，同时对电能消耗进行分项和分楼层的详细计量。此外，该平台的应用有助于优化建筑内部资源的配置，通过精细化管理提升能源使用的效率。总体而言，能耗监测管理平台的实施，对于提高建筑能源管理的智能化水平、实现节能减排目标具有显著的促进作用。
4 可再生能源减碳
4.1 屋面太阳能光伏发电系统
办公楼结合所在场地年均日照辐射总量、建筑日照阴影遮挡、屋面机房设备等条件，综合考虑光伏组件选型、光伏阵列运行方式以及固定支架、平铺布置，组件最低点距屋面等因素，在办公楼和紧邻餐厅的建筑屋面沿屋面竖向平铺布置高效单面单晶硅光伏组件，总装机容量为 133.1 kWp，共计 253 块，铺设面积约为 641.3 m2。根据光伏系统专业软件计算，年均理论发电量约为 14.16 万 kW·h，与建筑使用传统燃煤发电相比，年节约标准煤均值及 25 a 总量如表 7 所示。
4.2 中深层地热利用系统
本项目采用区域能源站的中深层地热能系统梯级利用及高效节能型热泵机组的方式，为办公楼的空调和生活热水系统提供热源，如图 10 所示。中深层地热井打井 2 口，1 抽 1 灌，抽水温度为 75 ℃。一级板换出水经二级板换，为空调系统提供 60 ℃热水；如热量不足，则利用二级板换出水经热泵系统，为空调系统补充热量；高温地热水经一级板换，为生活热水系统提供热源。实现了对中深层地热水热量的梯级充分利用，大幅减少了对于化石能源的消耗和 CO2的排放量。
5 能效指标及运行减碳
综合以上近零能耗技术措施，工程采用 DOE 内核的能耗模拟分析软件，通过模拟建筑全年供冷、供暖需求，照明电耗、建筑总一次能源等指标计算可知：办公楼本体能耗 ( 电耗 ) 为 23.64 kW·h/(m2·a)，综合节能率 65.95%，可再生能源利用率达到 43%。与常规办公建筑的分项能源消耗比例不同，近零能耗办公建筑中照明系统能耗占建筑能耗比例最大，其次为暖通空调系统能耗，具体数据如表 8 所示。
基于办公楼的近零能耗能效模拟结果，以国家标准 GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》和 GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用规范》中关于建筑运行阶段碳排放计算对比为依据，采用以 CAD 为平台的碳排放 CEEB 计算并输出建筑运行阶段碳排放指标：按电力碳排放因子 0.581 kgCO2/(kW·h)，建筑年运行碳排放强度为 9.19 kgCO2/(m2·a)，在 2016 年执行的公共建筑节能设计标准的基础上降低 55.84%, 碳排放强度下降11.62 kgCO2/(m2·a)，具体数据如表 9 所示。
6 结束语
笔者针对寒冷地区近零能耗办公建筑的节能降碳技术进行了研究。与常规办公建筑相比，综合考虑了地域气候特征与所处位置独特的环境影响，因地制宜利用低体形系数、合理窗墙比、建筑遮阳等各种被动式设计与近零能耗围护结构节能技术相结合，大幅度减少建筑本体能源消耗；通过主动式节能降耗措施，提升暖通空调、电气照明等设备的运行效率，降低建筑综合使用能耗；充分发掘建筑及周边可利用可再生资源，减少对传统能源使用，达到降低建筑运行阶段碳排放目的。
此外，笔者还对建筑的室内外风环境、自然采光和建筑隔声降噪措施进行优化，与被动式建筑设计、主动式节能降耗和可再生能源利用的近零能耗建筑技术相结合，显著提升了办公室内环境品质，同时实现了办公建筑的节能降碳。为响应“双碳”目标提供技术支撑和参考案例，以期推动西北寒冷地区办公建筑的节能低碳发展。
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