寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑設計方法——以某展館建筑為例

李丹

（山東省人民防空建筑設計院有限責任公司，山東濟南 250000）

0 引言

建筑節(jié)能對于緩解全球能源短缺和改善建筑環(huán)境質量有起著非常重要的作用，是建筑行業(yè)一個重要的技術領域。《近零能耗建筑技術標準（GB/T51350—2019）》的頒布實施在我國建筑節(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。近零能耗建筑的能耗水平較國家和行業(yè)節(jié)能標準將再降低60%以上，可有效的降低建筑能耗、提高室內建筑環(huán)境水平。

1 寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑設計的優(yōu)點及重點

1.1 寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑設計的優(yōu)點

近零能耗建筑通過高性能圍護結構、高效采暖空調設備的選用、能量及熱量的循環(huán)利用及可再生能源系統(tǒng)的應用，大幅度降低建筑能耗，實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)電的目標，具有低碳排放、低能耗、高舒適度的優(yōu)點。

1.2 寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑設計的重點

寒冷氣候區(qū)近零能耗建筑設計應優(yōu)先考慮冬季取暖，兼顧夏季制冷，因此其設計重點：①保證工程圍護結構的保溫性和氣密性，提高熱工性能，同時應兼顧建筑朝向、窗墻比、形體系數(shù)等。例如建筑形體不宜太復雜，盡可能減少房間的外圍護面積，盡量減小形體系數(shù)；建筑朝向宜避開冬季主導風向，降低熱能滲透損失；②采取可靠適用的可再生能源；③提高暖通空調系統(tǒng)綜合能效。在此基礎上，配合以節(jié)能工藝、先進的智能控制系統(tǒng)及科學運行管理，從而實現(xiàn)建筑節(jié)能的近零能耗。同時，高性能的保溫材料、被動式技術、高效的用能系統(tǒng)和設備、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計更加復雜，如何適應當?shù)刈匀患皻夂驐l件，選取經(jīng)濟可靠適用的技術措施，也是近零能耗公共建筑設計的重點任務之一。

2 近零能耗公共建筑設計解決方案

2.1 高性能圍護結構選用

公共建筑要實現(xiàn)近零能耗建筑能耗指標，首先應保證建筑圍護結構保溫性能。對于寒冷氣候區(qū)，冬季的冷風風速較高，溫度較低，因此必須要強調圍護結構的升級。增加外墻保溫層厚度可提高圍護結構保溫隔熱性能，但保溫層過厚在技術和經(jīng)濟上都是不合理的，因此應選用高性能保溫材料，限制保溫層厚度。另外，對于寒冷氣候區(qū)建筑外窗玻璃的選取，宜選用遮陽系數(shù)較大的外窗。這是由于寒冷地區(qū)采暖能耗大于空調能耗，外窗玻璃遮陽系數(shù)增大使太陽輻射得熱量增加，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計計算，最終選定的圍護結構各熱工參數(shù)指標如表1所示。

表1 圍護結構各熱工參數(shù)指標

寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑還應保證建筑圍護結構的氣密性，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，同時提高室內砂漿刷涂質量，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，并于管道穿越圍護結構處填充保溫隔熱材料，保證圍護結構的氣密性。

2.2 減小熱橋設計

在寒冷氣候區(qū)公共建筑的近零能耗設計中，熱橋節(jié)點處理是建筑節(jié)能設計中的重點任務之一，需要充分考慮到熱橋設計的相關內容。易出現(xiàn)熱橋的部位包括門窗安裝部位、結構外挑構件、金屬龍骨部位及管道穿墻部位等。不同的項目結構形式，熱橋的產生部位不盡相同。

某展館建筑屋面為鋼結構，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)反復研究論證，采取了支座中間增加橡膠墊塊進行隔斷熱橋的方法。圓形屋面鋼梁上設壓型鋼板，壓型鋼板上方鋪設防水隔汽膜，隔汽膜上鋪設巖棉板保溫，巖棉板上方設有龍骨及鍍鋅鋼板，鍍鋅鋼板上噴涂聚脲防水。由于聚脲防水不具備透氣性，屋面在最高處設計了通氣孔，便于保溫內部水蒸氣排出室外。

2.3 排風熱回收技術

排風熱回收技術是一項常用的建筑節(jié)能措施，節(jié)能效果突出且技術較為成熟。排風熱回收技術通過排風對新風的加熱或冷卻，對室內人員、設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)過濾及能量交換后引入室內，可在不需開窗的情況下保證室內空氣新風量，新風負荷及冷風透入量較小。送入室內的空氣經(jīng)過熱交換機，同經(jīng)過熱交換器的排風氣流發(fā)生能量和熱量的交換，送入室內的新風溫度與室內溫度差額不大，具有耗電量低、運行經(jīng)濟、體感舒適的優(yōu)點。排風熱回收技術包括全熱回收及顯熱回收，對于寒冷氣候地區(qū)，濕度相對較小，潛熱較小，采用顯熱回收裝置經(jīng)濟更為合理。

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計中的重要內容，通過太陽能光電建筑應用、太陽能光熱建筑應用、地源熱泵技術應用、生物質能應用、風能及其他可再生能源的應用，解決建筑的采暖空調、熱水供應、照明等能源消耗。設計時應根據(jù)地域氣候特征選取合適的可再生能源技術。

某寒冷氣候區(qū)展館建筑利用太陽能-地源熱泵聯(lián)合運行，結合兩種能源，互相彌補各自不足，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象，傳熱介質在管內循環(huán)，通過豎直或水平地埋管換熱器與巖土體進行熱交換的地熱能交換系統(tǒng)?？照{系統(tǒng)冷、熱模式的轉變通過連接在機組外部的循環(huán)水路在機組蒸發(fā)器和冷凝器之間的切換來實現(xiàn)。由于寒冷氣候區(qū)冬季吸熱量大于夏季放熱量，若單獨采用地源熱泵系統(tǒng)，由于全年吸熱量與排熱量不平衡，長期運行將會導致土壤溫度逐年降低，熱泵運行效率降低，無法實現(xiàn)使用目標。

因此，為了保障地源熱泵系統(tǒng)的運行效率，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)與太陽能系聯(lián)合運行的方式。以太陽能作為空調采暖系統(tǒng)的輔助熱源，將太陽能轉換成熱能，供給建筑物熱水及冬季采暖系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由太陽能集熱及蓄熱系統(tǒng)、末端分配系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)構成，通過集熱系統(tǒng)收集太陽輻射能，通過建筑構件各種蓄熱系統(tǒng)將熱能儲存起來，最終通過分配系統(tǒng)將熱能送入各個末端，實現(xiàn)使用功能，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 太陽能采暖系統(tǒng)原理

3 結語

寒冷氣候區(qū)近零能耗建筑設計應考慮技術的有效性、普及性、適用性、經(jīng)濟性等方面，通過被動式設計降低能耗負荷，通過采用高性能建筑材料、高能效的暖通空調系統(tǒng)及可再生能源，通過科學的監(jiān)控及運行控制為近零能耗的實現(xiàn)提供保障。隨著建筑節(jié)能技術的不斷進步和設計標準的不斷提高，還有更多高效環(huán)保的節(jié)能技術有待應用，被動式節(jié)能技術、智能監(jiān)測及自控系統(tǒng)還有很大提升空間，近零能耗建筑作為一項新生事物，技術難度及造價是影響其廣泛推廣普及的重要因素，應作為今后研究發(fā)展的重要方向。