大型博覽建筑關鍵綠色節能技術探析

劉冰韻 唐澄宇 徐曉燕

大型博覽建筑關鍵綠色節能技術探析

劉冰韻 唐澄宇 徐曉燕

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092）

大型博覽建筑，空間高大且結構復雜，公眾參與度高，且多以展教功能為主。為確保展品的的安全儲存，保證展教質量，空調系統需長期運行，且展陳照明及建筑設備終端用能需求較多，整體建筑能耗較高。推廣綠色節能技術，最大限度的減少建筑能耗成為博覽建筑首要關注的問題。以某大型科技館為例，從與建筑能耗息息相關的四個關鍵設計方面（圍護結構節能設計、可再生能源綜合利用、暖通空調系統節能優化、被動優先的自然采光設計）出發，結合數值模擬方法，探析相關綠色節能技術的節能潛力及合理性。

大型博覽建筑；綠色節能技術；數值模擬；能耗；可再生能源；暖通空調系統

0 引言

近年來隨著具有中國特色的城鎮化快速推進，我國建筑行業迅猛發展，同時也帶來日趨嚴重的能源短缺以及環境污染的問題。調查顯示，西方發達國家全國總能耗的30～40%為建筑能耗[1]，我國建筑能耗也逐步升至總能耗的三分之一[2]。建筑節能已成為人與自然和諧共生的重要手段，綠色建筑應運而生。

現代化城市的發展，對公共建筑的功能類型、面積形式、用能需求也提出了更多更高的要求，大體量、高能耗強度公共建筑不斷新增，導致公共建筑整體能耗總量持續增長，單位面積能耗強度也由16.8kgce/m2增長至23.9kgce/m2[3]。其中，作為經濟與人文相結合之典型的博覽建筑也愈發引起重視。大型博覽建筑，空間高大且結構復雜，巨大的體量致使建筑能耗與環境影響本就較高。此外，博覽建筑公眾參與度高，且多以展教功能為主。為確保展品的安全儲存并保證展教質量，空調系統需長期運行，且展陳照明及建筑設備終端用能需求較多，進一步增加了建筑能耗。高能耗不僅造成資源浪費，也會帶來相應的運營經濟負擔。如何運用綠色建筑的節能設計理念，推廣綠色節能技術，最大限度的減少建筑能耗成為博覽建筑首要關注的問題。

本文以某大型科技館為例，根據其建筑設計特點，結合數值模擬方法，分析并探討關鍵綠色技術的節能潛力及合理性。

1 項目概況

某大型科技館（下文簡稱為科技館）為新建博覽建筑，選址于鄭州市，自方案之初就以國內綠色建筑三星認證為目標，追求建筑設計與綠色技術的高度融合。該建筑地上共4層，地下1層，建筑高度約為43.0m，總建筑面積約為10.5萬m2。建筑主要功能為展廳、影院、辦公及停車配套，建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

2 關鍵綠色節能技術探析

針對大型博覽建筑能耗高、用能需求大的顯著特點，本文就與建筑能耗息息相關的關鍵方面，從圍護結構、可再生能源、暖通空調系統、自然采光的設計出發，結合數值模擬方法，分析并探討綠色節能技術的運用。

2.1 圍護結構節能設計

寒冷地區冬季氣溫較低、時間較長、室內外溫差較大，建筑保溫尤其重要。圍護結構作為建筑內外空間的連接界面，其傳熱損失約占建筑總損失的70%～80%[4]，因此圍護結構節能設計是實現建筑節能的重要手段。

為提高建筑通透性并美化立面造型，博覽建筑通常采用玻璃幕墻設計元素。科技館外立面采用金屬幕墻與玻璃幕墻相結合的幕墻形式，各朝向玻璃幕墻與所在立面面積之比均在0.4以上；屋面采用金屬保溫屋面。整體圍護結構節能設計優化如下：

（1）外墻優化：外墻是整體圍護結構的重要組成部分，因其所占面積較大，外墻傳熱損失約占整體圍護結構的25%[4]。增加保溫材料厚度，選用150mm巖棉板，可有效減少圍護結構熱損耗。

（2）屋面優化：雖然屋面在整體圍護結構中占比較小，傳熱損失比例約為8%～10%[4]，但對建筑頂層空間來說，屋面占比最大，對室內環境的影響也最為顯著。屋面優化的原理與外墻優化一致，以提高熱工性能來減少熱傳遞，同樣選用150mm巖棉板。

（3）玻璃幕墻傳熱系數與遮陽系數優化：玻璃幕墻是建筑保溫最薄弱部位，熱損失比例約為40%～50%[4]。不同季節對于玻璃幕墻的性能要求不同，冬季要求提高保溫性能且增加室內太陽得熱，夏季室內則需盡量避免太陽輻射。降低玻璃幕墻傳熱系數可增強保溫效果，但遮陽系數的選取需平衡冬季采光與夏季遮陽的需求。科技館采用較低透光Low-e三玻雙中空玻璃，可同時保溫隔熱。

為探討科技館圍護結構設計的節能效果，采用建筑節能設計分析軟件PKPM，以DOE-2為計算核心，對比分析設計建筑與參照建筑的全年空調、采暖能耗，圍護結構設計見表1。

表1 圍護結構設計

續表1 圍護結構設計

注：參照建筑圍護結構設計參數以滿足《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2015規定的限值要求來設定。

經過能耗模擬分析計算，得出設計建筑各圍護結構部位優化后的全年能耗與節能率，如表所示2。由表2可知，科技館的外墻、屋面及玻璃幕墻在降低傳熱系數后，全年采暖能耗均大幅下降，而空調能耗小幅上升。玻璃幕墻遮陽系數降低后全年空調降低的能耗遠大于采暖增加的能耗，即總能耗大幅降低，達到了冬季采光與夏季遮陽的相互協調。經整體優化后，科技館圍護結構的節能率達到7.66%，節能效果相當可觀；其中玻璃幕墻作為最薄弱部位，對于圍護結構節能意義重大。

表2 各圍護結構部位優化后全年能耗與節能率

2.2 可再生能源綜合利用

為滿足日益增長的能源需求，解決傳統能源短缺的問題，鼓勵可再生能源在建筑供能系統中的綜合應用已成為我國能源產業發展的重中之重。目前，在建筑供能系統中，應用較多且技術相對成熟的可再生能源主要為太陽能和地熱能。

2.2.1 空調系統—地熱能利用

鄭州市地層屬華北平原分區，淺層地熱能資源豐富。土壤溫度基本穩定在16～20℃之間，土質松軟以黏土、中砂為主，且土壤含水層富水性較好，有良好的換熱效果，對推廣地埋管地源熱泵有優勢性。科技館本身占地面積較大，配備大型室外廣場，經計算有足夠的埋地面積布置地埋管以滿足空調及生活熱水負荷需求。

作為博覽建筑，冬季科技館內區同時也存在供冷需求以滿足展品的安全儲存和平衡人員、設備散熱，導致冷負荷比熱負荷高出近一倍。由于冷熱負荷相差較大，若冷熱源僅采用地源熱泵系統，夏季土壤排熱遠大于冬季土壤取熱，則會導致土壤溫度逐年上升，機組制冷效率也會降低[5]。考慮到單一采用地源熱泵系統供能的不穩定性，科技館的集中空調系統選用復合供能系統，由地埋管地源熱泵系統提供23%的空調用冷量和72%的空調用熱量，其余冷熱負荷由冷水機組和市政管網承擔；配套用房等獨立房間，采用變冷媒流量多聯空調系統。結合科技館空調系統需長期運行的特點，復合供能系統還可通過間歇運行模式促進系統穩定運行：當夜間室外溫度較低時，可關閉地埋管換熱器，開啟冷卻塔，使得土壤溫度、供回水溫度得以有效恢復，解決冬夏季向土壤排熱量不均的問題[6]。

地源熱泵系統節能效果顯著，節能量約占空調系統能耗的35%～50%和建筑總能耗的15%[7]。在充分利用地熱的前提下結合常規空調系統，可最大限度的體現可再生能源的節能優勢，為科技館帶來極高的節能潛力。

2.2.2 熱水系統—太陽能與地熱能綜合利用

科技館作為大型博覽建筑，功能性較全且配套設施完善，熱水需求量較大，包括商業餐飲、員工淋浴等。根據用水點布置，主要設置兩套集中熱水系統，滿足建筑南、北兩區集中熱水供應。為響應國家節能減排政策，以優先利用可再生能源供熱作為熱水系統的設計基礎，盡可能減少傳統能源的消耗。

隨著綠色建筑的蓬勃發展，太陽能熱水系統作為太陽能應用發展中最具經濟性、技術最成熟的產品，在建筑設計中得到了廣泛應用[8]。鄭州地區水平面年平均總太陽輻照量4866.19MJ/m2·a，屬III類太陽能資源較豐富區[9]。科技館優先考慮太陽能作為北區集中熱水系統的熱源，屋頂最大可利用面積為320m2，設置平板式太陽能集熱器，輔助熱源采用燃氣熱水爐，太陽能保證率50%，太陽能產熱量占建筑生活熱水總耗熱量的比例約為17.3%。

在此基礎上，現有的地埋管地源熱泵系統可提供55℃熱水作為南區集中熱水系統的熱源，地源熱泵熱水系統產熱量占整個建筑生活熱水耗熱量的比例約56.6%。此外，由于地源熱泵系統承擔了部分生活熱水負荷，在夏季回收了熱泵機組向地下的冷凝排熱，在冬季增加了地下取熱，有利于改善土壤熱失衡，促進系統穩定運行[10]。

綜上，通過太陽能與地熱能的綜合利用，可再生能源產熱水總比例約73.9%，產熱量約25×106MJ/a，折合天然氣的量為78萬m3/a，年節約費用約270萬元/a，有效減少傳統能源的消耗，且具有較高的經濟性。

2.3 暖通空調系統節能優化

暖通空調系統的能耗一般占建筑總能耗的50～60%[11]。博覽建筑展陳區域的空調系統需長期運行能耗較高，節能的重心在于優化暖通空調系統。暖通空調系統能耗主要分為建筑物能耗和空調系統能耗，為降低系統運行能耗，可從圍護結構保溫隔熱、冷熱源替代能源以及系統自身的節能優化著手[12]。上文已分析了圍護結構節能設計、地熱能替代空調部分常規能源的綠色節能技術，本節主要側重于探討暖通空調系統自身的節能優化。

科技館暖通空調系統的節能優化主要采用以下五項綠色節能技術：

（1）采用高效冷熱源機組：提高冷熱源機組能效比，有效節約制冷、供暖主機能耗。

（2）風機水泵變頻控制：空調風系統、水系統均采用變頻技術。

（3）采用排風熱回收裝置：展廳區域空調箱設置排風熱回收裝置，全熱效率為60%，利用排風預冷、預熱新風，降低新風負荷，從而降低空調主機能耗。

（4）過渡季新風可調：全空氣系統過渡季節實現全新風運行。

（5）冷卻塔免費供冷：對于冬季存在供冷需求的區域，冷卻塔利用室外低溫空氣進行免費供冷，降低主機能耗。

為探討空調系統設計方案的節能效果，利用能耗分析軟件Trace700結合Revit模型，建立計算分析模型，分析對比設計建筑與參照建筑的全年能耗。兩者的圍護結構設計參數、室內設計參數、照明設備功率、人員密度、空調系統運行時間等均設定為一致，區別在暖通空調系統。設計建筑的暖通空調系統按實際設計設定，考慮各類節能措施；參照建筑的冷熱源按常規形式設定，末端與設計建筑一致，但不考慮各類節能措施。設計建筑和參照建筑的空調冷熱源及能效設置對比如表3所示，節能措施設置對比如表4所示。

表3 空調冷熱源及能效設置對比

表4 節能措施設置對比

注：表格中“提高6%”、“提高8%”、“限值”分別指與《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2015規定的限值相比提高6%、8%和滿足該標準。

經過能耗模擬分析計算，得出設計建筑與參照建筑中暖通空調系統全年能耗與節能率，如表5所示。由表5可知，冷熱源能耗在總能耗中的占比最高，提高能效、采用排風熱回收與冬季冷卻塔免費供冷，有效降低了冷熱源能耗，相比參照建筑，節能率達26.83%。水泵能耗占比雖不大，但變頻技術的應用，使得節能率非常可觀，達67.83%。風機變頻的節能效果也很明顯，節能率為14.70%。通過以上綠色節能技術的綜合利用，設計建筑空調系統單位面積年能耗為38.54kgce/m2，較參照建筑降低幅度為25.72%，節能效果相當顯著，對于大型博覽建筑暖通空調系統的節能優化具有借鑒意義。

表5 暖通空調系統全年能耗與節能率

注：（1）冷熱源能耗包括主機、冷卻塔和市政熱源能耗。（2）空調系統能耗為電力，將其均折算為標煤進行總能耗統計對比。（3）市政熱源能耗為熱力，將其折算為標煤進行總能耗統計對比。

2.4 被動優先的自然采光設計

照明能耗也是建筑能耗的重要組成部分，約占總能耗的10%～40%[13]。相比辦公等常規公共建筑，博覽建筑因存在展陳照明需求，照明能耗不可小覷。對于有采光需求的房間，優先考慮被動式自然采光設計，充分合理利用太陽能以滿足采光需求，實現被動式節能。

科技館采用大面積玻璃幕墻，大部分有采光需求的房間沿外墻布置，房間主要功能為辦公、會議、管理等；窗地面積比均達到1/4以上，為室內自然采光創造了優越的條件。此外，在建筑屋頂及側面設置天窗，將陽光引入中庭，優化中庭采光效果的同時，也能在建筑內部形成獨特的光影效果，滿足公眾生理和心理需求。相對于地上空間來說，地下空間對光線具有更大的需求。地下一層設下沉庭院，使原本封閉的地下建筑具有敞開的空間，有效改善了沿下沉庭院布置的地下房間的采光效果，緩解了采光不足的弊端。

利用光環境模擬軟件PKPM-Daylight，建立建筑模型，探討建筑被動設計的自然采光效果。建筑各層采光系數分布見圖2，圖中藍色采光系數為0的區域為影院、展廳、機房、控制室等。由于影院展廳等大空間有特殊的放映、展陳照明要求，機房、控制室等無采光要求，故均不考慮自然采光設計。經分析計算，地上81.2%的有采光需求的房間及建筑中庭的平均采光系數滿足標準值要求，首層地下室18.3%的地下空間平均采光系數不小于0.5%。

通過一系列建筑被動式設計，在最大限度利用自然采光的基礎上，再對影院、展廳區域照明系統合理優化，如選用節能燈具、采用高效照明控制策略等主動式節能技術，可進一步減少照明能耗，實現建筑節能。

3 結論

綠色建筑設計并非是綠色技術的盲目堆砌，而是需要針對建筑功能類型和使用特點，有針對性地選用綠色節能技術，行之有效地降低建筑能耗。針對大型博覽建筑能耗高、用能需求大的顯著特點，本文以某大型科技館為例，就與建筑能耗息息相關的關鍵設計方面，結合數值模擬方法，分析并探討相關綠色節能技術的節能潛力及合理性，結論如下：

（1）寒冷地區，建筑保溫尤其重要。通過增加外墻、屋面的保溫材料厚度，以及優化玻璃幕墻的傳熱系數和遮陽系數，經建筑節能設計分析軟件PKPM模擬計算，整體圍護結構節能率達7.66%，節能效果相當可觀；其中玻璃幕墻作為最薄弱部位，對于圍護結構節能意義重大。

（2）博覽建筑一般配有大型室外廣場，且屋頂面積可利用，這為地熱能和太陽能的綜合利用提供了場地條件。空調設置復合供能系統，其中地埋管地源熱泵系統提供23%的空調用冷量和72%的空調用熱量；熱水系統綜合利用太陽能和地熱能提供生活熱水，可再生能源產熱水比例為73.9%。可再生能源的綜合利用可減少傳統能源的消耗，合理的系統設計也能促進地埋管地源熱泵系統的穩定運行。

（3）博覽建筑展陳區域的空調系統需長期運行能耗較高，節能的重心在于優化暖通空調系統。采用了高效冷熱源機組、風機水泵變頻控制、排風熱回收、過渡季新風可調和冷卻塔免費供冷這五項綠色節能技術，通過TRACE軟件進行全年能耗模擬分析，節能率為25.72%，節能效果顯著。

（4）博覽建筑因存在展陳照明需求，照明能耗不可小覷。優先考慮被動式自然采光設計，充分合理利用太陽能以滿足采光需求。通過光環境模擬軟件PKPM-Daylight分析得到地上81.2%的有采光需求房間和中庭滿足自然采光要求，首層地下室18.3%的地下空間平均采光系數不小于0.5%，采光效果良好，可有效減少照明能耗。

大型博覽建筑公眾參與度高，合理運用綠色節能技術，有利于樹立綠色建筑典型，推動建筑行業的可持續發展。在設計過程中采用綠色節能技術僅是基礎工作，后續還需做好建筑的運行維護，制定合理的節能運行策略，以實現建筑全壽命期的節能。

[1] 劉伊生.建筑節能技術與政策[M].北京:北京交通大學出版社,2015,(9):1-7.

[2] 韓京彤.圍護結構節能方案對供暖能耗的影響及經濟分析[C].2018供熱工程建設與高效運行研討會論文集,2018:250-254.

[3] 清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2019[M].北京:中國建筑工業出版社,2019: 9-15.

[4] 余奉卓,曹雙華,楊兵,等.圍護結構節能技術淺談[J].上海節能,2018,(8):623-627.

[5] 金寧,李春旺,李紅擴.土壤源熱泵適用性分析[J].制冷與空調,2011,25(6):585-588.

[6] 王穎.地埋管地源熱泵系統在上海地區的適用性探討[J].住宅科技,2015,35(12):27-29.

[7] 李晨玉,王健,王穎.上海地區地源熱泵系統應用現狀與分析[J].住宅科技,2018,38(12):48-51.

[8] 惲曄,劉焱.公共建筑太陽能熱水利用探討[J].江蘇建筑,2016,(179):93-96.

[9] GB 50364-2018,民用建筑太陽能熱水系統應用技術標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2018.

[10] 馬宏權.土壤源熱泵系統的熱平衡問題[C].中國制冷學會2009年學術年會論文集,2009:6.

[11] 童寧.淺析公共建筑暖通空調系統的降耗及能耗平衡途徑[J].中國設備工程,2019,(1):109-111.

[12] 趙青玲,陳靈閣,戶澳文.暖通空調系統現行節能技術問題的探討及分析[J].能源研究與利用,2019,(2):46-49.

[13] 李懷,徐偉,于震,等.某超低能耗辦公建筑照明能耗分析[J].建筑科學,2017,33(12):51-56.

Analysis on Key Green Energy-saving Technologies of Large Exhibition Buildings

Liu Bingyun Tang Chengyu Xu Xiaoyan

( Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd, Shanghai, 200092 )

Large exhibition buildings, usually designed with huge space and complex structure, have a high-level public participation and mainly used for exhibition and education. In order to ensure the safe storage of exhibits and guarantee the quality of exhibition and education, the air conditioning system needs continuous operation. Besides, great energy demands for exhibition-lighting and building equipment terminals result in the overall high energy consumption. Therefore, the primary concern of exhibition buildings is to promote green energy-saving technologies and minimize energy consumption. Take a large science museum as an example, this article mainly focuses on four key design elements which are closely related to building energy consumption, namely efficient building envelope design, comprehensive utilization of renewable energy, energy-saving optimization of HVAC systems and passive daylighting design. By combining with the numerical simulation methods, green energy-saving technologies are analyzed in this article to explore their energy-saving potential and rationality.

Large Exhibition Buildings; Green Energy-saving Technologies; Numerical Simulation; Energy Consumption; Renewable Energy; HVAC Systems

TU201.5

A

1671-6612（2020）04-493-07

劉冰韻（1991.10-），女，碩士，工程師，E-mail：53lby@tjad.cn

2019-06-24