近零能耗公共建筑設計中的一些體會
——以山西綜改區“新源智慧建設運行總部A座”為例

翟帥奇

（山西省建筑設計研究院有限公司，山西太原 030013）

0 引言

近零能耗建筑是通過被動式設計，通過加強外圍護結構的保溫隔熱性能，并利用可再生能源，以及先進的能源回收技術來實現最少化的建筑產能。在現有建筑節能標準上通過節能設計和高效運行，使建筑室內環境舒適，能耗強度大幅度降低。夏熱冬暖和夏熱冬冷地區居住建筑節能75%以上，公共建筑節能60%以上，嚴寒和寒冷地區建筑不再需要傳統的供熱方式，居住建筑建筑節能60%以上，公共建筑節能70%以上，是未來建筑節能減排的重要途徑。

1 項目概況

山西綜改示范區，由山西省省會太原市和晉商故里晉中市等8個國家級、省級產學研院區組建而成，并向南向北擴展，規劃面積600km2，是省委、省政府落實習近平總書記賦予山西“建設國家資源型經濟轉型綜合配套改革試驗區”這一重大歷史使命做出的戰略決策，擔負著為山西加快轉型升級、創新驅動、實現高質高速發展探路領跑的重大任務，是山西深化轉型綜改的主戰場、主引擎。

新源智慧建設總部A座項目位于山西省太原市山西轉型綜合改革示范區瀟河產業園區太原起步區核心區，為“五大中心”核心區，建設用地定位為藝術商業街區，南側及北側均為商業地塊，以城市風貌為主要界面。西側為城市綠色生態帶以步行體系為主。東側為城市真武東路。總建筑面積14353m2，其中地上建筑面積13080m2，地下建筑面積1273m2。坐北朝南，寬約72.5m，長43.0m，地上5層，地下2層。地下一層為設備用房、職工餐廳、車庫，地上一層為陳列室、大堂、接待室、消控值班室等，地上二層為多功能廳、附屬管理用房等，地上3～5層為工程管理用房。所有房間均考慮中央空調，夏季制冷，冬季采暖，冷熱源為地源熱泵。近零能耗區域主要為地上區域。

2 項目簡介

本工程為山西省首例近零能耗建筑，近零能耗建筑在建筑布局、朝向、體形系數等方面均體現節能理念和特點，注重與氣候的適應性。使用保溫隔熱性能更高的圍護結構，無熱橋的設計與施工等技術，提高建筑整體氣密性，降低供暖需求。使用活動外遮陽、自然通風等技術，降低建筑在過渡季和供冷季的供冷需求。建筑的暖通空調、照明和電氣系統優先使用能效等級更高的系統和設備。通過建筑被動式設計、主動式高性能能源系統的應用，最大幅度減少化石能源消耗[1]。

3 建筑方案設計

遵循“高定位、精設計、嚴施工、智運行”的原則，從建筑方案設計階段，即采用性能化設計方法，建筑設計充分考慮周邊環境，兼顧體形系數的條件下，采用合理的建筑布局，結合自然采光、自然通風等因素，對建筑內中庭環境進行優化，使得建筑內各功能區間均能達到優越的舒適性能的同時不增加能耗。

建筑根據建筑不同方位，采用冬季得熱的技術措施，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。

為最大限度提升建筑內各區域的自然環境舒適度，采用中庭+天窗的結構，在方案設計階段，建筑遮陽作為必要的節能措施，充分結合建筑日照條件確定建筑遮陽和照明的相關控制策略，優化建筑節能措施[2]。

4 設計策略

太原市屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，日照充足，太陽能資源豐富。夏季相比同緯度之華北平原地區較為涼爽，很少出現高溫天氣，晝夜溫差大。冬季較為寒冷。全年大部分時間濕度適宜。

根據氣候特點分析，總結適宜當地氣候的近零能耗建筑節能策略如下。

（1）冬季寒冷且采暖，因此外保溫、門窗保溫性能及新風熱回收對于節能非常重要。

（2）冬季南向太陽得熱最多，建筑應采取正南北向布局，并在南向盡可能開大窗。

（3）北向冬季太陽得熱少，且朝向主季風風向，容易散失熱量，應盡可能減小開窗面積。

（4）夏季較為涼爽，晝夜溫差大，且濕度適宜，因此在夏季及過渡季應盡可能更多的利用自然通風降溫，設置中庭利用煙囪效應加強通風效果。

（5）增加室內蓄熱表面，選擇蓄熱能力強的材料作為室內裝飾材料（如石材），高蓄熱能力的材料可以在白天吸收室內多余的熱量并在夜晚溫度低的時候釋放出來，平衡室內晝夜負荷差異。

（6）夏季主導季風為南風，綠色庭院與中庭形成通風廊道，引導夏季季風穿過建筑的中庭帶走室內多余的熱量，起到夏季被動降溫的作用。

（7）中庭上空的太陽能光伏板收集太陽能發電，夏季太陽高度角較高的時候反射部分太陽光線以減少進入建筑內部的熱能[3]。

5 項目關鍵技術應用

5.1 新型外墻保溫系統

外墻采用新型裝配式高效保溫墻體，外墻保溫一體化設計使用150mm厚ALC墻板+210mm厚發泡聚氨酯+預制鋼筋混凝土復合墻板（46mm厚擠塑板+50mm厚勁性混凝土保護層），傳熱系數為0.14。屋面設350mm厚擠塑板保溫層，傳熱系數為0.1。地下室頂板設200mm厚巖棉保溫層，傳熱系數為0.22。

5.2 外門窗及幕墻構造體系

外門均采用被動式門窗。其中外窗、玻璃幕墻均采用德國被動房研究所（PHI）認證產品。

外窗采用玻纖增強聚氨酯窗6Low-E+18Ar暖+6+18Ar暖+6Low-E（全鋼）三玻兩腔鋼化中空玻璃，傳熱系數為0.91。玻璃幕墻采用隔熱鋁合金玻璃幕墻6雙銀Low-E+18Ar暖+6+18Ar暖+6Low-E（全鋼）三玻兩腔鋼化中空玻璃，傳熱系數為0.88。

屋頂天窗采用隔熱鋁合金玻璃幕墻6雙銀Low-E+18Ar暖+6+18Ar暖+6Low-E+1.52PVB+6四玻兩腔鋼化中空夾膠玻璃，傳熱系數為0.88。

5.3 連續氣密層設計

近零能耗控制區域采用連續氣密層體系，建筑墻體和關鍵節點滿鋪氣密膜，建筑整體氣密控制目標為室內外50Pa壓差下，建筑換氣次數為0.6次/h。外側鋪設防水透汽膜，防止室外水汽滲入。建筑氣密性小于1.0，保證外墻保溫性能，保證隔音效果，防止結露產生的建筑損壞，降低通風熱損失[4]。

5.4 高性能遮陽體系

本建筑設有多種建筑遮陽裝置，遮陽裝置在不影響采光和自然通風的情況下，最大限度地減少了太陽輻射，降低了夏季空調能耗。在東、西向窗洞外側設置升降百葉可調節外遮陽卷簾，結合立面設計在南、東、西向窗戶外側設置了固定水平遮陽百葉；屋頂天窗內側設置電動可調節內遮陽百葉。

5.5 斷熱橋處理

熱橋是指圍護結構中傳熱能力較強，熱流比較密集，能量損失明顯高于附近區域的部位。幕墻龍骨與主體連接處采用隔熱墊塊斷熱橋構造。窗戶與墻體連接部位采用隔熱墊塊斷熱橋構造。設備管道穿墻部位和電線穿墻采用局部巖棉保溫封堵，實現斷熱橋處理。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，同時結合聚氨酯發泡層，實現斷熱橋安裝。女兒墻、地下室頂板、外挑構件部位均采用斷橋錨栓固定保溫材料，實現斷熱橋安裝。

5.6 自然通風優化設計

本建筑著重優化中庭結構設計，增加整體自然通風效果。同時考慮充分利用太原地區當地夏季夜間氣溫和相對濕度較低的自然條件，結合智能化控制系統的應用，利用自然通風，在過渡季節或夏季夜間，自動打開采光天窗，熱氣流上行，建筑物內形成自然通風效應。增加了夜間外窗和頂部天窗自動開啟功能，實現夜間自然通風冷卻，降低建筑冷負荷。

5.7 高效熱回收系統

采用溫濕度獨立控制系統（干式風機盤管+內冷式雙冷源新風機），新風機組夏季高溫冷源由高溫冷水機組提供，對新風進行預冷；低溫冷源由內置壓縮式制冷系統提供，對新風進行進一步冷卻除濕，并利用冷凝余熱對送風進行再熱，保證送風溫度滿足舒適要求。

新風系統選用內冷式雙冷高效熱回收新風機組，顯熱回收效率不低于75%，全熱回收效率不低于70%。高效的內冷式雙冷源熱回收除濕機組進行全熱回收，冬季全熱回收效率不低于70%，夏季全熱回收效率不低于80%。

5.8 屋頂光伏技術

本項目結合建筑造型和屋面條件，配置了588m2的屋頂太陽能光伏，可以提供建筑所需電能的3.01%。94kW×4.2h（每天）=394.8kW·h，A座用電量1189kW·h，由可再生能源提供電量比例Re=3.01%。光伏發電能夠滿足公共區域照明、室外景觀照明及A座樓體亮化的需求。

5.9 低溫熱源、高溫冷源應用

采用中深層無干擾地熱技術為本項目提供穩定、可靠的供熱熱源，清潔環保、高效節能、解決了回灌和冷熱平衡問題，進一步降低建筑的一次能源消耗。變頻高溫冷水機組（16～21℃）的應用大幅提高了冷水機組的COP值，最大限度降低建筑的供冷能耗。

5.10 溫濕度獨立控制系統（新風+干式風機盤管）

采用溫濕度獨立控制系統（干式風機盤管+內冷式雙冷源新風機），新風機組夏季高溫冷源由高溫冷水機組提供，對新風進行預冷；低溫冷源由內置壓縮式制冷系統提供，對新風進行進一步冷卻除濕，并利用冷凝余熱對送風進行再熱，保證送風溫度滿足舒適要求。

新風系統選用內冷式雙冷源高效熱回收新風機組，顯熱回收效率不低于75%，全熱回收效率不低于70%。

干式風機盤管由能源島提供16～21℃高溫熱水承擔室內顯熱負荷。盤管回風口設置復合空氣凈化器，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。

大幅提高了冷水機組效率及系統整體節能率；通過新風深度除濕，保證空調末端干工況運行，杜絕室內潮濕表面，防止滋生霉菌等微生物，減少“病態建筑綜合癥”、“軍團菌”及各種空調傳播疾病，有效保證室內空氣品質；可精準控制送風含濕量，維持室內濕度控制要求，適應房間熱濕比的變化，濕度控制系統如圖1所示。

圖1 濕度控制系統

5.11 直接數字式集中監測控制系統

室內環境監測：設置室內溫度、濕度（可計算露點溫度）、窗戶啟閉狀態、細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、人員密度區二氧化碳濃度監測；空調系統監測：對冷熱源、新風機組、風機盤管等運行狀態、實時能耗及綜合能耗進行集中監測和控制，保證系統合理運行，節約能源[5]。

5.12 高精度模型節能分析

本建筑地上部分建筑綜合節能率比《公共建筑節能設計標準》（GB 50189—2015）降低61.78%，建筑的本體節能率達到45.52%，可再生能源利用率達到29.86%，建筑氣密性小于1.0，滿足近零能耗公共建筑相關指標要求，建筑節能率計算結果如表1所示。

表1 建筑節能率計算結果 單位：kW·h/m2a

6 結語

新源智慧建設運行總部A座在不設傳統采暖設施而僅靠太陽能輻射、人體散熱、室內燈光、電氣散熱等自然得熱條件下，室內冬季溫度能達到20℃，夏季具有必要的舒適度。實現恒溫、恒濕、恒靜、恒潔、恒氧的健康環境；而且在建造和使用過程中最大幅度降低了資源和能源消耗，減少環境污染，實現經濟、社會和環境效益的可持續發展。