歐洲綠色校園近零能耗建筑設計策略分析
——以西班牙巴利亞多利德大學露西亞樓（UCIA）為例

謝孟舉 侯俊豪 單 峰 徐

近年來，在全球能源危機、環境惡化的背景下，各國建設低碳城市迫在眉睫。建筑業是城市能源消耗的主戰場，已成為節能減排的關鍵領域。我國校園建筑面積占城市建筑3%～7%，但其所消耗的能源卻占到建筑業總能源消耗的30%，其單位面積消耗是普通住宅建筑的5～10倍[1]。國外的研究也表明，大學實驗室的單位能耗比政府辦公樓的單位能耗高出3～4倍[2]。校園建筑的低能耗發展成為建筑行業節能減排的關鍵領域之一。同時，校園建筑的節能減排對于向學生及其家庭推廣建筑節能和提升民眾環境意識具有重要的教育意義。本文以歐洲校園中近零能耗建筑的實踐案例進行分析和總結，對我國校園建筑的綠色低碳發展具有很好的借鑒意義。

1 近零能耗建筑

1.1 定義

近零能耗建筑（Nearly zero energy building，簡稱：nZEB）一詞從提出到推廣，由于各個國家的氣候、政治、經濟條件的差異性，在各個國家其定義和內涵各有不同，各個國家設定了符合自己國情的近零能耗指標評價體系。我國2019年《近零能耗建筑技術標準》中這樣定義：“適應氣候特征和場地條件，通過被動式建筑設計最大幅度降低建筑供暖、空調、照明需求，通過主動技術措施最大幅度提高能源設備與系統效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適室內環境，且其室內環境參數和能效指標符合本標準規定的建筑。”[3]通過以上的定義可知：“近零能耗”建筑，并不是不消耗能源，而是通過利用各種節能設備和可再生能源，使建筑的產能與能耗盡可能達到平衡。

1.2 近零能耗建筑的發展

近零能耗建筑在發達國家，尤其是歐洲發展迅速。歐盟在2010年《建筑能效2010指令》中明確給出了關于建筑能效發展的階段性目標：逐步通過近零能耗建筑的普及，向零能耗建筑和產能房的目標邁進[4]。各個國家對近零能耗建筑的定義、評價依據、評價范圍等有所不同，但也有共同點：大多數國家都以一次能源作為評價指標，且以暖通空調、照明、設備負荷作為重要的評價項（表1）。

表1 各國近零能耗建筑評價特點

我國近零能耗建筑起步晚，發展相對滯后。我國于2019年9月，實施了《近零能耗建筑技術標準》，標準明確了我國近零能耗建筑的評價體系。同年，我國《綠色校園評價標準》頒布，綠色校園評價標準最重要的板塊之一就是節能和能源消耗，近零能耗建筑發展是綠色校園建設的重要支撐。

目前我國近零能耗建筑的發展主要還存在以下問題：①我國地域遼闊，氣候區多樣，缺乏針對不同氣候區可推廣的近零能耗建筑技術體系。②部分近零能耗建筑偏好高技，缺乏對被動式技術系統的整合應用。③多數建成的近零能耗建筑缺乏對全生命周期的能耗監控和系統評估，難以驗證其技術可行性及可推廣性。本文選取的歐洲校園近零能耗建筑作為歐洲近零能耗建筑的典范，其呼應地域氣候的主被動式技術與先進的管理控制技術，可為我國近零能耗建筑的實踐和發展提供參考。

2 西班牙巴利亞多利德大學露西亞樓

2.1 概述

露西亞樓（圖1）位于西班牙巴利亞多利德大學（University of Valladolid）內，建筑面積為7500m2。該地區屬于夏季炎熱的地中海氣候，夏季炎熱干燥，冬季涼爽多風、經常下雪。該建筑將被動式采暖和冷卻技術與光伏技術相結合，實現了更好的節能效果，在LEED（ Leadership in Energy and Environmental Design）認證中得分98分，是歐洲大陸地區排名第一的建筑[5]。該項目被視作近零能耗建筑在世界范圍內的杰出典范之一。

圖1 西班牙巴利亞多利德大學露西亞樓

2.2 被動式建筑設計

（1）被動式立面和剖面設計

建筑南立面的設計既有利于冬季太陽能收集，又能保證夏季有較好的遮陽效果。南立面中部形體表面由半透明的光伏玻璃模塊組成，從主墻體向外突出1.1m，這樣既保證了室內充足的自然采光，又能充分利用太陽能發電。南立面兩側的窗采用綜合遮陽的形式，綜合遮陽集合了垂直遮陽與水平遮陽的優點，對于各個角度與方向的陽光都有較好的遮陽效果。東西兩側采用“之”字形的外立面（圖2），將窗戶重新導向南面。窗戶進行了精心的遮陽設計：上部設置的混凝土板形成了自然的遮陽檐，能有效減少窗戶的陽光直射[6]。

圖2 “之”字形立面

建筑通過底層架空和通高空間的設計形成了具有獨特通風效應的建筑剖面（圖3），夏季涼爽的風可以通過底層架空的廊道輸送到中庭，形成良好的自然通風效應。

圖3 建筑剖面示意圖

（2）綠色屋頂設計

露西亞樓還有一個綠色屋頂設計。與傳統屋頂相比較而言，綠色屋頂具有更高的反射率，這大大增加了屋頂的熱阻，減少室外環境對室內熱舒適度的影響。同時對于室外環境，綠色屋頂能夠有效地調節環境微氣候，改善城市熱島效應[7]。

（3）被動式構造設計

建筑外墻采用內保溫墻體。墻體熱透射比為0.157W/m2K[5]，熱惰性大，很大程度上減少了室內外環境之間的熱傳遞，從而削弱外部環境溫度對于室內熱舒適度的影響。

建筑物的外窗進行了精心的設計，采用氬氣填充的雙層中空玻璃。氬氣相比空氣具有密度大，導熱系數小的特點，可以有效降低中空玻璃的傳熱系數。與傳統窗相比，雙層中空玻璃窗具有更好的保溫性能。

2.3 可再生能源利用

露西亞樓中的可再生能源比例為0.66[8]，是世界上最可持續的建筑之一。建筑物的可再生能源發電系統（圖4）將三種可再生能源巧妙地組合在一起，為建筑提供源源不斷的能源。

圖4 建筑物中使用的可再生能源系統

（1）太陽能

太陽能是地球可再生能源中最基本的也是最重要的能源。風能、海洋能、生物能等其他可再生能源的源頭都是太陽能。現階段，對于太陽能的利用主要通過光電利用和光熱利用兩種方式，光電利用是將太陽能轉化為電能，光熱利用是通過太陽能獲取熱能[9]。

該建筑為太陽能光伏建筑一體化提供了簡單的解決方案。太陽能光伏模塊被集成在玻璃內部，既不影響室內的自然采光，又能夠實現光伏發電。其中一組模塊（模塊1）被安裝在建筑的南立面，作為通風玻璃幕墻系統（圖5），其他三個模塊（模塊2，模塊3和模塊4）安裝在天窗（圖6）。太陽能光伏提供了露西亞樓所需的12% 的電能（年均980 kWh）[8]，有效減少了CO2排放（表2）。

表2 建筑中安裝的光伏系統模塊參數

圖5 立面光伏模塊內部透視圖

圖6 屋頂光伏模塊內部透視圖

（2）生物質能

生物質能是化學能，具有可存儲、可運輸、適應性強、經濟性強等特點。對其高效利用開發， 對解決能源、生態環境問題將起到十分積極的作用。對于生物質能的研究與開發，主要有生物轉化、物理轉化、化學轉化三大類，涉及到的技術有氣化、固化、液化、熱解、和直接燃燒等相關處理技術[10]。

露西亞樓采用氣化處理技術來運用生物質能。生物質鍋爐（圖7）將燃料進行氣化處理產生熱量和氣體。熱量直接應用到建筑物的空調和通風系統中以調節室內的熱舒適。氣體被引入到5臺內燃機（圖8）進行發電為建筑物提供電能。生物質鍋爐每小時消耗生物質100～125kg，產生100～130Kw·h的電能和200～220Kw·h的熱能[11]。它以木屑為燃料，充分利用了當地豐富的森林資源。

圖7 生物質鍋爐

圖8 內燃機

（3）地源熱能

作為清潔能源的地源熱能，具有儲量大、分布廣、穩定的特點，受到建筑領域的關注。地熱資源根據分布位置的不同分為淺層地熱資源、水熱型地熱資源、中層地熱資源[12]。利用地熱能有兩種方式：一種是發電；另一種是地熱水的直接利用和地源熱泵供熱、制冷。

露西亞樓采用了地源熱泵技術，其通過土壤空氣熱交換器（Earth to Air Heat Exchanger，簡稱EAHX，圖9）對地熱能源進行利用。EAHX有52口長16m、直徑200mm的井。EAHX集成在露西亞樓下面粘土中，黏土的熱值為0.8 kJ/（kg·℃），密度為2700 kg/m3，導熱系數為2.9 W/（m·℃）[8]。因為土壤的體積足夠大，在運行期間顯著降低了建筑能源需求，并且不會出現地面熱飽和的風險。同時，該建筑的地熱能系統通過SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）進行焓控制，目的是最大程度地回收能量，以提高系統效率。

圖9 EAHX系統（從外側（左）和內側（右）觀看）

2.4 主動式節能設備

（1）采光設備系統

建筑中使用的各種特殊的設備也為建筑的節能減碳提供了更多的可能。南立面采用了大面積的半透明光伏立面墻，占墻總面積的46%，能夠將大量的自然光引入室內。人工照明設施采用高效節能燈，建筑中各個區域的燈光每時每刻的照度水平和人工照明的比例都能根據需求自由控制。

（2）復合通風系統

自由冷卻、熱回收系統和地熱交換器都是建筑中實施的策略，都能提高通風系統的能源效率。通風系統根據不同的情況有多種運行模式，可以利用EAHX系統和地熱能回收系統，也可以不利用，甚至自由冷卻。地熱能系統通過監控和數據采集系統進行焓控制，不僅能夠更多地回收能量，還有助于提高通風系統的效率[5]。

（3）熱電聯產系統

熱電聯產系統（圖10）是由經過氣化過程的生物質能進行供給，然后將氣體引入五臺內燃機進行發電和生產熱能，這些能量用來滿足建筑加熱或制冷需求。另外，還有兩個標準生物質鍋爐用作建筑的輔助加熱系統，只有在建筑的供熱需求超過一定輸出功率時運行。熱回收裝置的運行，能夠實現暖通空調系統61%的熱回收，剩余部分有一臺生物質鍋爐供應。該系統與復合通風系統一起提供制熱和制冷，熱量通過建筑中的4個管道風機進行管理[5]。露西亞樓的電能生產基于100%光伏發電和熱電聯產系統，整個系統是并網的。

2.5 先進的管理和控制系統

露西亞樓在運行過程中由一個名為DESIGO的先進控制管理系統進行控制。該系統基于監控和數據采集（Supervisory Control and Data Acquisition）技術軟件在建筑運行期間可以對暖通空調、電力、舒適度、室內空氣質量、警報等進行優化管理，確保能源高效利用。它還可以對建筑物進行預測監控，以維持和預測設施能源需求。

結語

在全球變暖與能源危機的大背景下，近零能耗建筑的推廣和發展已經在世界范圍內逐漸展開。同時，隨著各種建筑節能技術的不斷升級更新，為近零能耗建筑的發展提供了更多的機遇和可能。

西班牙巴利亞多利德大學露西亞樓作為近零能耗建筑的典型代表，其集合了近零能耗建筑基本的技術手段：①被動式建筑設計；②可再生能源利用；③主動式節能技術；④先進的管理和控制系統。在保證室內環境熱舒適的條件下，不僅利用各種被動式的建筑設計策略和主動式節能設備減少建筑物的使用能耗，提升能源利用效率，同時充分利用太陽能、生物質能和地熱能可再生能源為建筑供能。露西亞樓從設計到建造，再到后期的運行，始終將“可持續”理念貫穿于整個建筑的建設決策、設計、管理及后期的運行等各個階段。盡管它建成使用已十幾年，但時至今日它在歐洲乃至全世界范圍內依舊是非常成功的實踐案例。

我國建筑正處于綠色建筑高速發展期，校園建筑作為城市中量大面廣的類型之一，發展校園近零能耗建筑是綠色校園發展的必然趨勢。西班牙巴利亞多利德大學露西亞樓的近零能耗實踐與經驗，對我國的近零能耗建筑實踐具有重要的借鑒和參考意義。

資料來源：

圖1：https://www.construction21.org/espana/data/sources/users/882/images/lucia-1.jpg；

圖2：http://gruposanjose.biz/data/foto/gran_1527181259_1485795880.jpg；

圖3～4：為作者繪制；表1為作者自制；

圖5～6：來自參考文獻[8]；

圖7～9，表2：來源于網絡。