大型超低能耗公共建筑設計策略及技術路徑—上海自貿區臨港新片區 PDC1-0401單元H01-01地塊項目

燕 艷，孫 斌，沈蔚偉，潘嘉凝，徐 悅，陳家樂（上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041）

1 大型公建實施超低能耗建筑的意義

2020年9月，我國提出“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更為有利的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和”。根據《2021 年全球建筑和建造業狀況報告》，建筑建造行業碳排放占比為 37%；《中國建筑節能年度發展研究報告 2020》顯示，我國建筑行業碳排放總量占總碳排放的35%。無論是從全球還是全國的數據來看，建筑行業碳排放占比約為碳排放總額的 1/3 左右。可見，實現雙碳目標，建筑行業低碳化發展勢在必行。

由于使用功能復雜、人員密度大、空調系統復雜等原因，目前全國達到超低能耗建筑的多為不超過 2 萬 m2的小體量公建，大型超低能耗公共建筑的實踐還處于空缺的狀態。大型公建的運行往往有著大量的能耗和較高的碳排放，因此通過設計方法和技術手段，設計低能耗的公共建筑，節能減排效益將更加明顯，對推進建筑低碳化發展有著重要意義。

2 項目概況及設計目標

本項目（圖 1）位于上海自貿區臨港新片區 PDC1-0401單元 H01-01 地塊，世界頂尖科學家社區（WLA科學社區）規劃用地西北角，建筑如同雙翼向城市展開，抽象提取振翅欲飛的勢態，起伏的光伏屋面，與建筑渾然一體，表達“展未來之翼，聚科技之光”美好愿景。項目由上海諾港會展有限公司建設，上海建筑設計研究院有限公司擔任建筑設計及超低能耗全過程咨詢。

圖 1 項目效果圖

項目積極響應國家“碳達峰、碳中和”目標，響應上海市 2021 年節能減排降碳重點工作安排，落實臨港新片區管委會的要求，以三星級綠色建筑標準、高預制裝配率要求進行設計建造，并進行可再生能源建筑一體化設計，打造低能耗低碳排的高品質建筑。項目團隊在設計全過程中進行多方案對比，在保證室內外舒適度及建筑品質的基礎上，兼顧建筑美學和技術科學，最終達到綠色三星、超低能耗的標準要求。

工程包括 1 座多層會議中心、1 座五星級酒店和 1 座公寓式酒店，總建筑面積 227 082.18 m2，容積率 1.8，建筑密度 51.79%，綠地率 10.5%，酒店塔樓 23 層，建筑高度99.9 m，裙房 5 層。其中五星級酒店和公寓式酒店部分為超低能耗實施范圍，建筑面積為 97 264.89 m2，建筑結構形式為鋼框架-中心支撐結構。

3 超低能耗建筑設計策略

項目目標定位較高，全專業設計咨詢團隊緊密配合，把技術要求和設計理念高度融合，共同制訂設計策略。

3.1 以健康舒適為前提

作為世界頂尖科學家論壇會址用途，項目對建筑品質有著極高的要求，保證室內外環境安全、健康、舒適是設計首要前提。因此在制訂超低能耗策略時，以建筑健康舒適為基礎，尊重各功能空間的使用特點和使用需求，將自然采光、自然通風、室內熱濕環境控制、室內空氣品質等放在首要位置，在此基礎上探索合理的超低能耗技術路徑，而非一味追求高節能率而犧牲建筑品質。

3.2 以節能減排為目標

超低能耗建筑要求一次能源消耗量降低 50% 以上，這對大型公共建筑有著極高的難度。團隊從方案創作開始對建筑方案進行多輪優化，對關鍵技術進行反復比選，通過建筑氣候響應設計、建筑體形系數和窗墻比的測算比較、不同朝向的外遮陽設計、圍護結構熱工性能優化設計、機電系統能效提升優化設計、可再生能源建筑一體化設計等，實現節能減排的目標。

3.3 技術和藝術的融合

在方案創作過程中充分發揮建筑師的主觀能動性，將綠色、節能、低碳理念融入設計理念，并貫穿設計全過程，充分融合工程、技術與藝術，打造美的、健康舒適的、綠色低碳的高品質建筑。

4 超低能耗建筑技術路徑

本項目實現超低能耗建筑主要技術路徑包括氣候響應設計、高性能圍護結構、高效機電系統、可再生能源利用等。

4.1 氣候響應設計

上海地處夏熱冬冷地區，需滿足保溫、隔熱設計要求，重視自然通風及遮陽。項目所在的臨港地區位于浦東新區東南，潮濕多風，設計時需要充分分析場地微氣候，順應并引導室內外環境設計，優先選用簡單實用的低成本技術措施。

4.1.1 場地布局優化設計

項目包含酒店及會展功能，場地總體布局的不同，會對場地微氣候帶來較大影響。設計中將酒店和會展沿軸線拉開，連接部分設置為架空連廊，保持人行區域良好的風環境的同時，兼顧酒店和會展的采光需求。同時酒店設置于地塊南側，并將酒店裙房設計為南向退臺式，順應夏季主導風向，并引導環境風，減少場地風速過大或出現旋渦區的情況，保證 1.5 m 處行人可感知風環境區域的人體舒適度。

4.1.2 建筑窗墻比優化設計

建筑窗墻比對建筑能耗和建筑采光都有較大的影響，因此合理選擇窗墻比是超低能耗建筑設計的重點。本項目根據不同功能房間進行建筑外立面虛實比例設計，尤其是客房部分，在考慮星級酒店的自然采光和視野舒適性需求的同時，兼顧超低能耗建筑空調負荷降低和能耗降低的要求。通過對不同立面、不同窗墻比的設計方案進行能耗及采光的計算分析，最終確定各朝向平均窗墻比約為 0.5 左右的建筑設計方案。

由于功能需要，裙房進深較深，為改善其自然采光和通風，采用了結合天窗的采光中庭優化設計方案，改善了大進深空間內區的自然采光。同時由于天窗會造成夏季空調負荷增加，在天窗玻璃的選擇上進行了優化，通過采用光伏玻璃，在不影響天窗采光的情況下，一方面降低了空調負荷，一方面實現了建筑光伏一體化設計。室內自然采光模擬分析如圖 2 所示。

圖 2 室內自然采光模擬分析

4.1.3 外遮陽優化設計

夏熱冬冷地區的氣候特點，決定了設置建筑外遮陽的重要性和必要性。本項目將建筑外遮陽構件作為建筑造型的有機組成部分，使其成為立面的重要元素，進而將建筑外遮陽和建筑立面設計相結合，豐富建筑立面，賦予建筑鮮明的特點。

酒店塔樓客房外立面順應建筑造型設計，在滿足室內采光的基礎上設置水平外遮陽，在保證客房采光的同時，降低客房夏季太陽輻射得熱，實現節能及采光的最優化設計。裙房每層設置大挑檐，將外遮陽構件與屋頂空間復合化設計，在增加屋頂綠化面積的同時，利用挑檐形成外遮陽，降低太陽輻射得熱，減少能耗。

4.1.4 自然通風優化設計

開啟扇的設置對建筑立面效果和成本都有較大影響，為此項目從方案階段開始就進行建筑風環境模擬分析，確定利于室外風順利進入室內的開啟扇設置位置，并跟隨項目進程，配合立面造型及平面功能進行調整，從而滿足室內換氣 次數的需求。

4.2 高性能圍護結構

采用高性能的外圍護結構，提高建筑圍護結構的保溫隔熱性能和氣密性能，可以有效降低建筑的氣候敏感性，減少建筑內冷量熱量的損耗，優化室內熱濕環境和光環境，降低建筑的運維成本，為使用者創造舒適高效的工作和生活環境。

4.2.1 圍護結構熱工性能提升設計

本項目裙房為幕墻體系，外立面采用鋁板幕墻結合玻璃幕墻，塔樓為窗墻體系，外墻外飾面采用鋁板幕墻。根據外立面特點，通過保溫材料及保溫做法比選，確定巖棉板作為外墻外保溫材料，屋面保溫材料采用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料，外窗（透明幕墻）采用斷熱鋁合金型材、低輻射三玻兩腔玻璃。

4.2.2 氣密性處理

本項目在節點設計上打破常規做法，采用防水透氣膜、防水隔汽膜對關鍵節點進行創新設計，盡可能阻斷熱橋并提高圍護結構整體的氣密性和水密性，預期實現建筑氣密性符合室內外正負壓差 50 Pa 條件下換氣次數每小時不超過 1 次（n50≤1 次/h），從而減少滲漏損失，有效地提高建筑的氣候適應性，優化室內熱濕環境。

4.3 高效機電系統

高效的機電系統決定了建筑的運行能耗大小，本項目在機電系統能效、設備效率等方面均進行優化設計，進而實現供暖空調及新風系統的最優節能方案。

4.3.1 冷熱源系統選擇

冷源采用磁懸浮變頻離心式冷水機組，設備效率達到GB 19577-2015《冷水機組能效限定值及能效等級》中的1 級能效要求；熱源采用燃氣真空熱水鍋爐，鍋爐效率不低于 94%。生活熱水由真空熱水鍋爐和高溫熱水熱泵機組組合供應。高溫熱水熱泵機組用于夏季及過渡季節回收空調冷卻水的熱量，并用于酒店客房部分生活熱水加熱。

4.3.2 空調輸配系統

空調風機達到 GB 19761-2020《通風機能效限定值及能效等級》所規定的 1 級能效，空調水泵能效達到《清水離心泵能效限定值及節能評價值》中 1 級能效的要求。經過管路優化，空調水泵的耗電輸冷（熱）比相比于現行國家標準 GB 50736-2016《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》降低 20% 以上。冷卻塔風機采用變頻控制，根據冷卻塔岀水溫度控制風機轉速。

4.3.3 空調風系統

空調機組、新風機組均采用粗效過濾 G4+ 駐點電極中效過濾 F7。人員密度較高且隨時間變化大的區域設置室內空氣質量監控系統，對室內的二氧化碳濃度進行數據采集、分析，新風量根據二氧化碳濃度進行變新風調節，以節約新風能耗。

新風系統集中設置，并采用熱回收，同時設置旁通管。熱回收裝置納入 BA 系統自動控制，通過監測室內外焓差，進行啟停控制。室內外焓差較小時，新風可直接進入空氣處理裝置。

4.3.4 電氣節能

項變電所設置于建筑內地下一層，緊靠負荷中心，選用低損、低噪、高效、且符合國家環保要求的節能型干式變壓器，達到變壓器一級能效要求。

照明光源優先選用發光二極管（LED）燈，且選用LED 照明產品的光輸出波形的波動深度滿足現行國標 GB/T 31831-2015《LED 室內照明應用技術要求》的規定。配套公共設施、地下車庫、走廊、樓梯等公共部位照明光源主要采用 LED 燈等節能型光源。并對照明系統進行經濟實用、合理有效的控制設計，進而實現降低照明能耗的目標。

4.4 可再生能源利用

太陽能光伏在建筑中的應用往往面臨著發電效率與建筑效果的選擇。本項目結合建筑整體造型，通過對不同光伏產品的發電效率、產品特性以及與建筑造型的結合美觀性等進行對比，選用了薄膜光伏系統。

通過對不同時刻陰影遮擋下的表面太陽能輻射資源情況進行分析對比，對適合布置太陽能光伏的區域進行選擇，并利用 BIM 輔助設計進行太陽能光伏建筑一體化設計，最終實現建筑美學與科學技術的高度統一。

將光伏板設置于北側會展的金屬屋面和南側酒店裙房的采光中庭屋頂上，面積約 1.4萬 m2。采光頂玻璃為三玻兩腔鋼化超白玻璃，電池芯片位于外側的雙玻夾片中，可有效吸收太陽輻射得熱，起到隔熱作用。

4.5 關鍵性能控制指標

本項目達到《上海市超低能耗建筑技術導則（試行）》及 GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術標準》中超低能耗公共建筑的要求。關鍵性能控制指標見表 1。

表 1 關鍵性能控制指標

5 結 語

本項目旨在營造低碳健康的建筑環境空間，大幅降低供暖、空調、照明、電梯等用能需求，推進空間節能和設備系統節能的融合，在提高室內舒適性的同時降低建筑碳排放，達到綠色三星、超低能耗的高標準要求。

大型公建的超低能耗建筑設計，需要全專業設計團隊的緊密配合才能完成，以節能減排為目標的設計模式或將引起建筑設計的思維轉型。通過組織完整的設計團隊，制訂合理的設計策略和技術路徑，超低能耗建筑可以是健康舒適的、綠色低碳的、兼顧建筑美學與技術科學的高品質建筑。

本項目設計策略和技術路徑可為上海乃至全國大型公建所借鑒，項目的實施對建筑行業實現雙碳目標具有重要意義。