超低能耗建筑節能技術應用與模擬驗證

超低能耗建筑是在建筑用能系統上大幅度降低照明、空調、供暖等系統消耗量，通過相關方案和優化技術提高能源設備和系統的節能率。隨著邁入“十四五”規劃時期，綠色生態城區建設要求也隨著相關規劃政策的更新而逐步提升綠色生態要求，如超低能耗建筑發展、城市數字化轉型、屋頂分布式光伏開發試點等等。因超低能耗建筑能夠極大降低建筑碳排放，在“雙碳”目標的基礎下，此方法是建筑領域達到“碳達峰”及“碳中和”的關鍵途徑。

1 超低能耗建筑現狀

超低能耗建筑作為先進建筑節能理念，正在被多位研究學者和國家積極倡導。自 2010 年開始，住房和城鄉建設部汲取德國的被動房理念，在不同地區建設超低能耗建筑示范項目，獲得了良好的示范效果和應用成果。2014 年，張小玲博士為中國被動房的結構提出了五個被動式建筑設計原則術語：緊湊型、無熱橋、自然通風、自然采光以及氣密性設置[1]。2019 年，四川大學錦城學院李瑩和李茜提出目前我國對被動房建筑認知不足，實際施工時設計和施工標準無法達到標準[2]。蘇媛等人分析日本既有綠色節能建筑改造技術，總結日本既有綠色節能建筑發展模式，為我國構建綠色節能建筑改造提供借鑒[3]。

推廣超低能耗建筑技術的運用是上海市在建筑領域實現“雙碳”戰略的一項核心舉措，上海市松江區自從超低能耗建筑節能相關技術導則頒布以來，屬地管理部門一直致力于推廣超低能耗建筑在新建建筑領域的運用。超低能耗建筑作為一項仍未被廣泛應用的技術在市場化的推進中仍有一定阻礙，超低能耗技術在新建建筑中的運用會增加項目的建設成本和延長項目的建設周期。在松江區屬地管理部門的積極籌劃和宣傳以及大力的鼓勵支持，上海市松江區某住宅項目目前已經通過相關技術評審。作為松江區首個超低能耗建筑，按照松江新城建設全新的發展定位和發展理念，實現了超低能耗技術的應用，完成了屬地區域新領域的突破。本文將會深入分析該項目的技術路線和技術難點，為同類新建建筑在超低能耗技術的運用上提供參考。

2 案例簡介與節能技術應用分析

上海市松江區某住宅項目規劃用地面積 73 516.10 m2，總建筑面積為 146 191.74 m2，容積率為 1.2，綠地率為 35%。其中，21 號、22 號、24～30 號樓為本文的節能技術分析和模擬對象：共計 9 棟單體建筑，合計 490 戶，建筑面積為 44 739.58 m2。

2.1 圍護結構技術設計

建筑圍護結構性能改善是減少空調供冷、暖負荷的關鍵路徑，能夠極大地提高建筑物室內的健康舒適性[4]。為滿足超低能耗建筑的高標準氣密性要求，本項目以控制建筑的整體氣密性為設計目標，如表1 所示。氣密層為墻體內側抹灰層。整個建筑和每個家庭類型都有一個不間斷完整的氣密層、覆蓋所有采暖范圍；通常外門窗洞口與墻體連接處是整個建筑氣密性較為薄弱的環節。針對這一部分，本項目在室內采用了防水隔汽膜、室外采用防水透氣膜進行了差異化處理。在管道穿越建筑主體處，為了進一步提升建筑氣密性，本項目還在管道穿越建筑結構墻體處的縫隙進行了瀝青油麻填充并用密封膠密封處理。本項目地處夏熱冬冷區域，屋頂受到太陽輻射較顯著，屋頂節能會有效地降低空調耗能，改善室內熱環境，影響室內外熱對流及輻射的能力。屋頂保溫材料選用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板(XPS)，傳熱系數為 0.29 W/(m2·K)。外墻保溫是超低能耗建筑圍護結構的重要措施之一[5]，住宅外墻的平均傳熱系數為 0.390 4～ 0.391 2 W/( m2·K)，采用保溫與結構一體化措施，結合裝配式建筑的需求，項目戶型PC墻體采用硅墨烯反打保溫外墻系統，非 PC 墻體采用現澆混凝土硅墨烯免拆保溫模板一體化墻體系統。外窗和陽臺玻璃門采用預埋非金屬材質節能附框進行斷熱處理，附框采用嵌入式安裝；建筑遮陽依據朝向特點采用中置活動百葉遮陽和建筑自遮陽相結合的形式設計；戶門采用具有良好保溫性的節能外門，氣密性達 7 級。

表1 圍護結構節能措施一覽表

2.2 供暖空調與新風系統設計

合理設計空調與新風系統，以舒適、高效、降低能耗為目的的同時還具有節省空間，減少風口數量，優化管道布局等諸多優勢[6]。本項目采用一級能效的空氣源二聯供機組，作為多聯式空調系統室內機的冷源及低溫熱水輻射采暖系統的熱源，滿足一級能效要求。

本項目位于夏熱冬冷地區，在冬季和夏季利用熱回收技術可以有效降低空調運行負荷，從而實現降低能源消耗的目標。而過渡季節，充分利用自然通風又是常見的被動式節能措施，可以減少空調系統運行時間，降低能耗。綜合考慮上述情況，本項目餐廳、起居室和臥室都配備了可開啟的窗扇進行自然通風，同時新風機組選擇了帶旁路功能的熱回收新風機組，焓回收效率為制冷＞65%，制熱＞70%。在新鮮空氣和排氣管道中設置回流出口，并設置止回閥以確保建筑物的氣密性。

2.3 電氣節能設計

在節能減排的形勢下，LED 燈具的使用為照明設計提供了一種新的途徑，是實現建筑節能減排目標的重要途徑之一[7]。本項目照明系統全部使用 LED 燈具，全屋的照明功率密度均以小于 3.5 W/ m2的標準進行設計。電梯采用高效節能馬達的 VVVF 低能耗變頻變壓曳引機，能耗較低，有助于降低經營成本，減少項目碳排放。

2.4 生活熱水供應系統設計

空氣源熱泵用途廣泛、安全環保、科技節能、運行費用低，2014 年以來，諸多地區逐漸將空氣源熱泵納入清潔能源范疇[6]。不同于傳統居住建筑采用燃氣式熱水器，本項目為所有住戶配備了空氣源熱泵熱水機組，可再生能源利用率達100%。同時為了確保項目所在地冬季極端氣候下的熱水供應，所配備的空氣源熱泵機組具備輔助電加熱功能。生活熱水設計標準為：用水量為 40 L/(人·d)（60 ℃ 熱水），計算冷水溫度夏季 15 ℃、冬季 5 ℃。設備安裝于設備平臺或陽臺，有墻體結構隔音，同時風口向外安裝，設減震墊，可有效控制設備噪聲。

3 綜合效益分析

3.1 能耗分析

本項目采用《超低能耗建筑標準化配套工具應用》課題成果軟件進行模擬分析。表2 為模擬計算結果。

表2 模擬計算結果 單位： kWh / (m2·a)

由表2 模擬計算結果可知，全年每平方米累計耗熱、耗冷量以及一次能源消耗量均滿足《上海市超低能耗建筑技術導則（試行）》的指標要求。上海目前新建建筑一次能源消耗量為 100 kWh/(m2·a) ，本項目一次能源消耗量≤60 kWh/(m2·a) ，按照上海市現行節能設計標準 DGJ 08-205-2015《居住建筑節能設計標準》，本項目共 9 棟樓，總計能耗約 298.77 萬 kWh，按照超低能耗建筑方案進行設計，本項目能源消耗為 179.26 萬 kWh。因此，本項目預期每年可節約用電 119.51 萬 kWh，即節約標準煤 344.18 t，減少碳排放 501.94 t。由此可見，建設超低能耗建筑是建筑領域實現碳達峰和碳中和的重要途徑。

3.2 社會效益分析

上海市人民政府印發的《上海市碳達峰實施方案》中明確指出，到 2025 年，五個新城、臨港新片區、長三角生態綠色一體化發展示范區、崇明世界級生態島等重點區域在開展規模化超低能耗建筑示范的基礎上，全面執行超低能耗建筑標準。到 2030 年，全市新建民用建筑全面執行超低能耗建筑標準。

目前松江區作為上海五大新城之一，正在積極努力開展規模化超低能耗建筑示范建設的推進工作。超低能耗建筑在建設過程中技術路線的適用性，在全生命周期中的經濟性和實用性，在市場中的認可度依然存疑。本項目作為松江區第一個通過評審的超低能耗建筑項目有很高的示范意義和參考作用。

與目前的節能建筑相比，超低能耗建筑可節能 50% 以上[8]。當前，超低能耗建筑作為低能耗、高舒適、經濟性的建筑技術已廣泛被國際認可，能夠最大限度地降低對能源消耗的依賴。如果未來按照超低能耗建筑標準建造新建筑，社會終端能耗可節省 40%，可大幅度緩解能源短缺。而超低能耗建筑在降低能耗的同時，必然會降低溫室氣體排放量，是實現 2030 年碳達峰的有力支撐。

2020 年 6 月，松江新城國際生態商務區（核心區）作為松江區第一個綠色生態城區試點，通過了技術審查，獲得上海市綠色生態城區試點稱號。2022 年松江區積極響應上海市住建委號召，將上海科技影都（華陽湖）作為第二輪綠色生態城區試點區域。該區域規劃中提出：超低能耗建筑占新建建筑比例達 29.13%。本項目采用的外墻保溫一體化、高性能節能外窗、一級能效多聯機空調、LED 燈具、空氣源熱泵等均是當前比較成熟的產品和技術，具有較強的可復制性和推廣性，建成后不僅比一般普通住宅節約能耗，還給居民帶來優于普通建筑的室內舒適環境，為松江區綠色生態城區中超低能耗建筑的建設提供了可靠的案例。

在建設規模、常住人口兩項指標上面，松江區在五大新城中位居首位，這對實現大規模節能減排有重要意義，并且超低能耗建筑“零”的突破，也是松江區探索建設新城綠色低碳試點區的先手棋。

4 結 語

本文對于上海市松江區某住宅項目的節能設計和綜合效益的分析，可作為松江超低能耗建筑設計與建設的案例參考，助力于松江綠色生態城區的建設。松江新城國際生態商務區目前處于建設階段，第二輪生態城區的建設計劃也在持續推進中，超低能耗建筑推廣建設有助于實現加快建設空間布局合理、生態環境品質優良、資源集約節約利用、自然和諧共生的綠色生態城區。