華中地區(qū)A公司總部大樓建筑節(jié)能設計策略研究

侯宜， 張俊峰， 孫蕓， 榮洋， 何定坤， 安力

（中建壹品投資發(fā)展有限公司）

1 研究背景

實現(xiàn)碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，在國家已將碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局的大環(huán)境下，建筑行業(yè)內，為響應“十四五”規(guī)劃，全國各地陸續(xù)開展近零能耗建筑、近零碳排放、碳捕集利用與封存等重大項目的試點建設。關于近零能耗建筑的相關研究，高彩鳳等［1］選取了寒冷氣候區(qū)較為典型的近零能耗公共建筑示范項目，對建筑的共性技術措施所產(chǎn)生的節(jié)能量進行了模擬計算，得出了寒冷氣候區(qū)近零能耗公共建筑各項節(jié)能技術的經(jīng)濟性特征。余鎮(zhèn)雨等［2］通過建立準穩(wěn)態(tài)建筑負荷計算方法對寒冷地區(qū)近零能耗建筑冷熱負荷計算展開對比研究。李崢嶸等［3］針對夏熱冬冷地區(qū)超低能耗建筑熱工優(yōu)化設計方法及負荷特點進行了研究。張時聰?shù)龋?］收集整理了已建成及在建的超低/近零能耗建筑示范項目，并對其中具有代表性的64個示范項目進行了技術統(tǒng)計和分析，并對各項目的增量成本分別進行了統(tǒng)計，研究指出我國超低能耗示范項目的增量成本呈逐年下降趨勢。

近零能耗建筑相比傳統(tǒng)建筑而言，室內環(huán)境更舒適、空氣品質更健康、施工質量更高、建筑壽命更長、運行過程能耗費用低。建筑使用者可獲得更高的舒適性體驗并節(jié)約使用成本，促進全社會樹立節(jié)能環(huán)保從我做起的良好風尚。減少資源消耗與環(huán)境污染，與環(huán)境和諧共生。

本研究主要介紹華中地區(qū)A公司總部大樓為實現(xiàn)近零能耗的建筑節(jié)能目標所采取的設計策略和措施，為同類型辦公建筑提供設計參考思路。

2 項目概況

華中地區(qū)A公司總部大樓項目位于武漢市東西湖區(qū)，總建筑面積7.6萬㎡，其中地上5萬㎡，地下2.6萬㎡。本項目擬打造夏熱冬冷地區(qū)首個近零能耗公共建筑。項目的設計效果如圖1所示。

圖1 A公司總部大樓效果圖

總部大樓設計現(xiàn)代而具有標志性，整體簡潔大氣，通過體量堆疊形成了立體雕塑般的建筑輪廓，傳遞著藝術之美。

3 項目建筑節(jié)能設計難點

本項目的節(jié)能目標是實現(xiàn)近零能耗，在設計階段，對建筑的體型系數(shù)、平面布局、朝向、采光遮陽、開窗等采取針對性設計，以適應華中地區(qū)的氣候特點和資源條件。首先盡可能采用被動式設計手法，以減少對于外部能源供給設備的依賴；其次充分利用可再生能源，采用高效的能源系統(tǒng)，最大幅度提高能源系統(tǒng)效率，在保障室內環(huán)境參數(shù)和能效指標的前提下，用最少的能源消耗，營造舒適的辦公環(huán)境。

4 項目建筑節(jié)能設計策略

4.1 確立能耗設計指標

通過對項目的前期調研，本項目能耗設計指標需要滿足《近零能耗建筑技術標準》GB/T 51350-2019的規(guī)定（見表1）。

表1 項目能效設計指標

在確立能耗設計指標后，為實現(xiàn)近零能耗，本項目的節(jié)能設計策略應盡量采用被動式技術，利用高保溫性能的圍護結構，盡可能降低建筑的外部供能，最大幅度提高能源設備與系統(tǒng)效率，利用可再生能源，優(yōu)化能源系統(tǒng)運行。

4.2 建筑方案設計思路

為實現(xiàn)近零能耗，本項目以氣候環(huán)境引導建筑設計，以實現(xiàn)近零能耗為目標，采取性能化設計。

建筑群的總體規(guī)劃應考慮減輕熱島效應，并營建適宜的室外風環(huán)境，總體規(guī)劃和總平面設計應有利于自然通風和冬季日照，考慮到本項目處于華中夏熱冬冷地區(qū)，冬季日照獲得的充足的太陽輻射得熱是實現(xiàn)近零能耗目標的重要條件。通過對建筑日照輻射進行模擬分析，本項目采用全玻璃幕墻體系，僅在裙房的部分樓層采用窗墻體系。建筑東、南、西、北朝向窗墻比分別為0.64、0.67、0.70、0.57，有效采光面積較大，內區(qū)采光系數(shù)滿足《建筑采光設計標準》GB50033中采光要求的面積比例達到60%。

自然通風方面，本項目朝向采用南北向，主要房間宜避開冬季主導風向，建筑各朝向玻璃幕墻和外窗均設置開啟扇，建筑進深和室內空間布置須利于引導穿堂風，將進風開口和出風開口錯開朝向，減小自然通風阻力，且開啟扇數(shù)量經(jīng)室內風環(huán)境模擬計算確定，如圖2-3所示，通過DeST軟件對室外風環(huán)境壓力、標準層室內風環(huán)境進行模擬分析，主要功能房間室內換氣次數(shù)可超過2次/h。

圖2 過渡季外立面室外風環(huán)境模擬壓力結果

圖3 標準層室內風環(huán)境模擬分析

4.3 圍護結構節(jié)能措施

圍護結構保溫性能對于近零能耗建筑非常顯著，因此要盡量采用高保溫性能的圍護結構，本項目圍護結構保溫隔熱性能設計較《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB55015-2021有明顯提升，對重點節(jié)點進行了無熱橋和氣密性專項設計。

4.3.1 保溫隔熱

注重保溫性能的同時不應忽略圍護結構的熱惰性。本項目設計可采用熱惰性較大的圍護結構，例如重質復合墻體，可以有效提升隔熱性能。

外墻保溫盡量采用單層保溫、鎖扣方式連接，墻角處宜采用成型保溫構件，保溫層應采用斷熱橋錨栓固定。

外窗是近零能耗建筑圍護結構的一部分，其保溫隔熱及氣密性直接影響近零能耗建筑的節(jié)能效果，外窗型材采用保溫性能較好的斷橋鋁材料，配合Low-e鍍膜、惰性氣體填充、真空玻璃等玻璃隔熱措施。

4.3.2 氣密性

良好的建筑氣密性在減少冬季冷風滲透和夏季非受控通風、降低供暖空調能耗的同時，可以降低建筑因為濕氣進入室內造成的建筑發(fā)霉、結露和損壞；減少室外噪聲、空氣污染，提高居住者的生活品質。

本項目的建筑氣密性按照優(yōu)于《近零能耗建筑技術標準》GB/T51350-2019關于氣密性設計施工的要求進行設計。建筑外窗氣密性不低于8級。建筑首層外門均為被動式氣密門，氣密性不低于6級，建筑整體氣密性滿足換氣次數(shù)N50≤1.5。

4.3.3 外遮陽措施

遮陽產(chǎn)品是阻隔透明圍護結構太陽輻射得熱的有效措施，本項目各朝向玻璃幕墻窗框設置豎向的挑出豎挺，挑出長度為200mm，豎挺之間橫向的間距為1200mm，可以起到一定的遮陽效果；東、西、南、北四個方向玻璃幕墻均采用光伏玻璃，光伏玻璃的透光率為50%，具有遮陽效果。

經(jīng)計算，東、西、南外窗綜合SHGC值≤0.18；北向外窗綜合SHGC值≤0.30。可以在利用冬季太陽得熱減小供暖負荷的同時，有效降低夏季太陽輻射得熱，從而降低夏季空調制冷負荷。

4.3.4 建筑熱橋控制措施

建筑外墻的結構性懸挑、延伸等采用與主體結構部分斷開的方式；采用斷熱橋錨栓固定保溫層，為了避免導致熱橋，應盡量不在外墻使用龍骨支架等固定件；穿外墻、穿屋面、穿地下凍土層以上外墻管道，管道與墻體之間應填塞30mm厚巖棉保溫材料。

外門窗安裝考慮無熱橋設計，高層建筑外窗可采用嵌入式安裝方式，外墻保溫可覆蓋一部分外窗，降低外窗安裝熱橋。

外墻與屋面的保溫層應連接起來，尤其對于女兒墻結構，為避免導致結構性熱橋，其外保溫層應與外墻保持連續(xù)。

4.4 可再生能源利用措施和高效能源設計系統(tǒng)

4.4.1 太陽能光儲直柔系統(tǒng)

本項目考慮充分利用建筑立面增加光伏設置面積，采用光儲直柔系統(tǒng)，建筑東、西、南、北四個方向玻璃幕墻均采用光伏玻璃，總裝機面積約為10453㎡，總裝機容量約為893kw；光伏玻璃的透光率為50%，外立面綜合遮陽性能滿足標準要求。

屋頂采用晶硅光伏，總裝機面積約2600㎡，總裝機容量約322kw。如圖4所示，本項目建筑的光伏總計年發(fā)電量約89.12萬kw·h/a。

圖4 本項目光儲直柔系統(tǒng)示意圖

4.4.2 地源熱泵系統(tǒng)

武漢地區(qū)地下水位高，土壤含水量高，換熱能力高于北方，因此土壤源熱泵的經(jīng)濟性更佳。本項目冷熱源為地源熱泵+冷水機組，采用地源熱泵系統(tǒng)，利用可再生的低品位能源，可實現(xiàn)一機三用，替代傳統(tǒng)的冷水機組+鍋爐兩套系統(tǒng)，減少冷卻塔和鍋爐房的配置，降低供能成本，符合節(jié)能設計目標（見圖5）。

圖5 地源熱泵機組設備

以地熱能作為熱泵夏季制冷的冷卻源，冬季采暖供熱的低溫熱源，同時實現(xiàn)建筑采暖、空調和生活熱水的三聯(lián)供。

4.4.3 高效能源設計系統(tǒng)

本項目采用帶全熱回收的新風機組，結合樓層功能分散布置，保證全熱回收效率≥65%。新風量按照不低于30m3/（h·人）的標準設計，新風熱回收機組具有根據(jù)室內CO2濃度自動調節(jié)送排風量，定時開閉以及過濾器報警等功能。室內新風口及回風口設置過濾器，新風設置中高效過濾器。

采用智能照明、自適應照明等技術，照明能耗應較《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB 55015-2021的辦公建筑再降低50%（見圖6）。

圖6 智能照明系統(tǒng)示意圖

電梯系統(tǒng)采用節(jié)能的控制及拖動系統(tǒng)，并采用以下技術措施：①當設有兩臺及以上電梯集中排列時，應具備群控功能；②電梯無外部召喚，且電梯轎廂內一段時間無預設指令時，應自動關閉轎廂照明及風扇；③宜采用變頻調速拖動方式，高層建筑電梯系統(tǒng)可采用能量回饋裝置。

建立智慧建筑運維系統(tǒng)，對建筑供暖、供冷、新風、照明、電梯、生活熱水、炊事、插座等能耗進行分項計量；對光伏、地源熱泵、空氣源熱泵等可再生能源利用量進行計量；數(shù)據(jù)中心、食堂（含餐廳）、開水間等特殊用能單位進行獨立計量。

智能化運維系統(tǒng)中含有智能控制模塊，能夠根據(jù)對各時段的負荷預測確定建筑各時段的最佳運行策略，實現(xiàn)智慧運行，降低運行能耗（見圖7）。

圖7 智慧建筑運維系統(tǒng)示意圖

4.5 建筑節(jié)能設計分析

為實現(xiàn)近零能耗的目標，在采取了高性能的圍護結構、高效能源設計系統(tǒng)以及可再生能源等措施后，通過DeST軟件對本項目建筑節(jié)能率進行模擬計算，得出結果如表2所示，近零能耗建筑應較滿足《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189的參照建筑節(jié)能60%，本項目達到73.9%，實現(xiàn)了預設的項目能效設計指標，表明上述建筑節(jié)能設計策略具有良好節(jié)能效果，可以滿足近零能耗建筑要求。

表2 節(jié)能率計算結果

5 結語

初步計算，本項目5萬㎡建筑共計年減碳量約為900t CO2，相當于5萬棵樹一年的固碳量。通過對本項目建筑節(jié)能設計策略的探索，作為一種新型建筑形式，為類似辦公樓項目提供參考。