近零能耗建筑降碳效果研究

徐偉　呂燕捷　陳曦　靳藝超　楊坤　張時聰

摘 要

針對山西轉型綜合改革示范區開發過程中經濟能源轉型和分步開發的特點，降低建筑單體用能需求，增加區域整體能源供給活力是未來區域分布式能源供給新趨勢。結合裝配式和綠建的發展需求，提出近零能耗多目標“三位一體”綜合解決方法，實現建筑降碳61.78%。

Abstract

According to the characteristics of economic and energy transformation and step development in the developmentprocess of Shanxi Comprehensive reform area， it is a new trend of regional distributed energy supply in the future toreduce the energy demand of individual buildings and increase the energy supply vitality of the whole region. Combinedwith the development needs of prefabricated and green construction， a “three-in-one” comprehensive solution of nearzeroenergy consumption and multi-objectives was proposed， achieving a carbon reduction of 61.78% in buildings.

關鍵詞：近零能耗建筑；低碳建筑；分布式能源系統；低碳城區

Keywords：Nearly zero energy building; Low-carbon building; Distributed energy system; Low-carbon urban area

0 引 言

面對全球氣候變化的嚴峻形勢，發達國家紛紛制定碳中和中長期發展目標，2020 年9月22 日我國在第七十五屆聯合國大會上提出“30·60”碳達峰碳中和目標后，建筑領域是我國實現雙碳目標的重要戰場，隨著城鎮化建設的不斷推進，區域能源供給面臨低碳轉型，而新型能源供給方式對建筑單體提升能源利用效率和接納能力提出了更高要求[1]。

2017 年2 月國務院批復成立山西轉型綜合改革示范區（簡稱山西綜改區），由山西省太原市、晉中市的8 個國家級、省級產學研園區整合拓展而成，總規劃面積約600 km2 [2]。2019年7 月，山西轉型綜合改革示范區管委會發布《推進建筑節能及綠色建筑發展實施方案》[3]，2020 年8 月，山西省人民政府發布《山西省綠色生活創建行動實施方案》[4]，2020 年11 月30 日， 山西轉型綜合改革示范區管委會發布《山西轉型綜改示范區裝配式建筑扶持辦法（修訂試行）》[5]，多項舉措的出臺，要求加快提升新建建筑能效，并對綜改區內超低能耗建筑、裝配式建筑、可再生能源建筑等發布專項政策獎補。

瀟河產業園位于山西省太原市南部，如圖1 所示，工作區面積約9.3km2，園區內規劃建筑面積1，048 萬m2，由于園區整體開發處于初級階段，其電力和供熱基礎設施薄弱，經過對周邊能源供給能力的初步核算，周邊垃圾電廠余熱和熱電廠調峰在實現全部基礎管網配套的情況下預計可以供給目標區域70% 的用熱需求。前期規劃方案中提議采用集中供熱+ 分布式能源島聯網的方式（1+N 模式），區域內設置14 座分布式能源島，每座能源島采用不同能源及電力供給形式，為服務半徑內建筑提供冷熱源及部分電力供給，作為開發初始階段的嘗試，前期能源島建設在沒有區域熱網配套的前提下需要完全依靠本島能源供給能力滿足建筑冷熱需求。這需要對供給建筑能源需求總量進行嚴格控制，目標建筑用能系統需具備對接多品位能源供給形式的能力，同時建筑系統能效進一步提升，從而降低能源島服務壓力，實現區域能源供給聯網協調。

近零能耗建筑以其大幅降低的建筑能耗需求和靈活的能源結構適應能力，準確量化建筑節能水平。本文以瀟河產業園區內首批綠色建筑創新示范項目新源智慧建設運行總部A 座辦公樓為例，綜合展現區域基礎建設開發初期階段，近零能耗建筑節能降碳綜合解決方案。

1 建筑概況

新源智慧建設運行總部A 座辦公樓，位于山西省太原市瀟河產業園區太原起步區中心區，東臨真武東路，是五大中心核心區，建設用地定位為現代文化藝術場所。工程總建筑面積14，353 m2，建筑地上5 層，地下1 層，使用年限50 年，按照綠色建筑三星級建設，采用裝配式施工方式。近零能耗區域為地上部分，建筑面積13，080m2，供暖空調計算面積為12，596 m2，建筑方案如圖1 所示。

項目遵循“高定位、精設計、嚴施工、智運行”的原則[6]，其近零能耗建筑的性能化設計難點在于以下幾點。

（1）項目裝配式工法建造，各項新型建筑構件保溫隔熱性能需要論證[7]；

（2）建筑采用高大中庭設計，建筑整體氣密性等級設定及施工工法需要論證；

（3）建筑采用能源島中深層地源熱泵用能供給，能源系統供給獨立性和系統整體能效性論證。

2 目標定位及技術路線

建筑能效指標把控貫穿了本項目的方案設計、施工圖設計和施工階段，核心任務是明確本項目的近零能耗建筑技術方案。根據《近零能耗建筑技術標準》GB/T51350–2019[8] 中結合初期建筑方案和能源供給情況，經過全尺寸建模初步分析，綜合定位近零能耗建筑，建筑方案的主要優化技術路徑如圖2 所示，分別從被動式技術、主動式技術、可再生能源應用和精細化運維調適方面提出專項優化措施，最終提煉建筑降碳綜合技術路徑，形成近零能耗建筑整體技術方案。

近零能耗建筑的評價目標是建筑整體性能化的指標，且影響建筑節能效果因素較多，因此確定本項目近零能耗建筑技術方案的過程是一個反復迭代的過程，總體思路如下（圖3）。

（1）基于建筑基礎條件、初步圖紙和方案進行分析，針對現狀條件的節能薄弱環節考慮可能適用的建筑節能技術措施；

（2）結合分項逐時模擬計算，對不同建筑節能措施在本項目中的技術適宜性進行計算分析；

（3）根據計算結果，總結影響本項目建筑能耗的關鍵因素和優化指標，提出建筑方案修改建議；

（4）設計師根據建議調整圖紙和方案；

（5）基于優化后的建筑方案，完成建筑能源系統優化方案的制定；

（6）對新的設計方案進行計算分析，明確各項技術參數，形成近零能耗建筑技術方案。

3 關鍵技術研究

太原市屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，日照充足。因所處海拔較高，夏季氣溫較為涼爽，晝夜溫差較大，日較高溫天數較少且分布較為集中。因此建筑的本體節能技術路徑主要偏向于冬季保溫，如圖4 所示。

依據建筑方案使用DeST（design bysimulation toolkit）軟件建立全尺寸逐時能耗計算模型，分析其不同圍護結構及冷熱源、空調系統配置下建筑的全年冷熱負荷及能源使用效率，如圖5 所示。

3.1 被動式技術

經過前述分析可以得知，該建筑供暖空調能耗主要集中于冬季，因此屋面、外墻等外圍護結構設計需要側重保溫性能優化。值得注意的是，本建筑采用裝配式施工工藝，在滿足建筑設計方案的同時，需要不斷優化圍護結構性能設計參數，保證建筑熱工參數在滿足結構安全性前提下達到本體節能要求。

3.1.1 透光圍護結構保溫性能

與常規圍護結構性能參數確定順序不同的是，本項目屬于高大中庭建筑，一層為玻璃幕墻，建筑整體透光圍護結構占比較高，其保溫隔熱性能對于建筑整體熱工性能影響權重占比更大，且由于建筑方案需要，為協調南側和東西兩側條形連窗設計，北側采用常規洞口窗以減少冬季冷風侵襲，在保證外立面方案統一協調的同時，減少冬季冷風侵襲（圖6）。

3.1.2 非透光圍護結構保溫性能

外墻采用保溫材料與兩側墻體構成無空腔復合保溫結構體系，保溫材料為發泡聚氨酯和擠塑板，兩側墻體為150 厚ALC 墻板和50 厚的勁性混凝土保護層（圖7）。保溫層聚氨酯發泡厚度確定是外墻熱工參數的關鍵影響因素。屋面采用XPS 擠塑板保溫層，上設50 厚C20細石混凝土，內配φ4@100 雙向鋼筋網片作為保護層，同時采用2.0 厚非固化橡膠瀝青防水涂料和1.5 厚雙面自粘高分子防水卷材，整體傳熱系數0.1W/（m2K）。由于建筑地下車庫部分為值班供暖空間，該部分對應的地下室頂板需要進行保溫隔熱處理，按照《民用建筑熱工設計規范》GB50176-2016[9] 進行內部結露計算，地面及地下室上部樓板不得出現內部結露現象。

建筑采用高大中庭設計，中庭為不規則回字形，首層冬季滲透風壓較大，為解決這一問題，主入口設計避開冬季主導風向，改為建筑東側，入口采用雙層low-E 玻璃地彈門構成雙道防寒門斗，有效減少冷風灌入，同時主入口外側采用構件遮陽，體現建筑方案設計的科技感，如圖8 所示。

3.1.3 遮陽優化

為最大限度減少內區環境控制所需能耗，提升建筑內各區域的自然環境舒適度，本工程采用中庭+ 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，需充分結合建筑日照條件根據全年逐時日影分析確定不同朝向的遮陽形式（圖8），優化照明相關控制策略，實現建筑節能措施利用效果。本項目結合不同朝向的窗墻比，給出不同外窗下建筑遮陽優化方案（圖9，圖10）。

中央挑空區各層防護采用超白鋼化安全玻璃欄板，各層回馬廊立面采用造型鋁板裝飾，走廊風口百葉亦為通長條形百葉，與中庭鋁板相呼應，中庭天井頂面為玻璃采光頂+ 自動遮陰百葉，百葉可根據室內溫度自動調整開啟范圍，保證自然采光和空間通透感（圖11）。

3.1.4 氣密性與隱蔽節點熱橋

建筑氣密性對于實現近零能耗目標非常重要。良好的氣密性可以減少冬季冷風滲透，降低夏季非受控通風導致的供冷需求增加，避免濕氣侵入造成的建筑發霉、結露和損壞，減少室外噪聲和空氣污染等不良因素對室內環境的影響，提高居住者的生活品質（圖12）。

完整的氣密層設計對于中庭建筑改善冬季冷風滲透有明顯效果。建筑設計施工圖中明確標注氣密層的位置，氣密層連續，并包圍整個外圍護結構。建筑設計采用簡潔的造型和節點設計，減少或避免出現氣密性難以處理的節點。選用氣密性等級高的外門窗。選擇抹灰層、氣密性薄膜等構成氣密層。選擇對門洞、窗洞、電氣接線盒、管線貫穿處等易發生氣密性問題的部位，進行節點包裹處理。

對外墻保溫層采用斷熱橋錨固件，女兒墻圖4 / Figure 4性能化設計方案/ Performance-based design scheme部位保溫材料全包裹以阻隔熱橋，設備管道穿墻部位和樓道線盒皆采用局部巖棉保溫進行斷熱橋處理。幕墻龍骨與主體連接處采用隔熱墊塊斷熱橋構造，窗體與墻體連接部位采用隔熱墊塊進行熱橋阻斷，如圖13 所示。

3.2 主動式技術

3.2.1 空調系統設計

建筑方案設計階段通過圍護結構熱工性能優化，可以有效降低建筑冷熱負荷，但為滿足使用功能，夏季人員、照明、設備電氣所增加的冷負荷，以及冬夏季新風負荷，則需要依靠高效的建筑機電系統進一步降低。中庭采用分層空調設計，廊內空調按不同樓層高度進行負荷分層計算，有效避免夏季冷量沉積，提升首層夏季舒適性，同時降低非必要空調負荷，如圖14 所示。

建筑內部獨立房間采用溫濕度獨立控制系統，其中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%。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。

3.2.2 智能照明優化

建筑采用多種室內光感營造方案，滿足不同規模會議室、多功能展廳等高效照明需求（圖15），其中中庭回廊內部公共區域加設照度傳感器，根據當前光照條件自動調整燈具亮度，同時對不經常有人員路過區域采用人員感應照明方式。

3.3 可再生能源應用

在可再生能源利用方面，本項目主要應用了中深層地源熱泵和建筑光伏一體化技術，整體可再生能源利用率達到15%。其中建筑光伏方面，結合建筑造型和屋面條件，配置了588m2 的屋頂太陽能光伏，全年發電量為97，951 kWh，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，如圖16所示。

作為能源供給方面的一大特色和能源島的首批嘗試，新源智慧運行總部A 座嘗試采用閉式無干擾中深層地源熱泵，為建筑提供低溫熱源及高溫冷源。新源智慧運行總部A座供能采用一臺熱泵機組，且空調供回水系統采用兩管制，涉及冬夏季節轉換，在中深層地熱井供回水管道和冷卻塔供回水管道上分別設置電動閥門，以實現自動切換冬夏模式。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。

3.4 精細化運維調適

調適團隊建立了一個包含建設單位、調適顧問、配合實施團隊（包括 設計單位、總包單位、運行單位等）的職責協作平臺，如圖17 所示。

整個調適過程通過制定權責化管理流程，明確關鍵時間節點對應管理流程，形成高效運維工程管理模板，對本工程機電系統、能源系統進行系統符合性缺陷檢查，單機及系統性能初調，整機系統聯合調適等工作，經過建筑初調適階段，建筑各項用能系統達到設計運行設定狀態，并在建筑正式入駐之后持續進行季節性性能驗證。

4 建筑能耗及減碳效果分析

4.1 建筑能耗

建筑建成實際效果完整呈現設計理念，是山西省首個“三位一體的技術應用”示范項目。建筑年運行能耗為35.6kWh/（m2a），相較于《公共建筑節能設計標準》GB50189–2015[10]，本體節能率為45.52%，建筑綜合節能率為61.78%，可再生能源利用率達29.86%，如圖18 所示，其中可再生能源由中深層地源熱泵和建筑光伏系統共同提供。

4.2 建筑碳排放

分析建筑各項降碳路徑如圖19 所示，其中被動式技術實現降碳效果達25%，主動式技術優化實現降碳20%，可再生能源進一步實現降碳15%。

5 經濟性分析

值得一提的是，本項目為山西省綜改區多目標體系綜合示范項目，作為山西省首個“裝配式AAA”+ “近零能耗建筑”+“綠建三星建筑”，其總成本是高于普通同等體量同類型建筑的。為了給出更有價值的參考，在此給出近零能耗建筑專項技術優化帶來的成本增量，如表1 所示?；谘b配式施工工法研發新型墻體結構，占建筑做法成本增量的 35%，高性能門窗、幕墻及天窗，占建筑做法成本增量的23%，全過程BIM 技術應用，增加成本占建筑做法成本增量的 8.5%。

6 結 語

本文以山西轉型綜合改革示范區瀟河產業園區新源智慧建設運行總部A 座為例，闡述采用裝配式技術體系實現近零能耗建筑的綜合技術路徑。從全壽命周期看建筑節能技術的發展思路：依然是優先采用被動式技術手段，從建筑設計方案階段確立建筑節能降碳的先天條件；其次通過主動式手段，利用當前高效用能設備在保障建筑使用需求的前提下提升建筑用能效率，降低能源需求；與此同時，充分發掘建筑各項可再生能源應用條件，提升建筑用能條件；最后也是非常重要的一點，對近零能耗以及未來零碳建筑的發展來說，精細化運維調適是確保前述各項技術實際落地效果的先決條件。從工程技術的發展來看，未來建筑的發展呈現多體系綜合優化的趨勢，設計流程更加趨于精細化，裝配式建筑施工技術的發展將促進構件更加模數化和智能化，隨著近零能耗建筑和零碳建筑的推廣，能源應用更加多元化，多工種配合更加集成化，智能化持續精準運維也將成為建筑領域發展的重要趨勢。

近零能耗建筑的實現，是不同專業有機量化結合的一次轉變，建筑美學與節能降耗技術應用需要在方案設計早期進行融合，多體系綜合技術手段的應用能夠增加建筑設計過程中的精準化定位，統籌協調不同技術體系間對于各項技術應用的聯系，形成有機整體，為實現建筑設計方案服務，能夠更好地幫助建筑設計師理解建筑與節能降碳之間的聯系。

SYNOPSIS

Study on Carbon Reduction Effectof Nearly Zero Energy Building：Shanxi Xinyuan Wisdom Constructionand Operation Headquarter Block A

Wei Xu， Yanjie Lyu， Xi Chen， Yichao Jin，KungYang， Shicong Zhang

In 2010， The State Council approved theestablishment of “Shanxi Province National VoluntaryEconomic Transformation Comprehensive ReformPilot Zone” （referred to as “Comprehensive ReformZone”）. The Xiaohe Industrial Park is located in thesouth of Taiyuan， Shanxi Province， with a workingarea of about 9.3km2. The park is planned to adopt themode of central heating + distributed energy islandnetworking （1+N mode）. There are 14 distributedenergy islands in the region. In this paper， XinyuanIntelligent Construction and Operation Headquartersin Xiaohe Industrial Park is taken as an exampleto comprehensively present the comprehensivelow-carbon energy utilization solutions for highperformancebuildings in the initial stage of regionalinfrastructure development. The general idea is asfollows：

（1） Based on the analysis of the basic conditionsof the building， preliminary drawings and schemes，considering the possible applicable technical measuresof the building section according to the weak links ofenergy conservation in the current conditions;

（2） Calculate and analyze the technical suitabilityof different building energy-saving measures in thisproject based on energy consumption simulationcalculation;

（3） According to the calculation results，summarize the key factors and optimization indicatorsaffecting the projects building energy consumption，and propose the modification of the building plan;

（4） The designer adjusts the drawings andschemes according to the suggestions;

（5） Based on the optimized building scheme，complete the formulation of the building energysystem optimization scheme;

（6） Calculate and analyze the new designscheme， iterate repeatedly， define the technicalparameters， and form the near-zero energy buildingtechnical scheme.

The energy saving rate of the building bodyis 45.52%， the comprehensive energy saving rateof the building is 61.78%， and the utilization rateof renewable energy is 29.86%， as shown in Figure13. The renewable energy is jointly contributed bythe middle-deep ground source heat pump and thebuilding photovoltaic system.