近零能耗建筑降碳效果研究

徐伟　吕燕捷　陈曦　靳艺超　杨坤　张时聪

摘 要

针对山西转型综合改革示范区开发过程中经济能源转型和分步开发的特点，降低建筑单体用能需求，增加区域整体能源供给活力是未来区域分布式能源供给新趋势。结合装配式和绿建的发展需求，提出近零能耗多目标“三位一体”综合解决方法，实现建筑降碳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.

关键词：近零能耗建筑；低碳建筑；分布式能源系统；低碳城区

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

0 引 言

面对全球气候变化的严峻形势，发达国家纷纷制定碳中和中长期发展目标，2020 年9月22 日我国在第七十五届联合国大会上提出“30·60”碳达峰碳中和目标后，建筑领域是我国实现双碳目标的重要战场，随着城镇化建设的不断推进，区域能源供给面临低碳转型，而新型能源供给方式对建筑单体提升能源利用效率和接纳能力提出了更高要求[1]。

2017 年2 月国务院批复成立山西转型综合改革示范区（简称山西综改区），由山西省太原市、晋中市的8 个国家级、省级产学研园区整合拓展而成，总规划面积约600 km2 [2]。2019年7 月，山西转型综合改革示范区管委会发布《推进建筑节能及绿色建筑发展实施方案》[3]，2020 年8 月，山西省人民政府发布《山西省绿色生活创建行动实施方案》[4]，2020 年11 月30 日， 山西转型综合改革示范区管委会发布《山西转型综改示范区装配式建筑扶持办法（修订试行）》[5]，多项举措的出台，要求加快提升新建建筑能效，并对综改区内超低能耗建筑、装配式建筑、可再生能源建筑等发布专项政策奖补。

潇河产业园位于山西省太原市南部，如图1 所示，工作区面积约9.3km2，园区内规划建筑面积1，048 万m2，由于园区整体开发处于初级阶段，其电力和供热基础设施薄弱，经过对周边能源供给能力的初步核算，周边垃圾电厂余热和热电厂调峰在实现全部基础管网配套的情况下预计可以供给目标区域70% 的用热需求。前期规划方案中提议采用集中供热+ 分布式能源岛联网的方式（1+N 模式），区域内设置14 座分布式能源岛，每座能源岛采用不同能源及电力供给形式，为服务半径内建筑提供冷热源及部分电力供给，作为开发初始阶段的尝试，前期能源岛建设在没有区域热网配套的前提下需要完全依靠本岛能源供给能力满足建筑冷热需求。这需要对供给建筑能源需求总量进行严格控制，目标建筑用能系统需具备对接多品位能源供给形式的能力，同时建筑系统能效进一步提升，从而降低能源岛服务压力，实现区域能源供给联网协调。

近零能耗建筑以其大幅降低的建筑能耗需求和灵活的能源结构适应能力，准确量化建筑节能水平。本文以潇河产业园区内首批绿色建筑创新示范项目新源智慧建设运行总部A 座办公楼为例，综合展现区域基础建设开发初期阶段，近零能耗建筑节能降碳综合解决方案。

1 建筑概况

新源智慧建设运行总部A 座办公楼，位于山西省太原市潇河产业园区太原起步区中心区，东临真武东路，是五大中心核心区，建设用地定位为现代文化艺术场所。工程总建筑面积14，353 m2，建筑地上5 层，地下1 层，使用年限50 年，按照绿色建筑三星级建设，采用装配式施工方式。近零能耗区域为地上部分，建筑面积13，080m2，供暖空调计算面积为12，596 m2，建筑方案如图1 所示。

项目遵循“高定位、精设计、严施工、智运行”的原则[6]，其近零能耗建筑的性能化设计难点在于以下几点。

（1）项目装配式工法建造，各项新型建筑构件保温隔热性能需要论证[7]；

（2）建筑采用高大中庭设计，建筑整体气密性等级设定及施工工法需要论证；

（3）建筑采用能源岛中深层地源热泵用能供给，能源系统供给独立性和系统整体能效性论证。

2 目標定位及技术路线

建筑能效指标把控贯穿了本项目的方案设计、施工图设计和施工阶段，核心任务是明确本项目的近零能耗建筑技术方案。根据《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350–2019[8] 中结合初期建筑方案和能源供给情况，经过全尺寸建模初步分析，综合定位近零能耗建筑，建筑方案的主要优化技术路径如图2 所示，分别从被动式技术、主动式技术、可再生能源应用和精细化运维调适方面提出专项优化措施，最终提炼建筑降碳综合技术路径，形成近零能耗建筑整体技术方案。

近零能耗建筑的评价目标是建筑整体性能化的指标，且影响建筑节能效果因素较多，因此确定本项目近零能耗建筑技术方案的过程是一个反复迭代的过程，总体思路如下（图3）。

（1）基于建筑基础条件、初步图纸和方案进行分析，针对现状条件的节能薄弱环节考虑可能适用的建筑节能技术措施；

（2）结合分项逐时模拟计算，对不同建筑节能措施在本項目中的技术适宜性进行计算分析；

（3）根据计算结果，总结影响本项目建筑能耗的关键因素和优化指标，提出建筑方案修改建议；

（4）设计师根据建议调整图纸和方案；

（5）基于优化后的建筑方案，完成建筑能源系统优化方案的制定；

（6）对新的设计方案进行计算分析，明确各项技术参数，形成近零能耗建筑技术方案。

3 关键技术研究

太原市属温带大陆性季风气候，四季分明，日照充足。因所处海拔较高，夏季气温较为凉爽，昼夜温差较大，日较高温天数较少且分布较为集中。因此建筑的本体节能技术路径主要偏向于冬季保温，如图4 所示。

依据建筑方案使用DeST（design bysimulation toolkit）软件建立全尺寸逐时能耗计算模型，分析其不同围护结构及冷热源、空调系统配置下建筑的全年冷热负荷及能源使用效率，如图5 所示。

3.1 被动式技术

经过前述分析可以得知，该建筑供暖空调能耗主要集中于冬季，因此屋面、外墙等外围护结构设计需要侧重保温性能优化。值得注意的是，本建筑采用装配式施工工艺，在满足建筑设计方案的同时，需要不断优化围护结构性能设计参数，保证建筑热工参数在满足结构安全性前提下达到本体节能要求。

3.1.1 透光围护结构保温性能

与常规围护结构性能参数确定顺序不同的是，本项目属于高大中庭建筑，一层为玻璃幕墙，建筑整体透光围护结构占比较高，其保温隔热性能对于建筑整体热工性能影响权重占比更大，且由于建筑方案需要，为协调南侧和东西两侧条形连窗设计，北侧采用常规洞口窗以减少冬季冷风侵袭，在保证外立面方案统一协调的同时，减少冬季冷风侵袭（图6）。

3.1.2 非透光围护结构保温性能

外墙采用保温材料与两侧墙体构成无空腔复合保温结构体系，保温材料为发泡聚氨酯和挤塑板，两侧墙体为150 厚ALC 墙板和50 厚的劲性混凝土保护层（图7）。保温层聚氨酯发泡厚度确定是外墙热工参数的关键影响因素。屋面采用XPS 挤塑板保温层，上设50 厚C20细石混凝土，内配φ4@100 双向钢筋网片作为保护层，同时采用2.0 厚非固化橡胶沥青防水涂料和1.5 厚双面自粘高分子防水卷材，整体传热系数0.1W/（m2K）。由于建筑地下车库部分为值班供暖空间，该部分对应的地下室顶板需要进行保温隔热处理，按照《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016[9] 进行内部结露计算，地面及地下室上部楼板不得出现内部结露现象。

建筑采用高大中庭设计，中庭为不规则回字形，首层冬季渗透风压较大，为解决这一问题，主入口设计避开冬季主导风向，改为建筑东侧，入口采用双层low-E 玻璃地弹门构成双道防寒门斗，有效减少冷风灌入，同时主入口外侧采用构件遮阳，体现建筑方案设计的科技感，如图8 所示。

3.1.3 遮阳优化

为最大限度减少内区环境控制所需能耗，提升建筑内各区域的自然环境舒适度，本工程采用中庭+ 天窗的结构，在方案设计阶段，建筑遮阳作为必要的节能措施，需充分结合建筑日照条件根据全年逐时日影分析确定不同朝向的遮阳形式（图8），优化照明相关控制策略，实现建筑节能措施利用效果。本项目结合不同朝向的窗墙比，给出不同外窗下建筑遮阳优化方案（图9，图10）。

中央挑空区各层防护采用超白钢化安全玻璃栏板，各层回马廊立面采用造型铝板装饰，走廊风口百叶亦为通长条形百叶，与中庭铝板相呼应，中庭天井顶面为玻璃采光顶+ 自动遮阴百叶，百叶可根据室内温度自动调整开启范围，保证自然采光和空间通透感（图11）。

3.1.4 气密性与隐蔽节点热桥

建筑气密性对于实现近零能耗目标非常重要。良好的气密性可以减少冬季冷风渗透，降低夏季非受控通风导致的供冷需求增加，避免湿气侵入造成的建筑发霉、结露和损坏，减少室外噪声和空气污染等不良因素对室内环境的影响，提高居住者的生活品质（图12）。

完整的气密层设计对于中庭建筑改善冬季冷风渗透有明显效果。建筑设计施工图中明确标注气密层的位置，气密层连续，并包围整个外围护结构。建筑设计采用简洁的造型和节点设计，减少或避免出现气密性难以处理的节点。选用气密性等级高的外门窗。选择抹灰层、气密性薄膜等构成气密层。选择对门洞、窗洞、电气接线盒、管线贯穿处等易发生气密性问题的部位，进行节点包裹处理。

对外墙保温层采用断热桥锚固件，女儿墙图4 / Figure 4性能化设计方案/ Performance-based design scheme部位保温材料全包裹以阻隔热桥，设备管道穿墙部位和楼道线盒皆采用局部岩棉保温进行断热桥处理。幕墙龙骨与主体连接处采用隔热垫块断热桥构造，窗体与墙体连接部位采用隔热垫块进行热桥阻断，如图13 所示。

3.2 主动式技术

3.2.1 空调系统设计

建筑方案设计阶段通过围护结构热工性能优化，可以有效降低建筑冷热负荷，但为满足使用功能，夏季人员、照明、设备电气所增加的冷负荷，以及冬夏季新风负荷，则需要依靠高效的建筑机电系统进一步降低。中庭采用分层空调设计，廊内空调按不同楼层高度进行负荷分层计算，有效避免夏季冷量沉积，提升首层夏季舒适性，同时降低非必要空调负荷，如图14 所示。

建筑内部独立房间采用温湿度独立控制系统，其中新风系统选用内冷式双冷源高效热回收新风机组，显热回收效率不低于75%，全热回收效率不低于70%。新风机组夏季高温冷源由高温冷水机组提供，对新风进行预冷；低温冷源由内置压缩式制冷系统提供，对新风进行进一步冷却除湿，并利用冷凝余热对送风进行再热，保证送风温度满足舒适要求。

3.2.2 智能照明優化

建筑采用多种室内光感营造方案，满足不同规模会议室、多功能展厅等高效照明需求（图15），其中中庭回廊内部公共区域加设照度传感器，根据当前光照条件自动调整灯具亮度，同时对不经常有人员路过区域采用人员感应照明方式。

3.3 可再生能源应用

在可再生能源利用方面，本项目主要应用了中深层地源热泵和建筑光伏一体化技术，整体可再生能源利用率达到15%。其中建筑光伏方面，结合建筑造型和屋面条件，配置了588m2 的屋顶太阳能光伏，全年发电量为97，951 kWh，光伏发电能够满足公共区域照明、室外景观照明及A 座楼体亮化的需求，如图16所示。

作为能源供给方面的一大特色和能源岛的首批尝试，新源智慧运行总部A 座尝试采用闭式无干扰中深层地源热泵，为建筑提供低温热源及高温冷源。新源智慧运行总部A座供能采用一台热泵机组，且空调供回水系统采用两管制，涉及冬夏季节转换，在中深层地热井供回水管道和冷却塔供回水管道上分别设置电动阀门，以实现自动切换冬夏模式。变频高温冷水机组（16 ～ 21℃）的应用大幅提高了冷水机组的COP 值，最大限度降低建筑的供冷能耗。

3.4 精细化运维调适

调适团队建立了一个包含建设单位、调适顾问、配合实施团队（包括 设计单位、总包单位、运行单位等）的职责协作平台，如图17 所示。

整个调适过程通过制定权责化管理流程，明确关键时间节点对应管理流程，形成高效运维工程管理模板，对本工程机电系统、能源系统进行系统符合性缺陷检查，单机及系统性能初调，整机系统联合调适等工作，经过建筑初调适阶段，建筑各项用能系统达到设计运行设定状态，并在建筑正式入驻之后持续进行季节性性能验证。

4 建筑能耗及减碳效果分析

4.1 建筑能耗

建筑建成实际效果完整呈现设计理念，是山西省首个“三位一体的技术应用”示范项目。建筑年运行能耗为35.6kWh/（m2a），相较于《公共建筑节能设计标准》GB50189–2015[10]，本体节能率为45.52%，建筑综合节能率为61.78%，可再生能源利用率达29.86%，如图18 所示，其中可再生能源由中深层地源热泵和建筑光伏系统共同提供。

4.2 建筑碳排放

分析建筑各项降碳路径如图19 所示，其中被动式技术实现降碳效果达25%，主动式技术优化实现降碳20%，可再生能源进一步实现降碳15%。

5 经济性分析

值得一提的是，本项目为山西省综改区多目标体系综合示范项目，作为山西省首个“装配式AAA”+ “近零能耗建筑”+“绿建三星建筑”，其总成本是高于普通同等体量同类型建筑的。为了给出更有价值的参考，在此给出近零能耗建筑专项技术优化带来的成本增量，如表1 所示。基于装配式施工工法研发新型墙体结构，占建筑做法成本增量的 35%，高性能门窗、幕墙及天窗，占建筑做法成本增量的23%，全过程BIM 技术应用，增加成本占建筑做法成本增量的 8.5%。

6 结 语

本文以山西转型综合改革示范区潇河产业园区新源智慧建设运行总部A 座为例，阐述采用装配式技术体系实现近零能耗建筑的综合技术路径。从全寿命周期看建筑节能技术的发展思路：依然是优先采用被动式技术手段，从建筑设计方案阶段确立建筑节能降碳的先天条件；其次通过主动式手段，利用当前高效用能设备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；与此同时，充分发掘建筑各项可再生能源应用条件，提升建筑用能条件；最后也是非常重要的一点，对近零能耗以及未来零碳建筑的发展来说，精细化运维调适是确保前述各项技术实际落地效果的先决条件。从工程技术的发展来看，未来建筑的发展呈现多体系综合优化的趋势，设计流程更加趋于精细化，装配式建筑施工技术的发展将促进构件更加模数化和智能化，随着近零能耗建筑和零碳建筑的推广，能源应用更加多元化，多工种配合更加集成化，智能化持续精准运维也将成为建筑领域发展的重要趋势。

近零能耗建筑的实现，是不同专业有机量化结合的一次转变，建筑美学与节能降耗技术应用需要在方案设计早期进行融合，多体系综合技术手段的应用能够增加建筑设计过程中的精准化定位，统筹协调不同技术体系间对于各项技术应用的联系，形成有机整体，为实现建筑设计方案服务，能够更好地帮助建筑设计师理解建筑与节能降碳之间的联系。

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.