東山發(fā)展廣場（一期）辦公樓項目

本文刊發(fā)于《綠色建筑》雜志2024年第2期，原標題為：近零能耗建筑設計實踐——以福建省漳州市東山發(fā)展廣場為例；作者：吳麗清   謝騰飛，漳州城投設計咨詢集團有限公司

2 近零能耗建筑設計

建筑設計以“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化，低碳能源”為設計理念，以常見近零能耗建筑技術體系為框架，根據(jù)夏熱冬暖地區(qū)節(jié)能設計要求進行建筑設計。相關技術體系如圖1所示。

圖1 近零能耗建筑技術體系

結(jié)合夏熱冬暖地區(qū)氣候特點及GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》、JGJ 75—2012要求，該區(qū)建筑設計需滿足夏季防熱、通風、防雨要求，冬季可不考慮防寒、保溫?？傮w規(guī)劃、單體設計和構(gòu)造應避西曬，應采取遮陽措施；應注意防暴雨、防洪、防潮、防雷擊；夏季施工應有防高溫和暴雨的措施。

因此，項目團隊在建筑設計中進行了綠化規(guī)劃，通過大面積的綠化帶有效緩解熱島效應，改善建筑周邊微氣候；采用室內(nèi)遮陽調(diào)節(jié)方式減少太陽直射，降低空調(diào)能耗；場地擁有豐富的太陽能資源和風能資源，結(jié)合城區(qū)優(yōu)勢資源，設計建筑采用了風能發(fā)電與太陽能發(fā)電互補的風光互補系統(tǒng)。同時，結(jié)合JGJ 75—2012、DBJT13—97《福建省民用建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能工程做法及數(shù)據(jù)》等要求進行結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)等的設計。

2.1 被動技術優(yōu)先

2.1.1 建筑節(jié)能方案規(guī)劃設計

本項目綠化規(guī)劃采用集中綠地布置和建筑周邊環(huán)形綠化帶布置相結(jié)合的方式，如圖2所示。

圖2 項目景觀設計平面圖

室外綠化物種選擇適宜漳州地區(qū)氣候和土壤條件的鄉(xiāng)土植物，且采用包含喬、灌木的復層綠化。大面積的綠化帶可以有效減少城市及室外氣溫逐漸升高和氣候干燥情況，緩解熱島效應，改善建筑周邊微氣候。

建筑形體方正，體形系數(shù)為0.15，大大減少了建筑外表面的傳熱面積。建筑各立面的窗墻比，綜合考慮過渡季自然通風、減小冬夏季供冷負荷以及自然采光需求，調(diào)整開窗位置及數(shù)量。設計建筑東墻、西墻和北墻的窗墻比分別為0.26、0.34 和0.37；南側(cè)面向前廣場，為達到視野與節(jié)能的平衡，窗墻比維持在0.50。太陽直射引起的熱負荷會顯著地增大空調(diào)能耗，基于各季節(jié)不同調(diào)節(jié)需求，設計建筑采用內(nèi)置電動遮陽鋁合金百頁的遮陽方式。CFD模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 設計建筑自然通風模擬結(jié)果

除輔助空間外，設計建筑辦公室、會議室等主要功能房間空氣齡都在200 s 以內(nèi)，自然通風效果良好。

2.1.2 圍護結(jié)構(gòu)熱工設計

外墻、屋頂以及樓板等非透明圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造類型及熱工參數(shù)如表1所示。

表1 建筑非透光外圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造熱工參數(shù)

外窗（幕墻）及其他透明結(jié)構(gòu)的構(gòu)造類型及熱工參數(shù)如表2所示。

表2 建筑外窗構(gòu)造熱工參數(shù)

考慮到夏季遮陽需要并兼顧冬季得熱和自然采光，設計建筑采用內(nèi)置電動遮陽鋁合金百葉的遮陽方式，夏季的太陽能得熱系數(shù)可以達到0.15以下。外窗氣密性性能為8級，玻璃幕墻氣密性為4級。

2.1.3 關鍵熱橋處理

外墻保溫為單層保溫，保溫層采用鎖扣方式連接。墻角處采用成型保溫構(gòu)件。保溫層采用錨栓處，采用斷熱橋錨栓固定。

外窗采用耐久的密封材料密封其與結(jié)構(gòu)墻之間的縫隙，室外和室內(nèi)側(cè)分別設置防水透氣膜和隔汽膜。外門窗由專業(yè)廠家安裝。窗臺板材料采用石材窗臺板，窗臺臺板與窗框之間有結(jié)構(gòu)性連接，并用密封材料密封；窗臺板的造型有滴水線；對保溫板與窗臺板、窗框之間接縫處用密封帶做防水處理。密封條膠帶一側(cè)粘貼在窗框和窗臺板上。

屋面保溫層與外墻保溫層連續(xù)。屋面保溫層靠近室外一側(cè)設置防水層、保溫層下設置隔汽層。屋面隔汽層設計及排氣構(gòu)造設計符合GB 50345—2012《屋面工程技術規(guī)范》 的規(guī)定。女兒墻等突出屋面的結(jié)構(gòu)體保溫層與屋面、墻面保溫層連續(xù)。女兒墻設置金屬蓋板，金屬蓋板與結(jié)構(gòu)連接部位鋪設50mm的XPS。

穿屋面管道的預留孔洞大于管道外徑100mm，伸出屋面外的管道設置套管進行保護，套管與管道間填充聚氨酯發(fā)泡保溫材料。

此外，建筑中存在一些特殊復雜節(jié)點，如主樓主入口的大樓梯與墻體交接處，混凝土樓板打斷了外墻保溫連續(xù)。本項目采用熱橋模擬軟件COMSOL模擬分析并合理地解決可能存在的熱橋問題，減少不必要的能量損耗。設定熱橋處理的優(yōu)化目標為線傳熱系數(shù)小于0.01W/(m·K)，且內(nèi)表面最低溫度高于露點溫度。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 熱橋處理后COMSOL模擬結(jié)果

根據(jù)圖3的模擬結(jié)果，需要在混凝土樓板上側(cè)設置向外延伸200mm、40mm 厚的巖棉板，下側(cè)噴涂向外延伸200mm、20mm 厚的聚氨酯。

2.1.4 加強氣密性措施

設計建筑采用簡潔的造型和節(jié)點設計，減少氣密性難處理的節(jié)點；氣密層連續(xù)并包圍整個外圍護結(jié)構(gòu)，在施工圖中標注了氣密層的位置。

設計建筑采用氣密性等級為8級的外窗、氣密性等級為4級的玻璃幕墻，并滿足GB/T 7106—2019《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》的規(guī)范要求。

外窗緊貼結(jié)構(gòu)外側(cè)安裝，外窗與結(jié)構(gòu)墻之間的縫隙采用發(fā)泡聚氨酯密封。外窗室內(nèi)側(cè)使用防水隔汽膜，室外側(cè)使用防水透氣膜；外窗洞口的保溫板的第二層盡量覆蓋窗框。

2.2 主動技術優(yōu)化

2.2.1 暖通空調(diào)設計

2.2.1.1 冷熱源系統(tǒng)

為便于管理維護、設備資源的綜合利用以及降低運營成本，設計建筑空調(diào)區(qū)域均采用“多聯(lián)機（變冷媒流量空調(diào)）＋新風系統(tǒng)”。根據(jù)業(yè)主對辦公場所分期使用及租用要求，設計建筑辦公區(qū)域每層設置1～3 套多聯(lián)機系統(tǒng)，全樓共采用33套多聯(lián)機；空調(diào)室外機均放置于主樓及裙樓屋面，布置位置達到機組散熱要求。所采用的變冷媒流量空調(diào)系統(tǒng)，冷量調(diào)節(jié)采用電子膨脹閥，根據(jù)設定的溫度自動調(diào)節(jié)冷量輸出，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負荷率?？照{(diào)系統(tǒng)通過中央控制器的設定，可實現(xiàn)過渡季節(jié)調(diào)節(jié)供冷溫度，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。多聯(lián)機能源效率等級指標（APF）為4.5，制冷綜合性能系數(shù)（IPLV）為6.6。消控室等24h 運轉(zhuǎn)的房間單獨設置分體式空調(diào)，分體式空調(diào)能效等級按一級要求。

2.2.1.2 新風熱回收及通風系統(tǒng)

辦公室、會議室等空調(diào)房間均采用“多聯(lián)室內(nèi)機+獨立新風機組”形式，新風經(jīng)新風機組處理后送入室內(nèi)，氣流組織為上送上回。新風機組采用全熱交換器進行冷、熱回收，通過有組織的送風和回風，全熱交換器的效率不低于70%。新風空氣熱回收的空氣凈化裝置對大于0.5μm的細顆粒物的一次通過計數(shù)效率大于80%。所有空氣處理機送風段安裝殺菌除塵空氣凈化裝置。設備用房等非空調(diào)房間利用機械通風來消除室內(nèi)余熱和余濕。

2.2.2 照明及其他電氣節(jié)能設計

2.2.2.1 照明

設計建筑在滿足房間功能需求的情況下，減少建筑形體進退，優(yōu)化建筑開窗位置與室內(nèi)墻柱的位置關系，以保證辦公區(qū)域具有充足的自然采光。辦公室、車庫、設備房等房間的燈具以LED為主，辦公室照明色溫取值為4000K；其他場所結(jié)合二次裝修布置燈飾。主要房間照明功率密度設計值如表3所示。

表3 主要房間照明功率密度設計值

根據(jù)建筑的照明需求，項目團隊設置了分區(qū)照明控制措施，在具有天然采光條件或天然采光設施的區(qū)域采用獨立控制方式。大堂、走廊、樓梯間等公共區(qū)域照明采用就地感應控制和集中開關控制結(jié)合的方式，辦公室、會議室等場所照明采用室內(nèi)智能面板控制。

2.2.2.2 電梯

電梯運行通過采用群控功能、自動關閉轎廂照明及風扇、變頻調(diào)速拖動方式等節(jié)能措施。

2.3 再生能源補充

夏熱冬暖地區(qū)太陽能資源豐富，且漳州市東山島擁有豐富的風能資源。因此，設計團隊基于城區(qū)資源稟賦及建筑用能特征，采用了風能發(fā)電與太陽能發(fā)電互補的風光互補系統(tǒng)。本項目可再生能源系統(tǒng)總裝機容量為413kW，設備型號和裝機容量如表4所示?？稍偕茉聪到y(tǒng)采用并網(wǎng)措施，所有發(fā)電量均并入市政電網(wǎng)系統(tǒng)，并單獨裝設表計量。

表4 可再生能源系統(tǒng)主要部件

2.4 智慧管控提升

2.4.1 建筑室內(nèi)環(huán)境和能耗監(jiān)測系統(tǒng)

綜合能源管理系統(tǒng)對設計建筑室內(nèi)環(huán)境進行實時監(jiān)測，為用戶提供舒適的環(huán)境。監(jiān)測的參數(shù)包括室內(nèi)溫濕度、二氧化碳（CO2）濃度、總揮發(fā)性有機化合物（TVOC）及PM2.5。多合一智能環(huán)境質(zhì)量傳感器按照獨立房間( 面積不超過50m2 時）每個房間設置1臺、大空間每100～150m2設置1 臺進行布置，并且在空氣流通、能反映被測房間空氣狀態(tài)的位置，安裝高度距地面1.6～2m或吸頂安裝。

為保障數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性，環(huán)境質(zhì)量傳感器采用具備485 總線和Zigbee 無線等多類型的接入方式，提升數(shù)據(jù)采集的效率和可靠性；環(huán)境傳感器實時采集的環(huán)境參數(shù)通過每個區(qū)城的環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)關傳輸?shù)奖镜毓芾硐到y(tǒng)，管理系統(tǒng)依據(jù)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)通過進行評價和控制策略計算，輸出控制指令給空調(diào)、燈光等環(huán)境控制設備與系統(tǒng)。

綜合能源管理系統(tǒng)對現(xiàn)場的智能水表、電表進行數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)計量、計費、預繳等功能。智能水表采用RS485 總線、MODBUS或是CJ/T188—2004 中的協(xié)議與數(shù)據(jù)采集進行通信。

2.4.2 建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)

2.4.2.1 空調(diào)系統(tǒng)：多聯(lián)機＋新風系統(tǒng)

本項目空調(diào)冷源采用多聯(lián)機系統(tǒng)，其設備供應商提供一體化對外開放的RS485通信接口，將機組內(nèi)部參數(shù)開放給本項目綜合能源管理系統(tǒng)，同時了解每一臺多聯(lián)機的運行情況，根據(jù)空氣質(zhì)量傳感等采集的數(shù)據(jù)分析后智能啟停空調(diào)，以達到最佳的空調(diào)節(jié)能效果。主要監(jiān)測范圍包括：實時顯示設備運行參數(shù)；對空調(diào)設備進行遠程控制；設備運行參數(shù)異常時，系統(tǒng)自動報警；保持時間調(diào)度功能，實現(xiàn)定時啟停；設備運行的用電錄據(jù)。

綜合能源管理系統(tǒng)對新風系統(tǒng)的監(jiān)控，監(jiān)控內(nèi)容如下：風機運行狀態(tài)、故障報警、手動和自動開關狀態(tài)監(jiān)測；與空氣質(zhì)量傳感器所上傳的數(shù)據(jù)聯(lián)動風機啟停控制；測試并記錄各空調(diào)設備運行參數(shù)，累計工作時間，提示定時維修，形成各種報表等。

綜合能源管理系統(tǒng)可以通過監(jiān)控多聯(lián)機、新風機組等設備使用情況，根據(jù)建筑需求負荷智能控制機房設備，使系統(tǒng)主機供冷與需求負荷相匹配，實現(xiàn)在保證空調(diào)供冷的前提下，提高整體能效比，同時最大限度降低系統(tǒng)能耗。

2.4.2.2 太陽能光伏系統(tǒng)

綜合能源管理系統(tǒng)對太陽能光伏系統(tǒng)的監(jiān)控通過標準通信接口進行數(shù)據(jù)調(diào)用實現(xiàn)監(jiān)測。太陽能光系統(tǒng)供應商開放通信接口，將系統(tǒng)運行參數(shù)開放給綜合能源管理系統(tǒng)。

具體監(jiān)測內(nèi)容如下（最終以廠家開放的內(nèi)容決定）：監(jiān)測光伏儲能發(fā)電參數(shù)、系統(tǒng)運行狀況及設備運行情況，系統(tǒng)及設備運行異常時，具備告警提示功能；具備遠程遙控功能；按時段統(tǒng)計發(fā)電量、歷史發(fā)電曲線、負載用電以及并網(wǎng)發(fā)電量等，并計算系統(tǒng)實現(xiàn)的經(jīng)濟收益；具有充放電功能，能夠自動調(diào)整充放電時段及功率。

2.4.2.3 風能發(fā)電系統(tǒng)

綜合能源管理系統(tǒng)對風能發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控通過標準通信接口進行數(shù)據(jù)調(diào)用實現(xiàn)。風能發(fā)電系統(tǒng)設備供應商開放通信接口，將系統(tǒng)運行參數(shù)開放給綜合能源管理系統(tǒng)。具體監(jiān)測內(nèi)容如下（最終以廠家開放的內(nèi)容決定）：監(jiān)測風能發(fā)電參數(shù)、系統(tǒng)運行狀況及設備運行情況，系統(tǒng)及設備運行異常時，具備告警提示功能及遠程遙控功能；按時段統(tǒng)計發(fā)電量、歷史發(fā)電量、負載用電以及并網(wǎng)發(fā)電量等，并計算系統(tǒng)實現(xiàn)的經(jīng)濟收益。

2.4.3 建筑綜合節(jié)能管控

傳統(tǒng)房間內(nèi)的空調(diào)、照明末端基本依賴管理人員手動調(diào)節(jié)，常常出現(xiàn)無人時空調(diào)和照明長期開啟，造成能源浪費，無法滿足高效運維、品質(zhì)運營的需求。因此，需要采用房間綜合節(jié)能管控方式，對設計建筑大量房間的空調(diào)末端、照明等設備進行高效的遠程管理和智能調(diào)節(jié)。

房間綜合節(jié)能管控系統(tǒng)可以實現(xiàn)根據(jù)客觀環(huán)境感知數(shù)據(jù)集空間的使用狀態(tài)，調(diào)節(jié)環(huán)境控制設備，在滿足室內(nèi)舒適環(huán)境需求的情況下，以降低房間綜合能耗為目的，自動確定房間空調(diào)、照明等的控制模式，或根據(jù)用戶指令執(zhí)行不同的空間場景模式控制方案；節(jié)能控制器通過對設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、運行時長統(tǒng)計，能夠?qū)照{(diào)系統(tǒng)的冷量、空調(diào)末端的用電量，以及照明系統(tǒng)的用電量進行精準計算，從而進一步豐富完善能源管理系統(tǒng)。

3 近零能耗建筑技術節(jié)能減排效益分析

建筑采取的節(jié)能減碳技術措施包括高效供暖空調(diào)設備、照明系統(tǒng)、節(jié)能電梯系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)。各項措施的節(jié)能減排計算如下。

3.1 高效供暖空調(diào)設備節(jié)能減排分析

筆者對設計建筑與基準建筑分別進行了能耗計算。基準建筑的圍護結(jié)構(gòu)做法與設計建筑一致，圍護結(jié)構(gòu)熱工性能和供暖空調(diào)設備參照GB 50189—2015設置。能耗計算結(jié)果如表5所示。

表5 設計建筑與基準建筑能耗對比

根據(jù)《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南發(fā)電設施》，電網(wǎng)排放因子調(diào)整為0.581 tCO2/MWh。根據(jù)表5，可計算得采用高效供暖空調(diào)設備后，碳減排為：（866785.70kW·h/a－642429.10kW·h/a）×0.581kgCO2/(kW·h)÷1000kg/t×50a=6517.56 tCO2。

3.2 高效照明系統(tǒng)節(jié)能減排分析

筆者對設計建筑與基準建筑分別進行了能耗計算?；鶞式ㄖ彰鲿r長與設計建筑一致，照明功率密度依據(jù)GB/T51350—2019《近零能耗建筑技術標準》和GB50189—2015規(guī)定設置，計算參數(shù)如表6所示。

表6 設計建筑與基準建筑照明區(qū)域功率密度

根據(jù)計算結(jié)果，基準建筑全年耗電量為182481.2kW·h/a，全年節(jié)約電量為（182481.2 kW·h/a－175331.8kW·h/a）＝7149.4kW·h/a，碳減排量為：7149.4kW·h/a×0.581kgCO2/(kW·h)÷1000kg/t×50a＝207.69tCO2。

3.3 節(jié)能電梯系統(tǒng)節(jié)能減排分析

本項目年電梯能耗采用IBE軟件進行計算。其中，無法按照設計文件確定設計建筑的相關參數(shù)時，依據(jù)GB/T51350—2019和GB50189—2015規(guī)定設置，經(jīng)模擬計算得出，本項目設計建筑全年電梯耗電量為24172.00 kW·h/a，基準建筑全年電梯耗電量為37789.90 kW·h/a，全年節(jié)電量為13 617.90kW·h/a。因此，碳減排量為：13617.90kW·h/a×0.581kgCO2/(kW·h)÷1000kg/t×50a＝395.60tCO2。

3.4 可再生能源利用系統(tǒng)節(jié)能減排分析

本項目全年光伏發(fā)電量為295500kW·h/a，全年風力發(fā)電量為119500kW·h/a，計算參數(shù)如表7、表8所示。

表7 光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)

表8 風力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)

因此，碳減排量為：（376000kW·h/a＋119500kW·h/a）×0.581kgCO2/(kW·h)÷1000kg/t×50a＝14394.28tCO2。

3.5 節(jié)能與碳減排匯總

將以上計算結(jié)果匯總，得到本項目各技術措施的節(jié)能量如表9 所示，碳減排量如表10 所示。

表9 節(jié)能量匯總

表10 碳減排量匯總

4 結(jié)語

筆者通過計算分析，建筑綜合節(jié)能率與建筑本體節(jié)能率與基準建筑相比分別為68.13%、22.50%，達到GB/T 51350—2019 要求的60%、20%；50a碳減排量為21515.12tCO2，年單位面積減碳量為12.64kg/(m2·a)，總碳減排率為68.13 %，達到GB 55015—2021要求的7kg/(m2·a) 、40% 以上。由此可知，近零能耗建筑設計具有顯著的減排效果。

由于可再生能源利用系統(tǒng)在節(jié)能與減排中具有重要作用，因此，充分利用當?shù)貎?yōu)勢資源進行建筑節(jié)能設計是本項目近零能耗建筑設計的有效途徑之一。

本項目的實施契合“雙碳”戰(zhàn)略發(fā)展方向，對指導夏熱冬暖地區(qū)的建筑節(jié)能，推進建筑碳減排，具有示范意義與推廣價值，為同類型項目的建設提供了可行的參考模板。