北京市建筑設(shè)計(jì)研究院C座改造項(xiàng)目

本文作者為中國建筑科學(xué)研究院有限公司建科環(huán)能科技有限公司康一亭、吳劍林，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司何荻。

摘要

北京市建筑設(shè)計(jì)研究院C座改造項(xiàng)目最大程度地保留了原建筑主體結(jié)構(gòu)，采用高性能保溫體系和門窗，加強(qiáng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能；利用全自動(dòng)控制電驅(qū)動(dòng)外遮陽，提供高靈活性的遮陽系統(tǒng)；并在方案階段綜合考慮自然通風(fēng)和自然采光的應(yīng)用，降低建筑能耗。項(xiàng)目在低碳節(jié)能改造方面的增量成本約為1247元/m2，能源消耗量為70.69 kW·h/(m2·a)，節(jié)能率達(dá)到63.87%。

關(guān)鍵詞

節(jié)能改造；綠色減碳；增量成本；建筑能耗

項(xiàng)目概況

北京市建筑設(shè)計(jì)研究院C座改造項(xiàng)目位于北京市南禮士路62號(hào)北京市建筑設(shè)計(jì)研究院公司院區(qū)內(nèi)中心偏東側(cè)地塊。項(xiàng)目總建筑面積8652m2，其中地上建筑面積7690m2，地下建筑面積962m2，建筑功能為辦公。項(xiàng)目于2018年10月開工，2019年底完成改造工作，2020年5月投入使用。

建筑建成于1982年，經(jīng)過30多年的使用，已出現(xiàn)樓板開裂、鋼筋外露、周邊懸挑梁變形等問題。建筑原圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能失效，氣密性能較差，節(jié)能效果不佳。建筑能源系統(tǒng)和照明系統(tǒng)運(yùn)行年限長，設(shè)備能效水平低，運(yùn)行安全性和可靠性降低。建筑已經(jīng)不符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的抗震能力要求和建筑節(jié)能要求，存在嚴(yán)重安全隱患和能耗偏高問題。由于其位于北京市核心區(qū)且南側(cè)緊鄰住宅樓，因此，在改造過程中不能開展大規(guī)模建筑外立面施工，避免施工過程中噪音、粉塵、廢棄物給周邊居民帶來不利影響。

圖1 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院C座改造項(xiàng)目

為了提高建筑綠色低碳發(fā)展水平，基于國內(nèi)外綠色、健康、節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)，確定項(xiàng)目1~4層改造目標(biāo)為LEED鉑金級，WELL鉑金級，健康建筑三星級，全樓改造目標(biāo)為近零能耗建筑、綠色建筑三星級，旨在建造安全、近零能耗、智慧、健康建筑示范工程。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院C座是國內(nèi)首個(gè)綠色、健康、近零能耗建筑高標(biāo)準(zhǔn)的改造項(xiàng)目。建筑節(jié)能低碳改造應(yīng)優(yōu)先通過高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)降低建筑冷熱需求，但考慮到建筑施工條件的限制，最終確定在原有圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻內(nèi)側(cè)增加內(nèi)保溫，提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能。內(nèi)保溫在建筑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工藝做法方面受較多因素影響，須重點(diǎn)把控。為了進(jìn)一步降低建筑碳排放，建筑采用高效機(jī)電設(shè)備，充分利用可再生能源，結(jié)合智能化運(yùn)維系統(tǒng)達(dá)到綠色低碳運(yùn)行效果（圖1）。

技術(shù)方案

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動(dòng)節(jié)能改造

本案例考慮降低拆改過程中造成的碳排放和對周邊環(huán)境的影響，采用了增加巖棉和STP真空絕熱板作為內(nèi)保溫的方式，同時(shí)配備高性能外窗與遮陽系統(tǒng)，達(dá)到優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

項(xiàng)目改造前圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅采用200mm加氣混凝土，其中東向和南向在2000年改造工程中增加了50mm的聚苯板保溫層，建筑門窗傳熱性能、氣密性均較差。圍護(hù)結(jié)構(gòu)已不滿足現(xiàn)行國家相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。受項(xiàng)目改造條件限制，無法在建筑外立面進(jìn)行大規(guī)模施工，最終確定基于原有圍護(hù)結(jié)構(gòu)在外墻內(nèi)側(cè)增加內(nèi)保溫。

外墻保留原有200mm加氣混凝土外墻，在外墻內(nèi)側(cè)增加80mm厚巖棉板和30mm厚STP真空絕熱板，外墻平均傳熱系數(shù)達(dá)到0.21W/(m2·K)。同時(shí)，根據(jù)建筑方案和無熱橋設(shè)計(jì)需求，在局部節(jié)點(diǎn)或造型位置增加STP真空絕熱板，保障建筑保溫性能和無熱橋效果。屋面：屋面保溫采用300mm厚擠塑聚苯板，屋面平均傳熱系數(shù)達(dá)到0.14 W/(m2·K)。

外窗及外遮陽采用TP6（單銀Low-e）+16Ar暖邊+TP5+0.5V+TP5三玻中空，窗框采用鋁合金隔熱斷橋鋁型材，斷橋鋁型材表面采用氟碳噴涂，外窗整體傳熱系數(shù)達(dá)到1.0W/( m2·K )，外窗氣密性等級達(dá)到8級，水密性等級達(dá)到6級。建筑南側(cè)、東側(cè)外窗設(shè)置室外電動(dòng)遮陽百葉，室內(nèi)每套外窗側(cè)設(shè)置遮陽卷簾（圖2）。

圖2 建筑外窗與外遮陽

保證建筑屋面、外墻、地面、外窗等部位無熱橋。建筑采用內(nèi)保溫方式，其無熱橋設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)包括保溫層連接部位、外窗與結(jié)構(gòu)墻體連接部位、管道等穿墻或屋面部位，以及遮陽裝置等需要在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)固定可能導(dǎo)致熱橋的部位等（圖3~圖5）。

圖3 外墻大樣圖

圖4 外窗大樣圖

圖5 屋面大樣圖

按照《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51350-2019，建筑氣密性指標(biāo)達(dá)到換氣次數(shù)N50≤0.6。建筑氣密性對于實(shí)現(xiàn)近零能耗及近零碳建筑目標(biāo)非常重要。良好的氣密性可以減少冬季冷風(fēng)滲透，降低夏季非受控通風(fēng)導(dǎo)致的供冷需求，避免濕氣侵入造成的建筑發(fā)霉、結(jié)露、損壞，降低室外噪聲和空氣污染等不良因素對室內(nèi)環(huán)境的影響。

項(xiàng)目選用高性能的門窗，外門窗氣密性等級達(dá)到8級。在建筑設(shè)計(jì)和施工過程中，保障關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的性能，其中對建筑風(fēng)道、給水排水管、電纜、空調(diào)水管、雨水管等孔洞位置均進(jìn)行有效密封。

2 冷熱源系統(tǒng)改造

項(xiàng)目改造前采用市政熱力和冷水機(jī)組提供冷熱源，改造后重新匹配冷熱源機(jī)組，采用4臺(tái)模塊式空氣源熱泵主機(jī)，熱泵制冷COP達(dá)到3.75，制熱COP達(dá)到4.2。每臺(tái)空氣源熱泵主機(jī)有4個(gè)機(jī)頭，可以逐級進(jìn)行調(diào)節(jié)，4臺(tái)主機(jī)共可按照16級變頻調(diào)節(jié)。建筑末端采用“風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)”，新風(fēng)熱回收系統(tǒng)全熱回收段效率為75%，當(dāng)過渡季室外溫度低于28℃，相對濕度低于60%時(shí)，采用自然通風(fēng)方式（圖6）。

圖6 空氣源熱泵機(jī)組

3 照明系統(tǒng)改造

室內(nèi)照明燈具更換為高效LED節(jié)能燈具并配套智能化照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)分組、人感光感控制。項(xiàng)目改造前照明系統(tǒng)以普通白熾燈和節(jié)能燈為主，手動(dòng)控制，照明系統(tǒng)節(jié)能潛力較大。項(xiàng)目改造后主要功能房間的照明功率密度為4~6.5W/m2。同時(shí)，增加智能照明控制系統(tǒng)，按建筑使用條件和天然采光狀況采取分區(qū)、分組控制措施。

4 可再生能源應(yīng)用

為了進(jìn)一步達(dá)到近零能耗和近零碳排放的目標(biāo)，結(jié)合建筑造型和屋面條件，在充分考慮建筑光伏一體化的前提下，采用屋頂太陽能光伏系統(tǒng)，光伏設(shè)計(jì)面積為400m2。根據(jù)北京市氣象條件，全年發(fā)電量約為66014kW·h，屋面光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量可滿足節(jié)能需求（圖7）。同時(shí)，室內(nèi)布置綠植墻面和盆栽增加碳匯，間接降低建筑碳排放。

圖7 太陽能光伏系統(tǒng)

5 建筑智控系統(tǒng)

項(xiàng)目采用智能化監(jiān)控運(yùn)維系統(tǒng)對建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)、室外環(huán)境溫度和建筑能源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，準(zhǔn)確反映建筑的用能情況，監(jiān)測能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對建筑的最佳使用效果。項(xiàng)目在建筑室內(nèi)和室外設(shè)置溫度、濕度傳感器，監(jiān)測環(huán)境舒適度。在冷熱源系統(tǒng)、能源系統(tǒng)末端等關(guān)鍵部位設(shè)置溫度、流量、壓力傳感器，通過監(jiān)測能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，設(shè)置合理的系統(tǒng)運(yùn)行方案，完成自動(dòng)控制。同時(shí)在建筑會(huì)議室和公共區(qū)域設(shè)置人感和光感傳感器，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能控制。外窗和外遮陽采用自動(dòng)控制方式，通過室外日照情況和室內(nèi)人員情況，設(shè)定合理的控制方案，集中自動(dòng)控制。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)仁侄渭皶r(shí)采集分析能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在能耗監(jiān)測平臺(tái)上對能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析展示的效果。

6 管理模式創(chuàng)新

項(xiàng)目改造期間采用全過程管理模式，從方案設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、建筑施工、系統(tǒng)調(diào)試、建筑運(yùn)行階段制定技術(shù)方案，應(yīng)用一體化管理流程，組織各個(gè)專業(yè)和領(lǐng)域的工作人員開展項(xiàng)目研討會(huì)，相互協(xié)調(diào)和響應(yīng)不同專業(yè)的需求。監(jiān)督實(shí)施過程，保障實(shí)施效果。見圖8所示。

圖8 全過程一體化管理流程

實(shí)施效果

1 節(jié)能降碳效果

針對項(xiàng)目改造方案，以滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189-2015節(jié)能要求的建筑作為參照建筑，參照建筑能源消耗量為195.68 kW·h/(m2·a)，本項(xiàng)目建筑能源消耗量為70.69 kW·h/(m2·a)，節(jié)能率達(dá)到63.87%。根據(jù)碳排放計(jì)算結(jié)果，常規(guī)節(jié)能參照建筑碳排放強(qiáng)度為5583 kg CO2/m2，本項(xiàng)目通過采用多項(xiàng)綠色低碳技術(shù)后碳排放強(qiáng)度下降30.32%，降碳效果顯著。其中隱含碳排放強(qiáng)度為1142 kg CO2/m2，運(yùn)行碳排放強(qiáng)度為2748 kg CO2/m2，運(yùn)行碳排放占比70.64%。

2 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

項(xiàng)目改造投資約1331萬元，相比常規(guī)建筑，改造建筑在根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189-2015建造基礎(chǔ)上，產(chǎn)生的增量成本如下表所示，投資費(fèi)用增加了925.28萬元，增量成本約為1247元/m2。建筑節(jié)能減碳改造增量成本見表1。

表1 建筑節(jié)能低碳改造增量成本

既有公共建筑已成為我國建筑節(jié)能改造的重點(diǎn)，其具備節(jié)能改造的相關(guān)潛力。本示范項(xiàng)目為其它公共建筑節(jié)能改造項(xiàng)目提供了新技術(shù)應(yīng)用參考，從而引導(dǎo)更多的既有公共建筑以高標(biāo)準(zhǔn)提升建筑性能。為了進(jìn)一步提升建筑節(jié)能水平，強(qiáng)化建筑的綜合性能，延長建筑使用壽命，應(yīng)積極推動(dòng)并大量推廣該項(xiàng)目節(jié)能減碳改造模式。

項(xiàng)目特點(diǎn)

本次改造最大程度地保留了原建筑主體結(jié)構(gòu)，在對原主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造的基礎(chǔ)上，對建筑方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用高性能保溫體系和門窗加強(qiáng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，利用全自動(dòng)控制電驅(qū)動(dòng)外窗和外遮陽提供高靈活性的遮陽系統(tǒng)，并在方案階段綜合考慮自然通風(fēng)和自然采光的應(yīng)用，降低建筑能耗需求。建筑能源系統(tǒng)以空氣源熱泵系統(tǒng)作為獨(dú)立冷熱源。利用高效LED燈具及智能照明控制系統(tǒng)降低建筑照明能耗，全樓機(jī)電設(shè)備設(shè)施完成了更換，對全樓進(jìn)行裝修改造，綠色化改造。建筑充分利用可再生能源，設(shè)置400m2的屋面光伏系統(tǒng)為公共區(qū)域照明供電，以進(jìn)一步達(dá)到建筑近零能耗和近零碳的目標(biāo)。建筑改造應(yīng)用健康建筑元素，通過在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置活性炭過濾、高壓靜電除塵等空氣凈化裝置保障室內(nèi)空氣質(zhì)量；全樓設(shè)置直飲水凈化系統(tǒng)為員工提供便捷干凈的飲水來源；室內(nèi)采用健康高質(zhì)量光源，提供舒適的光環(huán)境；員工工位配備人體工程學(xué)工位，公共區(qū)域設(shè)置健身工位，鼓勵(lì)健康的工作方式；建筑應(yīng)用智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測、水質(zhì)在線監(jiān)測、照明分區(qū)分組控制、樓宇設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)維等功能。

推廣建議

既有建筑改造項(xiàng)目可以通過：外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及保溫結(jié)構(gòu)改造、更新外門窗和遮陽、冷熱源機(jī)房改造、熱回收機(jī)組加裝、應(yīng)用節(jié)能自控照明設(shè)備、裝配光伏發(fā)電等措施，在不改變主體結(jié)構(gòu)的情況下，在安全改造的同時(shí)，開展綜合節(jié)能改造工作，解決建筑年代久遠(yuǎn)、基礎(chǔ)條件差、鄰近住宅樓等問題，探索并實(shí)施近零能耗建筑、綠色建筑、健康建筑、智慧建筑技術(shù)改造，提高建筑物使用的安全性、舒適性和健康性。