近零能耗技术在未来能源馆设计中的示范应用

赵园园 齐冬晖

(太原市建筑设计研究院，山西 太原 030002)

习近平总书记视察山西发表重要讲话，明确提出“山西要争当全国能源革命排头兵”，大同市肩负着做全省能源革命“尖兵”的重大使命，于大同御东新城中心区域强力推进山西大同国际能源革命科技创新园的规划建设，为全省乃至全国资源型地区走出转型发展新路发挥先锋示范作用。

1 山西未来能源馆建筑介绍

(山西大同)未来能源馆项目建设用地位于大同市国际能源革命科技创新园A区的东南角中心门户区域，在大同市贯穿新旧双城的东西向空间主轴与御东新城南北向主轴线的交汇处。作为园区最重要的标志性建筑，承担着全方位宣传展示山西能源革命历程和成就的重要职能，建设定位为集主题展示、会议接待、园区管理、科普教育等功能为一体的开放型展览交流中心(见图1)。展馆总建筑面积2.9万m2，主体地上3层，地下1层，建筑高度23.7 m，其中主题展示区面积约2万m2(见图2)。项目建筑技术设计的战略重心突出绿色低碳和新能源利用技术系统应用的攻坚突破，运用前沿技术，牢固树立对标国际一流的设计目标，始终坚持即使创新引领，通过覆盖工程设计全专业的系统集成创新，未来能源馆成为国内首例实现“正能建筑”目标的大中型展馆，并同时达到国内国际有关“超低能耗”“绿建三星”“LEED”及“健康建筑”四个认证标准的要求，完美诠释了“云端上的正能量”的创作理想和时代精神。

2 技术目标与实施方略

随着项目的快速推进，未来能源馆的创作与实践获得了政府和社会各界的广泛认可。本项目结合大同市当地气候特点与展览建筑自身功能特点，通过合理规划与模拟分析，按照绿色建筑理念进行设计建造，从节地、节能、节水、节材、室内环境质量、提高与创新六方面出发，实现绿色建筑三星级的设计目标。

在2019年9月1日国家《近零能耗建筑技术标准》实施发布之前未来能源馆项目就确定在节能标准上达到正能建筑水平，通过各专业紧密合作，实现规定设计目标，成为我国首例近零能耗展馆建筑，达到国内相关领域领先水平。

项目以“被动优先、主动优化”的设计理念，构建核心技术体系，被动式和主动技术手段深入结合，建立展馆空间使用实态参数模型，反复进行建筑全年逐时能耗工况模拟计算，并对数据进行深入的动态耦合分析研究，做多方案比较及统筹权衡，最终精准确定设备系统选型与被动技术系统构造措施的最佳组合方案，实现建筑本体能耗(不包括展陈设备能耗、数据中心能耗和室外景观照明能耗)的最小化和本体可再生能源利用最大化(见图3)。通过仿真模拟预测建筑的年能耗为1 457 532.42 kWh，可再生能源年发电量为1 230 036.50 kWh，占建筑年用电量比例为84.39%，建筑每平方米每年的净能耗约为98.59 kWh，最终实现国家现行标准GB/T 51350—2019近零能耗建筑技术标准规定的近零能耗指标。

除较为常规的绿色建筑技术(如：被动式技术、地道风、导光管、节能电梯、中庭采光通风、屋面花园、雨水污水回收利用等)以外，本项目在以下方面突出其示范引领作用。

2.1 高效建筑光伏一体化技术

为实现近零能耗建筑的能效指标，本工程应适应气候特征和自然条件通过选用保温隔热性能和气密性能更高的围护结构，采用高效新风热回收技术，最大程度地降低建筑供暖供冷需求以实现近零能耗绿色建筑的前提下，最大可能的利用建筑屋面和立面，选用高效的太阳能光伏系统，实现发电量最大化，以达到最小的能源消耗。由于实际使用情况的气候变化，尤其是太阳辐射量的不完全准确性，在设计阶段，应以确保建筑效果的前提下设计最大发电量。

该太阳能光伏发电方案由五个子系统组成。分别是屋面光伏系统、东立面光伏系统、西立面光伏系统、南立面光伏系统、采光顶光伏系统，共有1 340块410 Wp单晶硅光伏组件、926块320 Wp单晶硅光伏组件、1 405块40 W的薄膜光伏组件、160块100 W的薄膜光伏组件，总装机容量为917.92 kWp，接入微电网系统的光伏组串总功率为917.23 kWp。系统主要设备由23个智能汇流箱，18台50 kW的 DC-DC 变换器，1台20 kW的DC-DC 变换器、1个二级汇流计量箱组成。光伏系统为计入组件功率衰减的首发电量合计1 230 036.50 kWh(见表1)。

表1 首年月度发电量统计表 kWh

2.2 交直流混合的智能微电网系统

相比交流供电系统，直流供电系统在减少交直流转换过程及具有较高的转换效率优势而被建筑以及电力行业广泛关注，尤其是在大量应用可再生能源的今天。项目采用交直流混合微电网系统，既含有交流母线，又含有直流母线。在此系统中运用了主动配电系统技术、需求侧管理技术、配电侧储能技术、能量路由器技术、电力电子网络化技术、交直流混合配电技术等。项目设计微电网蓄电池容量为2 000 kWh，光伏直流并网容量近1 MW，直流总负载功率为1 107 kW，实现除展陈设备以外的从照明、插座、数据中心到暖通空调系统的全直流化，成为规模最大的柔性互联交直流混合系统。系统规模远超目前所有直流示范项目的直流应用规模，居中国之首，对推动建筑直流电的应用起到至关重要的意义。同时为展示直流电能和热能的直接转化，项目将贵宾接待室作为选取示范，将石墨烯采暖技术运用其中。石墨烯采暖地板通电后能使碳纤维发出对人体有益的远红外波，对人体具有良好的治疗的作用。与传统的采暖相比，它的发热机理和人体产生温暖的感觉完全不同，能给予人体一种阳光般温暖的健康舒适型人居环境。配套太阳能光伏发电系统石墨烯供暖系统可做成交流(220 V)和直流(24 V～48 V)供电两种模式。本项目使用配套太阳能光伏发电系统给石墨烯地暖系统供电，完美解决了用户用电问题，提高采暖舒适度降低采暖能耗。

2.3 建筑智能化系统及智慧园区管理系统应用

系统采用大数据分析技术实现包括中央空调、采暖系统、空调末端的自动化运行。系统采用室内二氧化碳浓度与新风联动的控制方式，当室内二氧化碳浓度高则增大或启动新风送风。系统通过全面的自动化运行来最大化的降低空调、采暖能耗，提供更加舒适的人居环境。

智能照明系统采用基于DALI技术的智能调光照明控制系统，可实现建筑内每一盏灯均可独立控制，包括开关、室内亮度调节，配合室内照明传感器、人体感应传感器可实现建筑灯光自动化控制，进一步降低建筑照明能耗。

传统智能化系统各个子系统独立运行，相互之间不通信，存在一定的信息“孤岛”，智能化集成系统是将不同功能的建筑智能化系统，通过统一的信息平台实现集成，以形成具体信息汇集、资源共享及优化管理等综合功能的系统。本项目的智能化集成系统将建筑内的各个子系统集成到一个平台，对各系统进行统一管理。降低建筑运维的人力投入，提高系统的智能化程度。

2.4 劲性大跨度结构设计

展厅空间主跨度达到34.5 m，实现展馆展示区域无柱空间效果(见图4)。最终使展厅具备了最大限度的布展灵活性和空间应变能力，有效解决了展陈设计工作开展延后及存在较大不确定性而造成的技术衔接难题。同时充分考虑与被动房节能构造优化相结合，在充分解决展馆大跨度空间需求的同时，从数量上大幅降低了热桥的影响，并充分应用结构层，进行管线综合布设，有效增强了展馆内部空间的序化效果。最终使展厅具备了最大限度的灵活性和应变能力，也有效的解决了展陈设计工作开展延后和存在较大不确定性而造成的技术衔接难题。劲性钢筋混凝土框架结构在解决大跨度空间的同时，减少了主体结构中热桥的面积，极大幅度的降低了热桥对建筑能耗的影响。

2.5 被动式智能调光门窗幕墙

超低能耗智能调光门窗幕墙，用被动式门窗幕墙的设计理念和原则，实现整体采光部分的传热系数小于1.2 W/(m2· K)，玻璃采用双Low-E暖边钢化双中空充氩玻璃，内贴调光膜。电致智能液晶调光膜不改变原有玻璃通透性，白天满足采光要求，也可根据建筑使用需求通低功率电流自由实现玻璃透明或者雾化状态，调节室内光线，并有效阻隔紫外线、红外线。对于展陈项目，还可以加上一台或多台激光投影机将普通玻璃幕墙变为多媒体玻璃幕墙。实现幕墙的智能化和低能耗要求。

2.6 新风系统及空调设计

新风热回收装置采用全热回收，全热型全热交换效率不小于70%，显热型显热交换效率不小于75%。单位风量耗功率符合现行国家标准GB 50189公共建筑节能设计标准的相关规定。新风由地下风道进行预热、预冷，根据新风温度做PID调节，预热(冷)后加防冻装置，当预热后温度低于5 ℃要开启预热盘管的电加热(电量由光伏发电提供)，以防止新风机组内板式换热器冻结。新风热回收系统空气净化装置对不小于0.5 μm细颗粒物的一次通过计数效率宜高于80%，且不应低于60%。新风热回收系统应设置低阻高效的空气净化装置，过滤等级不低于G4+F7，并具有提示更换功能。

建筑的辅助冷热源选用可再生能源，本项目选用低温型空气源热泵，低环境温度名义工况下的性能系数 COP≥2.0。供暖、供冷系统设计选用能效等级为一级的产品，冷热源、空调系统末端、通风机等用能设备应优先采用变频控制的节能控制措施。展厅等大空间采用转轮式空气热回收组合式空调机组，空调设备均分层布置于各层空调机房内。办公、配套等采用风机盘管加新风热回收系统。空调系统冬夏两用，夏季供冷，冬季供热。1层大厅设置低温热水地板辐射供热系统，冬季辅助供热。冷热源系统：空调热源由3层屋面超低温空气源热泵机组提供热水，并在地下1层预留供热机房作为备用热源，由市政热源提供 75 ℃/50 ℃热水；空调冷源由地下1层制冷机房磁悬浮离心式冷水机组提供,并配置一台超低噪声横流式冷却塔，设于2层屋面。

2.7 全过程全专业BIM技术应用

设计阶段全专业利用 BIM 技术进行协同化设计，加强各专业协同工作，提高设计质量，实现精细化设计。具体应用如下：

三维可视化：通过三维模型可直观的向使用方及施工单位展示设计成果；用过管线综合、碰撞检查实现多专业设计协同，减少设计错误。

设计完成后导出的BIM模型可以进行节能分析，实现设计上下游贯通，无需再重新建立模型，节约大量时间；通过BIM模型，模拟建筑的声学、光学，建筑物的能耗、舒适度，进而优化其物理性能。

模型也可以进行各类模拟、工程量统计、VR 应用、效果展示、空间体验，通过BIM 精细化设计，避免工作的重复，打通设计全过程，大大提高工作效率和设计质量。

施工阶段可通过 BIM 技术的全息性模拟指导，突出对施工过程中人机料法环的控制，实现项目管理精细化。

3 成果与意义

项目采用Design Builder软件对能源馆建筑进行能耗模拟评价，能耗模拟计算采用山西省大同市典型气象年逐时气象参数，通过对设计建筑和基准建筑的围护结构、房间人员、设备、照明的内热设置及作息参数和供暖、空调和新风系统进行反复模拟耦合计算，得到设计建筑与基准建筑的能耗综合值的各类分项能源消耗(如表2，表3所示)和建筑能效指标(见表4)。

表2 设计建筑的建筑能耗综合值的各项分项能源消耗

表3 基准建筑的建筑能耗综合值的各项分项能源消耗

表4 设计建筑与基准建筑的能效指标

通过技术的集成运用，本项目在建筑绿色节能设计方面突出体现了如下先进性和创新性。

1)是国内第一个以“超低能耗”“绿建三星”“LEED 金级”及“健康建筑”四个认证标准为总体设计目标的高性能建筑；2)国内首例实现“近零能耗建筑”目标的大型展馆类公共建筑，面积达2.9万m2，层高7 m，大空间大尺度，无参考案例，需采用创新技术，反复对比实验论证来实现“近零”甚至“净零”目标；3)先进的建筑光伏一体化组件系统，立面光伏构件采用最新的釉面工艺实现哑光银白色仿铝板的建筑效果，基于半片叠瓦技术的高效晶体硅光伏双玻组件应用于建筑屋面(转换效率>20%)，装机功率和发电量占整个光伏系统的 93%。助力建筑基本实现零能耗目标；4)劲性大跨结构设计，室内实现“无柱设计”，减少热桥，属于将建筑结构设计与被动式设计相结合的设计思路创新；5)全国最大的建筑全直流应用项目，为建筑直流技术的推广和应用提供安全性、标准化的指导示范作用；6)光伏直驱变频离心机技术，项目使用了“全球首创”的光伏离心机系统，系统集成了光伏直驱变频离心机技术、三元换流技术、动态负载跟踪MPPT技术、基于PAWM交错调制控制技术、能源管理系统五大核心技术，比常规光伏空调用电效率提高 6%～8%；7)首次将太阳能光伏发电系统的直流电给石墨烯地暖系统供电，实现舒适度和能耗的双向指标优化；8)国内首例建筑智能化集成示范。实现了共享办公云系统、综合能源管控中心，机器人停车、物联网感知体系、能耗监测、BIM+GIS公共服务平台等多重示范。

4 结语

通过(山西大同)未来能源馆近零能耗示范建筑，详细的分析了近零能耗建筑中系统集成的必要性。文章首先详细描述了该近零能耗建筑的技术特点，包括高效建筑光伏一体化技术、交直流混合的智能微电网系统、建筑智能化系统及智慧园区管理系统、劲性大跨度结构设计、被动式智能调光门窗幕墙、全过程全专业全周期的BIM技术应用。结合以上技术运用，对项目进行详细的计算和数据分析，得出该项目设计实现了近零能耗建筑的结论。项目落成昭示着山西能源革命的历程进入新纪元，其规划设计理念和技术创新成果的前沿性和探索性，将持续发挥宣传示范效应，展馆主题鲜明，新颖独特的形象也为城市增添了一道亮丽的风景，同时其在近零能耗建筑技术的集成应用为我国近零能耗公共建筑的发展起着重要的启程作用。