寒冷气候区近零能耗公共建筑设计方法——以某展馆建筑为例

李丹

（山东省人民防空建筑设计院有限责任公司，山东济南 250000）

0 引言

建筑节能对于缓解全球能源短缺和改善建筑环境质量有起着非常重要的作用，是建筑行业一个重要的技术领域。《近零能耗建筑技术标准（GB/T51350—2019）》的颁布实施在我国建筑节能发展的道路上迈出了重要的一步，超低/近零能耗建筑成为建筑节能发展新趋势。近零能耗建筑的能耗水平较国家和行业节能标准将再降低60%以上，可有效的降低建筑能耗、提高室内建筑环境水平。

1 寒冷气候区近零能耗公共建筑设计的优点及重点

1.1 寒冷气候区近零能耗公共建筑设计的优点

近零能耗建筑通过高性能围护结构、高效采暖空调设备的选用、能量及热量的循环利用及可再生能源系统的应用，大幅度降低建筑能耗，实现节能、节电的目标，具有低碳排放、低能耗、高舒适度的优点。

1.2 寒冷气候区近零能耗公共建筑设计的重点

寒冷气候区近零能耗建筑设计应优先考虑冬季取暖，兼顾夏季制冷，因此其设计重点：①保证工程围护结构的保温性和气密性，提高热工性能，同时应兼顾建筑朝向、窗墙比、形体系数等。例如建筑形体不宜太复杂，尽可能减少房间的外围护面积，尽量减小形体系数；建筑朝向宜避开冬季主导风向，降低热能渗透损失；②采取可靠适用的可再生能源；③提高暖通空调系统综合能效。在此基础上，配合以节能工艺、先进的智能控制系统及科学运行管理，从而实现建筑节能的近零能耗。同时，高性能的保温材料、被动式技术、高效的用能系统和设备、可再生能源的利用等节能措施的选用，使近零能耗建筑的设计更加复杂，如何适应当地自然及气候条件，选取经济可靠适用的技术措施，也是近零能耗公共建筑设计的重点任务之一。

2 近零能耗公共建筑设计解决方案

2.1 高性能围护结构选用

公共建筑要实现近零能耗建筑能耗指标，首先应保证建筑围护结构保温性能。对于寒冷气候区，冬季的冷风风速较高，温度较低，因此必须要强调围护结构的升级。增加外墙保温层厚度可提高围护结构保温隔热性能，但保温层过厚在技术和经济上都是不合理的，因此应选用高性能保温材料，限制保温层厚度。另外，对于寒冷气候区建筑外窗玻璃的选取，宜选用遮阳系数较大的外窗。这是由于寒冷地区采暖能耗大于空调能耗，外窗玻璃遮阳系数增大使太阳辐射得热量增加，冬季采暖耗热量降低，全年冷热源总能耗减小。

以某展馆建筑为例，经热工敏感度及性能化设计计算，最终选定的围护结构各热工参数指标如表1所示。

表1 围护结构各热工参数指标

寒冷气候区近零能耗公共建筑还应保证建筑围护结构的气密性，包括屋面、墙体、门窗、穿墙管道位置的密闭性。某展馆建筑在墙体装饰面层板材交界处粘贴防水隔汽膜，同时提高室内砂浆刷涂质量，防止因墙体不均匀沉降或收缩致使墙体开裂或抹灰层开裂；优化设备管道布置方式，减少穿外墙、屋面管线数量，并于管道穿越围护结构处填充保温隔热材料，保证围护结构的气密性。

2.2 减小热桥设计

在寒冷气候区公共建筑的近零能耗设计中，热桥节点处理是建筑节能设计中的重点任务之一，需要充分考虑到热桥设计的相关内容。易出现热桥的部位包括门窗安装部位、结构外挑构件、金属龙骨部位及管道穿墙部位等。不同的项目结构形式，热桥的产生部位不尽相同。

某展馆建筑屋面为钢结构，屋面及外立面表面由石板瓦搭接而成，石板瓦需要金属龙骨固定，龙骨支架的固定支座会穿透保温层形成热桥。热桥考虑减弱的前提是确保龙骨受力安全性及其所提供的支撑功能足够，经反复研究论证，采取了支座中间增加橡胶垫块进行隔断热桥的方法。圆形屋面钢梁上设压型钢板，压型钢板上方铺设防水隔汽膜，隔汽膜上铺设岩棉板保温，岩棉板上方设有龙骨及镀锌钢板，镀锌钢板上喷涂聚脲防水。由于聚脲防水不具备透气性，屋面在最高处设计了通气孔，便于保温内部水蒸气排出室外。

2.3 排风热回收技术

排风热回收技术是一项常用的建筑节能措施，节能效果突出且技术较为成熟。排风热回收技术通过排风对新风的加热或冷却，对室内人员、设备生成的能量热量循环利用，有效减少能量损失，回收热效率不低于60%。室外的新鲜空气经过滤及能量交换后引入室内，可在不需开窗的情况下保证室内空气新风量，新风负荷及冷风透入量较小。送入室内的空气经过热交换机，同经过热交换器的排风气流发生能量和热量的交换，送入室内的新风温度与室内温度差额不大，具有耗电量低、运行经济、体感舒适的优点。排风热回收技术包括全热回收及显热回收，对于寒冷气候地区，湿度相对较小，潜热较小，采用显热回收装置经济更为合理。

2.4 可再生能源利用

可再生能源的利用是近零能耗建筑设计中的重要内容，通过太阳能光电建筑应用、太阳能光热建筑应用、地源热泵技术应用、生物质能应用、风能及其他可再生能源的应用，解决建筑的采暖空调、热水供应、照明等能源消耗。设计时应根据地域气候特征选取合适的可再生能源技术。

某寒冷气候区展馆建筑利用太阳能-地源热泵联合运行，结合两种能源，互相弥补各自不足，提高资源利用率。

地埋管地源热泵系统将地埋管换热器埋在地下，以土壤作为释热和吸热对象，传热介质在管内循环，通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换的地热能交换系统。空调系统冷、热模式的转变通过连接在机组外部的循环水路在机组蒸发器和冷凝器之间的切换来实现。由于寒冷气候区冬季吸热量大于夏季放热量，若单独采用地源热泵系统，由于全年吸热量与排热量不平衡，长期运行将会导致土壤温度逐年降低，热泵运行效率降低，无法实现使用目标。

因此，为了保障地源热泵系统的运行效率，解决冬季吸热量与夏季放热量不平衡的问题，可采用地源热泵系统与太阳能系联合运行的方式。以太阳能作为空调采暖系统的辅助热源，将太阳能转换成热能，供给建筑物热水及冬季采暖系统。系统主要由太阳能集热及蓄热系统、末端分配系统、自动控制系统构成，通过集热系统收集太阳辐射能，通过建筑构件各种蓄热系统将热能储存起来，最终通过分配系统将热能送入各个末端，实现使用功能，系统原理图如图1所示。

图1 太阳能采暖系统原理

3 结语

寒冷气候区近零能耗建筑设计应考虑技术的有效性、普及性、适用性、经济性等方面，通过被动式设计降低能耗负荷，通过采用高性能建筑材料、高能效的暖通空调系统及可再生能源，通过科学的监控及运行控制为近零能耗的实现提供保障。随着建筑节能技术的不断进步和设计标准的不断提高，还有更多高效环保的节能技术有待应用，被动式节能技术、智能监测及自控系统还有很大提升空间，近零能耗建筑作为一项新生事物，技术难度及造价是影响其广泛推广普及的重要因素，应作为今后研究发展的重要方向。