近零能耗公共建筑设计中的一些体会——以山西综改区“新源智慧建设运行总部A座”为例

翟帅奇

（山西省建筑设计研究院有限公司，山西太原 030013）

0 引言

近零能耗建筑是通过被动式设计，通过加强外围护结构的保温隔热性能，并利用可再生能源，以及先进的能源回收技术来实现最少化的建筑产能。在现有建筑节能标准上通过节能设计和高效运行，使建筑室内环境舒适，能耗强度大幅度降低。夏热冬暖和夏热冬冷地区居住建筑节能75%以上，公共建筑节能60%以上，严寒和寒冷地区建筑不再需要传统的供热方式，居住建筑建筑节能60%以上，公共建筑节能70%以上，是未来建筑节能减排的重要途径。

1 项目概况

山西综改示范区，由山西省省会太原市和晋商故里晋中市等8个国家级、省级产学研院区组建而成，并向南向北扩展，规划面积600km2，是省委、省政府落实习近平总书记赋予山西“建设国家资源型经济转型综合配套改革试验区”这一重大历史使命做出的战略决策，担负着为山西加快转型升级、创新驱动、实现高质高速发展探路领跑的重大任务，是山西深化转型综改的主战场、主引擎。

新源智慧建设总部A座项目位于山西省太原市山西转型综合改革示范区潇河产业园区太原起步区核心区，为“五大中心”核心区，建设用地定位为艺术商业街区，南侧及北侧均为商业地块，以城市风貌为主要界面。西侧为城市绿色生态带以步行体系为主。东侧为城市真武东路。总建筑面积14353m2，其中地上建筑面积13080m2，地下建筑面积1273m2。坐北朝南，宽约72.5m，长43.0m，地上5层，地下2层。地下一层为设备用房、职工餐厅、车库，地上一层为陈列室、大堂、接待室、消控值班室等，地上二层为多功能厅、附属管理用房等，地上3～5层为工程管理用房。所有房间均考虑中央空调，夏季制冷，冬季采暖，冷热源为地源热泵。近零能耗区域主要为地上区域。

2 项目简介

本工程为山西省首例近零能耗建筑，近零能耗建筑在建筑布局、朝向、体形系数等方面均体现节能理念和特点，注重与气候的适应性。使用保温隔热性能更高的围护结构，无热桥的设计与施工等技术，提高建筑整体气密性，降低供暖需求。使用活动外遮阳、自然通风等技术，降低建筑在过渡季和供冷季的供冷需求。建筑的暖通空调、照明和电气系统优先使用能效等级更高的系统和设备。通过建筑被动式设计、主动式高性能能源系统的应用，最大幅度减少化石能源消耗[1]。

3 建筑方案设计

遵循“高定位、精设计、严施工、智运行”的原则，从建筑方案设计阶段，即采用性能化设计方法，建筑设计充分考虑周边环境，兼顾体形系数的条件下，采用合理的建筑布局，结合自然采光、自然通风等因素，对建筑内中庭环境进行优化，使得建筑内各功能区间均能达到优越的舒适性能的同时不增加能耗。

建筑根据建筑不同方位，采用冬季得热的技术措施，最大限度地减少冬季采暖能耗。在东、西、北向采用窗洞，尽可能增加实墙面积，降低热量流失的界面；在南向窗户采用横向带形窗户，尽可能增加太阳得热；屋顶天窗冬季全部为得热的界面。

为最大限度提升建筑内各区域的自然环境舒适度，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，充分结合建筑日照条件确定建筑遮阳和照明的相关控制策略，优化建筑节能措施[2]。

4 设计策略

太原市属温带大陆性季风气候，四季分明，日照充足，太阳能资源丰富。夏季相比同纬度之华北平原地区较为凉爽，很少出现高温天气，昼夜温差大。冬季较为寒冷。全年大部分时间湿度适宜。

根据气候特点分析，总结适宜当地气候的近零能耗建筑节能策略如下。

（1）冬季寒冷且采暖，因此外保温、门窗保温性能及新风热回收对于节能非常重要。

（2）冬季南向太阳得热最多，建筑应采取正南北向布局，并在南向尽可能开大窗。

（3）北向冬季太阳得热少，且朝向主季风风向，容易散失热量，应尽可能减小开窗面积。

（4）夏季较为凉爽，昼夜温差大，且湿度适宜，因此在夏季及过渡季应尽可能更多的利用自然通风降温，设置中庭利用烟囱效应加强通风效果。

（5）增加室内蓄热表面，选择蓄热能力强的材料作为室内装饰材料（如石材），高蓄热能力的材料可以在白天吸收室内多余的热量并在夜晚温度低的时候释放出来，平衡室内昼夜负荷差异。

（6）夏季主导季风为南风，绿色庭院与中庭形成通风廊道，引导夏季季风穿过建筑的中庭带走室内多余的热量，起到夏季被动降温的作用。

（7）中庭上空的太阳能光伏板收集太阳能发电，夏季太阳高度角较高的时候反射部分太阳光线以减少进入建筑内部的热能[3]。

5 项目关键技术应用

5.1 新型外墙保温系统

外墙采用新型装配式高效保温墙体，外墙保温一体化设计使用150mm厚ALC墙板+210mm厚发泡聚氨酯+预制钢筋混凝土复合墙板（46mm厚挤塑板+50mm厚劲性混凝土保护层），传热系数为0.14。屋面设350mm厚挤塑板保温层，传热系数为0.1。地下室顶板设200mm厚岩棉保温层，传热系数为0.22。

5.2 外门窗及幕墙构造体系

外门均采用被动式门窗。其中外窗、玻璃幕墙均采用德国被动房研究所（PHI）认证产品。

外窗采用玻纤增强聚氨酯窗6Low-E+18Ar暖+6+18Ar暖+6Low-E（全钢）三玻两腔钢化中空玻璃，传热系数为0.91。玻璃幕墙采用隔热铝合金玻璃幕墙6双银Low-E+18Ar暖+6+18Ar暖+6Low-E（全钢）三玻两腔钢化中空玻璃，传热系数为0.88。

屋顶天窗采用隔热铝合金玻璃幕墙6双银Low-E+18Ar暖+6+18Ar暖+6Low-E+1.52PVB+6四玻两腔钢化中空夹胶玻璃，传热系数为0.88。

5.3 连续气密层设计

近零能耗控制区域采用连续气密层体系，建筑墙体和关键节点满铺气密膜，建筑整体气密控制目标为室内外50Pa压差下，建筑换气次数为0.6次/h。外侧铺设防水透汽膜，防止室外水汽渗入。建筑气密性小于1.0，保证外墙保温性能，保证隔音效果，防止结露产生的建筑损坏，降低通风热损失[4]。

5.4 高性能遮阳体系

本建筑设有多种建筑遮阳装置，遮阳装置在不影响采光和自然通风的情况下，最大限度地减少了太阳辐射，降低了夏季空调能耗。在东、西向窗洞外侧设置升降百叶可调节外遮阳卷帘，结合立面设计在南、东、西向窗户外侧设置了固定水平遮阳百叶；屋顶天窗内侧设置电动可调节内遮阳百叶。

5.5 断热桥处理

热桥是指围护结构中传热能力较强，热流比较密集，能量损失明显高于附近区域的部位。幕墙龙骨与主体连接处采用隔热垫块断热桥构造。窗户与墙体连接部位采用隔热垫块断热桥构造。设备管道穿墙部位和电线穿墙采用局部岩棉保温封堵，实现断热桥处理。外围护墙板、外遮阳以及外饰面板采用断热桥锚固件与主体连接，同时结合聚氨酯发泡层，实现断热桥安装。女儿墙、地下室顶板、外挑构件部位均采用断桥锚栓固定保温材料，实现断热桥安装。

5.6 自然通风优化设计

本建筑着重优化中庭结构设计，增加整体自然通风效果。同时考虑充分利用太原地区当地夏季夜间气温和相对湿度较低的自然条件，结合智能化控制系统的应用，利用自然通风，在过渡季节或夏季夜间，自动打开采光天窗，热气流上行，建筑物内形成自然通风效应。增加了夜间外窗和顶部天窗自动开启功能，实现夜间自然通风冷却，降低建筑冷负荷。

5.7 高效热回收系统

采用温湿度独立控制系统（干式风机盘管+内冷式双冷源新风机），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。

新风系统选用内冷式双冷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%。高效的内冷式双冷源热回收除湿机组进行全热回收，冬季全热回收效率不低于70%，夏季全热回收效率不低于80%。

5.8 屋顶光伏技术

本项目结合建筑造型和屋面条件，配置了588m2的屋顶太阳能光伏，可以提供建筑所需电能的3.01%。94kW×4.2h（每天）=394.8kW·h，A座用电量1189kW·h，由可再生能源提供电量比例Re=3.01%。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。

5.9 低温热源、高温冷源应用

采用中深层无干扰地热技术为本项目提供稳定、可靠的供热热源，清洁环保、高效节能、解决了回灌和冷热平衡问题，进一步降低建筑的一次能源消耗。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。

5.10 温湿度独立控制系统（新风+干式风机盘管）

采用温湿度独立控制系统（干式风机盘管+内冷式双冷源新风机），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。

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%。

干式风机盘管由能源岛提供16～21℃高温热水承担室内显热负荷。盘管回风口设置复合空气净化器，由电子除尘、UVC杀菌、触媒分解化合物等功能集成，可以分解空气中多种污染物及病菌。

大幅提高了冷水机组效率及系统整体节能率；通过新风深度除湿，保证空调末端干工况运行，杜绝室内潮湿表面，防止滋生霉菌等微生物，减少“病态建筑综合症”、“军团菌”及各种空调传播疾病，有效保证室内空气品质；可精准控制送风含湿量，维持室内湿度控制要求，适应房间热湿比的变化，湿度控制系统如图1所示。

图1 湿度控制系统

5.11 直接数字式集中监测控制系统

室内环境监测：设置室内温度、湿度（可计算露点温度）、窗户启闭状态、细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、人员密度区二氧化碳浓度监测；空调系统监测：对冷热源、新风机组、风机盘管等运行状态、实时能耗及综合能耗进行集中监测和控制，保证系统合理运行，节约能源[5]。

5.12 高精度模型节能分析

本建筑地上部分建筑综合节能率比《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）降低61.78%，建筑的本体节能率达到45.52%，可再生能源利用率达到29.86%，建筑气密性小于1.0，满足近零能耗公共建筑相关指标要求，建筑节能率计算结果如表1所示。

表1 建筑节能率计算结果 单位：kW·h/m2a

6 结语

新源智慧建设运行总部A座在不设传统采暖设施而仅靠太阳能辐射、人体散热、室内灯光、电气散热等自然得热条件下，室内冬季温度能达到20℃，夏季具有必要的舒适度。实现恒温、恒湿、恒静、恒洁、恒氧的健康环境；而且在建造和使用过程中最大幅度降低了资源和能源消耗，减少环境污染，实现经济、社会和环境效益的可持续发展。