欧洲绿色校园近零能耗建筑设计策略分析——以西班牙巴利亚多利德大学露西亚楼（UCIA）为例

谢孟举 侯俊豪 单 峰 徐

近年来，在全球能源危机、环境恶化的背景下，各国建设低碳城市迫在眉睫。建筑业是城市能源消耗的主战场，已成为节能减排的关键领域。我国校园建筑面积占城市建筑3%～7%，但其所消耗的能源却占到建筑业总能源消耗的30%，其单位面积消耗是普通住宅建筑的5～10倍[1]。国外的研究也表明，大学实验室的单位能耗比政府办公楼的单位能耗高出3～4倍[2]。校园建筑的低能耗发展成为建筑行业节能减排的关键领域之一。同时，校园建筑的节能减排对于向学生及其家庭推广建筑节能和提升民众环境意识具有重要的教育意义。本文以欧洲校园中近零能耗建筑的实践案例进行分析和总结，对我国校园建筑的绿色低碳发展具有很好的借鉴意义。

1 近零能耗建筑

1.1 定义

近零能耗建筑（Nearly zero energy building，简称：nZEB）一词从提出到推广，由于各个国家的气候、政治、经济条件的差异性，在各个国家其定义和内涵各有不同，各个国家设定了符合自己国情的近零能耗指标评价体系。我国2019年《近零能耗建筑技术标准》中这样定义：“适应气候特征和场地条件，通过被动式建筑设计最大幅度降低建筑供暖、空调、照明需求，通过主动技术措施最大幅度提高能源设备与系统效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒适室内环境，且其室内环境参数和能效指标符合本标准规定的建筑。”[3]通过以上的定义可知：“近零能耗”建筑，并不是不消耗能源，而是通过利用各种节能设备和可再生能源，使建筑的产能与能耗尽可能达到平衡。

1.2 近零能耗建筑的发展

近零能耗建筑在发达国家，尤其是欧洲发展迅速。欧盟在2010年《建筑能效2010指令》中明确给出了关于建筑能效发展的阶段性目标：逐步通过近零能耗建筑的普及，向零能耗建筑和产能房的目标迈进[4]。各个国家对近零能耗建筑的定义、评价依据、评价范围等有所不同，但也有共同点：大多数国家都以一次能源作为评价指标，且以暖通空调、照明、设备负荷作为重要的评价项（表1）。

表1 各国近零能耗建筑评价特点

我国近零能耗建筑起步晚，发展相对滞后。我国于2019年9月，实施了《近零能耗建筑技术标准》，标准明确了我国近零能耗建筑的评价体系。同年，我国《绿色校园评价标准》颁布，绿色校园评价标准最重要的板块之一就是节能和能源消耗，近零能耗建筑发展是绿色校园建设的重要支撑。

目前我国近零能耗建筑的发展主要还存在以下问题：①我国地域辽阔，气候区多样，缺乏针对不同气候区可推广的近零能耗建筑技术体系。②部分近零能耗建筑偏好高技，缺乏对被动式技术系统的整合应用。③多数建成的近零能耗建筑缺乏对全生命周期的能耗监控和系统评估，难以验证其技术可行性及可推广性。本文选取的欧洲校园近零能耗建筑作为欧洲近零能耗建筑的典范，其呼应地域气候的主被动式技术与先进的管理控制技术，可为我国近零能耗建筑的实践和发展提供参考。

2 西班牙巴利亚多利德大学露西亚楼

2.1 概述

露西亚楼（图1）位于西班牙巴利亚多利德大学（University of Valladolid）内，建筑面积为7500m2。该地区属于夏季炎热的地中海气候，夏季炎热干燥，冬季凉爽多风、经常下雪。该建筑将被动式采暖和冷却技术与光伏技术相结合，实现了更好的节能效果，在LEED（ Leadership in Energy and Environmental Design）认证中得分98分，是欧洲大陆地区排名第一的建筑[5]。该项目被视作近零能耗建筑在世界范围内的杰出典范之一。

图1 西班牙巴利亚多利德大学露西亚楼

2.2 被动式建筑设计

（1）被动式立面和剖面设计

建筑南立面的设计既有利于冬季太阳能收集，又能保证夏季有较好的遮阳效果。南立面中部形体表面由半透明的光伏玻璃模块组成，从主墙体向外突出1.1m，这样既保证了室内充足的自然采光，又能充分利用太阳能发电。南立面两侧的窗采用综合遮阳的形式，综合遮阳集合了垂直遮阳与水平遮阳的优点，对于各个角度与方向的阳光都有较好的遮阳效果。东西两侧采用“之”字形的外立面（图2），将窗户重新导向南面。窗户进行了精心的遮阳设计：上部设置的混凝土板形成了自然的遮阳檐，能有效减少窗户的阳光直射[6]。

图2 “之”字形立面

建筑通过底层架空和通高空间的设计形成了具有独特通风效应的建筑剖面（图3），夏季凉爽的风可以通过底层架空的廊道输送到中庭，形成良好的自然通风效应。

图3 建筑剖面示意图

（2）绿色屋顶设计

露西亚楼还有一个绿色屋顶设计。与传统屋顶相比较而言，绿色屋顶具有更高的反射率，这大大增加了屋顶的热阻，减少室外环境对室内热舒适度的影响。同时对于室外环境，绿色屋顶能够有效地调节环境微气候，改善城市热岛效应[7]。

（3）被动式构造设计

建筑外墙采用内保温墙体。墙体热透射比为0.157W/m2K[5]，热惰性大，很大程度上减少了室内外环境之间的热传递，从而削弱外部环境温度对于室内热舒适度的影响。

建筑物的外窗进行了精心的设计，采用氩气填充的双层中空玻璃。氩气相比空气具有密度大，导热系数小的特点，可以有效降低中空玻璃的传热系数。与传统窗相比，双层中空玻璃窗具有更好的保温性能。

2.3 可再生能源利用

露西亚楼中的可再生能源比例为0.66[8]，是世界上最可持续的建筑之一。建筑物的可再生能源发电系统（图4）将三种可再生能源巧妙地组合在一起，为建筑提供源源不断的能源。

图4 建筑物中使用的可再生能源系统

（1）太阳能

太阳能是地球可再生能源中最基本的也是最重要的能源。风能、海洋能、生物能等其他可再生能源的源头都是太阳能。现阶段，对于太阳能的利用主要通过光电利用和光热利用两种方式，光电利用是将太阳能转化为电能，光热利用是通过太阳能获取热能[9]。

该建筑为太阳能光伏建筑一体化提供了简单的解决方案。太阳能光伏模块被集成在玻璃内部，既不影响室内的自然采光，又能够实现光伏发电。其中一组模块（模块1）被安装在建筑的南立面，作为通风玻璃幕墙系统（图5），其他三个模块（模块2，模块3和模块4）安装在天窗（图6）。太阳能光伏提供了露西亚楼所需的12% 的电能（年均980 kWh）[8]，有效减少了CO2排放（表2）。

表2 建筑中安装的光伏系统模块参数

图5 立面光伏模块内部透视图

图6 屋顶光伏模块内部透视图

（2）生物质能

生物质能是化学能，具有可存储、可运输、适应性强、经济性强等特点。对其高效利用开发， 对解决能源、生态环境问题将起到十分积极的作用。对于生物质能的研究与开发，主要有生物转化、物理转化、化学转化三大类，涉及到的技术有气化、固化、液化、热解、和直接燃烧等相关处理技术[10]。

露西亚楼采用气化处理技术来运用生物质能。生物质锅炉（图7）将燃料进行气化处理产生热量和气体。热量直接应用到建筑物的空调和通风系统中以调节室内的热舒适。气体被引入到5台内燃机（图8）进行发电为建筑物提供电能。生物质锅炉每小时消耗生物质100～125kg，产生100～130Kw·h的电能和200～220Kw·h的热能[11]。它以木屑为燃料，充分利用了当地丰富的森林资源。

图7 生物质锅炉

图8 内燃机

（3）地源热能

作为清洁能源的地源热能，具有储量大、分布广、稳定的特点，受到建筑领域的关注。地热资源根据分布位置的不同分为浅层地热资源、水热型地热资源、中层地热资源[12]。利用地热能有两种方式：一种是发电；另一种是地热水的直接利用和地源热泵供热、制冷。

露西亚楼采用了地源热泵技术，其通过土壤空气热交换器（Earth to Air Heat Exchanger，简称EAHX，图9）对地热能源进行利用。EAHX有52口长16m、直径200mm的井。EAHX集成在露西亚楼下面粘土中，黏土的热值为0.8 kJ/（kg·℃），密度为2700 kg/m3，导热系数为2.9 W/（m·℃）[8]。因为土壤的体积足够大，在运行期间显著降低了建筑能源需求，并且不会出现地面热饱和的风险。同时，该建筑的地热能系统通过SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）进行焓控制，目的是最大程度地回收能量，以提高系统效率。

图9 EAHX系统（从外侧（左）和内侧（右）观看）

2.4 主动式节能设备

（1）采光设备系统

建筑中使用的各种特殊的设备也为建筑的节能减碳提供了更多的可能。南立面采用了大面积的半透明光伏立面墙，占墙总面积的46%，能够将大量的自然光引入室内。人工照明设施采用高效节能灯，建筑中各个区域的灯光每时每刻的照度水平和人工照明的比例都能根据需求自由控制。

（2）复合通风系统

自由冷却、热回收系统和地热交换器都是建筑中实施的策略，都能提高通风系统的能源效率。通风系统根据不同的情况有多种运行模式，可以利用EAHX系统和地热能回收系统，也可以不利用，甚至自由冷却。地热能系统通过监控和数据采集系统进行焓控制，不仅能够更多地回收能量，还有助于提高通风系统的效率[5]。

（3）热电联产系统

热电联产系统（图10）是由经过气化过程的生物质能进行供给，然后将气体引入五台内燃机进行发电和生产热能，这些能量用来满足建筑加热或制冷需求。另外，还有两个标准生物质锅炉用作建筑的辅助加热系统，只有在建筑的供热需求超过一定输出功率时运行。热回收装置的运行，能够实现暖通空调系统61%的热回收，剩余部分有一台生物质锅炉供应。该系统与复合通风系统一起提供制热和制冷，热量通过建筑中的4个管道风机进行管理[5]。露西亚楼的电能生产基于100%光伏发电和热电联产系统，整个系统是并网的。

2.5 先进的管理和控制系统

露西亚楼在运行过程中由一个名为DESIGO的先进控制管理系统进行控制。该系统基于监控和数据采集（Supervisory Control and Data Acquisition）技术软件在建筑运行期间可以对暖通空调、电力、舒适度、室内空气质量、警报等进行优化管理，确保能源高效利用。它还可以对建筑物进行预测监控，以维持和预测设施能源需求。

结语

在全球变暖与能源危机的大背景下，近零能耗建筑的推广和发展已经在世界范围内逐渐展开。同时，随着各种建筑节能技术的不断升级更新，为近零能耗建筑的发展提供了更多的机遇和可能。

西班牙巴利亚多利德大学露西亚楼作为近零能耗建筑的典型代表，其集合了近零能耗建筑基本的技术手段：①被动式建筑设计；②可再生能源利用；③主动式节能技术；④先进的管理和控制系统。在保证室内环境热舒适的条件下，不仅利用各种被动式的建筑设计策略和主动式节能设备减少建筑物的使用能耗，提升能源利用效率，同时充分利用太阳能、生物质能和地热能可再生能源为建筑供能。露西亚楼从设计到建造，再到后期的运行，始终将“可持续”理念贯穿于整个建筑的建设决策、设计、管理及后期的运行等各个阶段。尽管它建成使用已十几年，但时至今日它在欧洲乃至全世界范围内依旧是非常成功的实践案例。

我国建筑正处于绿色建筑高速发展期，校园建筑作为城市中量大面广的类型之一，发展校园近零能耗建筑是绿色校园发展的必然趋势。西班牙巴利亚多利德大学露西亚楼的近零能耗实践与经验，对我国的近零能耗建筑实践具有重要的借鉴和参考意义。

资料来源：

图1：https://www.construction21.org/espana/data/sources/users/882/images/lucia-1.jpg；

图2：http://gruposanjose.biz/data/foto/gran_1527181259_1485795880.jpg；

图3～4：为作者绘制；表1为作者自制；

图5～6：来自参考文献[8]；

图7～9，表2：来源于网络。