近零能耗技術在未來能源館設計中的示范應用

趙園園 齊冬暉

(太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002)

習近平總書記視察山西發表重要講話，明確提出“山西要爭當全國能源革命排頭兵”，大同市肩負著做全省能源革命“尖兵”的重大使命，于大同御東新城中心區域強力推進山西大同國際能源革命科技創新園的規劃建設，為全省乃至全國資源型地區走出轉型發展新路發揮先鋒示范作用。

1 山西未來能源館建筑介紹

(山西大同)未來能源館項目建設用地位于大同市國際能源革命科技創新園A區的東南角中心門戶區域，在大同市貫穿新舊雙城的東西向空間主軸與御東新城南北向主軸線的交匯處。作為園區最重要的標志性建筑，承擔著全方位宣傳展示山西能源革命歷程和成就的重要職能，建設定位為集主題展示、會議接待、園區管理、科普教育等功能為一體的開放型展覽交流中心(見圖1)。展館總建筑面積2.9萬m2，主體地上3層，地下1層，建筑高度23.7 m，其中主題展示區面積約2萬m2(見圖2)。項目建筑技術設計的戰略重心突出綠色低碳和新能源利用技術系統應用的攻堅突破，運用前沿技術，牢固樹立對標國際一流的設計目標，始終堅持即使創新引領，通過覆蓋工程設計全專業的系統集成創新，未來能源館成為國內首例實現“正能建筑”目標的大中型展館，并同時達到國內國際有關“超低能耗”“綠建三星”“LEED”及“健康建筑”四個認證標準的要求，完美詮釋了“云端上的正能量”的創作理想和時代精神。

2 技術目標與實施方略

隨著項目的快速推進，未來能源館的創作與實踐獲得了政府和社會各界的廣泛認可。本項目結合大同市當地氣候特點與展覽建筑自身功能特點，通過合理規劃與模擬分析，按照綠色建筑理念進行設計建造，從節地、節能、節水、節材、室內環境質量、提高與創新六方面出發，實現綠色建筑三星級的設計目標。

在2019年9月1日國家《近零能耗建筑技術標準》實施發布之前未來能源館項目就確定在節能標準上達到正能建筑水平，通過各專業緊密合作，實現規定設計目標，成為我國首例近零能耗展館建筑，達到國內相關領域領先水平。

項目以“被動優先、主動優化”的設計理念，構建核心技術體系，被動式和主動技術手段深入結合，建立展館空間使用實態參數模型，反復進行建筑全年逐時能耗工況模擬計算，并對數據進行深入的動態耦合分析研究，做多方案比較及統籌權衡，最終精準確定設備系統選型與被動技術系統構造措施的最佳組合方案，實現建筑本體能耗(不包括展陳設備能耗、數據中心能耗和室外景觀照明能耗)的最小化和本體可再生能源利用最大化(見圖3)。通過仿真模擬預測建筑的年能耗為1 457 532.42 kWh，可再生能源年發電量為1 230 036.50 kWh，占建筑年用電量比例為84.39%，建筑每平方米每年的凈能耗約為98.59 kWh，最終實現國家現行標準GB/T 51350—2019近零能耗建筑技術標準規定的近零能耗指標。

除較為常規的綠色建筑技術(如：被動式技術、地道風、導光管、節能電梯、中庭采光通風、屋面花園、雨水污水回收利用等)以外，本項目在以下方面突出其示范引領作用。

2.1 高效建筑光伏一體化技術

為實現近零能耗建筑的能效指標，本工程應適應氣候特征和自然條件通過選用保溫隔熱性能和氣密性能更高的圍護結構，采用高效新風熱回收技術，最大程度地降低建筑供暖供冷需求以實現近零能耗綠色建筑的前提下，最大可能的利用建筑屋面和立面，選用高效的太陽能光伏系統，實現發電量最大化，以達到最小的能源消耗。由于實際使用情況的氣候變化，尤其是太陽輻射量的不完全準確性，在設計階段，應以確保建筑效果的前提下設計最大發電量。

該太陽能光伏發電方案由五個子系統組成。分別是屋面光伏系統、東立面光伏系統、西立面光伏系統、南立面光伏系統、采光頂光伏系統，共有1 340塊410 Wp單晶硅光伏組件、926塊320 Wp單晶硅光伏組件、1 405塊40 W的薄膜光伏組件、160塊100 W的薄膜光伏組件，總裝機容量為917.92 kWp，接入微電網系統的光伏組串總功率為917.23 kWp。系統主要設備由23個智能匯流箱，18臺50 kW的 DC-DC 變換器，1臺20 kW的DC-DC 變換器、1個二級匯流計量箱組成。光伏系統為計入組件功率衰減的首發電量合計1 230 036.50 kWh(見表1)。

表1 首年月度發電量統計表 kWh

2.2 交直流混合的智能微電網系統

相比交流供電系統，直流供電系統在減少交直流轉換過程及具有較高的轉換效率優勢而被建筑以及電力行業廣泛關注，尤其是在大量應用可再生能源的今天。項目采用交直流混合微電網系統，既含有交流母線，又含有直流母線。在此系統中運用了主動配電系統技術、需求側管理技術、配電側儲能技術、能量路由器技術、電力電子網絡化技術、交直流混合配電技術等。項目設計微電網蓄電池容量為2 000 kWh，光伏直流并網容量近1 MW，直流總負載功率為1 107 kW，實現除展陳設備以外的從照明、插座、數據中心到暖通空調系統的全直流化，成為規模最大的柔性互聯交直流混合系統。系統規模遠超目前所有直流示范項目的直流應用規模，居中國之首，對推動建筑直流電的應用起到至關重要的意義。同時為展示直流電能和熱能的直接轉化，項目將貴賓接待室作為選取示范，將石墨烯采暖技術運用其中。石墨烯采暖地板通電后能使碳纖維發出對人體有益的遠紅外波，對人體具有良好的治療的作用。與傳統的采暖相比，它的發熱機理和人體產生溫暖的感覺完全不同，能給予人體一種陽光般溫暖的健康舒適型人居環境。配套太陽能光伏發電系統石墨烯供暖系統可做成交流(220 V)和直流(24 V～48 V)供電兩種模式。本項目使用配套太陽能光伏發電系統給石墨烯地暖系統供電，完美解決了用戶用電問題，提高采暖舒適度降低采暖能耗。

2.3 建筑智能化系統及智慧園區管理系統應用

系統采用大數據分析技術實現包括中央空調、采暖系統、空調末端的自動化運行。系統采用室內二氧化碳濃度與新風聯動的控制方式，當室內二氧化碳濃度高則增大或啟動新風送風。系統通過全面的自動化運行來最大化的降低空調、采暖能耗，提供更加舒適的人居環境。

智能照明系統采用基于DALI技術的智能調光照明控制系統，可實現建筑內每一盞燈均可獨立控制，包括開關、室內亮度調節，配合室內照明傳感器、人體感應傳感器可實現建筑燈光自動化控制，進一步降低建筑照明能耗。

傳統智能化系統各個子系統獨立運行，相互之間不通信，存在一定的信息“孤島”，智能化集成系統是將不同功能的建筑智能化系統，通過統一的信息平臺實現集成，以形成具體信息匯集、資源共享及優化管理等綜合功能的系統。本項目的智能化集成系統將建筑內的各個子系統集成到一個平臺，對各系統進行統一管理。降低建筑運維的人力投入，提高系統的智能化程度。

2.4 勁性大跨度結構設計

展廳空間主跨度達到34.5 m，實現展館展示區域無柱空間效果(見圖4)。最終使展廳具備了最大限度的布展靈活性和空間應變能力，有效解決了展陳設計工作開展延后及存在較大不確定性而造成的技術銜接難題。同時充分考慮與被動房節能構造優化相結合，在充分解決展館大跨度空間需求的同時，從數量上大幅降低了熱橋的影響，并充分應用結構層，進行管線綜合布設，有效增強了展館內部空間的序化效果。最終使展廳具備了最大限度的靈活性和應變能力，也有效的解決了展陳設計工作開展延后和存在較大不確定性而造成的技術銜接難題。勁性鋼筋混凝土框架結構在解決大跨度空間的同時，減少了主體結構中熱橋的面積，極大幅度的降低了熱橋對建筑能耗的影響。

2.5 被動式智能調光門窗幕墻

超低能耗智能調光門窗幕墻，用被動式門窗幕墻的設計理念和原則，實現整體采光部分的傳熱系數小于1.2 W/(m2· K)，玻璃采用雙Low-E暖邊鋼化雙中空充氬玻璃，內貼調光膜。電致智能液晶調光膜不改變原有玻璃通透性，白天滿足采光要求，也可根據建筑使用需求通低功率電流自由實現玻璃透明或者霧化狀態，調節室內光線，并有效阻隔紫外線、紅外線。對于展陳項目，還可以加上一臺或多臺激光投影機將普通玻璃幕墻變為多媒體玻璃幕墻。實現幕墻的智能化和低能耗要求。

2.6 新風系統及空調設計

新風熱回收裝置采用全熱回收，全熱型全熱交換效率不小于70%，顯熱型顯熱交換效率不小于75%。單位風量耗功率符合現行國家標準GB 50189公共建筑節能設計標準的相關規定。新風由地下風道進行預熱、預冷，根據新風溫度做PID調節，預熱(冷)后加防凍裝置，當預熱后溫度低于5 ℃要開啟預熱盤管的電加熱(電量由光伏發電提供)，以防止新風機組內板式換熱器凍結。新風熱回收系統空氣凈化裝置對不小于0.5 μm細顆粒物的一次通過計數效率宜高于80%，且不應低于60%。新風熱回收系統應設置低阻高效的空氣凈化裝置，過濾等級不低于G4+F7，并具有提示更換功能。

建筑的輔助冷熱源選用可再生能源，本項目選用低溫型空氣源熱泵，低環境溫度名義工況下的性能系數 COP≥2.0。供暖、供冷系統設計選用能效等級為一級的產品，冷熱源、空調系統末端、通風機等用能設備應優先采用變頻控制的節能控制措施。展廳等大空間采用轉輪式空氣熱回收組合式空調機組，空調設備均分層布置于各層空調機房內。辦公、配套等采用風機盤管加新風熱回收系統。空調系統冬夏兩用，夏季供冷，冬季供熱。1層大廳設置低溫熱水地板輻射供熱系統，冬季輔助供熱。冷熱源系統：空調熱源由3層屋面超低溫空氣源熱泵機組提供熱水，并在地下1層預留供熱機房作為備用熱源，由市政熱源提供 75 ℃/50 ℃熱水；空調冷源由地下1層制冷機房磁懸浮離心式冷水機組提供,并配置一臺超低噪聲橫流式冷卻塔，設于2層屋面。

2.7 全過程全專業BIM技術應用

設計階段全專業利用 BIM 技術進行協同化設計，加強各專業協同工作，提高設計質量，實現精細化設計。具體應用如下：

三維可視化：通過三維模型可直觀的向使用方及施工單位展示設計成果；用過管線綜合、碰撞檢查實現多專業設計協同，減少設計錯誤。

設計完成后導出的BIM模型可以進行節能分析，實現設計上下游貫通，無需再重新建立模型，節約大量時間；通過BIM模型，模擬建筑的聲學、光學，建筑物的能耗、舒適度，進而優化其物理性能。

模型也可以進行各類模擬、工程量統計、VR 應用、效果展示、空間體驗，通過BIM 精細化設計，避免工作的重復，打通設計全過程，大大提高工作效率和設計質量。

施工階段可通過 BIM 技術的全息性模擬指導，突出對施工過程中人機料法環的控制，實現項目管理精細化。

3 成果與意義

項目采用Design Builder軟件對能源館建筑進行能耗模擬評價，能耗模擬計算采用山西省大同市典型氣象年逐時氣象參數，通過對設計建筑和基準建筑的圍護結構、房間人員、設備、照明的內熱設置及作息參數和供暖、空調和新風系統進行反復模擬耦合計算，得到設計建筑與基準建筑的能耗綜合值的各類分項能源消耗(如表2，表3所示)和建筑能效指標(見表4)。

表2 設計建筑的建筑能耗綜合值的各項分項能源消耗

表3 基準建筑的建筑能耗綜合值的各項分項能源消耗

表4 設計建筑與基準建筑的能效指標

通過技術的集成運用，本項目在建筑綠色節能設計方面突出體現了如下先進性和創新性。

1)是國內第一個以“超低能耗”“綠建三星”“LEED 金級”及“健康建筑”四個認證標準為總體設計目標的高性能建筑；2)國內首例實現“近零能耗建筑”目標的大型展館類公共建筑，面積達2.9萬m2，層高7 m，大空間大尺度，無參考案例，需采用創新技術，反復對比實驗論證來實現“近零”甚至“凈零”目標；3)先進的建筑光伏一體化組件系統，立面光伏構件采用最新的釉面工藝實現啞光銀白色仿鋁板的建筑效果，基于半片疊瓦技術的高效晶體硅光伏雙玻組件應用于建筑屋面(轉換效率>20%)，裝機功率和發電量占整個光伏系統的 93%。助力建筑基本實現零能耗目標；4)勁性大跨結構設計，室內實現“無柱設計”，減少熱橋，屬于將建筑結構設計與被動式設計相結合的設計思路創新；5)全國最大的建筑全直流應用項目，為建筑直流技術的推廣和應用提供安全性、標準化的指導示范作用；6)光伏直驅變頻離心機技術，項目使用了“全球首創”的光伏離心機系統，系統集成了光伏直驅變頻離心機技術、三元換流技術、動態負載跟蹤MPPT技術、基于PAWM交錯調制控制技術、能源管理系統五大核心技術，比常規光伏空調用電效率提高 6%～8%；7)首次將太陽能光伏發電系統的直流電給石墨烯地暖系統供電，實現舒適度和能耗的雙向指標優化；8)國內首例建筑智能化集成示范。實現了共享辦公云系統、綜合能源管控中心，機器人停車、物聯網感知體系、能耗監測、BIM+GIS公共服務平臺等多重示范。

4 結語

通過(山西大同)未來能源館近零能耗示范建筑，詳細的分析了近零能耗建筑中系統集成的必要性。文章首先詳細描述了該近零能耗建筑的技術特點，包括高效建筑光伏一體化技術、交直流混合的智能微電網系統、建筑智能化系統及智慧園區管理系統、勁性大跨度結構設計、被動式智能調光門窗幕墻、全過程全專業全周期的BIM技術應用。結合以上技術運用，對項目進行詳細的計算和數據分析，得出該項目設計實現了近零能耗建筑的結論。項目落成昭示著山西能源革命的歷程進入新紀元，其規劃設計理念和技術創新成果的前沿性和探索性，將持續發揮宣傳示范效應，展館主題鮮明，新穎獨特的形象也為城市增添了一道亮麗的風景，同時其在近零能耗建筑技術的集成應用為我國近零能耗公共建筑的發展起著重要的啟程作用。