溫和地區公共建筑群凈零能耗設計方法

劉東升　羅臣佑　汪凱

【摘 要】文章針對在溫和地區的公共建筑群，在規劃設計階段，研究地域氣候適宜的節能設計方法來降低建筑群的能源消耗量;在設計中應用MOOSAS軟件對建筑群的總能耗進行計算，并根據當地的可再生能源狀況制定合理的用能方案，實現建筑群凈零能耗的目標，進而總結適宜溫和地區公共建筑群的凈零能耗設計方法。

【關鍵詞】凈零能耗建筑群; 溫和地區; 設計方法

【中圖分類號】TU111.19+5【文獻標志碼】A

本文以地處溫和地區的公共建筑群項目——攀西產業園項目為例，結合地域氣候特點，在建筑群的規劃布局和設計中充分考慮被動式和主動式的節能方法，并考慮當地的可再生能源狀況制定合理的用能架構，研究溫和地區公共建筑群實現凈零能耗目標的設計方法。

1 項目概況

攀西產業園項目（圖1）位于攀枝花市，屬于溫和地區，建筑群的主要功能包括辦公、商業、超市、酒店、會議等。項目總用地面積約58 095 m2，總建筑面積約為224 435 m2，容積率3.0。

為實現建筑群凈零能耗的目標，設計建筑群內所有單體建筑及周邊的可再生能源產能量不應低于建筑群年終端能源消耗量。

2 關鍵技術

在建筑群的規劃布局和設計過程中，充分采用自然通風、遮陽等被動式的節能技術，選用高效節能的設備系統，降低建筑群的能源消耗量，并結合當地可再生能源現狀制定合理的能源架構，最終實現區域內可再生能源系統產生的能源總量與其消耗的能源總量的平衡。

2.1 總體布局自然通風優化設計

在建筑群的總體布局階段，通過自然通風的模擬分析，整體布局迎合夏季主導風向，場地內及建筑周圍風速分布較均勻，且均小于2 m/s，利于室外行走，保證了室外活動舒適度;增大底層架空區域以增加開放互通空間，削弱漩渦風區及靜風區，改善非主導風向時的場地通風;設置下沉庭院來避免靜風區，優化局部區域的風環境（圖2）。

2.2 計算機輔助遮陽優化設計

在溫和地區，被動式設計中應合理的設置遮陽設施，能降低空調系統運行能耗。基于不同單體的太陽輻射量，進行模擬計算，在無遮陽情況下，建筑南向及西向立面太陽得熱較高，北向及東向立面太陽得熱較低，并不合理，需進行必要的優化。頂層同樣設置外遮陽，或布置在非主要功能房間;將光照強烈的一側作為外走道，有效隔絕太陽輻射對辦公空間的直接影響;內側設置空中花園，有效避免西曬的不利因素;建筑立面主要采用豎向遮陽體系，營造適宜的室內光環境（圖3）。

2.3 高性能的圍護結構節能體系

項目根據建筑功能和建筑面積按照《四川省公共建筑節能設計標準》中溫和A區甲類公共建筑進行節能設計，圍護結構熱工性能在標準的基礎上提升20 %。外墻采用加氣混凝土砌塊墻體，30 mm厚的巖棉板保溫層，外墻平均傳熱系數0.8 W/（m2·K）;屋面分種植屋面和其他屋面兩種，均采用擠塑聚苯板，傳熱系數小于0.64 W/（m2·K），設計中在裙房屋面和部分非種植屋面架光伏板來充分利用太陽能資源;透明圍護結構采用隔熱鋁合金型材雙玻中空玻璃6三銀Low-E+12Ar+6透明玻璃窗，傳熱系數低至2.0 W/（m2·K），綜合太陽得熱系數0.2。

2.4 高效節能的設備系統

建筑群要實現凈零能耗的目標，單體建筑內需要采用高效節能的設備系統，并根據負荷情況制定合理的控制策略?？照{系統主要是制冷工況，經過逐時負荷計算，其中4棟樓選用四臺電制冷離心式水冷冷水機組及一臺電制冷螺桿式水冷冷水機組作為冷源，能效比大于6.05，酒店采用兩組風冷渦旋式熱泵機組，能效比大于3.25;采取有效措施降低末端系統和輸配系統的能耗，空調冷熱水系統循環水泵的耗電輸冷（熱）比低于現行國家標準規定20 %;人員密集場所設置CO2濃度傳感器，根據人流密度變化智能調節新風、回風混合比，在過渡季節加大新風比，以充分利用“免費”冷源帶走室內余熱;采用高效節能的LED燈具，并設置智能化服務系統，可以進行照明控制、設備控制等多種服務功能;水泵、風機、電梯等均采用節能型設備。

3 可再生能源應用與能耗分析

3.1 可再生能源應用方案

根據《攀枝花市可再生能源和能效現狀調查評估報告》，當地太陽能資源很豐富，太陽能理論資源量每年達5.6×108 t標煤，年日照時長達2 300-2 700 h，也是全國太陽能資源最具開發價值區域之一?？紤]到當地太陽能資源豐富，項目要實現凈零能耗的目標，應盡可能的應用當地豐富的太陽能資源。可再生能源應用方案如圖4所示，生活熱水部分全部采用屋面太陽能集熱板來制備熱水;在非種植屋面和部分種植屋面架光伏板發電，供建筑內設備系統（包括空調系統、照明、電梯等）用電;室外照明部分通過采用太陽能路燈進行照明。

3.2 能耗分析與屋面光伏板設計

為實現項目凈零能耗的目標，本項目在設計前期采用Moosas軟件對建筑群能耗進行模擬計算，空調和照明能耗的計算結果如圖5所示。經計算，建筑群全年能耗消耗量為722 mWh/a。光伏板設計考慮采用單晶硅發電，進行逐月計算，得到所需光伏板面積為3 080 m2，傾斜角度30 °。實際設計中，將光伏板盡可能布置在陽光可以照射到的屋頂區域，具體布置圖6所示，經統計，實際光伏板應用面積為3 081 m2，滿足建筑群能耗需求（表1）。

4 關于溫和地區凈零能耗建筑群設計的思考

溫和地區構建凈零能耗建筑群的設計方法可以概括為以下四點：

（1）對建筑群的布局以及單體建筑的形體進行合理的規劃設計。在規劃設計階段，應遵循當地氣候特征，充分應用自然通風、遮陽等被動式的設計理念，對建筑群的布局和單體建筑的體形進行優化。

（2）高性能的建筑圍護結構設計。根據溫和地區的氣候特點以及傳熱過程特點，需要提高建筑圍護結構的熱工性能，重點關注建筑圍護結構的隔熱性能，嚴格控制建筑的氣密性等。

（3）選擇高效節能的用能系統。建筑應采用高效節能的設備系統，如溫、濕度獨立控制的空調系統、節水灌溉系統等，有效地降低建筑的系統能耗，避免能源的浪費。

（4）可再生能源的利用。溫和地區可再生能源豐富，尤其是太陽能資源，太陽能熱水系統、屋面光伏板系統以及室外太陽能照明系統等都是構建凈零能耗建筑群的有效手段。

[定稿日期]2021-09-27

[基金項目]國家政府間國際科技創新合作重點專項（項目編號：2019YFE0100300-11）

[作者簡介]劉東升（1987～），男，碩士，主要從事綠色建筑咨詢、建筑聲學設計工作。