既有建筑改造設計中低碳技術應用與實踐
——以中國城市建設研究院科研示范基地近零碳化改造為例

文/中國城市建設研究院有限公司 徐 力 郭 磊 楊雅楠 劉志翔

1 建筑設計低碳化發展背景

我國是溫室氣體排放量大國，控制溫室氣體排放已上升為國家基本戰略。根據中國建筑節能協會公布的數據，全國建筑全過程碳排放總量占全國碳排放總量的50%以上。其中建筑材料（鋼鐵、水泥、鋁材等）占比28.3%，運行階段（城鎮居住建筑、公共建筑、農村建筑）占比21.9%，施工階段占比1.0%。建筑領域為我國碳排放主要來源之一，建筑的“節能”和“低碳”成為關注重點。

目前低碳建筑已逐漸成為國際建筑界的主流趨勢，專家在低碳建筑基礎上提出“零碳建筑”概念。零碳建筑主要特點是除強調建筑圍護結構被動式節能設計外，將建筑能源需求轉向太陽能、風能、淺層地熱能、生物質能等可再生能源，為人與建筑、環境的和諧共生尋找最佳解決方案。

與新建建筑相比，既有建筑綠色化改造對于建筑領域的碳減排具有很大潛力。既有建筑由于建成年代早、標準低、維修不及時等原因，多數存量建筑為不節能建筑。既有建筑綠色改造是綠色建筑整體實現“碳中和”的關鍵措施。本文以中國城市建設研究院科研示范基地近零碳化改造為例探討低碳技術應用。

2 項目背景與項目定位

中國城市建設研究院有限公司是城市建設行業綜合性科研設計單位，主要承擔城市環境衛生、環境工程等相關行業的發展規劃、工程設計和科研任務。但長期以來，由于缺少場地，實驗室建設推進緩慢，未形成建成集中、系統、規范且具備基礎監測、分析及研究能力的試驗條件，嚴重制約科研工作發展。建設創新基地作為實現科研創新、成果轉化的基礎，具有重要的戰略意義。其建設目標及功能定位如下。

1）科學研發實驗中心 全方位的科研實驗平臺、可靠的測試檢驗平臺及全過程實驗驗證平臺。

2）工程設備研發中心 為城市環衛行業提供整體技術解決方案，打造環衛產業新理念。

3）國家環境保護生活垃圾處理處置與資源化工程技術中心 通過政策研究、技術創新、設備開發、實驗驗證、咨詢服務、工程示范等途徑實現行業重大科技成果的工程化和產業化。

4）建筑立體綠化工程技術實驗室 立體綠化產品、技術展示和應用示范（包括栽植模塊、灌溉技術集成、栽植基質、綠植材料等），實現試驗、研發、推廣及應用的產業化轉化。

綜合分析項目的主要功能，定位為科研基地和實驗場所，實現能耗和污染排放最小化、智能控制、舒適度人性化、行為節能及可復制性。希望通過對既有建筑的改造，探索超低能耗建筑設計管理辦法與技術體系。

3 既有建筑現存主要問題及改造策略

3.1 既有建筑現狀分析

中國城市建設研究院科研示范基地位于河北省燕郊空港物流國際產業基地，建筑面積約4360m2，占地面積約2000m2。建筑現狀為物流工業用房，擬改造成辦公試驗綜合實驗室。改造后的1～3層總面積為4360m2，主要作為實驗室和辦公室使用。

3.2 改造內容

通過對科研基地原建筑進行綜合分析可知，原有建筑設計功能為工業物流，無法滿足實驗辦公綜合樓的基本需求，另外從低碳智能的角度分析，需從以下方面進行改造。

1）原有圍護結構與市政供暖系統無法滿足河北省公共建筑節能要求。

2）原有建筑無夏季供冷和通風系統，無法滿足實驗實際使用要求。

3）原有建筑進深過大，改造后部分功能房間無法實現自然通風與采光。

4）按照建設方提供的室內裝飾設計方案圖紙進行合理的室內空間布局，完成室內深化設計。

5）室內空間設計及裝飾材料選用應遵循以人為本、低碳、環保的設計原則，區別于傳統辦公環境和實驗室，打造舒適自然的辦公空間，設計理念考慮辦公人員心理感受。

3.3 改造基本原則

1）圍護結構盡量按照被動式節能建筑要求進行設計與施工。

2）最大限度利用各種可再生能源滿足建筑功能需求。

3）盡量不破壞或拆除現有建筑部件及設備，做到施工過程近零碳。

4）突出建筑結構體系和建筑材料本身質感，減少不必要的室內裝修，將裝修成本降至最低。

5）以建筑技術展示為主，每個改造路線均有綠色建筑技術展示。

4 重點研究內容

4.1 建筑節能改造技術及能耗系統分析

以科研基地能耗最小化為目標，重點從被動式超低能耗圍護結構、通風、自然采光、空調系統優化、照明系統優化、能源供給等角度對科研基地能源消耗系統進行分析與計算，預估科研基地能源消耗，同時配套設計相應的能源供應系統，最終實現科研基地的近零碳化改造。

4.1.1 被動式超低能耗圍護結構優化

通過建筑能耗模擬分析進行被動式超低能耗圍護結構優化設計，分別對建筑外墻、屋面及外窗3個界面進行優化。

1）外墻 在原有50mm厚巖棉保溫板的基礎上新增100mm厚擠塑聚苯板外保溫，窗下墻為150mm厚擠塑聚苯板。導熱系數按0.03W/（m·K）計算。女兒墻內部在現有面層上涂30mm厚膠粉聚苯顆粒保溫砂漿，與屋面保溫交圈。內墻增涂40mm厚自調溫相變節能砂漿，該構造在為外墻額外提供1.69（m2·K）/W熱阻的同時，提供圍護結構蓄熱能力。圍護結構可有效降低空調尖峰負荷和夜間圍護結構蓄冷能力。改造后，外墻整體綜合傳熱系數為0.16W/（m2·K），基本與常見的外保溫為250mm厚擠塑聚苯板的同氣候區被動房外墻保溫性能相同。

2）屋面 在原有50mm厚復合玻璃巖棉板基礎上新增40mm厚擠塑聚苯板，并新增簡易型種植屋面，鋪設200mm厚無機復合種植土。改造后屋頂綜合傳熱系數為0.335W/（m2·K）。

3）外窗 新換外窗為高效三玻中置百葉外窗，傳熱系數要求不高于1.8W/（m2·K）。南向、東向和西向采用外貼無色雙銀Low-e中空玻璃，遮陽系數不高于0.4。

4.1.2 綠色照明及自動控制系統

優化利用初始采光條件，控制辦公室區域進深在6～8m，并采用雙側采光；在多功能區及2層部分實驗區設置導光裝置與LED人工照明相結合，室內設工作面照度傳感系統，根據室內照度自動調節照明燈具的光通量輸出，綜合光導裝置、人工照明、電動遮陽技術，通過智能控制系統達到節約能耗、降低碳排放的目標（見圖1）。

1光導系統及屋頂綠化

4.1.3 遮陽通風系統

建筑通風系統采用機械輔助自然通風技術，在屋頂設置通風帽裝置，確保室內具有良好的自然通風，并在過渡季節充分利用自然通風，縮短空調開啟時間；建立溫濕度獨立控制系統，同時通過新風系統、余熱回收系統和自然通風系統，降低空調能耗，進而減少二氧化碳排放量。

4.1.4 集中空調系統

根據現場調研分析、建筑空調系統選擇成本評估及科研示范要求，本項目中央空調采用地源熱泵與空氣源熱泵組合系統。地源熱泵空調系統主要分為3個部分，分別為室外地能換熱系統、地源熱泵機組和室內采暖空調末端系統。根據該建筑的建筑冷熱負荷、地源熱泵機組參數及當地巖土熱物性，利用建筑周邊有限的場地面積設置地下換熱管系統。空氣源熱泵機組作為建筑冬夏兩季冷熱負荷補充，可實現建筑高效節能、經濟實用的設計目標。地熱能和空氣能均屬于可再生能源，本項目通過示范性的系統利用，獲得良好的經濟效益及環境示范效益。根據模擬計算，基準建筑全年采暖、空調及照明能耗與改造設計后建筑全年采暖、空調及照明能耗比對，節能率達73%，可滿足建筑冬季采暖、夏季制冷需求，年節約采暖費22.3萬元。

4.1.5 太陽能綜合利用

太陽能光熱是可再生能源技術發展最成熟、應用最普遍的利用方式之一。作為科研示范項目，根據建筑日照條件，在本次改造中有針對性地進行光伏發電系統的配置設計。在建筑3層屋面安裝18塊太陽能熱水系統集熱器，太陽能集熱系統采用“一備一用”水泵，更安全可靠地保證建筑生活熱水需求（見圖2）；同時在建筑南立面和入口雨篷安裝太陽能光伏板（見圖3），示范展示與建筑結合的BIPV和BAPV光伏發電系統，應用于辦公部分公共區域的建筑照明，年節約電費約1.6萬元。

2屋頂太陽能光伏系統

3外立面光伏發電系統

4.2 除臭系統設計與設備選用

該項目建筑功能定位為試驗及科學研發，在樓內設有城市垃圾處理實驗室和設備研發空間，故需設置完善的臭氣控制系統。本項目采用負壓抽風和生物滴濾塔聯合處理車間臭氣，設計一體化全封閉生物除臭系統，可有效凈化空氣，使凈化后的空氣排放達到國家二級排放標準，從而實現清潔生產、零碳排放，避免造成二次環境污染；并設置集成集氣罩、變頻風機抽送系統、除臭機房、洗凈增濕塔、生物滴濾塔于一體的臭氣有效收集與生物處理設備模塊（見圖4）。

4實驗室室內

4.3 BIM化全過程管理系統

建筑信息模型是以三維數字技術為基礎，集成建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，是對該項目相關信息的詳盡表達。建筑信息模型是數字技術在建筑工程中的直接應用，可解決建筑工程在軟件中的描述問題，為協同工作提供堅實的基礎。

建筑信息模型又是一種應用于設計、建造、管理的數字化方法，可支持建筑工程的集成管理環境，使建筑工程在整個進程中提高效率并降低風險?？蒲惺痉痘貙IM化全過程管理系統應用于項目的設計、施工及運營管理全過程，顯著提升項目施工精度及效率，實現限額配料和損耗控制，有效降低全過程碳排放。

4.4 智能化運營管理系統

樓宇智能化管理系統是由中央計算機及控制子系統組成的綜合系統，采用傳感技術、計算機和現代通信技術對包括采暖、電梯、空調控制、給排水監控、配變電與自備電源監控、火災自動報警與消防聯動、安全保衛等系統進行全自動綜合管理。本項目采用分散控制、集中監控與管理，設置先進的傳感技術、接口控制技術與管理信息系統，實現對基地的智能化運營控制，提供最有效的信息服務和高效、舒適、便利、安全的實驗辦公環境（見圖5）。

5智能化運營管理系統

4.5 建筑碳排放模型及減排效果分析

在零碳化改造及能源消耗計算的基礎上，結合溫室氣體排放核算方法學，建立針對科研基地的碳排放模型，對改造前后科研基地的碳排放環節及排放量進行梳理與計算，獲得科研基地零碳化改造后的碳減排量，實現對零碳化改造的定量化評價。項目對近零碳化改造的二氧化碳減排效益進行定量計算，計算結果表明，圍護結構改造后節能69577kW·h，太陽能光伏系統節能20000kW·h，暖通系統節能101926kW·h，照明系統節能5566kW·h，整個研發基地年降低能耗約197000kW·h，固碳約66t，折合二氧化碳減排量241.4t。

5 結語

作為近零碳建筑改造實踐，為既有建筑節能改造及智能化改造拓展提供理論與實踐的數據支持是本項目的突出特點。項目設計過程中強調結合現有建筑基礎進行最優化分析及設計改造；通過建立排放方法學對改造項目的碳減排效果進行定量化分析，實現對于建筑的定量化碳減排核算。改造過程中應用節能、環保、低碳理念，設置樓宇智能化管理系統，采用分散控制、集中監控與管理，設置先進的傳感技術、接口控制技術與管理信息系統，實現對基地的智能化運營控制，提供有效的信息服務，創建高效、舒適、便利、安全的實驗辦公環境。項目經驗可為日后國內進行近零碳化智能化改造項目提供參考。