淺談近零能耗建筑技術應用
——以山西新源智慧建設運行總部A座為例

李靖

(山西晉設拓凡建筑設計咨詢有限公司，山西 太原 030001)

著眼世界，積極推行可持續發展戰略得到了全球高度重視，尤其是在當前極端天氣不斷增多以及氣候變化日益惡劣的背景下，越來越多的國家積極關注低能耗發展，制定了相關政策和標準，尤其是建筑行業，更是著眼于低能耗進行了充分研究，由此形成了超低能耗建筑、被動房、近零能耗建筑等。

我國的建筑節能起始于20世紀80年代。1986年中國實施第一個建筑節能標準《民用建筑節能設計標準》開啟了我國建筑節能新階段。現階段，我國發展速度不斷加快，尤其是伴隨著工業化以及城鎮化的發展，能耗正處于不斷升高的階段，應該引起高度關注。黨中央以及習近平總書記多次強調要爭取早日實現碳達峰和碳中和，逐步解決當前存在的能耗損失問題。從建筑行業來看，為了迎合碳達峰以及碳中和需求，積極推廣近零能耗建筑成為重要手段，也是未來發展的趨勢。

“零能耗建筑”一詞，最早出現在20世紀70年代，由丹麥技術大學Torben V. Esbensen 等人提出，他們針對住宅進行研究，探討如何借助于太陽能實現冬季供暖，以求降低建筑能耗。我國《近零能耗建筑技術標準》GB/T 51350—2019的出臺，作為全球本領域首部以國家標準形式出臺的技術標準，界定我國超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑等相關概念，引領未來2025～2050年我國建筑節能發展，也是促進我國節能減排、綠色發展，實現碳中和的重要手段之一[1]。

本文以山西新源智慧建設運行總部A座為例，對該建筑實現近零能耗設計難點進行分析，介紹了該項目的能耗在常規節能建筑的基礎上進一步降低61.78%，節能水平達到86%以上，通過采用光伏發電、地熱技術，本項目可再生能源利用率達到29.86%，達到了近零能耗建筑標準。

1 項目概況

山西新源智慧建設運行總部A座位于山西省太原市山西轉型綜合改革示范區瀟河產業園區(圖1所示)，太原屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫9.5℃，無霜期平均202d，年均降水量456mm。該項目規劃用地面積為24 323.56m2，地塊方正。建設用地東側為真武東路，規劃紅線寬度34m；北側為24m規劃路；西側毗鄰30m綠化帶；南側為30m規劃道路。該項目地上五層，地下兩層，總建筑面積14 353m2。其中地上建筑面積13 080m2，地下建筑面積1 273m2；地下二層為汽車庫，地下一層主要功能為廚房及餐廳，層高6.2m，地上一層主要功能為大堂、陳列廳、管理及消防監控室，層高6.3m，地上二層主要功能為陳列廳及管理用房，層高5.4m，地上三、四、五層主要功能為管理用房，地上三、四層層高4.2m，五層層高4.8m。

圖1 山西新源智慧建設運行總部A效果圖(虛線內)

本工程融入了被動優先的設計理念，采用近零能耗建筑技術，降低了建筑的能耗。智慧建設運行總部A座的能耗在常規節能建筑的基礎上進一步降低61.78%，節能水平達到86%以上，通過采用光伏發電、地熱技術，本項目可再生能源利用率達到29.86%，遠大于國家標準(10%)。達到了近零能耗建筑標準。

2 山西新源智慧建設運行總部A座近零能耗主要指標

2.1 被動式設計

項目規劃設計時，設計人員需要綜合考慮到項目所處區域的各方面基本狀況，尤其是對于場地狀況以及其后狀況，均需要進行綜合考慮，以便有目的地探討如何降低能耗來維系建筑工程項目應有功能發揮。比如針對建筑工程項目的朝向、布局以及結構等，均需要進行優化設計，以便實現不必要能耗的控制。針對建筑工程項目設置恰當的圍護結構，以便促使其具備理想保溫隔熱性能的基礎上，還能夠達到其它功能，比如建筑保溫外墻、節能門窗、幕墻(玻璃幕墻均采用德國PHI認證產品)等，均可以在有效提升建筑整體空間其密度的基礎上，降低建筑供暖環節出現的能耗損失問題。此外，自然通風、遮陽以及夜間免費制冷等，也可以在建筑工程項目中協調運用，以滿足降耗要求。

2.2 能源系統和設備效率提升

智慧建設運行總部A座優先使用能效等級更高的系統和設備。

2.3 使用可再生能源對建筑能耗進行平衡和替代

充分挖掘建筑本體、周邊區域的可再生能源應用潛力，對能耗進行平衡和替代。

3 山西新源智慧建設運行總部A座近零能耗技術策略

3.1 高性能外維護結構

太原地區常見公共建筑外保溫厚度只有100mm左右，近零能耗建筑則需要有良好的維護結構。本工程采用裝配式超低能耗外墻系統，新源智慧建設運行總部A座外圍護墻采用了裝配式超低能耗外墻系統，此系統為國內首創，由裝配式鋼混外墻板作為外頁板、ALC輕質墻板作為內頁板，中間留出中空層以現場發泡聚氨酯填充密實，傳熱系數達到0.20W/(m2·K)，保證了良好的氣密性，同時滿足防火、安全、耐久要求。外墻做法為：①鋁板幕墻；②幕墻配套龍骨；③50mm的勁性混凝士保護層；④46mm擠塑板 (B1級)；⑤210mm南向260mm)發泡聚氨醋(B1級)；⑥150mmALC墻板；⑦內裝修做法。高性能圍護結構可以有效降低建筑工程項目能耗損失，同時還可以在采光、通風方面發揮出積極作用，由此更好優化建筑工程項目應用效果。

山西新源智慧建設運行總部A座根，據建筑不同方位，采用冬季得熱的技術措施，最大限度地減少冬季采暖能耗。在東、西、北向采用窗洞，盡可能增加實墻面積，降低熱量流失的界面；在南向窗戶采用橫向帶形窗戶，盡可能增加太陽得熱；屋頂天窗冬季全部為得熱的界面。

3.2 外遮陽優化設計

本建筑設計除固定遮陽外，為了避免夏季得熱過多并對外窗通光量有所控制，東西南三向外窗采用活動外遮陽百葉，太陽能透射系數10%。采用橫向的外百葉遮陽，可以自由調節通光量，兼顧遮陽、視線與照明；屋頂天窗內側設置電動可調節內遮陽百葉。無外遮陽情況下室內超溫概率達17%，有外遮陽情況下室內超溫概率僅為6%。

3.3 自然通風

本建筑著重優化中庭結構設計，增加整體自然通風效果。 同時考慮充分利用太原地區當地夏季夜間氣溫和相對濕度較低的自然條件，迎風面大部分區域以玻璃幕墻為主，設置部分幕墻開啟扇并保證其氣密性；背風面以玻璃幕墻為主，設置部分開啟扇；頂部設有中庭，四周為幕墻，利于形成良好視野和通風。迎風面設置上懸下開窗，背風面設置下懸上開窗，有利于形成穿堂風。同時結合智能化控制系統的應用，增加夜間外窗和頂部天窗自動開啟功能，實現夜間自然通風冷卻，降低建筑冷負荷(圖2所示)。

圖2 自然通風優化分析

3.4 良好的氣密性措施

本工程在近零能耗控制區域采用連續氣密層體系(圖3所示)，建筑墻體和關鍵節點滿鋪氣密膜，建筑整體氣密控制目標為室內外50Pa壓差下，建筑換氣次數為0.6次/h。主要采取的措施：1)裝配式外圍護墻體氣密層設計；2)門窗洞口、玻璃幕墻及雨棚氣密性設計；3)穿墻管線部位的處理。

圖3 連續氣密層(粗線內)

3.5 防熱橋設計及施工

本項目對圍護結構中的熱橋部位進行表面結露驗算，并采取保溫措施，確保熱橋內表面溫度高于房間空氣露點溫度。玻璃幕墻采用有斷熱構造的玻璃幕墻系統，非透光的玻璃幕墻部分、金屬幕墻、石材幕墻和其他人造板材幕墻等幕墻面板背后采用高效保溫材料保溫。幕墻與圍護結構平壁間(除結構連接部位外)不形成熱橋，并對跨越室內外的金屬構件或連接部位采取隔斷熱橋措施。外圍護墻板、外遮陽以及外飾面板采用斷熱橋錨固件與主體連接，同時結合聚氨酯發泡層實現斷熱橋安裝；女兒墻、地下室頂板、外挑構件部位均采用斷橋錨栓固定保溫材料，實現斷熱橋安裝[2]。

3.6 高效熱回收的新風系統

項目采用溫濕度獨立控制系統(干式風機盤管+內冷式雙冷源新風機)，新風機組夏季高溫冷源由高溫冷水機組提供，對新風進行預冷；低溫冷源由內置壓縮式制冷系統提供，對新風進行進一步冷卻除濕，并利用冷凝余熱對送風進行再熱，保證送風溫度滿足舒適要求。新風系統選用內冷式雙冷源高效熱回收新風機組，顯熱回收效率不低于75%，全熱回收效率不低于70%；干式風機盤管由能源島提供16/21℃高溫熱水承擔室內顯熱負荷。盤管回風口設置復合空氣凈化器，由電子除塵、UVC殺菌、觸媒分解化合物等功能集成，可以分解空氣中多種污染物及病菌。

3.7 可再生能源利用—光儲直柔+地源熱泵

“光儲直柔”即光伏發電、儲能、直流、柔性應用，它不僅是一項技術的變革，也是認知和理念的變革。此技術的應用最低可使建筑用電節約10%左右交直流轉換損失。山西新源智慧建設運行總部A座結合建筑造型和屋面條件，采用光伏直流微網系統對樓座照明系統供電，光伏直流微網系統包括，光伏系統、備用供電系統、EMS能量管理系統。配置了588m2的屋頂太陽能光伏，光伏發電方陣由482塊光伏板和5臺匯流箱組成，每日發電量約為330kW·h，滿足公共區域照明、室外景觀照明及A座樓體亮化的需求。

地源熱泵是現階段比較常見的一類地熱能源應用設施，可以在空調系統中發揮節能效益。新源智慧運行總部A座能源島為太原市綜改區瀟河新城第一座開工能源島，首批嘗試采用閉式無干擾中深層地源熱泵，為建筑提供低溫熱源及高溫冷源。中深層無干擾地源熱泵系統與常規地源熱泵系統相比，最主要的區別在于該技術從地下2～3 km深區域內進行低溫熱量提取，該區域的溫度一般在70～90 ℃，提取出來的熱量相對穩定，可以在項目中可靠運用，在智慧建設運行總部能源島項目中采用套管結構。地熱井深度為2 570m，井底溫度為77.7℃，供水溫度可達40℃，取熱功率為400kw左右。地熱技術的應用真正實現了“取熱不取水”，避免直接利用地下水帶來的污染問題。本項目年取熱量35萬kW·h，大大減少了化石能源消耗。變頻高溫冷水機組(16～21℃)的應用大幅提高了冷水機組的COP值，最大限度降低了建筑的供冷能耗[3]。

4 結語

“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要指出，加大清潔能源利用率，推進低碳發展，成為工業、交通業以及建筑業等高能耗行業轉型發展的重要目標。目前，從我國政策層面要求，城鎮新建民用建筑節能強制性標準能效持續提升；加快推動近零能耗建筑規模化發展，鼓勵積極開展零能耗建筑、零碳建筑建設。

山西新源智慧建設運行總部A座設計滿足近零能耗建筑技術標準的要求，對近零能耗技術推廣起到積極作用，為寒冷地區近零能耗建筑技術應用提供技術經驗參考。該項目對山西全方位邁向低碳社會，實現高質量發展具有重要意義。我們應抓住機會，積極研究創新，努力推動我省建筑領域的低碳轉型。