溫和地區(qū)公共建筑群凈零能耗設(shè)計(jì)方法

劉東升　羅臣佑　汪凱

【摘 要】文章針對在溫和地區(qū)的公共建筑群，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，研究地域氣候適宜的節(jié)能設(shè)計(jì)方法來降低建筑群的能源消耗量;在設(shè)計(jì)中應(yīng)用MOOSAS軟件對建筑群的總能耗進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐目稍偕茉礌顩r制定合理的用能方案，實(shí)現(xiàn)建筑群凈零能耗的目標(biāo)，進(jìn)而總結(jié)適宜溫和地區(qū)公共建筑群的凈零能耗設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】凈零能耗建筑群; 溫和地區(qū); 設(shè)計(jì)方法

【中圖分類號】TU111.19+5【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

本文以地處溫和地區(qū)的公共建筑群項(xiàng)目——攀西產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目為例，結(jié)合地域氣候特點(diǎn)，在建筑群的規(guī)劃布局和設(shè)計(jì)中充分考慮被動(dòng)式和主動(dòng)式的節(jié)能方法，并考慮當(dāng)?shù)氐目稍偕茉礌顩r制定合理的用能架構(gòu)，研究溫和地區(qū)公共建筑群實(shí)現(xiàn)凈零能耗目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法。

1 項(xiàng)目概況

攀西產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目（圖1）位于攀枝花市，屬于溫和地區(qū)，建筑群的主要功能包括辦公、商業(yè)、超市、酒店、會(huì)議等。項(xiàng)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(shí)現(xiàn)建筑群凈零能耗的目標(biāo)，設(shè)計(jì)建筑群內(nèi)所有單體建筑及周邊的可再生能源產(chǎn)能量不應(yīng)低于建筑群年終端能源消耗量。

2 關(guān)鍵技術(shù)

在建筑群的規(guī)劃布局和設(shè)計(jì)過程中，充分采用自然通風(fēng)、遮陽等被動(dòng)式的節(jié)能技術(shù)，選用高效節(jié)能的設(shè)備系統(tǒng)，降低建筑群的能源消耗量，并結(jié)合當(dāng)?shù)乜稍偕茉船F(xiàn)狀制定合理的能源架構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)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(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在建筑群的總體布局階段，通過自然通風(fēng)的模擬分析，整體布局迎合夏季主導(dǎo)風(fēng)向，場地內(nèi)及建筑周圍風(fēng)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(dòng)舒適度;增大底層架空區(qū)域以增加開放互通空間，削弱漩渦風(fēng)區(qū)及靜風(fēng)區(qū)，改善非主導(dǎo)風(fēng)向時(shí)的場地通風(fēng);設(shè)置下沉庭院來避免靜風(fēng)區(qū)，優(yōu)化局部區(qū)域的風(fēng)環(huán)境（圖2）。

2.2 計(jì)算機(jī)輔助遮陽優(yōu)化設(shè)計(jì)

在溫和地區(qū)，被動(dòng)式設(shè)計(jì)中應(yīng)合理的設(shè)置遮陽設(shè)施，能降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗?；诓煌瑔误w的太陽輻射量，進(jìn)行模擬計(jì)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(jìn)行必要的優(yōu)化。頂層同樣設(shè)置外遮陽，或布置在非主要功能房間;將光照強(qiáng)烈的一側(cè)作為外走道，有效隔絕太陽輻射對辦公空間的直接影響;內(nèi)側(cè)設(shè)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(nèi)光環(huán)境（圖3）。

2.3 高性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能體系

項(xiàng)目根據(jù)建筑功能和建筑面積按照《四川省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中溫和A區(qū)甲類公共建筑進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)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(shù)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(shù)小于0.64 W/（m2·K），設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)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(shù)低至2.0 W/（m2·K），綜合太陽得熱系數(shù)0.2。

2.4 高效節(jié)能的設(shè)備系統(tǒng)

建筑群要實(shí)現(xiàn)凈零能耗的目標(biāo)，單體建筑內(nèi)需要采用高效節(jié)能的設(shè)備系統(tǒng)，并根據(jù)負(fù)荷情況制定合理的控制策略?？照{(diào)系統(tǒng)主要是制冷工況，經(jīng)過逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算，其中4棟樓選用四臺電制冷離心式水冷冷水機(jī)組及一臺電制冷螺桿式水冷冷水機(jī)組作為冷源，能效比大于6.05，酒店采用兩組風(fēng)冷渦旋式熱泵機(jī)組，能效比大于3.25;采取有效措施降低末端系統(tǒng)和輸配系統(tǒng)的能耗，空調(diào)冷熱水系統(tǒng)循環(huán)水泵的耗電輸冷（熱）比低于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定20 %;人員密集場所設(shè)置CO2濃度傳感器，根據(jù)人流密度變化智能調(diào)節(jié)新風(fēng)、回風(fēng)混合比，在過渡季節(jié)加大新風(fēng)比，以充分利用“免費(fèi)”冷源帶走室內(nèi)余熱;采用高效節(jié)能的LED燈具，并設(shè)置智能化服務(wù)系統(tǒng)，可以進(jìn)行照明控制、設(shè)備控制等多種服務(wù)功能;水泵、風(fēng)機(jī)、電梯等均采用節(jié)能型設(shè)備。

3 可再生能源應(yīng)用與能耗分析

3.1 可再生能源應(yīng)用方案

根據(jù)《攀枝花市可再生能源和能效現(xiàn)狀調(diào)查評估報(bào)告》，當(dāng)?shù)靥柲苜Y源很豐富，太陽能理論資源量每年達(dá)5.6×108 t標(biāo)煤，年日照時(shí)長達(dá)2 300-2 700 h，也是全國太陽能資源最具開發(fā)價(jià)值區(qū)域之一?？紤]到當(dāng)?shù)靥柲苜Y源豐富，項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)凈零能耗的目標(biāo)，應(yīng)盡可能的應(yīng)用當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源?？稍偕茉磻?yīng)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(fā)電，供建筑內(nèi)設(shè)備系統(tǒng)（包括空調(diào)系統(tǒng)、照明、電梯等）用電;室外照明部分通過采用太陽能路燈進(jìn)行照明。

3.2 能耗分析與屋面光伏板設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目凈零能耗的目標(biāo)，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)前期采用Moosas軟件對建筑群能耗進(jìn)行模擬計(jì)算，空調(diào)和照明能耗的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。經(jīng)計(jì)算，建筑群全年能耗消耗量為722 mWh/a。光伏板設(shè)計(jì)考慮采用單晶硅發(fā)電，進(jìn)行逐月計(jì)算，得到所需光伏板面積為3 080 m2，傾斜角度30 °。實(shí)際設(shè)計(jì)中，將光伏板盡可能布置在陽光可以照射到的屋頂區(qū)域，具體布置圖6所示，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，實(shí)際光伏板應(yīng)用面積為3 081 m2，滿足建筑群能耗需求（表1）。

4 關(guān)于溫和地區(qū)凈零能耗建筑群設(shè)計(jì)的思考

溫和地區(qū)構(gòu)建凈零能耗建筑群的設(shè)計(jì)方法可以概括為以下四點(diǎn)：

（1）對建筑群的布局以及單體建筑的形體進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，應(yīng)遵循當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?，充分?yīng)用自然通風(fēng)、遮陽等被動(dòng)式的設(shè)計(jì)理念，對建筑群的布局和單體建筑的體形進(jìn)行優(yōu)化。

（2）高性能的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)溫和地區(qū)的氣候特點(diǎn)以及傳熱過程特點(diǎn)，需要提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，重點(diǎn)關(guān)注建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能，嚴(yán)格控制建筑的氣密性等。

（3）選擇高效節(jié)能的用能系統(tǒng)。建筑應(yīng)采用高效節(jié)能的設(shè)備系統(tǒng)，如溫、濕度獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)、節(jié)水灌溉系統(tǒng)等，有效地降低建筑的系統(tǒng)能耗，避免能源的浪費(fèi)。

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

[定稿日期]2021-09-27

[基金項(xiàng)目]國家政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)（項(xiàng)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(xué)設(shè)計(jì)工作。