零碳建筑技术路线研究

陈俊亦 贾琪 崔明辉

摘 要：为实现零碳建筑的零碳排放和超低能耗目标，提出了零碳建筑的技术路线。利用负荷能耗指标作为技术评价标准，以保定市某幼儿园实际工程为例，通过DeST软件模拟，分析了本项目全年负荷变化，冷热负荷指标以及负荷能耗指标，然后通过正交试验与极差分析得出不同影响因素对建筑热负荷的影响程度。结果表明，零碳幼儿园全年累计热负荷指标为61.60 kW·h/m2，全年累计冷负荷指标为75.99 kW·h/m2，采暖季热负荷指标为18.36 W/m2，空调季冷负荷指标为25.76 W/m2;不同影响因素对建筑热负荷的影响程度从大到小依次为外墙传热系数>人员密度>设备功率>屋顶传热系数，对建筑冷负荷影响程度从大到小依次为人员密度>设备功率>外墙传热系数>屋頂传热系数。零碳建筑技术路线的运用对于降低建筑能耗、实现建筑零碳目标具有重要意义。

关键词：建筑设计方法与理论;零碳建筑;节能技术;DeST模拟;正交试验;极差分析

中图分类号：TU244.1 文献标志码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2019yx06005

文章编号：1008-1534（2019）06-0396-07

Abstract：Aiming at the zero-carbon emission and ultra-low energy consumption targets of zero-carbon buildings， the technical route of zero-carbon buildings is proposed. The load energy consumption index is used as the technical evaluation standard. The actual project of zero-carbon kindergarten in Baoding City is taken as an example to analyze with DeST software. The annual load change， cold and heat load indicators and load energy consumption indicators of the project are analyzed， and the effect of different factors on building thermal load and cold load is obtained by orthogonal test and range analysis. The results show that the annual cumulative heat load index of the zero-carbon kindergarten is 61.60 kW·h/m2， the annual accumulated cold load index is 75.99 kW·h/m2， and the heating season thermal load index is 18.36 W/m2. It is 25.76 W/m2 in air conditioning season. The relationship between the influence of different influencing factors on building thermal load is the external wall heat transfer coefficient > personnel density > equipment power > roof heat transfer coefficient; the relationship between the degree of influence on building cold load for personnel density > equipment power > external wall heat transfer coefficient > roof heat transfer coefficient.The use of zero-carbon building technology routes is of great significance for reducing building energy consumption and achieving zero carbon targets.

Keywords：architectural design method and theory; zero carbon construction; energy saving technology; DeST simulation; orthogonal test; range analysis

现阶段，中国正处在经济高速发展时期，面对不断推进的新型城镇化建设和不断提高的居民生活水平需求，建筑行业也面临着能源、资源消耗和环境影响之间的冲突和挑战。在全球倡导低碳经济和可持续发展的趋势下，实现能源结构改革，探索零碳建筑模式，必将成为未来城市建设和发展的主流。

2019年9月1日，由住房和城乡建设部发布的国家标准《近零能耗建筑技术标准》正式实施。

零碳建筑的概念源于零碳城市，指采用综合建筑设计方法，在不消耗常规污染性能源的情况下，实现建筑物的零碳排放。零碳建筑的核心是在建筑物消耗的能源与其自身产生的能源达到平衡时实现零碳排放。世界上著名的零碳建筑示范项目有伦敦贝丁顿零碳社区、美国赫斯特大厦以及上海世博会零碳馆等[1-2]。

目前已有不少对零碳建筑技术路线的研究。宋德萱等[3]探究了在夏热冬冷地区发展近零能耗建筑的技术途径和可行性研究。刘伟等[4]通过对建筑气密性等级和新风系统性能参数的研究，分析了建筑气密性对近零能耗居住建筑总体能耗的影响。邓琴琴等[5]分析了近零能耗居住建筑保温系统的应用类型，为北方地区近零能耗建筑外墙保温系统的设计与应用提供了理论依据。

本文研究零碳建筑在寒冷地区的技术路线，从建筑设计、围护结构保温、设备与系统节能3个方面进行论述，并结合保定市实际工程案例进行负荷分析和建筑负荷能耗的影响因素分析。

1 零碳建筑技术路线研究

零碳建筑的设计技术和节能技术是实现建筑零碳的核心，通过对零碳建筑相关技术措施的总结和整个技术路线的研究，提出了以下3方面的内容。

1.1 建筑规划与空间设计

零碳建筑的规划与空间设计应以建筑物所在地气候特征为导向，根据当地气候特点进行建筑朝向、体形系数、开窗形式、遮阳、通风、室内空间布局的设计[6]。

1）零碳建筑的規划设计应充分利用当地的地理条件优势和自然资源。通过设置南北向或接近南北向的朝向、紧凑建筑外观、规整建筑体形、合理化建筑空间布局，来营造适宜的建筑内部微气候。增强夏季自然通风和冬季自然采光，实现建筑内环境的自调节功能。

2）零碳建筑应以零碳排放和超低能耗为目标，采用遮阳技术和自然通风技术等措施降低建筑物的供热供冷负荷。遮阳设计应综合考虑房间功能需求和窗户所在朝向。常用的遮阳技术有设置不同类型的遮阳设施和采用特殊材料的玻璃（热反射玻璃、镀膜玻璃、低发射率膜玻璃等）。自然通风技术是通过设计建筑物中庭、廊道等结构，利用风压、热压以及机械辅助通风等形式，来实现自然通风效果。常用的技术有设置排风装置、设计建筑夹层通风空间以及设计大空间立体中庭[7]。

1.2 围护结构的保温

零碳建筑围护结构的保温应综合考虑当地气候条件、建筑使用功能以及建筑物类型。

1）零碳建筑墙体及屋面的保温技术可分为自保温技术和复合材料保温技术。自保温是指墙体材料自身具有保温效果。复合材料保温是指由传统材料+新型材料+绝热材料所构成的围护结构。常见的零碳建筑外墙保温做法有：自保温、内保温、外保温以及夹芯保温。常见的零碳屋面保温做法有倒置型外保温屋面、通风屋面、坡屋面以及种植屋面等技术。

2）零碳建筑的门窗设计和选择是降低建筑能耗的关键步骤。在进行外窗设计和选择时应当综合考虑窗户的玻璃层数、Low-E膜层、边部密封、窗框材料及外窗开启方式。对于外门的设计，需要分区考虑，严寒地区需设置门斗;寒冷地区可设置双层外门;其他地区外门宜采取防风防渗透措施[8]。

1.3 建筑设备与系统的节能

1）零碳建筑的供暖供冷应优先利用可再生能源（太阳能、风能、地热能等）。设计时宜采用土壤源热泵、空气源热泵以及辅助电采暖炉等设备[9]。

2）零碳建筑的给排水系统应按照高质高用、低质低用的原则进行分配和处理。建筑物内应采用节水器具和设备。例如，卫生间宜采用低水量冲便器和感应式水龙头。

3）零碳建筑的照明系统应选择高效节能的照明器具，以及智能照明控制系统来减少耗电量。建筑物内公共区域照明宜采用声光控制、定时控制及红外感应控制等控制技术。室外照明宜采用太阳能路灯或风电路灯作为光源。

2 案例分析

2.1 项目概况

河北省保定市地处京津冀核心地区，是国家发改委确定的全国首批8个低碳城市试点之一。直隶新城幼儿园位于河北省保定市向阳北大街直隶新城示范社区内，项目总建筑面积5 619 m2，占地面积1 694.56 m2，框架结构形式，地上3层，局部4层，无地下室，建筑内部主要功能区包括多功能教室、办公室、体音美活动室、门卫室等。建筑总平面图和建筑功能分区图分别见图1和图2。本项目根据零碳建筑技术路线进行规划设计，在保证幼儿园建筑功能需求和室内环境舒适的前提下，尽可能降低建筑碳排放量和建筑负荷能耗[10]。

2.2 建筑节能技术

本项目使用的零碳技术主要有阳光房设计、遮阳技术、自然采光通风技术、新风热回收系统以及绿化屋顶设计等，具体措施见表1[11-13]。

2.3 建筑负荷分析

2.3.1 评价指标的选取

依据《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）和《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）居住建筑》选取零碳建筑评价指标，将分季节负荷面积指标和全年负荷能耗指标作为建筑冷热负荷需求和建筑能耗的评价依据。

2.3.2 模型参数的设置

利用DeST能耗分析软件对零碳幼儿园的全年供热、供冷能耗进行模拟计算，模拟计算模型见图3。

在DeST软件中设置幼儿园建筑采暖期为11月15日至次年3月15日，共122天，其中将寒假时间设置为1月15日—2月20日;设置空调期为6月1日—8月31日，共92天，其中暑假时间设置为7月15日—8月31日。室内热扰设定参数见图4。围护结构的保温构造做法见表2。建筑负荷能耗计算结果见表3。

2.3.3 计算结果分析

通过负荷计算得出整个建筑物全年逐时负荷变化图（见图5）和全年逐时单位面积负荷变化图（见图6）。由图可知，该建筑物全年冷热负荷变化幅度较大，夏季冷负荷明显增大，全年最大冷负荷值为449.76 kW。全年最大逐时冷负荷指标为113.59 W/m2。冬季热负荷明显增大，全年最大热负荷值为337.79 kW。全年最大逐时热负荷指标为85.81 W/m2。保定市属于典型的大陆性季风型气候，冬夏较长，春秋较短。另外，可得到分季节负荷指标和全年负荷面积指标，其中采暖季热负荷指标为18.36 W/m2，空调季冷负荷指标为25.76 W/m2，全年累计热负荷指标为61.60 kW·h/m2，全年累计冷负荷指标为75.99 kW·h/m2[14-15]。

3 建筑负荷能耗影响因素敏感性分析

3.1 能耗模拟正交试验设计

为研究不同影响因素对建筑物负荷的影响关系，现取外墙传热系数Kwall、屋顶传热系数Kroof、人员密度D、设备功率Qe共4个因素进行敏感性分析，每个因素取3个水平[16]，其中第1个水平为本文案例分析中的设置参数，各因素水平见表4。进行建筑能耗模拟时，若每个因素取 3 个水平，则需做 64 次模拟试验，耗时较长。因此，本文采用正交试验法简化模拟过程，根据正交试验设计方案[17]，将各参数输入到DeST模拟软件的相应位置，可得出9组试验工况下给定建筑全年累计热负荷和冷负荷，其正交试验设计方案及计算结果汇总见表5。

3.2 影响因子极差分析

极差分析包括计算和判断2个步骤。Kjm为第j列因素m水平所对应的试验指标和，

jm为Kjm的平均值。由jm的大小可以判断j因素的影响显著性水平。Rj为第j列因素的极差，即j列因素各水平下指标值的最大值与最小值之差，其计算公式见式（1）。

将各因素的极差进行比较，由极差大小顺序便可判别各因子的影响主次。极差最大者，敏感度最大，影响程度最大;极差较小者为较次要的因素，依次类推[18]。极差分析结果见表6和表7。

从极差分析结果中可得出：不同影响因素对建筑热负荷影响程度从大到小依次为外墙传热系数>人员密度>设备功率>屋顶传热系数;不同影响因素对建筑冷负荷影响程度从大到小依次为人员密度>设备功率>外墙传热系数>屋顶传热系数。因此，技术人员在进行节能设计时，在满足室内舒适性要求的前提下需尽可能提高室内设计温度，并考虑减小设备功率。在设置围护结构保温时，重点考虑外墙的保温构造设计。

4 结 语

本文通过对零碳建筑的实例研究，提出了零碳建筑技术路线。以保定市某幼儿园实际零碳工程为例，使用DeST能耗模拟软件对该项目进行负荷能耗模拟，分析了该项目的负荷组成、负荷变化、分季节负荷指标以及全年累计负荷指标。采用正交试验与极差分析法，对该地区幼儿园类公共建筑负荷能耗影响因素进行了敏感性分析。通过模拟研究，得到以下结论。

1）零碳建筑技术路线分为建筑规划与空间设计、围护结构的保温以及建筑设备与系统的节能3个方面。通过案例分析表明零碳建筑技术路线的运用对于降低建筑能耗、实现建筑零碳目标具有重要意义。

2）通过案例负荷能耗计算可得，零碳幼儿园全年累计热负荷指标为61.60 kW·h/m2，全年累计冷负荷指标为75.99 kW·h/m2;采暖季热负荷指标为18.36 W/m2，空调季冷负荷指标为25.76 W/m2。

3）通过正交试验与极差分析可知，不同影响因素对建筑热负荷影响程度从大到小依次为外墙传热系数>人员密度>设备功率>屋顶传热系数;不同影響因素对建筑冷负荷影响程度从大到小依次为人员密度>设备功率>外墙传热系数>屋顶传热系数。

4）本文尚有一些不足之处，如：公共建筑类型广泛，只针对某一特定类型开展研究，不具备普遍性;在进行负荷能耗影响因素敏感性分析时选取的影响因素不够全面。未来需对不同类型公共建筑及其体形系数、窗墙比、建筑朝向等因素进行分析。

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