大型超低能耗公共建筑设计策略及技术路径—上海自贸区临港新片区 PDC1-0401单元H01-01地块项目

燕 艳，孙 斌，沈蔚伟，潘嘉凝，徐 悦，陈家乐（上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041）

1 大型公建实施超低能耗建筑的意义

2020年9月，我国提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更为有利的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”。根据《2021 年全球建筑和建造业状况报告》，建筑建造行业碳排放占比为 37%；《中国建筑节能年度发展研究报告 2020》显示，我国建筑行业碳排放总量占总碳排放的35%。无论是从全球还是全国的数据来看，建筑行业碳排放占比约为碳排放总额的 1/3 左右。可见，实现双碳目标，建筑行业低碳化发展势在必行。

由于使用功能复杂、人员密度大、空调系统复杂等原因，目前全国达到超低能耗建筑的多为不超过 2 万 m2的小体量公建，大型超低能耗公共建筑的实践还处于空缺的状态。大型公建的运行往往有着大量的能耗和较高的碳排放，因此通过设计方法和技术手段，设计低能耗的公共建筑，节能减排效益将更加明显，对推进建筑低碳化发展有着重要意义。

2 项目概况及设计目标

本项目（图 1）位于上海自贸区临港新片区 PDC1-0401单元 H01-01 地块，世界顶尖科学家社区（WLA科学社区）规划用地西北角，建筑如同双翼向城市展开，抽象提取振翅欲飞的势态，起伏的光伏屋面，与建筑浑然一体，表达“展未来之翼，聚科技之光”美好愿景。项目由上海诺港会展有限公司建设，上海建筑设计研究院有限公司担任建筑设计及超低能耗全过程咨询。

图 1 项目效果图

项目积极响应国家“碳达峰、碳中和”目标，响应上海市 2021 年节能减排降碳重点工作安排，落实临港新片区管委会的要求，以三星级绿色建筑标准、高预制装配率要求进行设计建造，并进行可再生能源建筑一体化设计，打造低能耗低碳排的高品质建筑。项目团队在设计全过程中进行多方案对比，在保证室内外舒适度及建筑品质的基础上，兼顾建筑美学和技术科学，最终达到绿色三星、超低能耗的标准要求。

工程包括 1 座多层会议中心、1 座五星级酒店和 1 座公寓式酒店，总建筑面积 227 082.18 m2，容积率 1.8，建筑密度 51.79%，绿地率 10.5%，酒店塔楼 23 层，建筑高度99.9 m，裙房 5 层。其中五星级酒店和公寓式酒店部分为超低能耗实施范围，建筑面积为 97 264.89 m2，建筑结构形式为钢框架-中心支撑结构。

3 超低能耗建筑设计策略

项目目标定位较高，全专业设计咨询团队紧密配合，把技术要求和设计理念高度融合，共同制订设计策略。

3.1 以健康舒适为前提

作为世界顶尖科学家论坛会址用途，项目对建筑品质有着极高的要求，保证室内外环境安全、健康、舒适是设计首要前提。因此在制订超低能耗策略时，以建筑健康舒适为基础，尊重各功能空间的使用特点和使用需求，将自然采光、自然通风、室内热湿环境控制、室内空气品质等放在首要位置，在此基础上探索合理的超低能耗技术路径，而非一味追求高节能率而牺牲建筑品质。

3.2 以节能减排为目标

超低能耗建筑要求一次能源消耗量降低 50% 以上，这对大型公共建筑有着极高的难度。团队从方案创作开始对建筑方案进行多轮优化，对关键技术进行反复比选，通过建筑气候响应设计、建筑体形系数和窗墙比的测算比较、不同朝向的外遮阳设计、围护结构热工性能优化设计、机电系统能效提升优化设计、可再生能源建筑一体化设计等，实现节能减排的目标。

3.3 技术和艺术的融合

在方案创作过程中充分发挥建筑师的主观能动性，将绿色、节能、低碳理念融入设计理念，并贯穿设计全过程，充分融合工程、技术与艺术，打造美的、健康舒适的、绿色低碳的高品质建筑。

4 超低能耗建筑技术路径

本项目实现超低能耗建筑主要技术路径包括气候响应设计、高性能围护结构、高效机电系统、可再生能源利用等。

4.1 气候响应设计

上海地处夏热冬冷地区，需满足保温、隔热设计要求，重视自然通风及遮阳。项目所在的临港地区位于浦东新区东南，潮湿多风，设计时需要充分分析场地微气候，顺应并引导室内外环境设计，优先选用简单实用的低成本技术措施。

4.1.1 场地布局优化设计

项目包含酒店及会展功能，场地总体布局的不同，会对场地微气候带来较大影响。设计中将酒店和会展沿轴线拉开，连接部分设置为架空连廊，保持人行区域良好的风环境的同时，兼顾酒店和会展的采光需求。同时酒店设置于地块南侧，并将酒店裙房设计为南向退台式，顺应夏季主导风向，并引导环境风，减少场地风速过大或出现旋涡区的情况，保证 1.5 m 处行人可感知风环境区域的人体舒适度。

4.1.2 建筑窗墙比优化设计

建筑窗墙比对建筑能耗和建筑采光都有较大的影响，因此合理选择窗墙比是超低能耗建筑设计的重点。本项目根据不同功能房间进行建筑外立面虚实比例设计，尤其是客房部分，在考虑星级酒店的自然采光和视野舒适性需求的同时，兼顾超低能耗建筑空调负荷降低和能耗降低的要求。通过对不同立面、不同窗墙比的设计方案进行能耗及采光的计算分析，最终确定各朝向平均窗墙比约为 0.5 左右的建筑设计方案。

由于功能需要，裙房进深较深，为改善其自然采光和通风，采用了结合天窗的采光中庭优化设计方案，改善了大进深空间内区的自然采光。同时由于天窗会造成夏季空调负荷增加，在天窗玻璃的选择上进行了优化，通过采用光伏玻璃，在不影响天窗采光的情况下，一方面降低了空调负荷，一方面实现了建筑光伏一体化设计。室内自然采光模拟分析如图 2 所示。

图 2 室内自然采光模拟分析

4.1.3 外遮阳优化设计

夏热冬冷地区的气候特点，决定了设置建筑外遮阳的重要性和必要性。本项目将建筑外遮阳构件作为建筑造型的有机组成部分，使其成为立面的重要元素，进而将建筑外遮阳和建筑立面设计相结合，丰富建筑立面，赋予建筑鲜明的特点。

酒店塔楼客房外立面顺应建筑造型设计，在满足室内采光的基础上设置水平外遮阳，在保证客房采光的同时，降低客房夏季太阳辐射得热，实现节能及采光的最优化设计。裙房每层设置大挑檐，将外遮阳构件与屋顶空间复合化设计，在增加屋顶绿化面积的同时，利用挑檐形成外遮阳，降低太阳辐射得热，减少能耗。

4.1.4 自然通风优化设计

开启扇的设置对建筑立面效果和成本都有较大影响，为此项目从方案阶段开始就进行建筑风环境模拟分析，确定利于室外风顺利进入室内的开启扇设置位置，并跟随项目进程，配合立面造型及平面功能进行调整，从而满足室内换气 次数的需求。

4.2 高性能围护结构

采用高性能的外围护结构，提高建筑围护结构的保温隔热性能和气密性能，可以有效降低建筑的气候敏感性，减少建筑内冷量热量的损耗，优化室内热湿环境和光环境，降低建筑的运维成本，为使用者创造舒适高效的工作和生活环境。

4.2.1 围护结构热工性能提升设计

本项目裙房为幕墙体系，外立面采用铝板幕墙结合玻璃幕墙，塔楼为窗墙体系，外墙外饰面采用铝板幕墙。根据外立面特点，通过保温材料及保温做法比选，确定岩棉板作为外墙外保温材料，屋面保温材料采用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料，外窗（透明幕墙）采用断热铝合金型材、低辐射三玻两腔玻璃。

4.2.2 气密性处理

本项目在节点设计上打破常规做法，采用防水透气膜、防水隔汽膜对关键节点进行创新设计，尽可能阻断热桥并提高围护结构整体的气密性和水密性，预期实现建筑气密性符合室内外正负压差 50 Pa 条件下换气次数每小时不超过 1 次（n50≤1 次/h），从而减少渗漏损失，有效地提高建筑的气候适应性，优化室内热湿环境。

4.3 高效机电系统

高效的机电系统决定了建筑的运行能耗大小，本项目在机电系统能效、设备效率等方面均进行优化设计，进而实现供暖空调及新风系统的最优节能方案。

4.3.1 冷热源系统选择

冷源采用磁悬浮变频离心式冷水机组，设备效率达到GB 19577-2015《冷水机组能效限定值及能效等级》中的1 级能效要求；热源采用燃气真空热水锅炉，锅炉效率不低于 94%。生活热水由真空热水锅炉和高温热水热泵机组组合供应。高温热水热泵机组用于夏季及过渡季节回收空调冷却水的热量，并用于酒店客房部分生活热水加热。

4.3.2 空调输配系统

空调风机达到 GB 19761-2020《通风机能效限定值及能效等级》所规定的 1 级能效，空调水泵能效达到《清水离心泵能效限定值及节能评价值》中 1 级能效的要求。经过管路优化，空调水泵的耗电输冷（热）比相比于现行国家标准 GB 50736-2016《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》降低 20% 以上。冷却塔风机采用变频控制，根据冷却塔岀水温度控制风机转速。

4.3.3 空调风系统

空调机组、新风机组均采用粗效过滤 G4+ 驻点电极中效过滤 F7。人员密度较高且随时间变化大的区域设置室内空气质量监控系统，对室内的二氧化碳浓度进行数据采集、分析，新风量根据二氧化碳浓度进行变新风调节，以节约新风能耗。

新风系统集中设置，并采用热回收，同时设置旁通管。热回收装置纳入 BA 系统自动控制，通过监测室内外焓差，进行启停控制。室内外焓差较小时，新风可直接进入空气处理装置。

4.3.4 电气节能

项变电所设置于建筑内地下一层，紧靠负荷中心，选用低损、低噪、高效、且符合国家环保要求的节能型干式变压器，达到变压器一级能效要求。

照明光源优先选用发光二极管（LED）灯，且选用LED 照明产品的光输出波形的波动深度满足现行国标 GB/T 31831-2015《LED 室内照明应用技术要求》的规定。配套公共设施、地下车库、走廊、楼梯等公共部位照明光源主要采用 LED 灯等节能型光源。并对照明系统进行经济实用、合理有效的控制设计，进而实现降低照明能耗的目标。

4.4 可再生能源利用

太阳能光伏在建筑中的应用往往面临着发电效率与建筑效果的选择。本项目结合建筑整体造型，通过对不同光伏产品的发电效率、产品特性以及与建筑造型的结合美观性等进行对比，选用了薄膜光伏系统。

通过对不同时刻阴影遮挡下的表面太阳能辐射资源情况进行分析对比，对适合布置太阳能光伏的区域进行选择，并利用 BIM 辅助设计进行太阳能光伏建筑一体化设计，最终实现建筑美学与科学技术的高度统一。

将光伏板设置于北侧会展的金属屋面和南侧酒店裙房的采光中庭屋顶上，面积约 1.4万 m2。采光顶玻璃为三玻两腔钢化超白玻璃，电池芯片位于外侧的双玻夹片中，可有效吸收太阳辐射得热，起到隔热作用。

4.5 关键性能控制指标

本项目达到《上海市超低能耗建筑技术导则（试行）》及 GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技术标准》中超低能耗公共建筑的要求。关键性能控制指标见表 1。

表 1 关键性能控制指标

5 结 语

本项目旨在营造低碳健康的建筑环境空间，大幅降低供暖、空调、照明、电梯等用能需求，推进空间节能和设备系统节能的融合，在提高室内舒适性的同时降低建筑碳排放，达到绿色三星、超低能耗的高标准要求。

大型公建的超低能耗建筑设计，需要全专业设计团队的紧密配合才能完成，以节能减排为目标的设计模式或将引起建筑设计的思维转型。通过组织完整的设计团队，制订合理的设计策略和技术路径，超低能耗建筑可以是健康舒适的、绿色低碳的、兼顾建筑美学与技术科学的高品质建筑。

本项目设计策略和技术路径可为上海乃至全国大型公建所借鉴，项目的实施对建筑行业实现双碳目标具有重要意义。