浅谈近零能耗建筑技术应用——以山西新源智慧建设运行总部A座为例

李靖

(山西晋设拓凡建筑设计咨询有限公司，山西 太原 030001)

着眼世界，积极推行可持续发展战略得到了全球高度重视，尤其是在当前极端天气不断增多以及气候变化日益恶劣的背景下，越来越多的国家积极关注低能耗发展，制定了相关政策和标准，尤其是建筑行业，更是着眼于低能耗进行了充分研究，由此形成了超低能耗建筑、被动房、近零能耗建筑等。

我国的建筑节能起始于20世纪80年代。1986年中国实施第一个建筑节能标准《民用建筑节能设计标准》开启了我国建筑节能新阶段。现阶段，我国发展速度不断加快，尤其是伴随着工业化以及城镇化的发展，能耗正处于不断升高的阶段，应该引起高度关注。党中央以及习近平总书记多次强调要争取早日实现碳达峰和碳中和，逐步解决当前存在的能耗损失问题。从建筑行业来看，为了迎合碳达峰以及碳中和需求，积极推广近零能耗建筑成为重要手段，也是未来发展的趋势。

“零能耗建筑”一词，最早出现在20世纪70年代，由丹麦技术大学Torben V. Esbensen 等人提出，他们针对住宅进行研究，探讨如何借助于太阳能实现冬季供暖，以求降低建筑能耗。我国《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350—2019的出台，作为全球本领域首部以国家标准形式出台的技术标准，界定我国超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑等相关概念，引领未来2025～2050年我国建筑节能发展，也是促进我国节能减排、绿色发展，实现碳中和的重要手段之一[1]。

本文以山西新源智慧建设运行总部A座为例，对该建筑实现近零能耗设计难点进行分析，介绍了该项目的能耗在常规节能建筑的基础上进一步降低61.78%，节能水平达到86%以上，通过采用光伏发电、地热技术，本项目可再生能源利用率达到29.86%，达到了近零能耗建筑标准。

1 项目概况

山西新源智慧建设运行总部A座位于山西省太原市山西转型综合改革示范区潇河产业园区(图1所示)，太原属北温带大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温9.5℃，无霜期平均202d，年均降水量456mm。该项目规划用地面积为24 323.56m2，地块方正。建设用地东侧为真武东路，规划红线宽度34m；北侧为24m规划路；西侧毗邻30m绿化带；南侧为30m规划道路。该项目地上五层，地下两层，总建筑面积14 353m2。其中地上建筑面积13 080m2，地下建筑面积1 273m2；地下二层为汽车库，地下一层主要功能为厨房及餐厅，层高6.2m，地上一层主要功能为大堂、陈列厅、管理及消防监控室，层高6.3m，地上二层主要功能为陈列厅及管理用房，层高5.4m，地上三、四、五层主要功能为管理用房，地上三、四层层高4.2m，五层层高4.8m。

图1 山西新源智慧建设运行总部A效果图(虚线内)

本工程融入了被动优先的设计理念，采用近零能耗建筑技术，降低了建筑的能耗。智慧建设运行总部A座的能耗在常规节能建筑的基础上进一步降低61.78%，节能水平达到86%以上，通过采用光伏发电、地热技术，本项目可再生能源利用率达到29.86%，远大于国家标准(10%)。达到了近零能耗建筑标准。

2 山西新源智慧建设运行总部A座近零能耗主要指标

2.1 被动式设计

项目规划设计时，设计人员需要综合考虑到项目所处区域的各方面基本状况，尤其是对于场地状况以及其后状况，均需要进行综合考虑，以便有目的地探讨如何降低能耗来维系建筑工程项目应有功能发挥。比如针对建筑工程项目的朝向、布局以及结构等，均需要进行优化设计，以便实现不必要能耗的控制。针对建筑工程项目设置恰当的围护结构，以便促使其具备理想保温隔热性能的基础上，还能够达到其它功能，比如建筑保温外墙、节能门窗、幕墙(玻璃幕墙均采用德国PHI认证产品)等，均可以在有效提升建筑整体空间其密度的基础上，降低建筑供暖环节出现的能耗损失问题。此外，自然通风、遮阳以及夜间免费制冷等，也可以在建筑工程项目中协调运用，以满足降耗要求。

2.2 能源系统和设备效率提升

智慧建设运行总部A座优先使用能效等级更高的系统和设备。

2.3 使用可再生能源对建筑能耗进行平衡和替代

充分挖掘建筑本体、周边区域的可再生能源应用潜力，对能耗进行平衡和替代。

3 山西新源智慧建设运行总部A座近零能耗技术策略

3.1 高性能外维护结构

太原地区常见公共建筑外保温厚度只有100mm左右，近零能耗建筑则需要有良好的维护结构。本工程采用装配式超低能耗外墙系统，新源智慧建设运行总部A座外围护墙采用了装配式超低能耗外墙系统，此系统为国内首创，由装配式钢混外墙板作为外页板、ALC轻质墙板作为内页板，中间留出中空层以现场发泡聚氨酯填充密实，传热系数达到0.20W/(m2·K)，保证了良好的气密性，同时满足防火、安全、耐久要求。外墙做法为：①铝板幕墙；②幕墙配套龙骨；③50mm的劲性混凝士保护层；④46mm挤塑板 (B1级)；⑤210mm南向260mm)发泡聚氨醋(B1级)；⑥150mmALC墙板；⑦内装修做法。高性能围护结构可以有效降低建筑工程项目能耗损失，同时还可以在采光、通风方面发挥出积极作用，由此更好优化建筑工程项目应用效果。

山西新源智慧建设运行总部A座根，据建筑不同方位，采用冬季得热的技术措施，最大限度地减少冬季采暖能耗。在东、西、北向采用窗洞，尽可能增加实墙面积，降低热量流失的界面；在南向窗户采用横向带形窗户，尽可能增加太阳得热；屋顶天窗冬季全部为得热的界面。

3.2 外遮阳优化设计

本建筑设计除固定遮阳外，为了避免夏季得热过多并对外窗通光量有所控制，东西南三向外窗采用活动外遮阳百叶，太阳能透射系数10%。采用横向的外百叶遮阳，可以自由调节通光量，兼顾遮阳、视线与照明；屋顶天窗内侧设置电动可调节内遮阳百叶。无外遮阳情况下室内超温概率达17%，有外遮阳情况下室内超温概率仅为6%。

3.3 自然通风

本建筑着重优化中庭结构设计，增加整体自然通风效果。 同时考虑充分利用太原地区当地夏季夜间气温和相对湿度较低的自然条件，迎风面大部分区域以玻璃幕墙为主，设置部分幕墙开启扇并保证其气密性；背风面以玻璃幕墙为主，设置部分开启扇；顶部设有中庭，四周为幕墙，利于形成良好视野和通风。迎风面设置上悬下开窗，背风面设置下悬上开窗，有利于形成穿堂风。同时结合智能化控制系统的应用，增加夜间外窗和顶部天窗自动开启功能，实现夜间自然通风冷却，降低建筑冷负荷(图2所示)。

图2 自然通风优化分析

3.4 良好的气密性措施

本工程在近零能耗控制区域采用连续气密层体系(图3所示)，建筑墙体和关键节点满铺气密膜，建筑整体气密控制目标为室内外50Pa压差下，建筑换气次数为0.6次/h。主要采取的措施：1)装配式外围护墙体气密层设计；2)门窗洞口、玻璃幕墙及雨棚气密性设计；3)穿墙管线部位的处理。

图3 连续气密层(粗线内)

3.5 防热桥设计及施工

本项目对围护结构中的热桥部位进行表面结露验算，并采取保温措施，确保热桥内表面温度高于房间空气露点温度。玻璃幕墙采用有断热构造的玻璃幕墙系统，非透光的玻璃幕墙部分、金属幕墙、石材幕墙和其他人造板材幕墙等幕墙面板背后采用高效保温材料保温。幕墙与围护结构平壁间(除结构连接部位外)不形成热桥，并对跨越室内外的金属构件或连接部位采取隔断热桥措施。外围护墙板、外遮阳以及外饰面板采用断热桥锚固件与主体连接，同时结合聚氨酯发泡层实现断热桥安装；女儿墙、地下室顶板、外挑构件部位均采用断桥锚栓固定保温材料，实现断热桥安装[2]。

3.6 高效热回收的新风系统

项目采用温湿度独立控制系统(干式风机盘管+内冷式双冷源新风机)，新风机组夏季高温冷源由高温冷水机组提供，对新风进行预冷；低温冷源由内置压缩式制冷系统提供，对新风进行进一步冷却除湿，并利用冷凝余热对送风进行再热，保证送风温度满足舒适要求。新风系统选用内冷式双冷源高效热回收新风机组，显热回收效率不低于75%，全热回收效率不低于70%；干式风机盘管由能源岛提供16/21℃高温热水承担室内显热负荷。盘管回风口设置复合空气净化器，由电子除尘、UVC杀菌、触媒分解化合物等功能集成，可以分解空气中多种污染物及病菌。

3.7 可再生能源利用—光储直柔+地源热泵

“光储直柔”即光伏发电、储能、直流、柔性应用，它不仅是一项技术的变革，也是认知和理念的变革。此技术的应用最低可使建筑用电节约10%左右交直流转换损失。山西新源智慧建设运行总部A座结合建筑造型和屋面条件，采用光伏直流微网系统对楼座照明系统供电，光伏直流微网系统包括，光伏系统、备用供电系统、EMS能量管理系统。配置了588m2的屋顶太阳能光伏，光伏发电方阵由482块光伏板和5台汇流箱组成，每日发电量约为330kW·h，满足公共区域照明、室外景观照明及A座楼体亮化的需求。

地源热泵是现阶段比较常见的一类地热能源应用设施，可以在空调系统中发挥节能效益。新源智慧运行总部A座能源岛为太原市综改区潇河新城第一座开工能源岛，首批尝试采用闭式无干扰中深层地源热泵，为建筑提供低温热源及高温冷源。中深层无干扰地源热泵系统与常规地源热泵系统相比，最主要的区别在于该技术从地下2～3 km深区域内进行低温热量提取，该区域的温度一般在70～90 ℃，提取出来的热量相对稳定，可以在项目中可靠运用，在智慧建设运行总部能源岛项目中采用套管结构。地热井深度为2 570m，井底温度为77.7℃，供水温度可达40℃，取热功率为400kw左右。地热技术的应用真正实现了“取热不取水”，避免直接利用地下水带来的污染问题。本项目年取热量35万kW·h，大大减少了化石能源消耗。变频高温冷水机组(16～21℃)的应用大幅提高了冷水机组的COP值，最大限度降低了建筑的供冷能耗[3]。

4 结语

“十四五”规划和2035年远景目标纲要指出，加大清洁能源利用率，推进低碳发展，成为工业、交通业以及建筑业等高能耗行业转型发展的重要目标。目前，从我国政策层面要求，城镇新建民用建筑节能强制性标准能效持续提升；加快推动近零能耗建筑规模化发展，鼓励积极开展零能耗建筑、零碳建筑建设。

山西新源智慧建设运行总部A座设计满足近零能耗建筑技术标准的要求，对近零能耗技术推广起到积极作用，为寒冷地区近零能耗建筑技术应用提供技术经验参考。该项目对山西全方位迈向低碳社会，实现高质量发展具有重要意义。我们应抓住机会，积极研究创新，努力推动我省建筑领域的低碳转型。