基于超低能耗目标的建筑设计管理要点及应用探索—— 以临平红丰小学为例

钱乔峰

为应对日益严峻的全球气候变化和能源危机，我国在第75 届联合国大会上提出，力争2030 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和目标。2021年，国务院印发了《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，明确提出要提升城乡建设绿色低碳发展质量，促进城乡建设和管理模式低碳转型，积极发展节能低碳建筑，加快优化建筑用能结构。

中国的建筑节能始于1980 年代，遵循“建筑节能-绿色建筑-超低能耗和零能耗建筑”的发展路线，稳步提升建筑节能水平。目前，发展超低能耗建筑已经成为实现“双碳”目标的重要途径。全面推行超低能耗建筑是我国建筑节能事业未来发展的必然选择[1]。

1 超低能耗建筑概述

超低能耗建筑是指根据当地的气候特征和自然条件，采用保温隔热性能和气密性更高的围护结构，应用高效新风热回收技术，充分利用可再生能源，并满足绿色建筑基本要求的建筑。此建筑能够最大限度地降低供暖供冷需求，以更少的能源消耗提供舒适的居住环境。根据《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）的规定，超低能耗建筑的能耗水平应比《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）中的要求降低50%以上。

2 超低能耗建筑设计过程中出现的问题

超低能耗建筑的建设，经历从设计到施工再到运行的全生命周期过程。超低能耗建筑设计是基础性的核心工作，对设计核心问题的把控和对各相关方的体系化管理，会在很大程度上影响设计方案的合理性和设计图纸的有效性。超低能耗建筑的设计理念与普通节能建筑的设计理念存在很大差异，导致设计过程中出现各种问题。

2.1 设计目标不明确，盲目套用设计标准

中国横跨多个气候分区，导致各个地区对超低能耗建筑的指标要求不一致。而且因超低能耗建筑的发展水平有差异，许多省市制定了专门的设计标准。例如，山东省发布了《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》（DB37/T 5074—2016），北 京 市 发布了《超低能耗居住建筑设计标准》（DB11/T 1665—2019），河北省发布了《超低能耗居住建筑节能设计标准》（DB13（J）/T8503—2022）。因此，在项目设计过程中，经常出现目标设定和标准套用错误的问题。

2.2 设计单位能力不充足，无统筹优化意识

超低能耗建筑的设计逻辑与传统节能建筑不同，它受到建筑能耗指标和室内环境指标的双重限制。传统设计院因技术能力受限，难以落实超低能耗建筑的指标体系和技术方案，无法站在全局角度来论证和优化超低能耗建筑设计方案[2]。

2.3 各专业设计介入滞后，技术体系不合理

超低能耗建筑设计涉及建筑选址、朝向、外围护结构、外门窗、冷热桥处理、气密性、可再生能源利用等。在实际项目中，超低能耗设计介入的时间晚于项目方案设计阶段，导致项目在初步设计阶段或施工图设计阶段，被迫采用不合理的技术，弥补方案阶段的缺陷，拉高成本的同时又无法达到应有的节能效果。

2.4 方案优化不到位以及设计节点不细致

在超低能耗建筑设计阶段，需考虑气候特点和地方习惯，通过分析能耗指标、室内光环境、声环境和自然通风气流组织等，优化建筑方案和空间布局。但一些超低能耗建筑的设计人员在设计过程中过于追求建筑表现效果，不考虑性能要求，未按照建筑功能分区进行声环境、光环境和风环境优化。还有部分设计人员在施工图阶段，对于关键节点的处理，只是简单采用图集中的通用节点，而未结合项目实际情况进行有针对性的优化设计[3]。本文以红丰小学为例，聚焦超低能耗建筑设计管理，从项目前期阶段、设计阶段和申报阶段入手，分析超低能耗建筑设计的流程与方法。

3 超低能耗建筑设计管理要点及应用—临平红丰小学

3.1 项目概况

项目位于浙江省杭州市临平区国家级经济技术开发区南部，为一所36班的普通完全小学，总用地面积为3.1 万m2，规划建筑面积为4.7 万m2，其中地上建筑面积为3 万m2，地下建筑面积为1.7 万m2。此学校包括教学综合用房、科技创新实验室、校门以及车库人行出入口等单体建筑。

3.2 项目前期准备阶段

3.2.1 确认设计目标

接到设计任务后，应立刻确认超低能耗设计目标和相关的设计要求。对于集多种设计目标于一体的项目，需要统筹考虑多项标准要求，通过集成优化和多体系统筹配合，以最小的代价实现多个设计目标[4]。

红丰小学项目按绿色建筑三星级标准设计，无装配式建筑要求。根据《杭州市临平区住房和城乡建设局关于下达落实临平区2022 年建筑节能与绿色建筑任务的通知》的要求，本项目列入2022 年超低能耗建筑计划，应于2025 年底前获得标识认证，认证面积不得少于1.5 万m2。在杭州市绿色建筑与建筑节能示范项目集中审查会议上确定，将红丰小学教学综合用房（建筑面积约29672 m2）作为超低能耗示范面积进行申报和推进设计。

3.2.2 组建工作团队

超低能耗建筑设计技术体系是否合理会影响项目的推进，在制订设计技术体系时，应考虑在项目投资造价、施工难易程度、施工周期是否可控及后期使用与运维是否便利等情况。

技术体系的制订对设计单位专业性的要求较高，因此该工作通常选择专业的咨询机构或测评机构来协助主体设计院共同完成。红丰小学在设计之前，通过考察和公开招标，选择某设计研究院作为超低能耗咨询单位，配合建设单位和主体设计院，进行超低能耗建筑技术方案的策划、论证和标识认证工作。

3.2.3 划分工作职责

项目工作团队初步组建后，通过合同和会议的方式，明确各单位的工作职责，并形成会议纪要，确保后续工作的顺利进行，具体为：

1）建设单位主要进行建筑设计管理工作，负责编制设计任务书，提供设计所需的项目基础信息资料，下达工作计划节点，组织设计过程中的审核和技术交底，确认设计阶段性成果，协调各方以保证设计工作顺利推进。

2）主体设计院根据咨询单位的方案策划和建议，确定超低能耗基本方案，完成方案设计、初步设计和施工图设计，并在其中落实超低能耗技术措施和节点做法等，保证设计满足超低能耗指标参数和能耗标准。

3）超低能耗咨询单位在方案阶段通过模拟计算提出优化建议，并辅助主体设计院确定规划和建筑方案。在初步设计阶段，通过模拟软件论证并确定围护结构等的关键性能参数、空调系统以及可再生能源利用方案。在施工图阶段，辅助主体设计院在图纸上落实超低能耗技术措施和节点做法，并监测和计量建筑能耗及室内环境参数。

3.2.4 论证成本指标

学校作为政府投资项目，会受到成本限额指标的约束。满足超低能耗建筑的设计要求，势必会增加项目的建设成本。设计要求与成本限额的矛盾需要在可行性研究和成本估算阶段加以解决。

在可行性研究申报阶段，建设单位提出申请，由政府相关部门组织召开估算指标论证会，主体设计院和超低能耗咨询单位共同汇报红丰小学的超低能耗指标测算、具体做法、造价构成以及类似项目的造价指标情况。最终审议通过本项目的超低能耗增量指标为按照项目总建筑面积计算不超过580 元/m2。至此，项目前期准备阶段的设计管理工作基本完成，明确了设计目标、工作团队与职责以及造价控制指标。

3.3 项目设计阶段

超低能耗建筑技术分为被动技术、主动技术和替代技术。以气候适应性建筑方案的被动技术作为超低能耗设计的基石，优先采用高性能维护结构的被动技术，再辅以主动技术，寻找可再生能源替代，应为超低能耗设计的基本策略。其中，气候适应性建筑方案属于方案设计阶段的设计内容，其他3 项为初步设计和施工图阶段的内容。

3.3.1 方案设计阶段

红丰小学的方案设计采用主体设计院与咨询单位对接协同的模式。咨询单位根据地块所在的地域环境、气候特点、区位和规划控制指标等基本信息，提出关于结构形式、建筑朝向、体型系数及窗墙比等的建议。主体设计院在设计方案中落实咨询单位提出的建议，并交由咨询单位确认，或提出修改意见。

在方案设计阶段，要求主体设计院在满足常规建筑规范和规划指标的前提下，充分考虑超低能耗建筑充分利用自然环境的要求，要求咨询单位进行建筑室内风环境和光环境的模拟计算，优化方案的开窗位置、窗墙比和建筑入口位置等。最终确定本项目采用行列式布局，主要教学用房布置为南北朝向，南向外墙以连续的外走廊遮阳，体形系数为0.32，窗墙比为0.2。因此红丰小学在方案设计阶段比普通建筑多花费5 ～10 d。的替代技术。

由于需要进行超低能耗指标模拟计算以及方案对比、论证和优化，红丰小学初步设计阶段的设计周期明显增加，为10 ～15 d。此阶段的质量控制关键点在于要求咨询单位通过方案比选和优化，确定科学合理的超低能耗指标体系，划分建筑气密区域范围，明确超低能耗建筑的基础参数，确定部品和设备的性能参数与数量。

3.3.2 初步设计阶段

红丰小学的设计方案确定后，要求主体设计院将设计成果提交给咨询单位，由咨询单位从累计供冷需求、累计供热需求、冷负荷、热负荷、一次能源消耗量、室内温度以及地块资源等多个维度，确定项目的设计指标参数、能源形式、系统方案及末端系统形式[5]，具体为：

1）组织咨询单位围绕建筑能耗和室内环境指标，通过能耗模拟软件进行设计方案的定量模拟分析计算，以初步确定建筑的指标参数。在此过程中，必须充分考虑建筑的整体造价，结合相关部品和材料的价格，确定性价比较高的指标体系，如表1 所示。经核实，红丰小学的屋面、外墙、挑空楼板以及外门窗的热工性能均高于省标节能标准，基本符合超低能耗建筑的推荐值。通过能耗综合计算，设计方案满足超低能耗节能率的要求。

表1 红丰小学围护结构的热工性能

2）进行无热桥专项方案设计。无热桥专项设计是要加强围护结构中潜在热桥构造的保温和隔热，以降低此部位的热流通量。无热桥设计要求围护结构的保温层连续。但是本项目为学校建筑，采用了大量的外挑楼板和外挑楼梯，无法使用全覆盖连续保温层，因此创新性地采用了“内保温削弱热流强度”的方式[6]。经过模拟计算，采用此方式能够满足无热桥要求，如图1 所示。

图1 红丰小学外走廊热桥模拟计算效果（来源：作者自绘）

3）明确超低能耗建筑的气密区域，并在建筑平面和剖面中做出相应标注。气密区域的划分方法会在一定程度上影响指标参数的制订、施工难度和项目造价。例如，红丰小学位于气密区的门窗应满足《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）的要求，采用“三玻两腔”构造，而非气密区门窗按照现行的节能标准要求选择即可。红丰小学教学楼标准层气密区域示意图，如图2 所示。

图2 红丰小学教学楼标准层气密区域示意图（来源：作者自绘）

4）选择超低能耗建筑技术。根据本项目的造价限额指标和临平区对政府投资项目应用太阳能光伏能源的支持性文件，确定红丰小学使用高能效空调设备、新风热回收系统、节能灯具、室内环境检测系统、建筑能耗检测系统、设备监测系统以及智能照明系统的主动技术，同时采用太阳能光伏发电系统和空气源热泵热水系统

3.3.3 施工图设计阶段

在施工图设计阶段，主体设计院各专业按照设计任务书的要求完成深化设计，将初步设计阶段明确的超低能耗措施和要求落实在施工图图纸上，设计内容为：第1，确定最终的气密区域。第2，落实关键节点的设计大样，包括保温、防水、气密以及热桥处理等内容。在做法描述上，明确选材类型、性能和厚度等参数（图3）。第3，为保障超低能耗建筑的质量，采取防潮和降噪等关键措施，如暖通空调的降噪减震等。第4，明确光伏设备和空气源热泵的设置空间与设备基础等。由咨询单位基于施工图进行模拟测算，确定最终的超低能耗技术指标，并协助主体设计院编制节能评估报告，以满足施工图审查需求。经计算，红丰小学的综合节能率达到82.5%。

图3 红丰小学部分超低能耗大样节点（来源：作者自绘）

在施工图设计阶段，由于超低能耗建筑的要求，对外墙节点和穿孔部位进行了特殊深化设计，对机电系统进行了额外工作。同时，对于具体节点的做法，主体设计院与咨询单位进行了多轮讨论，以寻找既满足各类规范又经济合理的材料以及做法，导致红丰小学的施工图设计周期增加了15 ～20 d。

质量控制方面：第1，梳理关键节点的类型，常见节点可以参照设计图集，特殊节点要充分结合项目特点进行优化；第2，要落实节点做法，明确材料的尺寸、厚度、深度、性能及施工工艺[7]，保证超低能耗设计图纸的完整性和可施工性。

3.4 项目申报阶段

施工图编制完成后，由建设单位组织进行超低能耗标识证书申报，分为3 个步骤—第三方测评机构初审并编制申报书、专家审查会审查和中国建筑节能协会终审并颁发标识证书。第三方测评机构需要按照《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350-2019）编制测评报告，选择符合要求的测评软件，确保数据公正、客观。在专家审查会阶段，需要邀请建筑设计、土木工程、建筑物理、暖通空调、可再生能源、建筑电气以及建筑智能化等专业的专家。如果要进行绿色建筑运行标识的评审，则需要额外邀请检测计量专业的专家。由于《中国建筑节能协会近零能耗测评管理办法》规定，测评工作是面向中国建筑节能协会会员单位展开的，因此需要申请加入中国建筑节能协会并成为会员，才能具备申请设计、施工和运行标识的资格。经过层层审查，红丰小学于2023 年10月完成超低能耗建筑测评项目公示，于同年11 月取得超低能耗建筑设计标识证书。

4 结语

我国超低能耗建筑的规模化建设和推广势在必行。超低能耗建筑与传统节能建筑的差异促使各专业从设计启动期便介入工作。基于超低能耗建筑设计的种种问题，本文提出了超低能耗建筑项目的设计管理方法，从项目前期、项目设计和项目申报3 个阶段入手，以红丰小学为例，详细分析了项目团队组建、方案设计、初步设计及施工图设计等方面的设计管理要点，提出了工作进度推进和质量保证的关键要素，以期为超低能耗建筑设计提供借鉴。