0 引言

　　中国在联合国大会承诺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。2019年中国建筑全过程能耗总量为22.33亿t标准煤，达到全国总量的46%;碳排放总量为49.97 亿t二氧化碳，达到全国总量的50%^[1]。近零能耗建筑的能源消耗远小于普通建筑，其充分利用被动式技术手段，并采用高效机电系统及合理利用可再生能源，从而降低建筑能耗、减少碳排放，有助于碳达峰、碳中和目标的实现^[2]。风能发电、太阳能光伏发电具有无污染、不排放温室气体、无噪声等优点，大力推广风能发电、太阳能光伏发电技术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^[3,4]。

　　本文以山地新闻中心近零能耗建筑为例，对该建筑实现近零能耗设计难点进行分析，介绍了建筑实现近零能耗所应用的节能技术；分析了暖通空调系统采用的节能技术，并模拟计算了该项目全年运行能耗及其节能率。

　　1 项目概况

　　山地新闻中心位于北京市延庆山区，该地区气候属于大陆性季风气候，冬冷夏凉，年平均气温为8 ℃。该项目总用地面积为12 482.5 m²,总建筑面积为19 354.5 m²,地下1层、地上2层，为半覆土建筑。赛时可提供新闻媒体的赛事新闻发布及办公场地，包含新闻发布大厅、新闻媒体工作区、后勤服务区、休息区等功能区，赛后功能为山地水疗运动中心。山地新闻中心效果图见图1。

　　

　　图1 山地新闻中心效果图   

　　 

　　山地新闻中心为近零能耗建筑，要求设计建筑比基准建筑本体节能率不小于30%,综合节能率不小于60%。为实现近零能耗节能目标，主要设计难点为：

　　1) 该项目所在地为山地，如何充分利用地形优势，更好地体现“山林场馆，生态冬奥”特色的同时达到降低建筑能耗的目的^[5]。

　　2) 为保证建筑外观效果，东南向设置大面积玻璃幕墙，如何通过其他围护结构的节能措施实现节能目标。

　　3) 建筑包括玻璃幕墙、石笼幕墙、屋面天窗、屋面光伏板等多种复杂的结构形式，如何处理冷热桥从而实现近零能耗目标。

　　4) 玻璃幕墙、外窗、屋面采光天窗等结构如何处理，从而满足室内气密性要求。

　　2 山地新闻中心建筑节能技术

　　2.1 建筑形体节能设计

　　山地新闻中心采用低层、高密度的建筑布局。为了充分利用地形优势实现近零能耗建筑指标，建筑的大部分区域都处于覆土层以下，只有少部分裸露在室外，使建筑最大限度契合地形，形成建筑、山体、景观一体化特色，融合于自然环境之中。覆土设计充分利用土壤的蓄热性能，冬季白天吸收、储存太阳能，缓解室外低温的影响，降低围护结构通过土壤散失的热量；夏季利用土壤屏蔽太阳辐射得热和室外高温，为建筑屋顶带来更好的保温性能和热惰性。通过建筑形体节能设计尽量减少建筑因外围护结构导致的热损失，有利于减少供暖能耗。

　　2.2 高性能围护结构及外遮阳设计

　　近零能耗建筑需要有良好的围护结构保温隔热性能，经设计计算最终选定的围护结构方案为：外墙采用双层100 mm+100 mm厚A级钢网憎水岩棉板，里外错缝拼接，断桥型保温螺栓固定，平均传热系数为0.22 W/(m²·K);屋面采用250 mm厚挤塑聚苯板，平均传热系数为0.21 W/(m²·K);地下室外墙采用250 mm厚挤塑聚苯板，平均传热系数为0.134 W/(m²·K);透光围护结构采用断桥铝合金三玻两腔体中空钢化Low-E玻璃，平均传热系数为0.8 W/(m²·K),夏季太阳得热系数为0.315,冬季为0.450。良好的建筑围护结构部件不仅能更好地满足通风、采光、保温、隔热等需求，在维护室内良好物理环境的同时还可以降低能源消耗，实现节能减排的目的。

　　对山地新闻中心建筑外遮阳进行了专项设计，同时考虑夏季遮阳和冬季太阳辐射得热需求的差异性^[6]。通过模拟建筑外窗辐射得热，对夏、冬季玻璃表面的太阳辐射得热分布进行分析，结果如图2、3所示。建筑东南向的透明外围护结构采用悬挑外遮阳措施，外遮阳可以减小太阳辐射对建筑冷负荷的影响，进而降低室内空调冷负荷，降低建筑能耗；冬季利用南向高处窗户入射角度较低的太阳光进行被动式供暖。

　　

　　图2 夏季外窗立面太阳辐射得热量分布   

　　 

　　

　　图3 冬季外窗立面太阳辐射得热量分布   

　　 

　　2.3 减小热桥设计

　　热桥节点处理是近零能耗建筑设计重点^[7]。山地新闻中心采用无热桥设计，即热桥系数小于等于0.01 W/(m·K)。为减少结构热桥，建筑外挑构件部分采用断板不断梁等措施，防止热桥的产生。屋面天窗、光伏板、玻璃幕墙、石笼墙等安装部位的气密性及热桥做法对近零能耗建筑的能耗指标达标及建筑整体气密性有重要影响，因此建筑设计时针对屋面天窗、光伏板、玻璃幕墙、石笼墙等部位做出相应节点优化处理。各建筑部位安装节点如图4所示。

　　2.4 气密性设计

　　近零能耗建筑具有较高气密性，可以有效减少无组织渗透空气进入建筑内部，进而减小冷热负荷损失。该项目室内空间均处于气密区之内，疏散楼梯出口、门全部采用高保温隔热、高气密性外门，设计外窗及幕墙气密性等级不低于8级；并对外窗与外墙接触位置、墙体与楼板的接触位置等做了气密性优化，对门窗缝隙、电气接线盒等影响建筑气密性的部位，用密封胶封堵。建筑的水、暖、强弱电管井采用轻集料混凝土空心砌块墙，内壁采用1∶2.5水泥砂浆随砌随抹光。以保证良好的气密性，使建筑整体气密性满足室内外50 Pa压差条件下换气次数N₅₀≤1 h^-1的要求。

　　

　　图4 各建筑部位安装节点图   

　　 

　　2.5 可再生能源利用

　　近零能耗建筑要求可再生能源利用率不小于10%,由于延庆山区太阳能资源丰富，全年峰值日照小时数为1 623.77 h, 水平面日平均太阳辐射量为14.18 MJ/(m²·d),当地纬度倾角平面年平均日辐射量为16.014 MJ/(m²·d)。山地新闻中心建筑周围无任何遮挡，因此，在屋顶空间安装太阳能光伏发电系统作为建筑可再生能源产能系统之一。屋面布置太阳能光伏发电组件约1 400 m²,通过模拟计算预计全年发电量为217.5 MW。该项目用电优先采用太阳能光伏发电，应用太阳能光伏发电系统可实现二氧化碳全年减排量165 984 kg, 二氧化硫全年减排量1 344 kg, 粉尘全年减排量672 kg。

　　3 暖通空调系统节能设计

　　暖通空调系统包括供暖、空调、通风系统等，降低暖通空调系统运行能耗主要从提高供暖和制冷设备效率、提高系统输配能效、采用排风热回收等方面入手。由于该项目地处山区，并且远离其他场馆区域，根据项目赛时、赛后功能，冷热源独立设置。

　　3.1 供暖系统设计

　　采用2台1 000 kW/台的电锅炉和蓄热水箱作为热源，锅炉热效率不低于92%。21:00至次日07:00 谷电蓄热，平峰及高峰用电时段采用蓄热水箱供热模式，蓄热水箱容积为600 m³。锅炉一次供/回水温度为90 ℃/50 ℃,蓄热水温同锅炉一次供/回水温度，经板式换热器为用户侧提供55 ℃/40 ℃空调供/回水，热源系统原理如图5所示。该项目设置风机盘管+低温地板辐射供暖系统(设备用房采用散热器)+排风热回收系统，其中建筑1、2层门厅等区域设置低温地板辐射供暖系统，地板辐射供暖热水由空调系统热水通过混水得到，供/回水温度为45 ℃/35 ℃。有防冻要求的设备间设置散热器供暖，供回水管接自风机盘管系统。除部分设备间及门厅区域设置散热器供暖或低温地板辐射供暖系统，其他主要功能房间设置风机盘管系统，可独立控制启停，实现独立温湿度调节。低温地板辐射供暖区域在分集水器总管上设置自动温控阀，控制整个用户或区域的室内温度。设置散热器的功能房间，其连接散热器的支管设恒温控制阀，调节室内温度。

　　

　　图5 热源系统原理图   

　　 

　　3.2 空调与通风系统设计

　　该项目集中冷源采用电制冷冷水机组，空调系统末端为全空气系统或风机盘管系统，为展厅、办公室、会议室等功能房间供冷。空调冷源设计保证赛时并兼顾赛后，选用2台660 kW/台的螺杆式冷水机组，制冷用冷水机组综合性能系数SCOP为4.69,为空调末端提供7 ℃/12 ℃的冷水。根据赛区气候条件，冷却塔进/出水温度选用35 ℃/30 ℃,以提高机组运行效率，冷水系统采用一级泵变流量系统，冷源系统原理如图6所示。空调系统主机选用变频高效机组，提高性能系数，降低运行能耗。空调通风系统风机均选用高效节能型设备，并使风机设备处于高效工作区；利用变频技术，以提高部分负荷下的效率。

　　为降低能耗、回收可用能量，该项目新风系统及全空气系统均设置排风能量回收装置，通过室内排风与新风换热回收排风能量，显热回收效率大于75%。新风机组采用比焓控制技术，当夏季或过渡季室外气候条件适宜时，有效利用室外新风进行降温，机组内设新风旁通，使新风经旁通管直接进入室内，实现过渡季全新风运行，减少空调系统能耗。

　　

　　图6 冷源系统原理图   

　　 

　　新闻媒体大厅及展示接待中心为高大空间，采用双风机全空气空调系统，除设置排风能量回收装置外，还对送排风机进行变频控制，根据室内温湿度要求及室外气象条件调节运行策略，有效降低运行能耗。同时，对机房位置、输配路由及输配效率进行综合考虑，减小管道阻力，提高风机能效，降低空调系统整体能耗。

　　该项目所在地区夏季及过渡季气温适宜，因此设置机械通风系统，在夏季某些时段及过渡季利用通风系统排出余热、降低室内温度，缩短空调系统运行时长。空调通风系统原理图见图7。

　　

　　图7 空调通风系统原理图   

　　 

　　3.3 控制策略

　　为了营造室内舒适环境，同时降低建筑能耗，对暖通空调系统运行时间进行智能化控制，冷热源机组、变频水泵、末端风机盘管及新风热回收等集成到楼宇自控系统中，实现智能化控制。冷水机组连锁相关的电动蝶阀、冷水泵实现启停控制，由冷水机组控制器控制，保证出水温度恒定；冷水供回水总管上设压差传感器，进而控制电动调节阀的开度。末端风机盘管及新风除集中控制外增加单独控制，可进行分室温湿度调节，实现节能控制。能源管理系统集成到自动控制系统，可对供暖、供冷设备用电数据实时监测和采集记录，并实现集中控制。

　　在新风系统室内送风口处设置新风监控装置，安装风量传感器和风量控制阀，实时监控新风量与设计值的偏差，并调整新风量。在室内典型区域设置CO₂浓度和细颗粒物PM2.5等环境参数传感器，变频控制新风机组或空调机组送风量。新风机组除设置常规的G4粗效过滤器、静电除尘器外，还设置净化除尘灭菌装置，室内机设置回风箱式空气净化杀菌器，有效减小新风中灰尘、可吸入颗粒物、病菌、甲醛等有害污染物含量。

　　4 建筑能耗分析

　　4.1 模型建立及参数设置

　　采用DeST软件进行建筑全年能耗模拟，建立了2个山地新闻中心建筑仿真模型，分别为设计建筑模型和基准建筑模型。设计建筑模型根据项目施工图纸建立，能体现建筑的真实能源使用情况；基准建筑模型的参数根据北京市DB 11/687—2015《公共建筑节能设计标准》对围护结构热工性能限值进行设置，用于和设计模型作能耗对比分析。设计建筑模型和基准建筑模型的围护结构热工参数设置如表1所示。

　　表1 建筑模型的围护结构传热系数 W/(m²·K) 

　　 

　　 

	设计模型	基准模型
屋面	0.210	0.450
外墙(包括非透明幕墙)	0.220	0.500
底面接触室外空气的架空或外挑楼板	0.250	0.500
供暖房间和有外围护结构非供暖房间之间的隔墙	0.186	1.500
外窗(包括透明幕墙)	0.750	2.200

　　 

　　 

　　 

　　室内环境参数的设置可以直接影响建筑能耗。参照GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》^[8]的要求，室内环境参数设置如表2所示。

　　4.2 模拟能耗分析

　　对建筑全年能耗进行模拟，得到建筑各分项能耗(折算为耗电量),如表3所示。将照明、供暖、空调、通风、室内设备五部分能耗全部考虑在内，新闻中心建筑全年耗电量为1 216 200 kW·h/a, 单位面积耗电量为62.84 kW·h/(m²·a),与基准建筑相比，根据GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》计算建筑本体节能率为35.6%。该项目用电均为可再生能源发电，优先使用自建太阳能光伏发电系统的发电量，太阳能光伏发电贡献率为17.9%;建筑年缺额用电量为998 800 kW·h, 由张家口的可再生能源风力发电补充。建筑用电均为可再生能源发电供应，综合节能率^[8]可达到100%,满足GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》建筑综合节能率不小于60%的目标。模拟计算结果显示，建筑本体节能率及综合节能率均满足近零能耗建筑能效指标要求。

　　表2 室内环境参数

　　 

　　 

	冬季		夏季		是否供暖/
	温度/ ℃	相对湿 度/%	温度/ ℃	相对湿 度/%	空调
新闻媒体大厅	20	30	26	60	是
展示接待中心	20	30	26	60	是
贵宾接待室	22	30	24	60	是
办公室	20	30	26	60	是
会议室	20	30	26	60	是
场馆技术中心	20	30	26	60	是

　　 

　　 

　　 

　　表3 山地新闻中心年运行能耗 kW·h 

　　 

　　 

	设计建筑	基准建筑
照明	347 300	506 800
供暖	445 700	907 300
空调	141 100	191 700
通风	29 400	31 300
室内设备	252 700	252 700
合计	1 216 200	1 889 800

　　 

　　 

　　 

　　建筑各分项能耗占比如图8所示。设计建筑单位面积供暖能耗为25.21 kW·h/(m²·a),占建筑总能耗的37%,与基准建筑相比降低了51%。供暖能耗降低主要原因为围护结构热工性能及气密性提高，有效减少了室内向室外的传热及无组织渗透风导致的热损失。空调系统单位面积能耗为7.98 kW·h/(m²·a),占建筑总能耗的12%,与基准建筑相比降低了26.4%。空调系统能耗降低主要原因为围护结构热工性能提高，降低了室外向室内的传热；同时设计建筑采取遮阳措施，减小了太阳辐射对建筑冷负荷的影响。

　　

　　图8 设计建筑能耗组成   

　　 

　　山地新闻中心的新闻媒体大厅、展示中心、贵宾室、接待室等房间照明系统要求较高，采用高效LED照明系统。通过合理设置照明功率密度、照明灯具数量及位置，降低照明能耗，单位面积能耗为19.64 kW·h/(m²·a),占建筑总能耗的28%。通风系统单位面积能耗为1.66 kW·h/(m²·a),系统占建筑总能耗的2%。采用高效率的供暖、空调设备及高效LED照明灯具可以有效降低能耗，减少建筑碳排放。

　　5 结语

　　以山地新闻中心近零能耗建筑为例，对该建筑实现近零能耗的设计难点及应用的节能技术进行了分析。通过模拟计算得出山地新闻中心全年供暖能耗降低51%,空调能耗降低26.4%,建筑本体节能率为35.6%,通过可再生能源利用，满足了近零能耗建筑要求。近零能耗建筑室内舒适度高，节能减排潜力大，尤其是在供暖季节能效果显著，是实现碳中和目标的重要措施之一。

　　本文引用格式：王志刚，祝秀娟，周蕾，等．山地新闻中心近零能耗建筑分析与设计［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：105-110．