0 引 言

为了应对全球气候变暖给人类生活环境带来的负面影响，世界各国均积极推进节能减排工作。2020年9月，我国在第75届联合国大会上郑重提出了2030年前力争实现二氧化碳（CO2）排放达到峰值、2060年前争取实现“碳中和”的“双碳”目标。2020年国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，明确指出要开展城乡建设“碳达峰”行动。

建筑领域作为能源消耗的三个主要领域之一，也是造成直接和间接碳排放的主要责任领域之一。2020年, 我国建筑运行阶段能耗约占全国能源消费总量的21%。我国建筑建造和运行过程中碳排放量占全社会能源活动总碳排放量约36%。因此，建筑领域的节能减碳工作对我国“双碳”目标的实现至关重要，而发展超低能耗建筑、近零能耗建筑是实现该目标的重要举措。

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》颁布实施以来，在各地政府纷纷出台的激励政策驱动下，超低能耗建筑得到快速发展。至于近零能耗建筑的发展，目前我国已有一些建成和在建的项目，但数量有限，既有建筑的近零能耗改造项目尚处于起步阶段。江亿院士指出建筑行业的低碳发展战略包括减少新建建筑规模、解决既有建筑问题，目前我国建筑建造和运行的碳排放占比约为4∶6，预计未来将变为1∶4。可见，相比新建建筑，规模庞大的既有建筑改造具备更大的节能潜力，控制既有建筑的运行能耗将成为节能工作的重点。

笔者以苏州市某既有办公建筑近零能耗改造项目为例，介绍了该建筑的改造目标和技术路径，分析了该建筑实现近零能耗目标所采用的被动式、主动式和可再生能源应用技术策略，并提供了能效指标计算结果，可为夏热冬冷地区既有建筑的近零能耗改造提供一定的参考价值。

1 项目改造背景

1.1 项目概况

本项目位于苏州市姑苏区老城区，建于1993年，现已荒废多年。项目改造范围为某大厦的西侧部分，东西长约52.3m，南北进深约30.0m，其与东侧部分相隔变形缝，属不同产权。项目原结构为板柱－剪力墙结构，地下1层，地上6层，局部7 层为设备机房。建筑功能原为办公及局部沿街商业，其中，1～2层为商业营业厅，3～6层为办公楼。场地周边建筑多为1～2层灰瓦白墙建筑。

1.2 改造目标和思路

本次改造对建筑功能进行全面提升，并以近零能耗建筑为节能改造目标。依据GB/T 51350—2019，达到夏热冬冷地区近零能耗建筑技术要求，相关能耗指标要求包括建筑综合节能率≥ 60%、建筑本体节能率≥20%、可再生能源利用率≥10%。

项目的总体改造思路为“被动式优先＋主动式优化＋可再生能源”。从苏州地区夏热冬冷的气候特点出发，建筑本体改造强调气候响应性设计，重视建筑外遮阳，提升围护结构热工，改善自然通风与采光。采用高效的空调、照明和热水等设备，最大限度地降低设备侧能耗。充分利用屋面设置可再生能源，以太阳能光伏、太阳能热水、风力发电形成多能互补的能源供应体系。

2 项目近零能耗改造措施

本项目改造后总建筑面积为9900㎡，其中地上建筑面积为8438㎡，地下建筑面积为1462㎡，地上6层，地下1层，建筑高度为23.24m。改造后的设计使用人数为300人，功能分布为1层为办公大堂和70人报告厅，2层为会议中心，3～5层为办公区域，6层为餐厅及厨房。项目模型如图1所示。

2.1 被动式技术

项目改造团队首先从被动式设计入手，探讨减少建筑能耗负荷的设计举措。项目体型规整，除了局部西南向采用圆弧形立面外，其他立面均采用平直设计。经过节能计算，项目体形系数为0.18，具备较好的建筑体形特征。因此，本次改造并未对建筑体形进行修改。项目中采用的各项被动式设计策略如下。

2.1.1 改善自然通风与采光

为了符合苏州地区的气候特征和居民生活习惯，本项目在改造设计中着重考虑了自然采光与自然通风。首先，适当扩大外窗洞口面积，但仍有效地控制各个朝向的窗墙比。改造后东、南、西、北朝向的窗墙比分别为0、0.35、0.16、0.37。其次，增加了可开启外窗可开启面积比例，使南北立面的外窗可开启面积达到了54.5%。

2.1.2 提升建筑外遮阳功能

苏州市地处夏热冬冷地区，夏季太阳辐射较强，因此建筑遮阳对减少供暖空调负荷具有重要的作用。项目设计团队在围护结构节能设计中特别关注了建筑遮阳，将其作为重中之重进行了专项设计。根据建筑立面的差异性，项目设计团队选择了多样化的遮阳形式。针对西南向的圆弧形立面，采用竖向固定百叶的外遮阳方式。考虑到西南立面是景观面，因此设计团队在兼顾视野和遮阳效果的前提下，对竖向百叶的间距和尺度进行了详细分析和优化。

经过计算验证，百叶间距设定在350～380mm时，可将立面太阳辐射降低40%～50%。针对南向的主立面，根据各层立面的特点，选择了不同的遮阳方式，南立面外遮阳形式如图2所示。在1层与2层之间设置了2m宽的层挑檐，可对1层南向外窗形成有效的固定遮阳。2～5层采用可调节的卷帘外遮阳，在夏季可实现完全遮阳，冬季则可将卷帘收纳至盒内。由于6层餐厅室外区域为露台，需考虑人员进出的需求，因此设计团队采用手动伸缩式遮阳棚，实现了可调节的外遮阳功能。

图2 南立面外遮阳形式

2.1.3 提升围护结构热工性能

在外墙和屋面保温方面，经过勘察，笔者发现本项目基层墙体为多孔砖，无保温层。为了提升外墙的保温性能，采用导热系数≤0.032W/(m·K) 的90mm 模塑石墨聚苯板作为外墙保温层，并在层间设置了高度为500mm的岩棉防火隔离带。经过热工计算，改造后建筑外墙的加权平均传热系数为0.40 W/(㎡·K)。

在屋面改造方面，增设了保温层和防水层。保温层采用了110mm 挤塑聚苯乙烯泡沫（XPS）。改造后的屋面传热系数为0.27W/(㎡·K)。具体屋面构造如下。

（1）40mmC20 细石混凝土随捣随光，内配φ6@200 双向筋，设20mm分仓缝（@6m×6m）。

（2）铺设2mm橡化沥青非固化防水涂料，上铺4mmSBS改性沥青防水卷材。

（3）110mm挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS），用聚氨酯胶黏剂粘贴，沿女儿墙周边设置500 mm 泡沫玻璃保温板（Ⅱ型）作为阻火带，用聚氨酯胶黏剂粘贴。

（4）1.2mm耐碱铝箔面层玻纤胎自粘改性沥青隔汽卷材。

（5）冷底子油。

（6）清理原屋面防水材料，保留找坡层，并对破损处进行修补，使其平整。

在高性能外窗方面，本项目改造选用了80 系列内平开隔热铝合金窗（5＋12Ar ＋5＋12Ar＋5Low-E），其传热系数为1.40 W/(㎡·K)，玻璃太阳得热系数为0.39。该外窗的气密性不低于GB/T 7106—2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》规定的8级。外窗采用带副框的嵌入式安装方式，外墙保温层延伸至窗框局部，进行了包覆处理。

2.1.4 建筑气密性控制措施

虽然GB/T 51350—2019并未对夏热冬冷地区的公共建筑提出气密性的指标要求，但为了提升建筑的节能性能，本次改造对建筑整体气密性指标按照n50 ≤1.0的标准进行控制，具体控制措施如下。

（1）气密层位置：基于建筑整体气密性的控制策略，将建筑划分为多个气密性单元，并在墙体部分采用了超过15mm的抹灰层作为气密层。

（2）门窗部位气密性处理：项目采用了高气密性外门窗，确保其气密性不低于GB/T 7106—2008规定的8级。同时，在外门窗与结构墙之间的缝隙采用耐久性良好的密封材料进行封闭，室内一侧采用防水隔气膜，而室外一侧则使用防水透气膜。

（3）穿墙洞口气密性处理：穿墙管道与洞口之间的缝隙采用岩棉填实。在穿墙管道处，外围护结构内侧采用防水隔气膜粘贴，外围护结构外侧采用防水透气膜粘贴。

2.1.5 建筑热桥控制措施

建筑热桥控制措施如图3所示。针对外墙部位的钢丝网板、西南立面的挑檐与外墙固定的位置，项目均采用20mm硬泡聚氨酯隔热垫片进行隔热，并采用保温锚栓进行固定，以减少建筑热桥效应。项目确保屋面保温层与外墙的保温层连续，避免结构性热桥的出现。屋面保温层靠近室外侧设置了防水层，而该防水层延伸至女儿墙顶部盖板内。在屋面结构层上方、保温层下方设置了隔汽层。女儿墙等凸出屋面的结构体，其保温层与屋面、墙面的保温层连续，以避免结构性热桥的出现。

（a）外墙钢丝网板做法

(b) 女儿墙山墙构造做法

图3 建筑热桥控制措施

2.2 主动式技术

2.2.1 空调系统

在采用高性能围护结构的情况下，项目团队对设计日的逐时空调负荷进行计算，得出项目的夏季冷负荷为682kW，单位面积冷负荷指标为77W/㎡；冬季热负荷为374kW，单位面积热负荷指标为42W/㎡。考虑到建筑机房空间有限，基于项目冬、夏季的空调设计负荷特征，选用2台螺杆式风冷热泵机组作为空调冷热源，单台额定制冷量为400kW，名义工况的性能系数（COP）达到3.5以上。为了降低输配系统的能耗，项目采用了高效变频水泵，其工作点效率达到80%以上。同时，通过对管路的合理设计，水系统的耗电输冷（额外）比规范要求降低20%以上。在空调室内末端采用了风机盘管＋新风系统，为降低风机盘管的风机能耗，项目中所有的风机盘管均采用了直流无刷型风机盘管，其能耗较常规风机盘管降低了50% 以上。

针对新风处理和组织，项目设计团队在每层都设置了新风机房，负责该层的新风供应。新风机组均设置了全热回收段，采用了转轮式全热回收机组，全热回收效率达到70%以上。热回收段要求设置旁通装置，在过渡季节可以旁通运行。同时，为保障室内的气流组织和回风量，项目设计团队设置了回风系统，确保各个功能空间都设有回风口。

2.2.2 照明系统

本项目的照明采用高光效的LED 灯具，并设置了智能照明控制系统。在各层外区具备采光条件的区域安装了照度传感器，可基于照度监测数据自动进行调光。当自然采光条件较好时，系统可以降低照度或关闭灯具，有效降低了照明能耗。

2.3 可再生能源

项目充分利用屋面设置可再生能源，以太阳能光伏、太阳能热水和风力发电形成多能互补的能源供应体系。

2.3.1 太阳能光伏发电系统

项目采用了太阳能光伏发电系统，包含180片370W的单晶光伏组件，总安装容量为66.6kW。其中，20片光伏组件直接接入直流照明系统，为地下车库及一层展厅提供照明，而其余160片经过逆变器转换为交流电后并入电网。

这些光伏组件布置于屋面，其转换效率最高可达19.1%。光伏逆变器额定容量为60 kW。与此同时，项目还配备了40kW·h的储能系统。

2.3.2 太阳能热水系统

项目团队采用“太阳能热水＋空气源”热泵热水系统作为集中热水供应方案。太阳能热水部分采用了29 块平板式太阳能集热器，每块尺寸为2000mm×1000mm×80mm，总集热面积为58㎡。同时，系统还配置了2 台空气源热泵热水机组，每台额定制热量为19kW。

2.3.3 风力发电系统

项目安装了2套2kW 的风力发电机，通过一个并网点接入这2套风力发电系统。这些风力发电机为卧式螺旋形，放置于屋面。它们的启动风速为2.5m/s，工作风速范围为2.5～20.0m/s。系统所采用的电机类型为磁悬浮盘式电机。

3 能效指标计算与经济性分析

本项目采用了逐时能耗分析软件eQUEST-3.65进行能效计算，其计算内核是DOE2.2，由美国能源部（DOE）和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）联合开发。项目的能效指标采用设计建筑与参照建筑对比的方式来验证。根据模拟计算结果，设计建筑的可再生能源利用率为40.32%，建筑本体节能率为45.80%，建筑综合节能率为63.27%，具体数据如表1和表2所示。由表中的数据可知，本项目的能耗各项指标均达到 GB/T 51350—2019的要求，符合近零能耗建筑的标准。

表1 参照建筑与设计建筑数据对比

表2 节能率计算

①一次能源换算系数依据GB/T 51350—2019 取值，电力换算系数为2.6kW·h/（kW·h终端），天然气换算系数为9.85 kW·h/m³终端。

以满足现行公共建筑节能设计标准作为基准，本项目近零能耗建筑技术措施投入的成本增量为593.2万元，项目增量成本投入构成如图4所示，其中外窗部分占比最高，达27.7%。同时基于能耗计算结果，项目每年可以减排254 tCO2。

图4 项目增量成本投入构成

4 结 论

既有建筑近零能耗改造应采用“被动式优先＋主动式优化＋可再生能源”的综合策略。被动式设计，即气候响应性设计，需要从气候特征出发，探讨减少建筑能耗负荷的设计举措。首先，苏州市位于夏热冬冷地区，夏季炎热、冬季寒冷，该温度特征对建筑负荷的构成会产生显著影响，改造上需兼顾建筑隔热与保温。其次，夏热冬冷地区全年太阳辐射比较充足，因此改造上针对夏季需要采取必要的遮阳措施，以降低进入室内的太阳辐射热，而在冬季需要尽量引入充足的辐射热以降低室内热负荷。最后，苏州市具备自然通风的需求。针对苏州市以上的气候特征，建筑改造上可重点考虑通过调整窗墙比改善自然采光和通风，提升建筑外遮阳功能，提升围护结构保温和隔热性能，适当增强建筑气密性，加强建筑热桥控制。

在主动式技术上，考虑到夏热冬冷地区既有供暖需求又有制冷需求，除了提升空调系统能效外，排风全热回收系统在冬夏两季都可以取得较好的节能效果，应优先考虑。主动式技术措施主要包括高效供暖空调设备、节能照明及控制、高效生活热水设备、带能量反馈的节能电梯以及能耗监测管理等。

在可再生能源技术方面，可充分利用当地的自然资源条件和建筑条件，研究太阳能光伏、太阳能热水及风力发电系统等技术的应用，形成多能互补的能源供应体系。

5 结束语

面对当前气候变化和资源能源紧缺的挑战，发展近零能耗建筑对实现“双碳”目标具有重要的意义。随着城镇化新阶段建设速度放缓，城市发展开启了以城市更新为重点的新模式，建筑的运行能耗和碳排放占全社会的比例还将进一步增大。因此，既有建筑的节能减排将成为建筑领域实现“双碳”目标的重点攻坚领域。

目前，国内对近零能耗建筑的研究尚处于初级阶段，其理论和实践研究还需要进一步完善和深化。笔者以苏州市某既有办公建筑的近零能耗改造项目为例，详细介绍了其改造的总体目标、策略以及设计技术措施。本项目所采用的改造策略，可为夏热冬冷地区近零能耗工程推广和技术应用实践提供有益参考。