基于可再生能源的超低能耗建筑能源系统设计及示范应用

1 引言

我国可再生能源供热潜力很大。研究测算，我国可再生能源供热潜力可达30亿吨标准煤以上。地热能的资源潜力最大，据国土资源部2015年调查结果，全国336个地级以上城市浅层地热能年可开采资源量折合7亿吨标准煤、全国中深层地热资源年可开采量折合19亿吨标准煤。

全国可作为能源利用的农作物秸秆及农产品加工剩余物、林业剩余物和能源作物、生活垃圾与有机废弃物等生物质资源年供热潜力折合4.6亿吨标准煤，其中，利用农作物秸秆等农林废弃物供热年利用潜力折合4亿吨标准煤。风电等可再生能源发电按照10%电量供热利用计算，2020年可供暖5亿平方米，折合1500万吨标准煤。

可再生能源供热清洁低碳，可因地制宜集中供暖或分散供热，在解决北方地区清洁供暖尤其是农村地区清洁取暖、替代散煤方面，可以发挥重要作用。

实现绿色建筑需要充分利用可再生能源，提高可再生能源的贡献率。然而不能回避的现实是，相当多的建筑可再生能源利用项目并未实现其节能的初衷，有的项目可再生能源利用系统，折合一次能源的效率甚至低于传统能源形式。

研究表明造成这一现象的主要原因在于没有一套科学完整的基于可再生能源与建筑用能需求特点的设计方法，不能实现基于节能目标的预测型设计。

而通过本项目的研究，可以解决“合规设计”中存在的系列问题，实现建筑利用可再生能源的节能目标，并优化利用结构，提高建筑可再生能源利用系统的性价比，促进其广泛应用。

可再生能源应用是建筑节能与绿色建筑工作中重要的组成部分，未来能源系统的挑战是将不同的可再生能源技术融合到一个交互的能源系统，能够实现在任何时间以合理的价格提供非化石能源，满足不同的能源需求，本文的研究将为可再生能源在建筑中的集成化应用、再绿色建筑中的规模化推广提供技术支撑。

2 项目概况

天津市建筑设计院新建业务用房及附属综合楼位于河西区气象台路95号，天津市建筑设计院院内，如图1。项目的设计构思源于对建设周期及场地环境等问题的疏理与解决。最大限度的保护院内现有绿地和植被，还要兼顾周边居民楼的视觉均好性及日照有效时数等要求，建设10层高的“L”型的业务用房与4层高的“一”字型的附属综合楼的总体布局方案。该项目总建筑面积3125m²，机动车停车位300辆。保留原有树木50余棵。

图1  新建业务用房及附属综合楼鸟瞰及实景照片

目前，本项目已获得国标绿建三星级设计标识，入选住建部绿色建筑示范工程，天津市科委“美丽天津”科技示范工程，正在申报国标绿建三星级运营标识、健康建筑二星级设计标识、LEED 金奖、GREEN MARK 铂金奖。

项目设计伊始以绿色建筑应用为切入点，遵循“被动优先、主动优化”的设计原则，因地制宜的将低影响开发、可持续设计、BIM 全过程应用、智能化集成平台建设等与建筑设计结合，充分利用可再生能源，采用了近30项绿色建筑技术，如图2所示。设计能耗指标为72KWh /m²·a，节能率大于50%。

图2  绿色建筑技术集成应用

业务用房项目地下一层主要功能空间包括地源热泵机房、10KV变电站、直饮水机房、消防泵房、消防水池等辅助设备用房以及物业管理办公室，地上一层主要功能空间包括大堂、展厅、档案室、图文中心、以及值班室、卫生间等辅助用房；地上二层主要为会议室、开敞办公、培训室、展厅、智能控制中心、以及配电间、卫生间等辅助空间；3~10层主要为开敞办公空间及辅助用房，各楼层平面划分见图3：

图3  各层平面布置图

附属综合楼项目主要功能为汽车库（300辆）及非机动车库（250辆），通过封闭连廊与新建业务用房连接。屋顶架设光伏发电装置，在充分利用可再生能源的同时为屋顶停车区域提供遮阳。

3 被动式设计

3.1 设计理念

场地原有及周边建筑分别建于1959~2008年间的不同时期，具有较为复杂的场地环境，如图4所示。作为对既有院落的有机更新，本设计的难点在于既要尊重原有院落的场所记忆，顺应城市肌理，又要在有限的场地空间内实现新建筑高效、环保、健康、舒适的绿色设计目标。

遵循低影响开发与可持续设计理念，本项目从被动设计到主动设计进行了全面多角度的权衡与考虑，在设计伊始应用计算机模拟分析场地环境，为建筑布局提供依据；在方案阶段优化建筑的基本几何体型、进深、窗墙比、风环境、光环境、热工环境；在施工图阶段，进行能耗模拟，辅助建筑基于能耗限值的性能化设计。

图4 原有院落总平面图

3.2 被动式技术特征

项目充分考虑被动式节能技术，包括建筑布局、朝向与体型系数控制，围护结构节能设计，自然通风，自然采光，建筑遮阳等技术措施。

3.2.1建筑布局与体型系数控制

设计构思源于对建设周期及场地环境等问题的梳理与解决，本着最大化降低对周边环境影响的原则，最大限度的保护院内绿地和植被，兼顾周边居民楼的视觉均好性等，结合场地周边风环境、太阳辐射及噪声模拟分析结果，反复论证，最终形成了“I +L”型总体布局。建筑主体朝向为南北向，业务用房体型系数为0.21。

3.2.2 围护结构节能设计

本项目外墙选用300mm厚蒸压砂加气混凝土砌块，主体幕墙选用18厚陶土板材，平均传热系数为0.52W/m²·K。

综合考虑降低建筑能耗，设计对建筑每个朝向的窗墙比进行了严格控制，且不同朝向的外窗采用不同的传热系数：南向窗墙比0.28，东向窗墙比0.24，西向窗墙比0.33，北向窗墙比0.28，在满足自然通风和采光的同时，降低了建筑物围护结构的能耗。东、西、北向门窗、幕墙采用PA断桥铝合金真空（辐射率≤0.15）双Low-E 6无色+12+6无色（离线），传热系数为1.80w/m². K) ，南向门窗、幕墙采用PA断桥铝合金真空（辐射率≤0.15）双Low-E 6无色+12+6无色（离线）内填氩气，传热系数为2.20w/(m². K)。

3.2.3自然通风

本项目方案设计阶段首先采用CFD风环境模拟软件，对建筑体块模型进行室外风环境模拟分析，得出建筑室外风环境数据，再进行室内自然通风模拟分析，采取墙式进风口等强化自然通风的构造措施，见图5。外窗可开启比例达到30.58% ，并设置了通风腔，优化建筑内部气流组织，获得了较好的自然通风效果。

图5  自然通风强化构造措施节点图及进风口风速测试实景图

3.2.4自然采光

室内光环境是办公建筑设计关注的重点之一。本项目利用采光模拟分析工具，对主要办公区域、公共空间以及地下空间分别进行了自然采光优化设计，在节约照明用电的同时有效提升了室内空间品质。

“窄高窗”

方案阶段对建筑方案体块模型各个立面进行了日照模拟分析，给出建筑各立面的窗墙比建议值，并对开窗形式进行优化。在窗墙比不变的情况下，通过对“窄高窗”和“宽矮窗”进行对比分析，使用“窄高窗”，提高自然采光效率，如图6所示。

图6   宽矮窗和窄高窗的模拟分析

采光井

通过在业务用房东向首层设置采光井，有效改善了办公室、卫生间等局部地下空间的自然采光效果，如图7所示。

图7  业务用房地下室采光井设计图

3.2.5 建筑遮阳

综合考虑冬季得热与夏季遮阳的需求，以及主要功能空间的采光效果，本项目从方案阶段即优化了建筑遮阳设计。通过适当加深窗洞深度增强了墙体自遮阳，并采用可调节百叶外遮阳与内置遮阳百叶结合使用的方式，实现不同日照条件与使用需求下的灵活遮阳控制。

4 主动式技术措施

4.1 空调系统

4.1.1空调冷、热源综述

【1】空调系统冷、热负荷

（1）本项目空调系统总冷负荷1370kW，折合建筑面积冷负荷指标68W/m²，其中非7x24小时使用区域空调系统冷负荷1236kW，7x24小时使用区域空调系统冷负荷134kW。非7x24小时使用区域空调系统冷负荷中显热冷负荷970kW，潜热冷负荷266kW。

（2）本项目空调系统总热负荷1135kW，折合建筑面积热负荷指标56.5W/㎡。其中，非7x24小时使用区域空调热负荷1050kW，7x24小时使用区域空调热负荷85kW。

（3）本项目冬季生活热水热负荷50kW。

【2】冷、热源形式

（1）非7x24小时使用区域空调——垂直埋管地源热泵耦合太阳能供冷供热系统为主。

（2）7x24小时使用区域空调——以及机房精密空调系统。

（3）冬季生活热水——垂直埋管地源热泵耦合太阳能供热系统为主。

【3】建筑供冷、热源系统概述

（1）系统形式：地源热泵系统耦合太阳能供冷供热系统。

（2）系统构成：

1）系统构成，如图8所示

图8  建筑冷、热源系统示意图

2）子系统额定设计工况冷、热负荷

• 槽式太阳能集热供冷、供热系统——冷负荷180kW；热负荷280kW

• 平板式太阳能集热供冷、供热系统——冷负荷350kW；热负荷100kW

• 埋管地源热泵供冷、供热系统——冷负荷1250kW；热负荷1050kW

3）各子系统制取的热水并联后，直接供应建筑空调系统与间接供应建筑生活热水系统。

4）以上三个供冷、供热子系统在二次能源使用端（空调系统）侧耦合。

5）太阳能集热系统在采暖季开始前的过渡季，可经地源热泵系统垂直埋管向土壤蓄热。

6）土壤源热泵系统可实现“跨机组供冷、热”功能，即系统冷、热水通过土壤换热器后，不经过热泵机组，直接为建筑提供冷、热水。

7）由于本项目属于总体工程中的一期工程，而垂直埋管地源热泵的实施在二期工程中，为保证本项目如期供热，将槽式太阳能供冷、供热系统的"备份"热源容量放大到同时满足氨吸收空气源热泵与溴化锂吸收式冷温水机组的供热运行要求。

4.1.2 空调末端系统

【1】空调系统形式

（1）本项目非7x24小时使用区域采用温湿度独立控制空调系统，湿度控制设备为溶液调湿新风机组，温度控制设备为各类型的干式空调末端，即溶液调湿新风+各类干式末端系统。

（2）本项目7x24小时使用区域，如值班室、变电室、网络机房及首层图文采用VRF系统，室外机设于业务楼三层屋顶。

（3）本项目数据机房、二层控制室采用直膨式精密空调，室外机置于业务楼三层屋顶。

【2】空调新风系统

（1）温湿度独立控制空调系统区域内的溶液调湿新风机组，分层设置，其中服务地下一、一、二层的新风机组设于地下一层，服务其它各层的新风机组设于本层。处理后的新风，经竖井及各层水平风管独立送入室内，室外新风由各层新风机房外墙或由新风竖井引入，新风采风口由建筑专业统一进行装饰处理。建筑给水系统为溶液调湿机组提供水源。

（2）首层采用VRF空调系统的图文区域，设热回收换气机新风系统，热回收换气机设于走廊吊顶，处理后的新风由水平风管独立送入室内，室外新风由本层外墙引入，新风采风口由建筑专业统一进行装饰处理。

【3】温湿度独立控制空调系统的干式末端，除图文区域的办公及辅助房间均采用干式直流无刷风机盘管，风机盘管供回水温度16℃/21℃。

【4】二层展示厅采用金属冷（热）辐射吊顶+干式直流无刷风机盘管+主动式冷梁

【5】采暖系统设计

（1）首层大厅采用低温地面辐射暖系统，管材采用PE-RT，间距300mm，供回水管45℃/40℃，分配器设于首层门厅内。

（2）地下室及屋顶水泵房、设备机房、水箱间设置低温散热器系统，散热器高度800mm。

4.1.3 空调自控系统

【1】冷、热源工艺系统自控

（1）总体目标——采用群控方式实现系统自动运行；实现既满足冷热负荷需求，又保证能源费用相对最低的自动控制与调节。

（2）基于冷、热源工艺特点对群控系统的要求：

1）群控系统应由一个主控模块与三个子控制模块组成，子控制模块为槽式太阳能集热供冷、供热系统模块、板式太阳能集热供冷供热系统模块、垂直埋管地源热泵模块。

2）主控模块具有以下功能

• 自动确定冷、热源系统的工作状态，即：制冷或供热。

• 根据气象预报与过往运行数据分析，预测日周期逐时冷、热负荷。

• 根据预测的冷、热负荷及检测的太阳辐射强度，依能源费用最小化原则制定整体运行策略。

• 根据整体运行策略，向子控制模块发出工作状态指令，并接受其上传的约定信息。

• 整体运行策略应体现为，在某时段三个冷、热源子系统应处于的工作状态，即保证当前状态、投入或退出。

3）子控制模块应具有以下功能

• 接受主控模块下达的工作状态指令，并向其上传约定信息。

• 执行主控模块要求的工作状态下的程序操作，实现"所辖"冷、热源子系统投入与退出时的安全运行以及运行状态下的控制调节。

（3）冷、热源系统总体运行调节策略（由主控模块制定、实施）

1）晴或多云天气（用气象预报与辐射照度实测值判断）

2）阴天（用气象预报与辐射照度实测值判断）

3）晴或多云的大风天气（用气象预报、辐射照度、风力实测值判断）

4）过渡季蓄能

4.2 照明系统

本项目参照LEED对LPD（照明功率密度）的要求（见表4-1），在不同区域配置不同种类的高效光源及灯具。办公室、会议室选用T5光源的嵌入式灯具，走道、卫生间采用高光效LED灯或T5荧光灯、紧凑型节能荧光灯。

为在实现运行管理的节能，本项目设置了智能照明控制系统，针对不同的功能分区，采用对应的控制方式。

4.3智能窗帘控制系统

为减少东西向的太阳辐射得热，项目在东西向外窗设置了暗藏式可调节穿孔铝百叶外遮阳。窗帘设置于窗的外侧，将阳光阻隔在室外，并因其穿孔特点，具有一定的透光特性；同时设置本地开关，可根据使用者需求开关遮阳帘及调节遮阳百叶的角度，满足遮阳和采光的需求，如图9所示。

图9   外遮阳室外、室内及用户侧控制末端

为更好的发挥外遮阳的节能作用，本项目设置了智能窗帘控制系统，结合绿建运维管理平台，具有手动控制、自动控制，本地手动控制具有最高的优先级。外遮阳设有自动保护装置，若室外风速24≥m/s（即九级风），窗帘会自动收起。

自动控制具有过渡季模式、冬季模式、夏季模式等多种控制模式，结合不同季节对光线和冷热量的需求编写控制算法，最大化的利用光线和冷热量，减少照明和空调能耗。具体模式执行日期、时间可在运维平台系统日历工作通过点击鼠标灵活配置。

4.4能源管理平台

能源管理平台能够轻松完成对能源消耗的信息采集、分析、展现和管理，提高建筑物综合能源管理水平。其主要功能包括：

• 能耗监测：通过有效通讯，持续监测分路和分户能源消耗。

• 能耗统计与报告：根据《天津市民用建筑能耗监测系统设计标准》，进行能耗总计、分类统计、分项统计、分区统计，帮助使用者掌控建筑能耗状况。

• 能效分析：对建筑物重要能效指标、系统能效指标、设备能效指标进行分析，进行同比、环比分析，规划有效节能措施，持续有效降低能源成本。

• 能耗对标与报警：根据《建筑能耗标准》中标准，进行能耗对标、排名和高能报警，培养用户合理的用能习惯，减少能源浪费。

平台主要具有的查询功能有主页、能耗监测、表格、趋势、报警以及报告几个菜单选项。各个功能选项的显示页面，如图10所示。

图10  能源管理平台显示页面

运维人员通过上述各个功能，可以对新建业务用房从整体到局部的用电能耗进行精确到小时的查询，甚至可以对某个设备具体到秒级的负荷功率的查询，通过对能耗数据的分析，实现合理的用电，降低建筑整体能耗，提高建筑经济效益和管理水平。

4.5运维管理平台

运维管理平台能够实现对绿色建筑内多个子系统信息的集成和综合管理。其主要功能包括：实时监测：平台具有强大的实时监测功能和丰富的图形功能，可以实现多个子系统运行信息的集中监测、分析和处理；集中控制：平台具有多系统联动功能，能够实现多系统间的快速响应与联动控制，能够实现多系统预设模式运行；报警管理：平台能够实现报警集中显示、处理，通过声光报警和短信报警及时通知给相关管理人员；运行日志：平台可以记录系统运行信息，实现问题追溯、查询；维保管理：平台具有完善的维保管理功能，可以建立设备档案，有效减少建筑内故障发生率、延长设备使用寿命。

平台集成了包括设备IP管理网、安防系统、电梯监控系统、机房动态环境监测系统等多个智能化系统。各个智能化系统的显示页面，如图11所示。

图11  智能化系统的显示页面

通过对智能化系统数据的集中监测和控制、子系统间数据交互、全局事件管理等。定期地输出运行状况的报告，实现多个智能化子系统之间信息资源的共享，实现相关系统之间的互操作、快速响应和联动控制，尽可能使建筑内的各系统运行在各自最佳的情况。

4.6 光伏发电系统

并网光伏发电系统设置在附属综合楼（停车楼）屋顶，作为科学实验之用，属于不带储能装置、交流集中并网的非逆流光伏系统，采用0.4KV低压并网。屋顶装设光伏并网发电系统的区域为屋顶层停车位上方西南侧，安装等容量单晶硅、多晶硅、非晶硅光伏组件，各部分装机容量均为约7KWp，共计21KWp，如图12所示。

图12  太阳能光伏发电系统分布示意图

5  项目运行情况

2015-2016年冬季供暖，基于可再生能源的供冷供热系统表现出了良好的性能，每建筑平米的供暖费用折合下来约为20元，为常规市政供热的50%，这种运行费用的节约，对于系统回收成本，至关重要，据测算，该供冷供热系统6年内可回收成本。