东山发展广场（一期）办公楼项目

本文刊发于《绿色建筑》杂志2024年第2期，原标题为：近零能耗建筑设计实践——以福建省漳州市东山发展广场为例；作者：吴丽清   谢腾飞，漳州城投设计咨询集团有限公司

2 近零能耗建筑设计

建筑设计以“被动优先，主动优化，低碳能源”为设计理念，以常见近零能耗建筑技术体系为框架，根据夏热冬暖地区节能设计要求进行建筑设计。相关技术体系如图1所示。

图1 近零能耗建筑技术体系

结合夏热冬暖地区气候特点及GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》、JGJ 75—2012要求，该区建筑设计需满足夏季防热、通风、防雨要求，冬季可不考虑防寒、保温。总体规划、单体设计和构造应避西晒，应采取遮阳措施；应注意防暴雨、防洪、防潮、防雷击；夏季施工应有防高温和暴雨的措施。

因此，项目团队在建筑设计中进行了绿化规划，通过大面积的绿化带有效缓解热岛效应，改善建筑周边微气候；采用室内遮阳调节方式减少太阳直射，降低空调能耗；场地拥有丰富的太阳能资源和风能资源，结合城区优势资源，设计建筑采用了风能发电与太阳能发电互补的风光互补系统。同时，结合JGJ 75—2012、DBJT13—97《福建省民用建筑围护结构节能工程做法及数据》等要求进行结构热工参数等的设计。

2.1 被动技术优先

2.1.1 建筑节能方案规划设计

本项目绿化规划采用集中绿地布置和建筑周边环形绿化带布置相结合的方式，如图2所示。

图2 项目景观设计平面图

室外绿化物种选择适宜漳州地区气候和土壤条件的乡土植物，且采用包含乔、灌木的复层绿化。大面积的绿化带可以有效减少城市及室外气温逐渐升高和气候干燥情况，缓解热岛效应，改善建筑周边微气候。

建筑形体方正，体形系数为0.15，大大减少了建筑外表面的传热面积。建筑各立面的窗墙比，综合考虑过渡季自然通风、减小冬夏季供冷负荷以及自然采光需求，调整开窗位置及数量。设计建筑东墙、西墙和北墙的窗墙比分别为0.26、0.34 和0.37；南侧面向前广场，为达到视野与节能的平衡，窗墙比维持在0.50。太阳直射引起的热负荷会显著地增大空调能耗，基于各季节不同调节需求，设计建筑采用内置电动遮阳铝合金百页的遮阳方式。CFD模拟结果如图3所示。

图3 设计建筑自然通风模拟结果

除辅助空间外，设计建筑办公室、会议室等主要功能房间空气龄都在200 s 以内，自然通风效果良好。

2.1.2 围护结构热工设计

外墙、屋顶以及楼板等非透明围护结构的构造类型及热工参数如表1所示。

表1 建筑非透光外围护结构构造热工参数

外窗（幕墙）及其他透明结构的构造类型及热工参数如表2所示。

表2 建筑外窗构造热工参数

考虑到夏季遮阳需要并兼顾冬季得热和自然采光，设计建筑采用内置电动遮阳铝合金百叶的遮阳方式，夏季的太阳能得热系数可以达到0.15以下。外窗气密性性能为8级，玻璃幕墙气密性为4级。

2.1.3 关键热桥处理

外墙保温为单层保温，保温层采用锁扣方式连接。墙角处采用成型保温构件。保温层采用锚栓处，采用断热桥锚栓固定。

外窗采用耐久的密封材料密封其与结构墙之间的缝隙，室外和室内侧分别设置防水透气膜和隔汽膜。外门窗由专业厂家安装。窗台板材料采用石材窗台板，窗台台板与窗框之间有结构性连接，并用密封材料密封；窗台板的造型有滴水线；对保温板与窗台板、窗框之间接缝处用密封带做防水处理。密封条胶带一侧粘贴在窗框和窗台板上。

屋面保温层与外墙保温层连续。屋面保温层靠近室外一侧设置防水层、保温层下设置隔汽层。屋面隔汽层设计及排气构造设计符合GB 50345—2012《屋面工程技术规范》 的规定。女儿墙等突出屋面的结构体保温层与屋面、墙面保温层连续。女儿墙设置金属盖板，金属盖板与结构连接部位铺设50mm的XPS。

穿屋面管道的预留孔洞大于管道外径100mm，伸出屋面外的管道设置套管进行保护，套管与管道间填充聚氨酯发泡保温材料。

此外，建筑中存在一些特殊复杂节点，如主楼主入口的大楼梯与墙体交接处，混凝土楼板打断了外墙保温连续。本项目采用热桥模拟软件COMSOL模拟分析并合理地解决可能存在的热桥问题，减少不必要的能量损耗。设定热桥处理的优化目标为线传热系数小于0.01W/(m·K)，且内表面最低温度高于露点温度。模拟结果如图4所示。

图4 热桥处理后COMSOL模拟结果

根据图3的模拟结果，需要在混凝土楼板上侧设置向外延伸200mm、40mm 厚的岩棉板，下侧喷涂向外延伸200mm、20mm 厚的聚氨酯。

2.1.4 加强气密性措施

设计建筑采用简洁的造型和节点设计，减少气密性难处理的节点；气密层连续并包围整个外围护结构，在施工图中标注了气密层的位置。

设计建筑采用气密性等级为8级的外窗、气密性等级为4级的玻璃幕墙，并满足GB/T 7106—2019《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》的规范要求。

外窗紧贴结构外侧安装，外窗与结构墙之间的缝隙采用发泡聚氨酯密封。外窗室内侧使用防水隔汽膜，室外侧使用防水透气膜；外窗洞口的保温板的第二层尽量覆盖窗框。

2.2 主动技术优化

2.2.1 暖通空调设计

2.2.1.1 冷热源系统

为便于管理维护、设备资源的综合利用以及降低运营成本，设计建筑空调区域均采用“多联机（变冷媒流量空调）＋新风系统”。根据业主对办公场所分期使用及租用要求，设计建筑办公区域每层设置1～3 套多联机系统，全楼共采用33套多联机；空调室外机均放置于主楼及裙楼屋面，布置位置达到机组散热要求。所采用的变冷媒流量空调系统，冷量调节采用电子膨胀阀，根据设定的温度自动调节冷量输出，自动调节系统的负荷率。空调系统通过中央控制器的设定，可实现过渡季节调节供冷温度，降低空调系统能耗。多联机能源效率等级指标（APF）为4.5，制冷综合性能系数（IPLV）为6.6。消控室等24h 运转的房间单独设置分体式空调，分体式空调能效等级按一级要求。

2.2.1.2 新风热回收及通风系统

办公室、会议室等空调房间均采用“多联室内机+独立新风机组”形式，新风经新风机组处理后送入室内，气流组织为上送上回。新风机组采用全热交换器进行冷、热回收，通过有组织的送风和回风，全热交换器的效率不低于70%。新风空气热回收的空气净化装置对大于0.5μm的细颗粒物的一次通过计数效率大于80%。所有空气处理机送风段安装杀菌除尘空气净化装置。设备用房等非空调房间利用机械通风来消除室内余热和余湿。

2.2.2 照明及其他电气节能设计

2.2.2.1 照明

设计建筑在满足房间功能需求的情况下，减少建筑形体进退，优化建筑开窗位置与室内墙柱的位置关系，以保证办公区域具有充足的自然采光。办公室、车库、设备房等房间的灯具以LED为主，办公室照明色温取值为4000K；其他场所结合二次装修布置灯饰。主要房间照明功率密度设计值如表3所示。

表3 主要房间照明功率密度设计值

根据建筑的照明需求，项目团队设置了分区照明控制措施，在具有天然采光条件或天然采光设施的区域采用独立控制方式。大堂、走廊、楼梯间等公共区域照明采用就地感应控制和集中开关控制结合的方式，办公室、会议室等场所照明采用室内智能面板控制。

2.2.2.2 电梯

电梯运行通过采用群控功能、自动关闭轿厢照明及风扇、变频调速拖动方式等节能措施。

2.3 再生能源补充

夏热冬暖地区太阳能资源丰富，且漳州市东山岛拥有丰富的风能资源。因此，设计团队基于城区资源禀赋及建筑用能特征，采用了风能发电与太阳能发电互补的风光互补系统。本项目可再生能源系统总装机容量为413kW，设备型号和装机容量如表4所示。可再生能源系统采用并网措施，所有发电量均并入市政电网系统，并单独装设表计量。

表4 可再生能源系统主要部件

2.4 智慧管控提升

2.4.1 建筑室内环境和能耗监测系统

综合能源管理系统对设计建筑室内环境进行实时监测，为用户提供舒适的环境。监测的参数包括室内温湿度、二氧化碳（CO2）浓度、总挥发性有机化合物（TVOC）及PM2.5。多合一智能环境质量传感器按照独立房间( 面积不超过50m² 时）每个房间设置1台、大空间每100～150m²设置1 台进行布置，并且在空气流通、能反映被测房间空气状态的位置，安装高度距地面1.6～2m或吸顶安装。

为保障数据采集和传输的稳定性，环境质量传感器采用具备485 总线和Zigbee 无线等多类型的接入方式，提升数据采集的效率和可靠性；环境传感器实时采集的环境参数通过每个区城的环境物联网关传输到本地管理系统，管理系统依据室内环境参数通过进行评价和控制策略计算，输出控制指令给空调、灯光等环境控制设备与系统。

综合能源管理系统对现场的智能水表、电表进行数据采集，可实现计量、计费、预缴等功能。智能水表采用RS485 总线、MODBUS或是CJ/T188—2004 中的协议与数据采集进行通信。

2.4.2 建筑设备监控系统

2.4.2.1 空调系统：多联机＋新风系统

本项目空调冷源采用多联机系统，其设备供应商提供一体化对外开放的RS485通信接口，将机组内部参数开放给本项目综合能源管理系统，同时了解每一台多联机的运行情况，根据空气质量传感等采集的数据分析后智能启停空调，以达到最佳的空调节能效果。主要监测范围包括：实时显示设备运行参数；对空调设备进行远程控制；设备运行参数异常时，系统自动报警；保持时间调度功能，实现定时启停；设备运行的用电录据。

综合能源管理系统对新风系统的监控，监控内容如下：风机运行状态、故障报警、手动和自动开关状态监测；与空气质量传感器所上传的数据联动风机启停控制；测试并记录各空调设备运行参数，累计工作时间，提示定时维修，形成各种报表等。

综合能源管理系统可以通过监控多联机、新风机组等设备使用情况，根据建筑需求负荷智能控制机房设备，使系统主机供冷与需求负荷相匹配，实现在保证空调供冷的前提下，提高整体能效比，同时最大限度降低系统能耗。

2.4.2.2 太阳能光伏系统

综合能源管理系统对太阳能光伏系统的监控通过标准通信接口进行数据调用实现监测。太阳能光系统供应商开放通信接口，将系统运行参数开放给综合能源管理系统。

具体监测内容如下（最终以厂家开放的内容决定）：监测光伏储能发电参数、系统运行状况及设备运行情况，系统及设备运行异常时，具备告警提示功能；具备远程遥控功能；按时段统计发电量、历史发电曲线、负载用电以及并网发电量等，并计算系统实现的经济收益；具有充放电功能，能够自动调整充放电时段及功率。

2.4.2.3 风能发电系统

综合能源管理系统对风能发电系统的监控通过标准通信接口进行数据调用实现。风能发电系统设备供应商开放通信接口，将系统运行参数开放给综合能源管理系统。具体监测内容如下（最终以厂家开放的内容决定）：监测风能发电参数、系统运行状况及设备运行情况，系统及设备运行异常时，具备告警提示功能及远程遥控功能；按时段统计发电量、历史发电量、负载用电以及并网发电量等，并计算系统实现的经济收益。

2.4.3 建筑综合节能管控

传统房间内的空调、照明末端基本依赖管理人员手动调节，常常出现无人时空调和照明长期开启，造成能源浪费，无法满足高效运维、品质运营的需求。因此，需要采用房间综合节能管控方式，对设计建筑大量房间的空调末端、照明等设备进行高效的远程管理和智能调节。

房间综合节能管控系统可以实现根据客观环境感知数据集空间的使用状态，调节环境控制设备，在满足室内舒适环境需求的情况下，以降低房间综合能耗为目的，自动确定房间空调、照明等的控制模式，或根据用户指令执行不同的空间场景模式控制方案；节能控制器通过对设备运行状态的实时监控、运行时长统计，能够对空调系统的冷量、空调末端的用电量，以及照明系统的用电量进行精准计算，从而进一步丰富完善能源管理系统。

3 近零能耗建筑技术节能减排效益分析

建筑采取的节能减碳技术措施包括高效供暖空调设备、照明系统、节能电梯系统、太阳能光伏发电系统、风力发电系统。各项措施的节能减排计算如下。

3.1 高效供暖空调设备节能减排分析

笔者对设计建筑与基准建筑分别进行了能耗计算。基准建筑的围护结构做法与设计建筑一致，围护结构热工性能和供暖空调设备参照GB 50189—2015设置。能耗计算结果如表5所示。

表5 设计建筑与基准建筑能耗对比

根据《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施》，电网排放因子调整为0.581 tCO2/MWh。根据表5，可计算得采用高效供暖空调设备后，碳减排为：（866785.70kW·h/a－642429.10kW·h/a）×0.581kgCO2/(kW·h)÷1000kg/t×50a=6517.56 tCO2。

3.2 高效照明系统节能减排分析

笔者对设计建筑与基准建筑分别进行了能耗计算。基准建筑照明时长与设计建筑一致，照明功率密度依据GB/T51350—2019《近零能耗建筑技术标准》和GB50189—2015规定设置，计算参数如表6所示。

表6 设计建筑与基准建筑照明区域功率密度

根据计算结果，基准建筑全年耗电量为182481.2kW·h/a，全年节约电量为（182481.2 kW·h/a－175331.8kW·h/a）＝7149.4kW·h/a，碳减排量为：7149.4kW·h/a×0.581kgCO2/(kW·h)÷1000kg/t×50a＝207.69tCO2。

3.3 节能电梯系统节能减排分析

本项目年电梯能耗采用IBE软件进行计算。其中，无法按照设计文件确定设计建筑的相关参数时，依据GB/T51350—2019和GB50189—2015规定设置，经模拟计算得出，本项目设计建筑全年电梯耗电量为24172.00 kW·h/a，基准建筑全年电梯耗电量为37789.90 kW·h/a，全年节电量为13 617.90kW·h/a。因此，碳减排量为：13617.90kW·h/a×0.581kgCO2/(kW·h)÷1000kg/t×50a＝395.60tCO2。

3.4 可再生能源利用系统节能减排分析

本项目全年光伏发电量为295500kW·h/a，全年风力发电量为119500kW·h/a，计算参数如表7、表8所示。

表7 光伏发电系统参数

表8 风力发电系统参数

因此，碳减排量为：（376000kW·h/a＋119500kW·h/a）×0.581kgCO2/(kW·h)÷1000kg/t×50a＝14394.28tCO2。

3.5 节能与碳减排汇总

将以上计算结果汇总，得到本项目各技术措施的节能量如表9 所示，碳减排量如表10 所示。

表9 节能量汇总

表10 碳减排量汇总

4 结语

笔者通过计算分析，建筑综合节能率与建筑本体节能率与基准建筑相比分别为68.13%、22.50%，达到GB/T 51350—2019 要求的60%、20%；50a碳减排量为21515.12tCO2，年单位面积减碳量为12.64kg/(m²·a)，总碳减排率为68.13 %，达到GB 55015—2021要求的7kg/(m²·a) 、40% 以上。由此可知，近零能耗建筑设计具有显著的减排效果。

由于可再生能源利用系统在节能与减排中具有重要作用，因此，充分利用当地优势资源进行建筑节能设计是本项目近零能耗建筑设计的有效途径之一。

本项目的实施契合“双碳”战略发展方向，对指导夏热冬暖地区的建筑节能，推进建筑碳减排，具有示范意义与推广价值，为同类型项目的建设提供了可行的参考模板。