-
文章精選丨近零能耗公共建筑節能降碳技術路徑研究
時間:2024-12-01 10:09:51 作者:GBWindows 來源:行業網站 閱讀:544內容摘要:摘要:推動建筑邁向近零能耗已成為“雙碳”目標下建筑領域發展的重要路徑之一。基于機場辦公建筑具有運營費用高、能源消耗大的特點,以西安機場物流業務配套用房項目辦公樓為例,從近零能耗建筑設計理念及技術體系出發,通過被動式建筑設計、主動式節能技術以及可再生能源降碳,模擬分析項目全年運行能......摘要:
推動建筑邁向近零能耗已成為“雙碳”目標下建筑領域發展的重要路徑之一?;跈C場辦公建筑具有運營費用高、能源消耗大的特點,以西安機場物流業務配套用房項目辦公樓為例,從近零能耗建筑設計理念及技術體系出發,通過被動式建筑設計、主動式節能技術以及可再生能源降碳,模擬分析項目全年運行能耗、節能率及可再生能源利用率等能效指標,從而助力寒冷地區的機場近零能耗辦公建筑節能降碳設計和技術路徑研究。 關鍵詞:
近零能耗 ;辦公建筑 ;節能減碳 ;技術路徑 0 引言
建筑領域高排放、高能耗等特點備受關注,2020 年中國建筑全過程能耗總量為 22.7 億 tce,占全國能源消耗總量比重為 45.5%;碳排放總量為 50.8 億 tCO2,占全國碳排放的比重為 50.9%。我國公共建筑面積存量迅速增長,從2001 年的約 38 億 m2增長到 2020 年的約 140 億 m2 [1-4]。目前,辦公建筑在公共建筑中分布最廣、占比最高,是公共建筑的主要類型,2020 年占比達到 34%。傳統辦公建筑具有人工照明和空調能耗大、使用時間較長等特點[5–7],其所在區域位置、建筑平面空間布局、外圍護結構保溫、用能設備能效、后期運營管理模式等均對運行能耗和碳排放產生直接影響。因此,在滿足不同功能需求的前提下,近零能耗建筑在運行階段節能減碳效果顯著,可最大限度提高建筑用能效率和降低建筑運行碳排放,充分發掘辦公建筑的節能降碳潛力。
機場作為大型交通設施,是聚集航空運行、生產保障和生活服務設施的建筑群。人員流動密集、建筑群體規模大和能源需求標準高是機場建筑顯著特點。筆者以西安機場物流業務配套用房項目辦公樓為例,根據其所屬的寒冷地區氣候條件,以近零能耗建筑能效指標為目標導向的設計方法,結合建筑能耗模擬分析和碳排放計算方法,通過被動式建筑設計提升本體節能、主動式節能技術降低能耗及可再生能源利用為手段降低運行碳排放[8],實現項目的節能降碳,提出適宜于寒冷地區機場辦公建筑的節能降碳的技術路徑。
1 項目概況
項目位于西安咸陽國際機場用地范圍內,距 T3 航站樓約 1.2 km,項目用地面積為 15 811 m2。辦公樓為鋼筋混凝土框架結構,總建筑面積為 13 746 m2,地上 7 層,建筑高度為 41.35 m。建筑在首層主入口附近設置 2 層室外露臺,創造入口灰空間。這一設計不僅為旅客提供了額外的休閑和交流空間,而且通過與企業展廳及中庭的結合,增強了建筑的功能性和視覺吸引力。此外,建筑的西北側配備了職工廚房,以滿足員工的日常需求。在建筑的 2 層和 3 層,設計了開敞式辦公空間,以促進員工之間的交流和協作。4 ~ 7層則根據不同辦公需求,分別設置了開敞式辦公室和獨立式辦公室,以適應不同工作性質的員工使用需求。為了進一步提升建筑的室內環境和辦公品質,每兩層的角落處均設計了兩層通高的花園。這些花園不僅有助于改善建筑的微氣候,還能為員工提供視覺上的舒適感和心理放松的空間,從而提高整體的辦公體驗。項目團隊綜合考慮功能性、舒適性和美觀性,旨在打造一個高效、健康且具有吸引力的辦公空間,建筑外立面及室內設計效果圖如圖 1 所示。
設計團隊首先以國家標準 GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》[9]關于寒冷地區近零能耗公共建筑的能效指標為依據,通過優化建筑的體形系數和窗墻比,有效控制了建筑的熱交換;其次,采用高性能的圍護結構材料,結合關鍵部位的冷熱橋消除設計,進一步提高了建筑的保溫隔熱性能;此外,外遮陽和被動式窗戶的應用,有助于減少太陽輻射對室內熱環境的影響,同時在保證室內舒適度的前提下,降低了建筑的能耗;為了進一步降低空調和采暖系統的能耗,設計團隊設計了區域能源站,利用中深層地熱資源,結合變頻離心制冷空調機組和全熱回收新風機組系統,實現了能源的高效利用和能耗的大幅度降低;利用屋面太陽能光伏發電系統提高建筑的可再生能源能利用率,最終實現近零能耗建筑辦公建筑的設計目標。本項目采用的技術措施如圖 2 所示。
2 被動式建筑設計
2.1 平面布局與形體設計
項目用地呈三角形,北側與機場西進場路高差約為 5 m,南側與現有機場西貨運區平齊。項目采用與所在地區氣候環境相適應的建筑設計,總平面布局利用地勢地形成了南北廣場的高差空間,如圖 3 所示,因地制宜地根據周邊道路高差設計雙首層辦公,充分考慮布局形式與建筑整體形式和諧統一。
建筑體形和立面設計上,最大限度減小體形系數,減小建筑外圍護面積并避免呈現不必要的凹凸,辦公樓建筑體形系數 0.14,小于寒冷地區體形系數規定的 s ≤ 0.40,建筑體形系數如表 1 所示。
在保證建筑室內有充足的自然采光的同時嚴格控制窗墻比,增大南向透明圍護結構面積有利于冬季日照得熱,辦公樓東、南、西、北向窗墻比分別為 0.29、0.45、027、0.29。經過多次負荷及能耗分析,各朝向窗墻比均不超過 0.5 時,可以保證不會因建筑外窗玻璃面積過大帶來能耗的增加,建筑窗墻面積比如表 2 所示。
2.2 室內外風環境優化和自然采光利用
本項目最大限度利用自然通風提高建筑室內外環境舒適度,因此人流密集區域利用過渡季外窗外表面風壓、增加外窗可開啟面積加強主要辦公區域的自然通風,改善室內空氣質量,提升舒適度品質。為了獲得良好的室內風環境和開窗通風效果,外窗外表面需要足夠的風壓差,即關窗狀態下外窗外表面的風壓絕對值需大于 0.5 Pa;另外,建筑的位置要有效地避免冬季主導風向,以降低建筑圍護結構的熱能滲透損失[10]。項目所在場地的室外風環境模擬基于以下幾個工況進行計算,對建筑室外風環境進行優化,如表 3 和圖 4 所示。
辦公樓室內平面布局充分考慮自然通風,過渡季結合建筑迎風面和背風面對應外窗表面的風壓分布圖,合理布置門窗位置,達到舒適的室內環境條件。人流密集區選擇夏季的盛行風向,該部分在夏季有良好的自然通風,降低夏季空調能耗。辦公樓設計中庭,與主入口形成“煙囪”效應,改善室內微氣候,如表 4 和圖 5 所示。
項目在設計中通過對緩沖層的設計與利用,降低建筑能耗的同時創造出舒適宜人的內部工作環境。在辦公區域,通過增加開窗面積,提高了自然光線的利用率,有效降低了辦公照明所產生的能耗,同時提升了室內環境的視覺舒適度;在中庭部位,設計了一個體積較大的綠化通高空間,該空間不僅為建筑內部提供了豐富的綠色景觀,還通過上部的天窗引入了充足的自然光照,提高了核心筒中央區域空間的天光照度及采光均勻度。建筑各層的全自然采光時間百分比(DA)模擬分析圖如圖 6 所示(辦公樓主要采光房間的 DA 值,即全年工作面上計算點超過最小照度值要求 450 lx 的時間比例)。
2.3 近零能耗圍護結構節能設計
2.3.1 非透明圍護結構節能
非透明圍護結構的熱工性能是建筑性能的重要組成部分之一,該部分傳熱量約占總建筑的 40%。設計團隊通過提高建筑圍護結構的保溫隔熱性能,降低建筑的冷熱負荷,有效地提高建筑的氣候適應性。同時,在室內使用高效采暖和制冷設備,從而降低建筑的運行成本,也為使用者營造了一個舒適高效的工作和生活環境。主要圍護結構熱工性能均達到 GB/T 51350—2019 中寒冷氣候區近零能耗公共建筑的指標要求,具體參數如表 5 所示。
2.3.2 透明圍護結構節能
項目透明圍護結構部分采用被動式外窗設計。窗戶外側配備了電動活動外遮陽系統,以適應不同的光照條件;幕墻的構造采用了外側鋼化鍍膜夾膠玻璃,而內側則是三玻兩腔結構的鋁包木復合被動窗,具體為 6 mm 雙銀Low-E 玻璃配合 12 mm 的空氣層,再疊加另一層 6 mm 玻璃,形成高效的隔熱體系。外窗玻璃的上下兩端均設有100 mm 寬度的局部通風口,以保證室內外空氣交換。雙層窗體中部還設計有電動遮陽設施,可以根據室內的實際需求進行調整。
在熱工性能方面,外窗的傳熱系數為 1.22 W/(m2·K),太陽得熱系數(SHGC)為 0.26,這表明窗戶在冬季能有效引入室外輻射熱量,降低室內采暖負荷??紤]到夏季的遮陽需求,通過電動遮陽系統的調節,遮陽系數可以達到 0.8 以上,有效隔熱。此外,外窗氣密性等級高于 8 級,確保了良好的氣密性能。天窗部分選用了斷橋鋁合金結構,配置了 6 mm 雙銀 Low-E 玻璃配合 9 mm 空氣層的多層玻璃,其太陽得熱系數為 0.29,整體傳熱系數為 1.82,通過增加外遮陽設施,天窗的遮陽系數同樣可以達到 0.8 以上,以滿足夏季的遮陽需求。
綜合考慮外窗及天窗的設計,確保了在冬季綜合太陽得熱系數不低于 0.45,而在夏季不超過 0.30。這樣的設計不僅在冬季有效利用了太陽輻射得熱,降低了辦公區域的采暖需求,同時也通過遮陽措施避免了夏季制冷負荷的大幅增加。被動式外窗及天窗具體節點構造如圖 7 所示。
2.3.3 關鍵部位斷熱橋
在近零能耗建筑設計中,圍護結構關鍵部位熱橋問題是關鍵考量因素之一,直接影響建筑能效和室內環境的舒適度。本項目借鑒被動房的熱橋處理經驗,采取了一系列措施消除或削弱熱橋效應,優化建筑保溫性能和節能效果。外墻的主體保溫材料選用了雙層自保溫砌塊,并在中間夾入 60 mm 厚的巖棉帶,有效降低了傳熱系數,提高了保溫隔熱性能;使用了斷熱橋的錨固件,避免了外墻固定導軌、龍骨、支架等可能導致熱橋的部件,確保了保溫層的連續性和完整性;在管道穿越外墻的部位,預留了套管并保證了足夠的保溫間隙,以防止熱量通過管道傳遞,形成熱橋;同時,室內的開關、插座和接線盒等電氣設備均被置于內墻上,避免了對外墻保溫性能的不利影響。部分防熱橋專項節點設計如圖 8 所示。
2.3.4 氣密性分區設計
本項目建筑氣密性遵循 GB/T 51350—2019 關于氣密性設計施工的要求,依據建筑不同功能單元、用能情況對建筑進行合理氣密分區,進行氣密性專項設計;采用簡潔的造型和節點設計,減少氣密性難以處理的節點;在建筑設計施工圖中明確標注氣密層的位置,確保氣密層連續,并包圍整個外圍護結構,如圖 9 所示。
2.4 建筑隔聲設計
本項目緊鄰機場飛行區,建筑本體對隔聲減振要求較高。針對該項問題,項目隔聲減振設計不低于現行隔聲標準要求值,并且對每個頻段都需要按照相關方法計算,最終選擇的材料應該保證每個頻段達到隔聲要求的同時適當提高隔聲標準:如室內及地下有噪聲的機電設備注意噪聲及振動因素;有振動及產生噪聲的機電設備用房,其室內墻面、吊頂已采取隔聲減噪做法;機電設備、管道與建筑主體(墻、梁、板、柱)相接處的隔聲減振措施;與主要功能房間相鄰的樓面采取隔聲措施,在樓板上鋪隔聲減振墊板;其他有噪聲要求的房間,如會議室、多功能廳等,其室內墻面、吊頂均已采取隔聲減噪做法。
3 主動式節能降耗
3.1 高效供暖空調系統節能技術
本項目在供暖空調及新風系統的系統能效,設備效率等方面進行最優節能設計。夏冷負荷 550 kW,冷指標為44.6 W/m2;冬季熱負荷 404 kW,熱指標為 32.8 W/m2??照{冷凍 ( 熱 ) 水由能源站 集中供給,空調系統冷熱水 均由能源站統一供給,能源站選用高效變頻離心式制冷機組,夏季采用大溫差系統;冬季熱源以利用中深層地熱為冬季空調供熱主要能 源。所選制冷機組的性能系數(COP)為5.746,綜合部分負荷性能系數(IPLV)為 7.839,均達到相關節能標準要求。
根據建筑布局和功能特點進行通風空調設計,辦公樓采用帶熱回收的空氣處理機組,室內新風氣流組織為上送上回;選用高效低噪風機,單位風量耗功率 Ws 值均小于0.24;熱回收新風機組冬、夏全熱交換效率 73%,新風機組 PM2.5過濾效率均> 95%,有效降低了新風系統能耗。
3.2 照明、電梯及電氣設備節能
本項目采用智能照明系統,所選燈具均為高效、節能型LED 燈具,采用節能控制。對設備用房采用翹板開關分區控制,公共走廊等采用紅外延時感應開關控制,達到照明節能控制要求。智能照明系統通過回路搭配模式對所有區域照明設置為高峰模式及普通模式等,節省用電達到最佳的控制效果。主要房間照明功率密度低于現行照明節能標準目標值的 70% 以下,具體如表 6 所示。
辦公樓電梯均為無機房電梯,電梯具備按程序集中調控和群控的功能,無外部召喚且轎廂內一段時間無預置指令時,自動轉為節能運行模式的功能。所選電氣產品均為低能耗產品,選擇效率高、功率因數高的設備。變電所選用低損耗、低噪聲的 SCB13 節能型電力變壓器。非消防設備均采用變頻調速控制電動機,降低機電設備運行能耗。
3.3 智能化與能耗監測平臺
本項目開發設置近零能耗建筑能耗監測管理平臺,旨在實現對辦公樓實際運行能耗的全面監測。通過采集和記錄各類分項能耗數據、電量數據以及分樓層電量數據,系統能夠對這些數據進行統計與分析,并將分析結果存儲于中心數據庫中。這樣的數據管理策略不僅便于隨時調取和查看,而且為后期的設備管理、能源運營調配提供了參考依據。
該平臺具備長期連續且穩定的運行能力,并確保所收集數據的保存時間不少于 3 a。系統設計了綜合的計量功能,能夠對電、水、熱等能源消耗進行分類計量,同時對電能消耗進行分項和分樓層的詳細計量。此外,該平臺的應用有助于優化建筑內部資源的配置,通過精細化管理提升能源使用的效率。總體而言,能耗監測管理平臺的實施,對于提高建筑能源管理的智能化水平、實現節能減排目標具有顯著的促進作用。
4 可再生能源減碳
4.1 屋面太陽能光伏發電系統
辦公樓結合所在場地年均日照輻射總量、建筑日照陰影遮擋、屋面機房設備等條件,綜合考慮光伏組件選型、光伏陣列運行方式以及固定支架、平鋪布置,組件最低點距屋面等因素,在辦公樓和緊鄰餐廳的建筑屋面沿屋面豎向平鋪布置高效單面單晶硅光伏組件,總裝機容量為 133.1 kWp,共計 253 塊,鋪設面積約為 641.3 m2。根據光伏系統專業軟件計算,年均理論發電量約為 14.16 萬 kW·h,與建筑使用傳統燃煤發電相比,年節約標準煤均值及 25 a 總量如表 7 所示。
4.2 中深層地熱利用系統
本項目采用區域能源站的中深層地熱能系統梯級利用及高效節能型熱泵機組的方式,為辦公樓的空調和生活熱水系統提供熱源,如圖 10 所示。中深層地熱井打井 2 口,1 抽 1 灌,抽水溫度為 75 ℃。一級板換出水經二級板換,為空調系統提供 60 ℃熱水;如熱量不足,則利用二級板換出水經熱泵系統,為空調系統補充熱量;高溫地熱水經一級板換,為生活熱水系統提供熱源。實現了對中深層地熱水熱量的梯級充分利用,大幅減少了對于化石能源的消耗和 CO2的排放量。
5 能效指標及運行減碳
綜合以上近零能耗技術措施,工程采用 DOE 內核的能耗模擬分析軟件,通過模擬建筑全年供冷、供暖需求,照明電耗、建筑總一次能源等指標計算可知:辦公樓本體能耗 ( 電耗 ) 為 23.64 kW·h/(m2·a),綜合節能率 65.95%,可再生能源利用率達到 43%。與常規辦公建筑的分項能源消耗比例不同,近零能耗辦公建筑中照明系統能耗占建筑能耗比例最大,其次為暖通空調系統能耗,具體數據如表 8 所示。
基于辦公樓的近零能耗能效模擬結果,以國家標準 GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》和 GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用規范》中關于建筑運行階段碳排放計算對比為依據,采用以 CAD 為平臺的碳排放 CEEB 計算并輸出建筑運行階段碳排放指標:按電力碳排放因子 0.581 kgCO2/(kW·h),建筑年運行碳排放強度為 9.19 kgCO2/(m2·a),在 2016 年執行的公共建筑節能設計標準的基礎上降低 55.84%, 碳排放強度下降11.62 kgCO2/(m2·a),具體數據如表 9 所示。
6 結束語
筆者針對寒冷地區近零能耗辦公建筑的節能降碳技術進行了研究。與常規辦公建筑相比,綜合考慮了地域氣候特征與所處位置獨特的環境影響,因地制宜利用低體形系數、合理窗墻比、建筑遮陽等各種被動式設計與近零能耗圍護結構節能技術相結合,大幅度減少建筑本體能源消耗;通過主動式節能降耗措施,提升暖通空調、電氣照明等設備的運行效率,降低建筑綜合使用能耗;充分發掘建筑及周邊可利用可再生資源,減少對傳統能源使用,達到降低建筑運行階段碳排放目的。
此外,筆者還對建筑的室內外風環境、自然采光和建筑隔聲降噪措施進行優化,與被動式建筑設計、主動式節能降耗和可再生能源利用的近零能耗建筑技術相結合,顯著提升了辦公室內環境品質,同時實現了辦公建筑的節能降碳。為響應“雙碳”目標提供技術支撐和參考案例,以期推動西北寒冷地區辦公建筑的節能低碳發展。
聲明:本站所有內容,凡注明來源:綠建之窗”或“本站原創”的文字、圖片等,版權均屬本網所有,其他媒體、網站等如需轉載、轉貼,請注明來源為“綠建之窗”。凡注明"來源:XXX"的內容,為本網轉載自其他媒體,轉載目的是傳遞更多信息,并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責。如有侵權,也請第一時間聯系我們。對不遵守聲明或其他違法、惡意使用本網內容者,本站保留追究其法律責任的權利。管理員QQ: 4993067 32533240,緊急聯系方式:13693161205。
- 相關文章
-
-
12-01北京 ▎高品質商品住宅(好房子)案例集
-
11-30先進經驗丨上海市嘉定區塑造綠色生態新面貌,全力促進城市低碳轉型
-
11-29【北京市規自委】印發《北京市高品質商品住宅設計 導則(試行)》
-
11-28四川 ▎到2025年,新增超低\近零能耗建筑80萬平米以上
-
11-28肖緒文:提高建筑外圍護品質,保障建筑節能減碳效果
-
11-28建筑節能 | 近零能耗目標引導下的夏熱冬暖地區超高層公共建筑(BIPV 技術應用研究)
-
11-274個超低能耗建筑新項目
-
11-26項目案例丨深圳首個軌道交通“近零碳建筑”
-
新聞資訊
本欄最新更新
-
12-17先進經驗丨人民日報:長沙5A級景區的低碳探索
-
12-16中央經濟工作會議在北京舉行,明確培育綠色建筑等新增長點
-
12-15京滬 ▎兩個超低能耗高品質住宅項目
-
12-13這兩個項目獲得世界綠色建筑委員會亞太地區綠色建筑先鋒獎2024(AP Leadership Awards)
-
12-12上海|踐行超低能耗理念,引領綠色低碳轉型—青浦區超低能耗示范項目
-
12-11近期超低能耗建筑項目資訊集
-
12-102024中國綠色建筑標桿項目
-
12-09剛搞懂碳足跡,又來個碳手印
-
12-08中國綠證特點及應用|一圖讀懂
-
12-07【解讀】北京市《居住建筑節能設計標準》修編中能耗指標的研究!
本欄推薦
閱讀排行
通信地址: 北京市豐臺區汽車博物館東路1號諾德中心2期6號樓1201 郵編:100070 網站合作:QQ:1658253059 電話: 13693161205 18501126985
