0 引 言

為了應對全球氣候變暖給人類生活環(huán)境帶來的負面影響，世界各國均積極推進節(jié)能減排工作。2020年9月，我國在第75屆聯(lián)合國大會上鄭重提出了2030年前力爭實現(xiàn)二氧化碳（CO2）排放達到峰值、2060年前爭取實現(xiàn)“碳中和”的“雙碳”目標。2020年國務院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》，明確指出要開展城鄉(xiāng)建設“碳達峰”行動。

建筑領域作為能源消耗的三個主要領域之一，也是造成直接和間接碳排放的主要責任領域之一。2020年, 我國建筑運行階段能耗約占全國能源消費總量的21%。我國建筑建造和運行過程中碳排放量占全社會能源活動總碳排放量約36%。因此，建筑領域的節(jié)能減碳工作對我國“雙碳”目標的實現(xiàn)至關重要，而發(fā)展超低能耗建筑、近零能耗建筑是實現(xiàn)該目標的重要舉措。

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術標準》頒布實施以來，在各地政府紛紛出臺的激勵政策驅(qū)動下，超低能耗建筑得到快速發(fā)展。至于近零能耗建筑的發(fā)展，目前我國已有一些建成和在建的項目，但數(shù)量有限，既有建筑的近零能耗改造項目尚處于起步階段。江億院士指出建筑行業(yè)的低碳發(fā)展戰(zhàn)略包括減少新建建筑規(guī)模、解決既有建筑問題，目前我國建筑建造和運行的碳排放占比約為4∶6，預計未來將變?yōu)?∶4?？梢?，相比新建建筑，規(guī)模龐大的既有建筑改造具備更大的節(jié)能潛力，控制既有建筑的運行能耗將成為節(jié)能工作的重點。

筆者以蘇州市某既有辦公建筑近零能耗改造項目為例，介紹了該建筑的改造目標和技術路徑，分析了該建筑實現(xiàn)近零能耗目標所采用的被動式、主動式和可再生能源應用技術策略，并提供了能效指標計算結(jié)果，可為夏熱冬冷地區(qū)既有建筑的近零能耗改造提供一定的參考價值。

1 項目改造背景

1.1 項目概況

本項目位于蘇州市姑蘇區(qū)老城區(qū)，建于1993年，現(xiàn)已荒廢多年。項目改造范圍為某大廈的西側(cè)部分，東西長約52.3m，南北進深約30.0m，其與東側(cè)部分相隔變形縫，屬不同產(chǎn)權(quán)。項目原結(jié)構(gòu)為板柱－剪力墻結(jié)構(gòu)，地下1層，地上6層，局部7 層為設備機房。建筑功能原為辦公及局部沿街商業(yè)，其中，1～2層為商業(yè)營業(yè)廳，3～6層為辦公樓。場地周邊建筑多為1～2層灰瓦白墻建筑。

1.2 改造目標和思路

本次改造對建筑功能進行全面提升，并以近零能耗建筑為節(jié)能改造目標。依據(jù)GB/T 51350—2019，達到夏熱冬冷地區(qū)近零能耗建筑技術要求，相關能耗指標要求包括建筑綜合節(jié)能率≥ 60%、建筑本體節(jié)能率≥20%、可再生能源利用率≥10%。

項目的總體改造思路為“被動式優(yōu)先＋主動式優(yōu)化＋可再生能源”。從蘇州地區(qū)夏熱冬冷的氣候特點出發(fā)，建筑本體改造強調(diào)氣候響應性設計，重視建筑外遮陽，提升圍護結(jié)構(gòu)熱工，改善自然通風與采光。采用高效的空調(diào)、照明和熱水等設備，最大限度地降低設備側(cè)能耗。充分利用屋面設置可再生能源，以太陽能光伏、太陽能熱水、風力發(fā)電形成多能互補的能源供應體系。

2 項目近零能耗改造措施

本項目改造后總建筑面積為9900㎡，其中地上建筑面積為8438㎡，地下建筑面積為1462㎡，地上6層，地下1層，建筑高度為23.24m。改造后的設計使用人數(shù)為300人，功能分布為1層為辦公大堂和70人報告廳，2層為會議中心，3～5層為辦公區(qū)域，6層為餐廳及廚房。項目模型如圖1所示。

2.1 被動式技術

項目改造團隊首先從被動式設計入手，探討減少建筑能耗負荷的設計舉措。項目體型規(guī)整，除了局部西南向采用圓弧形立面外，其他立面均采用平直設計。經(jīng)過節(jié)能計算，項目體形系數(shù)為0.18，具備較好的建筑體形特征。因此，本次改造并未對建筑體形進行修改。項目中采用的各項被動式設計策略如下。

2.1.1 改善自然通風與采光

為了符合蘇州地區(qū)的氣候特征和居民生活習慣，本項目在改造設計中著重考慮了自然采光與自然通風。首先，適當擴大外窗洞口面積，但仍有效地控制各個朝向的窗墻比。改造后東、南、西、北朝向的窗墻比分別為0、0.35、0.16、0.37。其次，增加了可開啟外窗可開啟面積比例，使南北立面的外窗可開啟面積達到了54.5%。

2.1.2 提升建筑外遮陽功能

蘇州市地處夏熱冬冷地區(qū)，夏季太陽輻射較強，因此建筑遮陽對減少供暖空調(diào)負荷具有重要的作用。項目設計團隊在圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設計中特別關注了建筑遮陽，將其作為重中之重進行了專項設計。根據(jù)建筑立面的差異性，項目設計團隊選擇了多樣化的遮陽形式。針對西南向的圓弧形立面，采用豎向固定百葉的外遮陽方式。考慮到西南立面是景觀面，因此設計團隊在兼顧視野和遮陽效果的前提下，對豎向百葉的間距和尺度進行了詳細分析和優(yōu)化。

經(jīng)過計算驗證，百葉間距設定在350～380mm時，可將立面太陽輻射降低40%～50%。針對南向的主立面，根據(jù)各層立面的特點，選擇了不同的遮陽方式，南立面外遮陽形式如圖2所示。在1層與2層之間設置了2m寬的層挑檐，可對1層南向外窗形成有效的固定遮陽。2～5層采用可調(diào)節(jié)的卷簾外遮陽，在夏季可實現(xiàn)完全遮陽，冬季則可將卷簾收納至盒內(nèi)。由于6層餐廳室外區(qū)域為露臺，需考慮人員進出的需求，因此設計團隊采用手動伸縮式遮陽棚，實現(xiàn)了可調(diào)節(jié)的外遮陽功能。

圖2 南立面外遮陽形式

2.1.3 提升圍護結(jié)構(gòu)熱工性能

在外墻和屋面保溫方面，經(jīng)過勘察，筆者發(fā)現(xiàn)本項目基層墻體為多孔磚，無保溫層。為了提升外墻的保溫性能，采用導熱系數(shù)≤0.032W/(m·K) 的90mm 模塑石墨聚苯板作為外墻保溫層，并在層間設置了高度為500mm的巖棉防火隔離帶。經(jīng)過熱工計算，改造后建筑外墻的加權(quán)平均傳熱系數(shù)為0.40 W/(㎡·K)。

在屋面改造方面，增設了保溫層和防水層。保溫層采用了110mm 擠塑聚苯乙烯泡沫（XPS）。改造后的屋面?zhèn)?/span>熱系數(shù)為0.27W/(㎡·K)。具體屋面構(gòu)造如下。

（1）40mmC20 細石混凝土隨搗隨光，內(nèi)配φ6@200 雙向筋，設20mm分倉縫（@6m×6m）。

（2）鋪設2mm橡化瀝青非固化防水涂料，上鋪4mmSBS改性瀝青防水卷材。

（3）110mm擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS），用聚氨酯膠黏劑粘貼，沿女兒墻周邊設置500 mm 泡沫玻璃保溫板（Ⅱ型）作為阻火帶，用聚氨酯膠黏劑粘貼。

（4）1.2mm耐堿鋁箔面層玻纖胎自粘改性瀝青隔汽卷材。

（5）冷底子油。

（6）清理原屋面防水材料，保留找坡層，并對破損處進行修補，使其平整。

在高性能外窗方面，本項目改造選用了80 系列內(nèi)平開隔熱鋁合金窗（5＋12Ar ＋5＋12Ar＋5Low-E），其傳熱系數(shù)為1.40 W/(㎡·K)，玻璃太陽得熱系數(shù)為0.39。該外窗的氣密性不低于GB/T 7106—2008《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》規(guī)定的8級。外窗采用帶副框的嵌入式安裝方式，外墻保溫層延伸至窗框局部，進行了包覆處理。

2.1.4 建筑氣密性控制措施

雖然GB/T 51350—2019并未對夏熱冬冷地區(qū)的公共建筑提出氣密性的指標要求，但為了提升建筑的節(jié)能性能，本次改造對建筑整體氣密性指標按照n50 ≤1.0的標準進行控制，具體控制措施如下。

（1）氣密層位置：基于建筑整體氣密性的控制策略，將建筑劃分為多個氣密性單元，并在墻體部分采用了超過15mm的抹灰層作為氣密層。

（2）門窗部位氣密性處理：項目采用了高氣密性外門窗，確保其氣密性不低于GB/T 7106—2008規(guī)定的8級。同時，在外門窗與結(jié)構(gòu)墻之間的縫隙采用耐久性良好的密封材料進行封閉，室內(nèi)一側(cè)采用防水隔氣膜，而室外一側(cè)則使用防水透氣膜。

（3）穿墻洞口氣密性處理：穿墻管道與洞口之間的縫隙采用巖棉填實。在穿墻管道處，外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)采用防水隔氣膜粘貼，外圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)采用防水透氣膜粘貼。

2.1.5 建筑熱橋控制措施

建筑熱橋控制措施如圖3所示。針對外墻部位的鋼絲網(wǎng)板、西南立面的挑檐與外墻固定的位置，項目均采用20mm硬泡聚氨酯隔熱墊片進行隔熱，并采用保溫錨栓進行固定，以減少建筑熱橋效應。項目確保屋面保溫層與外墻的保溫層連續(xù)，避免結(jié)構(gòu)性熱橋的出現(xiàn)。屋面保溫層靠近室外側(cè)設置了防水層，而該防水層延伸至女兒墻頂部蓋板內(nèi)。在屋面結(jié)構(gòu)層上方、保溫層下方設置了隔汽層。女兒墻等凸出屋面的結(jié)構(gòu)體，其保溫層與屋面、墻面的保溫層連續(xù)，以避免結(jié)構(gòu)性熱橋的出現(xiàn)。

（a）外墻鋼絲網(wǎng)板做法

(b) 女兒墻山墻構(gòu)造做法

圖3 建筑熱橋控制措施

2.2 主動式技術

2.2.1 空調(diào)系統(tǒng)

在采用高性能圍護結(jié)構(gòu)的情況下，項目團隊對設計日的逐時空調(diào)負荷進行計算，得出項目的夏季冷負荷為682kW，單位面積冷負荷指標為77W/㎡；冬季熱負荷為374kW，單位面積熱負荷指標為42W/㎡。考慮到建筑機房空間有限，基于項目冬、夏季的空調(diào)設計負荷特征，選用2臺螺桿式風冷熱泵機組作為空調(diào)冷熱源，單臺額定制冷量為400kW，名義工況的性能系數(shù)（COP）達到3.5以上。為了降低輸配系統(tǒng)的能耗，項目采用了高效變頻水泵，其工作點效率達到80%以上。同時，通過對管路的合理設計，水系統(tǒng)的耗電輸冷（額外）比規(guī)范要求降低20%以上。在空調(diào)室內(nèi)末端采用了風機盤管＋新風系統(tǒng)，為降低風機盤管的風機能耗，項目中所有的風機盤管均采用了直流無刷型風機盤管，其能耗較常規(guī)風機盤管降低了50% 以上。

針對新風處理和組織，項目設計團隊在每層都設置了新風機房，負責該層的新風供應。新風機組均設置了全熱回收段，采用了轉(zhuǎn)輪式全熱回收機組，全熱回收效率達到70%以上。熱回收段要求設置旁通裝置，在過渡季節(jié)可以旁通運行。同時，為保障室內(nèi)的氣流組織和回風量，項目設計團隊設置了回風系統(tǒng)，確保各個功能空間都設有回風口。

2.2.2 照明系統(tǒng)

本項目的照明采用高光效的LED 燈具，并設置了智能照明控制系統(tǒng)。在各層外區(qū)具備采光條件的區(qū)域安裝了照度傳感器，可基于照度監(jiān)測數(shù)據(jù)自動進行調(diào)光。當自然采光條件較好時，系統(tǒng)可以降低照度或關閉燈具，有效降低了照明能耗。

2.3 可再生能源

項目充分利用屋面設置可再生能源，以太陽能光伏、太陽能熱水和風力發(fā)電形成多能互補的能源供應體系。

2.3.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

項目采用了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，包含180片370W的單晶光伏組件，總安裝容量為66.6kW。其中，20片光伏組件直接接入直流照明系統(tǒng)，為地下車庫及一層展廳提供照明，而其余160片經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電后并入電網(wǎng)。

這些光伏組件布置于屋面，其轉(zhuǎn)換效率最高可達19.1%。光伏逆變器額定容量為60 kW。與此同時，項目還配備了40kW·h的儲能系統(tǒng)。

2.3.2 太陽能熱水系統(tǒng)

項目團隊采用“太陽能熱水＋空氣源”熱泵熱水系統(tǒng)作為集中熱水供應方案。太陽能熱水部分采用了29 塊平板式太陽能集熱器，每塊尺寸為2000mm×1000mm×80mm，總集熱面積為58㎡。同時，系統(tǒng)還配置了2 臺空氣源熱泵熱水機組，每臺額定制熱量為19kW。

2.3.3 風力發(fā)電系統(tǒng)

項目安裝了2套2kW 的風力發(fā)電機，通過一個并網(wǎng)點接入這2套風力發(fā)電系統(tǒng)。這些風力發(fā)電機為臥式螺旋形，放置于屋面。它們的啟動風速為2.5m/s，工作風速范圍為2.5～20.0m/s。系統(tǒng)所采用的電機類型為磁懸浮盤式電機。

3 能效指標計算與經(jīng)濟性分析

本項目采用了逐時能耗分析軟件eQUEST-3.65進行能效計算，其計算內(nèi)核是DOE2.2，由美國能源部（DOE）和勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）聯(lián)合開發(fā)。項目的能效指標采用設計建筑與參照建筑對比的方式來驗證。根據(jù)模擬計算結(jié)果，設計建筑的可再生能源利用率為40.32%，建筑本體節(jié)能率為45.80%，建筑綜合節(jié)能率為63.27%，具體數(shù)據(jù)如表1和表2所示。由表中的數(shù)據(jù)可知，本項目的能耗各項指標均達到 GB/T 51350—2019的要求，符合近零能耗建筑的標準。

表1 參照建筑與設計建筑數(shù)據(jù)對比

表2 節(jié)能率計算

①一次能源換算系數(shù)依據(jù)GB/T 51350—2019 取值，電力換算系數(shù)為2.6kW·h/（kW·h終端），天然氣換算系數(shù)為9.85 kW·h/m3終端。

以滿足現(xiàn)行公共建筑節(jié)能設計標準作為基準，本項目近零能耗建筑技術措施投入的成本增量為593.2萬元，項目增量成本投入構(gòu)成如圖4所示，其中外窗部分占比最高，達27.7%。同時基于能耗計算結(jié)果，項目每年可以減排254 tCO2。

圖4 項目增量成本投入構(gòu)成

4 結(jié) 論

既有建筑近零能耗改造應采用“被動式優(yōu)先＋主動式優(yōu)化＋可再生能源”的綜合策略。被動式設計，即氣候響應性設計，需要從氣候特征出發(fā)，探討減少建筑能耗負荷的設計舉措。首先，蘇州市位于夏熱冬冷地區(qū)，夏季炎熱、冬季寒冷，該溫度特征對建筑負荷的構(gòu)成會產(chǎn)生顯著影響，改造上需兼顧建筑隔熱與保溫。其次，夏熱冬冷地區(qū)全年太陽輻射比較充足，因此改造上針對夏季需要采取必要的遮陽措施，以降低進入室內(nèi)的太陽輻射熱，而在冬季需要盡量引入充足的輻射熱以降低室內(nèi)熱負荷。最后，蘇州市具備自然通風的需求。針對蘇州市以上的氣候特征，建筑改造上可重點考慮通過調(diào)整窗墻比改善自然采光和通風，提升建筑外遮陽功能，提升圍護結(jié)構(gòu)保溫和隔熱性能，適當增強建筑氣密性，加強建筑熱橋控制。

在主動式技術上，考慮到夏熱冬冷地區(qū)既有供暖需求又有制冷需求，除了提升空調(diào)系統(tǒng)能效外，排風全熱回收系統(tǒng)在冬夏兩季都可以取得較好的節(jié)能效果，應優(yōu)先考慮。主動式技術措施主要包括高效供暖空調(diào)設備、節(jié)能照明及控制、高效生活熱水設備、帶能量反饋的節(jié)能電梯以及能耗監(jiān)測管理等。

在可再生能源技術方面，可充分利用當?shù)氐淖匀毁Y源條件和建筑條件，研究太陽能光伏、太陽能熱水及風力發(fā)電系統(tǒng)等技術的應用，形成多能互補的能源供應體系。

5 結(jié)束語

面對當前氣候變化和資源能源緊缺的挑戰(zhàn)，發(fā)展近零能耗建筑對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要的意義。隨著城鎮(zhèn)化新階段建設速度放緩，城市發(fā)展開啟了以城市更新為重點的新模式，建筑的運行能耗和碳排放占全社會的比例還將進一步增大。因此，既有建筑的節(jié)能減排將成為建筑領域實現(xiàn)“雙碳”目標的重點攻堅領域。

目前，國內(nèi)對近零能耗建筑的研究尚處于初級階段，其理論和實踐研究還需要進一步完善和深化。筆者以蘇州市某既有辦公建筑的近零能耗改造項目為例，詳細介紹了其改造的總體目標、策略以及設計技術措施。本項目所采用的改造策略，可為夏熱冬冷地區(qū)近零能耗工程推廣和技術應用實踐提供有益參考。