未来社区中近零能耗建筑实践——以云帆未来体验馆为例_董倬诚.pdf

浙江建筑第40卷第1期2023年2月1概述1.1低碳研究的时代背景自2009年哥本哈根世界气候大会至今，我国的节能减排政策进入具体化、系统化的阶段，政策层次也在不断提升，双碳工作已经成为我国政治性的规划内容 1。2014年11月16日，习近平在G20峰会上宣布，中方计划 2030 年左右达到二氧化碳排放峰值。作为全球最大的碳排放国，我国面临巨大的减排压力和重大历史责任。与此同时，中国在减排固碳方面也具有其他优势：一是我国正处于工业转型的关键时期，双碳工作有助于优化产业结构，化解产能过剩矛盾，加快工业绿色低碳发展和转型升级；二是区别于发达国家过饱和的城市发展情况，我国的城乡建设尚处于探索阶段，当前系统性的策略将有利于未来的城乡可持续化发展。长远来看，城乡建设的绿色低碳发展将一直是低碳研究中的重要议题。1.2未来社区和低碳建筑2021年9月22日，中共中央国务院提出关于完整准确全面贯彻新发展理念，做好碳达峰碳中和工作的意见，确定了碳达峰与碳中和工作的重大意义，其中就对“提升城乡建设绿色低碳发展”的重要议题提出了工作意见 2。2022年1月20日，全国住房和城乡建设工作会议指出 3，现在是城市高质量发展的时代，也是城乡发展科学化、精细化的研究转折点，低碳节能建筑将是城乡建设低碳发展的核心环节。低碳建筑是未来社区建设中的重要组成部分。未来社区中的低碳建筑应当具有超前性和实验性，以解决粗放的城市更新模式、生产建造模式为目标，并不断在技术、设计模式的更新中，做到更少的污染与能耗，更符合大规模生产的成本，更智能化的建造与管理方式，对未来城乡发展与风貌整治具有一定指导意义。为助力碳达峰、碳中和进程，一些高质量的低碳建筑，正构建起杭州减排节能的强劲基底。根据“十四五”杭州市绿色建筑与建筑节能工作计划要求，2022年，杭州市要实施不少于50万m2的超低能耗项目示未来社区中近零能耗建筑实践以云帆未来体验馆为例Practical Research of Near-zero Energy Buildings in Future Communities:A Case Study on Yunfan Future Experience Museum董倬诚，姜善临DONG Zhuocheng，JIANG Shanlin浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310006摘要在城乡建设的新阶段，高品质的低碳建筑将作为集约型发展的代表性力量，保证城市群的绿色发展、未来社区与城乡环境的友好关系。而建设低碳建筑，需要从建筑设计初期开始，统筹各专业的低碳节能技术，将绿色设计贯穿建筑的全生命周期。关键词未来社区；低碳场景；节能设计；近零能耗建筑中图分类号：TU242.5文献标志码：B文章编号：1008-3707（2023）01-0066-05AbstractIn the new period of urban and rural construction,high-quality low-carbonbuildings will serve as a representative for intensive development,andensure the relationship between green urban development,future communitiesandurban-ruralenvironments.Whendesigninglow-carbonbuildings,it is necessary to start from the early stage of building design,coordinate the low-carbon and energy-saving technologies of variousprofessions,and integrate green design throughout the entire life cycle ofthe building.Keywordsfuture community;low-carbon scenarios;energy saving design;near-zeroenergy buildings66DOI:10.15874/33-1102/tu.2023.01.007Zhejiang Construction,Vol.40,No.1,Feb.2023范和10个近零能耗项目示范 4。2未来社区中近零能耗建筑研究：以云帆未来体验馆为例云帆未来体验馆位于杭州市云帆未来社区，集成当前较前沿的绿色低碳技术，是未来社区低碳场景的展示园地，也是杭州市第一座获得近零能耗标识的建筑。见图1。云帆未来体验馆位于示范区的核心区域，立面采用数字化建造的曲面铝板幕墙，并配备概念规划展示区、数字化沙盘展示区、沉浸式体验区、智能科技展示区等几大功能区，具有数字化程度高、多媒体场景多的特点，对低碳设计有较高要求。场馆设计以“被动优先，主动优化，低碳能源”为原则，在建筑设计中尽可能保证被动式技术的使用，辅以节能设备、可再生能源利用等一系列措施，最终达到近零能耗建筑的标准，为未来社区高效、低成本地运用低碳技术，实现城乡建设的低碳转型提供了积极案例。2.1被动式技术云帆未来体验馆采用多种被动式技术，包括自然采光、自然通风、结构遮阳、高性能围护结构、建筑绿植等，结合建筑自身的形体特点，使建筑本体节能率达到22.70%。见表1。1）结构遮阳设计未来体验馆屋面结合建筑本身的形态设计了1.53.0 m的挑檐，立面内倾斜角度约14，形成建筑自遮阳，减少了建筑夏季太阳得热，并通过良好的漫反射保证建筑采光。考虑到夏热冬冷地区的气候特点，又将西向外墙的窗墙比由原方案的0.51减小至0.16，并将不采光的部分作为数字化沉浸式体验区使用，从建筑形体层面减少能耗成本。见图2。2）自然通风设计在建筑设计上，未来体验馆设置有流线型的中庭，避免建筑形体过于沉重，建筑内部空间过于宽大，有利于建筑的自然空气交换。过渡季时，入口正门与内庭院门可以共同开启，形成室内对流，降低过渡季能耗。见图3。3）围护结构设计铝板幕墙内部采用XPS保温板、岩棉保温板及泡沫玻璃板，玻璃幕墙则采用全超白钢化夹层中空夹胶玻璃，选取适合夏热冬冷地区的围护结构热工参数及热桥处理方式，图1云帆未来体验馆效果能效指标建筑综合节能率/%建筑本体可再生能源建筑本体节能率/%建筑气密性可再生能源利用率/%标准要求602010本项目76.9322.7074.30表1云帆未来体验馆能效指标要求与设计对比图2结构遮阳效果示意67浙江建筑第40卷第1期2023年2月充分保证建筑外立面的保温性能与建筑气密性，极大减少建筑冬夏季节用于保温的能源消耗。见表2。未来体验馆外表面采用铝板幕墙设计，屋面考虑防火、防水与结构需要，采用泡沫玻璃板，通过性能优化分析对比，设计厚度调整优化，得出使用250 mm厚度的泡沫玻璃板时，传热系数达到0.19 W m-2 K-1，边际效益较大，能有效降低建筑用于采暖的全年耗电量 5。同时本项目针对建筑围护结构进行了热桥部位节点优化设计，维护结构保温层尽量保持连续。建筑热桥专项设计遵循以下规则：避让规则：尽可能不破坏或穿透外围护结构；穿透规则：当管线需要穿过外围护结构时，保证穿透处保温连续、密实无空洞；连接规则：在建筑部件连接处，保温层应连续无间隙；几何规则：避免几何结构的变化，减少散热面积。见图4。4）气密性设计本项目对幕墙进行优化节点设计，屋面和墙面连接处，尽量保持保温的连续性。对于门窗立柱采用2 mm 岩棉进行保温优化，并采用绝缘垫片。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；气密性材料选用防水隔气膜，连续并包围整个围护结构，在图5中标注了气密层的位置，因展览需要，内装进行包柱处理，并填充保温材料，优化冷热桥节点。见图5。幕墙气密性不低于4级，东侧感应门设置风幕。具体参数见表3。门窗洞口的缝隙作气密性处理，采用耐久性良好的密封材料密封；局部室内侧使用防水透气膜。此外，电线盒处气密性措施将在室内装修设计阶段加强气密性设计。穿透气密层的电力管线等采用预埋穿线方式。不同图3过渡季自然通风效果示意构件名称屋面幕墙构造说明光伏面板+铝合金龙骨+开喷涂聚氨酯（脲）防水系统+SBS 改性沥青防水卷材+泡沫玻璃板+防水隔气膜+压型钢板+主体钢结构复合铝板+金属板龙骨+岩棉板+防水隔气膜+主体钢结构+室内装饰面保温材料泡沫玻璃板岩棉材料厚度/mm250200传热系数设计值/Wm-2K-10.190.27传热系数推荐值/Wm-2K-10.150.350.150.40表2非透光外围护结构构造图4外墙节点构造图5排烟口节点68Zhejiang Construction,Vol.40,No.1,Feb.2023围护结构的交界处以及排风管道与围护结构交界处的保温层连续，保障了良好的气密性。2.2主动式技术云帆未来体验馆采用主动式技术，保证建筑适应各种功能用途与气候情况。辅以智能化系统调配，有效降低包括照明、采暖等在内的能耗。1）暖通空调技术未来体验馆选用地源热泵系统，采用2台地源热泵模块机，内含水泵。每个模块机组制冷量45 kW，功率9 kW，制热量48 kW，功率12.5 kW。水系统采用一次泵变流量双管制系统，一次泵变流量系统的运行按机组要求的流量运行。冷冻水循环系统夏季供/回水温度7/12，冬季供/回水温度45/40；地源侧夏季供/回水温度25/30，冬季供/回水温度10/5。展厅采用风机盘管配合自带动力的旋流风口+底板辐射供暖+全热交换器的形式。新风经过滤净化后送入室内。末端风机盘管均能现场独立控制。全热交换热机组全热交换效率达75%。室内设置CO2浓度监控系统，并与新风联动。地源热泵设备布置于地下室的地源热泵机房。地埋管换热系统共设计30口换热井，埋管有效深度 80 m。换热管采用 De32单U，埋管间距4 m4 m。2）采光照明技术照明系统选择高效节能光源和灯具，选用LED 光源，照明密度功率优于现行国家标准目标值的要求。智能控制系统按照展厅进行分区调控，可调节场景明暗、色温，一键场景切换，包括展览模式、布展及清洁模式、应急及值夜模式，同时支持移动平板调节与展示。3）可再生能源利用未来体验馆采用地源热泵系统作为空调系统冷热源，同时，采用BIPV 光电建筑一体化设计，充分利用太阳能资源，在屋面铺设光伏发电玻璃。装机容量为26 kWp，光伏组件面积达200 m2，采用146块光伏组件，74种光伏组件规格，光伏系统采用离并网混合系统，光伏发出的电优先给负载供电和蓄电池充电；若光伏发出的电不足，蓄电池优先给负载供电，国网电作为临时补充供电。本工程共配置1台离并网混合逆变器，单台逆变器容量为30 kW。光伏板所发直流电和蓄电池组直流电通过逆变器逆变成交流电0.4 kV，再通过光伏并网柜并入到原厂区低压母排。光伏组件布置在屋面，直流线缆经过室内桥架/线管至厂区原有配电房的光伏并网柜。光伏组件采用三玻光伏组件，总厚度为18.24 mm，每平方米平均质量为40 kg。经PVsyst 软件模拟计算，项目光伏组件年发电量考虑周边遮挡后约20 010.00 kWh。见表4、图6。2.3综合减排技术在从生产建造到后期运营的建筑全生命周期中，未来体验馆通过多种专业化、智能化的方式减少碳排放量，体现绿色节能的理念。1）BIM技术应用未来体验馆采用钢结构支撑，通过对受力杆件的优化计算，能够最大程度节约材料，并做到预制化、模块化，从源头减少碳排放量。而通过BIM技术，可以精确整合建筑结构、构件以及表皮材料之间的关系，减小施工难度。同时未来体验馆的曲面表皮也由BIM系统进行管理，并由厂家根据数字化模型生产，极大程度地减少浪费并缩短生产、建造时间。见图710。2）智能化系统设计未来体验馆使用的智能化网络系统由两套网络组成，分别为物业办公网络和智能化专网（视频监控系统、楼宇自控系统、能耗计量系统、门禁管理系统等）。物业办公系统设置视频监控系统，主出入口设置人脸识别功能摄像机，展示区域及走道设置客流热度分析，预留体温检测+智设备参考型号FM-C1212服务区域东侧感应门上方选型风量/m3h-12 300电源形式220-1-50功率/W250应急电源Y/NN变频Y/NN风机效率/%60噪声/dB(A)55数量/台2表3空气幕系统参数注：1.安装高度距地面35m；2.具体安装详见图集 13K312空气幕选用与安装。铺设位置屋面数量/组件146面积/m2约200装机容量/kWp26系统效率/%83.97年发电量/kWha-126 680.00考虑周边遮挡后年发电量/kWha-120 010.00表4光伏组件参数图6光伏发电量模拟分析结果a)每日的输入/输出能量b)系统输出功率的分布69浙江建筑第40卷第1期2023年2月能分析。能耗监测系统，包括设备参数检测、设备状态显示、自动调节与控制、工况自动转换、能量计量以及中央监控与管理。自控系统对水、电、暖通设备进行集中监测、控制和管理，将空调控制、节能管理、维修管理等系统的运行和控制进行统一管理，提高机电设备的运行控制管理效率，节约人力资源，实现节能高效的目标。监测及控制的对象包含排风系统、给排水系统、集中式空调面板等。送排风系统能够监测风机运行状态、电气故障状态、手自动状态；根据预设时间，定时启停风机。3结语在对云帆未来社区中低碳场景的实践探索中，尽管过程仍有缺憾，我们仍凭借近零能耗体验馆的建造，取得了阶段性的成果。与此同时，笔者也提出在未来社区低碳建筑设计中，普适性可采纳的建议：1）美学设计与被动设计高度统一建筑美学设计应为被动式设计留有余地，并做到两者的有机结合。被动式设计的效果占据建筑节能效果的大部分，而且很大程度上与建筑形体、窗墙比、开门窗情况有关，需要从一开始就纳入建筑设计的考量中，并进行审慎地推敲。2）全周期综合减排从材料采用、施工建设阶段，直到长期运维、功能再利用阶段，对低碳建筑、近零能耗建筑的节能减排情况作长周期多层次的考量。3）采用的低碳技术兼具前瞻性、适用性在将来的未来社区低碳场景建筑应用中，笔者倡议设计师与设计团队更多使用前瞻性的低碳技术，例如多种新能源的使用和智能化系统的应用，在不断的建筑实践与研究中，为未来社区的低碳应用探索出一条经济、高效、切实可行的路线。参考文献1张永宁，沈霁华.中国节能减排政策的演进：基于19782016年政策文本的研究 J.中国石油大学学报（社会科学版），2016，32（6）：1-5.2中共中央，国务院.中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见 J.中华人民共和国国务院公报，2021（31）：33-38.3刘丽媛，孙宇枫.全国住房和城乡建设工作会议在京召开 J.住宅产业，2022（1）：11-13.4杭建宣，王昭奕.钱塘区云帆未来社区未来体验馆建成开放（原标题：为城市减“碳”为共富添彩杭州首个近零能耗建筑建成开放）EB/OL.（2022-03-10）2022-08-10.http：/ J.浙江建筑，2022，39（增刊1）：41-44.收稿日期：2022-08-10作者简介：董倬诚（1997），男，从事建筑设计、工程管理工作。E-mail：zhuochengdong2023u.northwestern.edu。78910图9钢结构计算分析结果图10BIM系统表皮构建图7现场钢结构装配过程图8现场铝板幕墙试装配70