温和地区公共建筑群净零能耗设计方法

刘东升　罗臣佑　汪凯

【摘 要】文章针对在温和地区的公共建筑群，在规划设计阶段，研究地域气候适宜的节能设计方法来降低建筑群的能源消耗量;在设计中应用MOOSAS软件对建筑群的总能耗进行计算，并根据当地的可再生能源状况制定合理的用能方案，实现建筑群净零能耗的目标，进而总结适宜温和地区公共建筑群的净零能耗设计方法。

【关键词】净零能耗建筑群; 温和地区; 设计方法

【中图分类号】TU111.19+5【文献标志码】A

本文以地处温和地区的公共建筑群项目——攀西产业园项目为例，结合地域气候特点，在建筑群的规划布局和设计中充分考虑被动式和主动式的节能方法，并考虑当地的可再生能源状况制定合理的用能架构，研究温和地区公共建筑群实现净零能耗目标的设计方法。

1 项目概况

攀西产业园项目（图1）位于攀枝花市，属于温和地区，建筑群的主要功能包括办公、商业、超市、酒店、会议等。项目总用地面积约58 095 m2，总建筑面积约为224 435 m2，容积率3.0。

为实现建筑群净零能耗的目标，设计建筑群内所有单体建筑及周边的可再生能源产能量不应低于建筑群年终端能源消耗量。

2 关键技术

在建筑群的规划布局和设计过程中，充分采用自然通风、遮阳等被动式的节能技术，选用高效节能的设备系统，降低建筑群的能源消耗量，并结合当地可再生能源现状制定合理的能源架构，最终实现区域内可再生能源系统产生的能源总量与其消耗的能源总量的平衡。

2.1 总体布局自然通风优化设计

在建筑群的总体布局阶段，通过自然通风的模拟分析，整体布局迎合夏季主导风向，场地内及建筑周围风速分布较均匀，且均小于2 m/s，利于室外行走，保证了室外活动舒适度;增大底层架空区域以增加开放互通空间，削弱漩涡风区及静风区，改善非主导风向时的场地通风;设置下沉庭院来避免静风区，优化局部区域的风环境（图2）。

2.2 计算机辅助遮阳优化设计

在温和地区，被动式设计中应合理的设置遮阳设施，能降低空调系统运行能耗。基于不同单体的太阳辐射量，进行模拟计算，在无遮阳情况下，建筑南向及西向立面太阳得热较高，北向及东向立面太阳得热较低，并不合理，需进行必要的优化。顶层同样设置外遮阳，或布置在非主要功能房间;将光照强烈的一侧作为外走道，有效隔绝太阳辐射对办公空间的直接影响;内侧设置空中花园，有效避免西晒的不利因素;建筑立面主要采用竖向遮阳体系，营造适宜的室内光环境（图3）。

2.3 高性能的围护结构节能体系

项目根据建筑功能和建筑面积按照《四川省公共建筑节能设计标准》中温和A区甲类公共建筑进行节能设计，围护结构热工性能在标准的基础上提升20 %。外墙采用加气混凝土砌块墙体，30 mm厚的岩棉板保温层，外墙平均传热系数0.8 W/（m2·K）;屋面分种植屋面和其他屋面两种，均采用挤塑聚苯板，传热系数小于0.64 W/（m2·K），设计中在裙房屋面和部分非种植屋面架光伏板来充分利用太阳能资源;透明围护结构采用隔热铝合金型材双玻中空玻璃6三银Low-E+12Ar+6透明玻璃窗，传热系数低至2.0 W/（m2·K），综合太阳得热系数0.2。

2.4 高效节能的设备系统

建筑群要实现净零能耗的目标，单体建筑内需要采用高效节能的设备系统，并根据负荷情况制定合理的控制策略。空调系统主要是制冷工况，经过逐时负荷计算，其中4栋楼选用四台电制冷离心式水冷冷水机组及一台电制冷螺杆式水冷冷水机组作为冷源，能效比大于6.05，酒店采用两组风冷涡旋式热泵机组，能效比大于3.25;采取有效措施降低末端系统和输配系统的能耗，空调冷热水系统循环水泵的耗电输冷（热）比低于现行国家标准规定20 %;人员密集场所设置CO2浓度传感器，根据人流密度变化智能调节新风、回风混合比，在过渡季节加大新风比，以充分利用“免费”冷源带走室内余热;采用高效节能的LED灯具，并设置智能化服务系统，可以进行照明控制、设备控制等多种服务功能;水泵、风机、电梯等均采用节能型设备。

3 可再生能源应用与能耗分析

3.1 可再生能源应用方案

根据《攀枝花市可再生能源和能效现状调查评估报告》，当地太阳能资源很丰富，太阳能理论资源量每年达5.6×108 t标煤，年日照时长达2 300-2 700 h，也是全国太阳能资源最具开发价值区域之一。考虑到当地太阳能资源丰富，项目要实现净零能耗的目标，应尽可能的应用当地丰富的太阳能资源。可再生能源应用方案如图4所示，生活热水部分全部采用屋面太阳能集热板来制备热水;在非种植屋面和部分种植屋面架光伏板发电，供建筑内设备系统（包括空调系统、照明、电梯等）用电;室外照明部分通过采用太阳能路灯进行照明。

3.2 能耗分析与屋面光伏板设计

为实现项目净零能耗的目标，本项目在设计前期采用Moosas软件對建筑群能耗进行模拟计算，空调和照明能耗的计算结果如图5所示。经计算，建筑群全年能耗消耗量为722 mWh/a。光伏板设计考虑采用单晶硅发电，进行逐月计算，得到所需光伏板面积为3 080 m2，倾斜角度30 °。实际设计中，将光伏板尽可能布置在阳光可以照射到的屋顶区域，具体布置图6所示，经统计，实际光伏板应用面积为3 081 m2，满足建筑群能耗需求（表1）。

4 关于温和地区净零能耗建筑群设计的思考

温和地区构建净零能耗建筑群的设计方法可以概括为以下四点：

（1）对建筑群的布局以及单体建筑的形体进行合理的规划设计。在规划设计阶段，应遵循当地气候特征，充分应用自然通风、遮阳等被动式的设计理念，对建筑群的布局和单体建筑的体形进行优化。

（2）高性能的建筑围护结构设计。根据温和地区的气候特点以及传热过程特点，需要提高建筑围护结构的热工性能，重点关注建筑围护结构的隔热性能，严格控制建筑的气密性等。

（3）选择高效节能的用能系统。建筑应采用高效节能的设备系统，如温、湿度独立控制的空调系统、节水灌溉系统等，有效地降低建筑的系统能耗，避免能源的浪费。

（4）可再生能源的利用。温和地区可再生能源丰富，尤其是太阳能资源，太阳能热水系统、屋面光伏板系统以及室外太阳能照明系统等都是构建净零能耗建筑群的有效手段。

[定稿日期]2021-09-27

[基金项目]国家政府间国际科技创新合作重点专项（项目编号：2019YFE0100300-11）

[作者简介]刘东升（1987～），男，硕士，主要从事绿色建筑咨询、建筑声学设计工作。