0 引 言

為了應(yīng)對(duì)全球氣候變暖給人類生活環(huán)境帶來的負(fù)面影響，世界各國(guó)均積極推進(jìn)節(jié)能減排工作。2020年9月，我國(guó)在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上鄭重提出了2030年前力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)二氧化碳（CO2）排放達(dá)到峰值、2060年前爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)“碳中和”的“雙碳”目標(biāo)。2020年國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，明確指出要開展城鄉(xiāng)建設(shè)“碳達(dá)峰”行動(dòng)。

建筑領(lǐng)域作為能源消耗的三個(gè)主要領(lǐng)域之一，也是造成直接和間接碳排放的主要責(zé)任領(lǐng)域之一。2020年, 我國(guó)建筑運(yùn)行階段能耗約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的21%。我國(guó)建筑建造和運(yùn)行過程中碳排放量占全社會(huì)能源活動(dòng)總碳排放量約36%。因此，建筑領(lǐng)域的節(jié)能減碳工作對(duì)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，而發(fā)展超低能耗建筑、近零能耗建筑是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要舉措。

GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》頒布實(shí)施以來，在各地政府紛紛出臺(tái)的激勵(lì)政策驅(qū)動(dòng)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(guó)已有一些建成和在建的項(xiàng)目，但數(shù)量有限，既有建筑的近零能耗改造項(xiàng)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(guó)建筑建造和運(yùn)行的碳排放占比約為4∶6，預(yù)計(jì)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(yùn)行能耗將成為節(jié)能工作的重點(diǎn)。

筆者以蘇州市某既有辦公建筑近零能耗改造項(xiàng)目為例，介紹了該建筑的改造目標(biāo)和技術(shù)路徑，分析了該建筑實(shí)現(xiàn)近零能耗目標(biāo)所采用的被動(dòng)式、主動(dòng)式和可再生能源應(yīng)用技術(shù)策略，并提供了能效指標(biāo)計(jì)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(jià)值。

1 項(xiàng)目改造背景

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)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(xiàng)目改造范圍為某大廈的西側(cè)部分，東西長(zhǎng)約52.3m，南北進(jìn)深約30.0m，其與東側(cè)部分相隔變形縫，屬不同產(chǎn)權(quán)。項(xiàng)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(shè)備機(jī)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(yíng)業(yè)廳，3～6層為辦公樓。場(chǎng)地周邊建筑多為1～2層灰瓦白墻建筑。

1.2 改造目標(biāo)和思路

本次改造對(duì)建筑功能進(jìn)行全面提升，并以近零能耗建筑為節(jié)能改造目標(biāo)。依據(jù)GB/T 51350—2019，達(dá)到夏熱冬冷地區(qū)近零能耗建筑技術(shù)要求，相關(guān)能耗指標(biāo)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(xiàng)目的總體改造思路為“被動(dòng)式優(yōu)先＋主動(dòng)式優(yōu)化＋可再生能源”。從蘇州地區(qū)夏熱冬冷的氣候特點(diǎn)出發(fā)，建筑本體改造強(qiáng)調(diào)氣候響應(yīng)性設(shè)計(jì)，重視建筑外遮陽(yáng)，提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工，改善自然通風(fēng)與采光。采用高效的空調(diào)、照明和熱水等設(shè)備，最大限度地降低設(shè)備側(cè)能耗。充分利用屋面設(shè)置可再生能源，以太陽(yáng)能光伏、太陽(yáng)能熱水、風(fēng)力發(fā)電形成多能互補(bǔ)的能源供應(yīng)體系。

2 項(xiàng)目近零能耗改造措施

本項(xiàng)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(shè)計(jì)使用人數(shù)為300人，功能分布為1層為辦公大堂和70人報(bào)告廳，2層為會(huì)議中心，3～5層為辦公區(qū)域，6層為餐廳及廚房。項(xiàng)目模型如圖1所示。

2.1 被動(dòng)式技術(shù)

項(xiàng)目改造團(tuán)隊(duì)首先從被動(dòng)式設(shè)計(jì)入手，探討減少建筑能耗負(fù)荷的設(shè)計(jì)舉措。項(xiàng)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(shè)計(jì)。經(jīng)過節(jié)能計(jì)算，項(xiàng)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(duì)建筑體形進(jìn)行修改。項(xiàng)目中采用的各項(xiàng)被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略如下。

2.1.1 改善自然通風(fēng)與采光

為了符合蘇州地區(qū)的氣候特征和居民生活習(xí)慣，本項(xiàng)目在改造設(shè)計(jì)中著重考慮了自然采光與自然通風(fēng)。首先，適當(dāng)擴(kuò)大外窗洞口面積，但仍有效地控制各個(gè)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(dá)到了54.5%。

2.1.2 提升建筑外遮陽(yáng)功能

蘇州市地處夏熱冬冷地區(qū)，夏季太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，因此建筑遮陽(yáng)對(duì)減少供暖空調(diào)負(fù)荷具有重要的作用。項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)中特別關(guān)注了建筑遮陽(yáng)，將其作為重中之重進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)。根據(jù)建筑立面的差異性，項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇了多樣化的遮陽(yáng)形式。針對(duì)西南向的圓弧形立面，采用豎向固定百葉的外遮陽(yáng)方式?？紤]到西南立面是景觀面，因此設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在兼顧視野和遮陽(yáng)效果的前提下，對(duì)豎向百葉的間距和尺度進(jìn)行了詳細(xì)分析和優(yōu)化。

經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證，百葉間距設(shè)定在350～380mm時(shí)，可將立面太陽(yáng)輻射降低40%～50%。針對(duì)南向的主立面，根據(jù)各層立面的特點(diǎn)，選擇了不同的遮陽(yáng)方式，南立面外遮陽(yáng)形式如圖2所示。在1層與2層之間設(shè)置了2m寬的層挑檐，可對(duì)1層南向外窗形成有效的固定遮陽(yáng)。2～5層采用可調(diào)節(jié)的卷簾外遮陽(yáng)，在夏季可實(shí)現(xiàn)完全遮陽(yáng)，冬季則可將卷簾收納至盒內(nèi)。由于6層餐廳室外區(qū)域?yàn)槁杜_(tái)，需考慮人員進(jìn)出的需求，因此設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用手動(dòng)伸縮式遮陽(yáng)棚，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)節(jié)的外遮陽(yáng)功能。

圖2 南立面外遮陽(yáng)形式

2.1.3 提升圍護(hù)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(xiàng)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(dǎo)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(shè)置了高度為500mm的巖棉防火隔離帶。經(jīng)過熱工計(jì)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(shè)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(xì)石混凝土隨搗隨光，內(nèi)配φ6@200 雙向筋，設(shè)20mm分倉(cāng)縫（@6m×6m）。

（2）鋪設(shè)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(shè)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(duì)破損處進(jìn)行修補(bǔ)，使其平整。

在高性能外窗方面，本項(xiàng)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(yáng)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(fēng)壓性能分級(jí)及檢測(cè)方法》規(guī)定的8級(jí)。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(jìn)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(duì)夏熱冬冷地區(qū)的公共建筑提出氣密性的指標(biāo)要求，但為了提升建筑的節(jié)能性能，本次改造對(duì)建筑整體氣密性指標(biāo)按照n50 ≤1.0的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(gè)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(xiàng)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(jí)。同時(shí)，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(jìn)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(shí)。在穿墻管道處，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)采用防水隔氣膜粘貼，外圍護(hù)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(duì)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(xiàng)目均采用20mm硬泡聚氨酯隔熱墊片進(jìn)行隔熱，并采用保溫錨栓進(jìn)行固定，以減少建筑熱橋效應(yīng)。項(xiàng)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(shè)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(shè)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(dòng)式技術(shù)

2.2.1 空調(diào)系統(tǒng)

在采用高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)的情況下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)計(jì)日的逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，得出項(xiàng)目的夏季冷負(fù)荷為682kW，單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)為77W/㎡；冬季熱負(fù)荷為374kW，單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)為42W/㎡。考慮到建筑機(jī)房空間有限，基于項(xiàng)目冬、夏季的空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷特征，選用2臺(tái)螺桿式風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為空調(diào)冷熱源，單臺(tái)額定制冷量為400kW，名義工況的性能系數(shù)（COP）達(dá)到3.5以上。為了降低輸配系統(tǒng)的能耗，項(xiàng)目采用了高效變頻水泵，其工作點(diǎn)效率達(dá)到80%以上。同時(shí)，通過對(duì)管路的合理設(shè)計(jì)，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(fēng)機(jī)盤管＋新風(fēng)系統(tǒng)，為降低風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)機(jī)能耗，項(xiàng)目中所有的風(fēng)機(jī)盤管均采用了直流無刷型風(fēng)機(jī)盤管，其能耗較常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管降低了50% 以上。

針對(duì)新風(fēng)處理和組織，項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在每層都設(shè)置了新風(fēng)機(jī)房，負(fù)責(zé)該層的新風(fēng)供應(yīng)。新風(fēng)機(jī)組均設(shè)置了全熱回收段，采用了轉(zhuǎn)輪式全熱回收機(jī)組，全熱回收效率達(dá)到70%以上。熱回收段要求設(shè)置旁通裝置，在過渡季節(jié)可以旁通運(yùn)行。同時(shí)，為保障室內(nèi)的氣流組織和回風(fēng)量，項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)置了回風(fēng)系統(tǒng)，確保各個(gè)功能空間都設(shè)有回風(fēng)口。

2.2.2 照明系統(tǒng)

本項(xiàng)目的照明采用高光效的LED 燈具，并設(shè)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(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)光。當(dāng)自然采光條件較好時(shí)，系統(tǒng)可以降低照度或關(guān)閉燈具，有效降低了照明能耗。

2.3 可再生能源

項(xiàng)目充分利用屋面設(shè)置可再生能源，以太陽(yáng)能光伏、太陽(yáng)能熱水和風(fēng)力發(fā)電形成多能互補(bǔ)的能源供應(yīng)體系。

2.3.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

項(xiàng)目采用了太陽(yáng)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(kù)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(dá)19.1%。光伏逆變器額定容量為60 kW。與此同時(shí)，項(xiàng)目還配備了40kW·h的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2.3.2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用“太陽(yáng)能熱水＋空氣源”熱泵熱水系統(tǒng)作為集中熱水供應(yīng)方案。太陽(yáng)能熱水部分采用了29 塊平板式太陽(yáng)能集熱器，每塊尺寸為2000mm×1000mm×80mm，總集熱面積為58㎡。同時(shí)，系統(tǒng)還配置了2 臺(tái)空氣源熱泵熱水機(jī)組，每臺(tái)額定制熱量為19kW。

2.3.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

項(xiàng)目安裝了2套2kW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通過一個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)接入這2套風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這些風(fēng)力發(fā)電機(jī)為臥式螺旋形，放置于屋面。它們的啟動(dòng)風(fēng)速為2.5m/s，工作風(fēng)速范圍為2.5～20.0m/s。系統(tǒng)所采用的電機(jī)類型為磁懸浮盤式電機(jī)。

3 能效指標(biāo)計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性分析

本項(xiàng)目采用了逐時(shí)能耗分析軟件eQUEST-3.65進(jìn)行能效計(jì)算，其計(jì)算內(nèi)核是DOE2.2，由美國(guó)能源部（DOE）和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）聯(lián)合開發(fā)。項(xiàng)目的能效指標(biāo)采用設(shè)計(jì)建筑與參照建筑對(duì)比的方式來驗(yàn)證。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)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(xiàng)目的能耗各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到 GB/T 51350—2019的要求，符合近零能耗建筑的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 參照建筑與設(shè)計(jì)建筑數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 節(jié)能率計(jì)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為基準(zhǔn)，本項(xiàng)目近零能耗建筑技術(shù)措施投入的成本增量為593.2萬元，項(xiàng)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(dá)27.7%。同時(shí)基于能耗計(jì)算結(jié)果，項(xiàng)目每年可以減排254 tCO2。

圖4 項(xiàng)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(yīng)采用“被動(dòng)式優(yōu)先＋主動(dòng)式優(yōu)化＋可再生能源”的綜合策略。被動(dòng)式設(shè)計(jì)，即氣候響應(yīng)性設(shè)計(jì)，需要從氣候特征出發(fā)，探討減少建筑能耗負(fù)荷的設(shè)計(jì)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(duì)建筑負(fù)荷的構(gòu)成會(huì)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(yáng)輻射比較充足，因此改造上針對(duì)夏季需要采取必要的遮陽(yáng)措施，以降低進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)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(fù)荷。最后，蘇州市具備自然通風(fēng)的需求。針對(duì)蘇州市以上的氣候特征，建筑改造上可重點(diǎn)考慮通過調(diào)整窗墻比改善自然采光和通風(fēng)，提升建筑外遮陽(yáng)功能，提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫和隔熱性能，適當(dāng)增強(qiáng)建筑氣密性，加強(qiáng)建筑熱橋控制。

在主動(dòng)式技術(shù)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(fēng)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(yīng)優(yōu)先考慮。主動(dòng)式技術(shù)措施主要包括高效供暖空調(diào)設(shè)備、節(jié)能照明及控制、高效生活熱水設(shè)備、帶能量反饋的節(jié)能電梯以及能耗監(jiān)測(cè)管理等。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)當(dāng)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(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要的意義。隨著城鎮(zhèn)化新階段建設(shè)速度放緩，城市發(fā)展開啟了以城市更新為重點(diǎn)的新模式，建筑的運(yùn)行能耗和碳排放占全社會(huì)的比例還將進(jìn)一步增大。因此，既有建筑的節(jié)能減排將成為建筑領(lǐng)域實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重點(diǎn)攻堅(jiān)領(lǐng)域。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)近零能耗建筑的研究尚處于初級(jí)階段，其理論和實(shí)踐研究還需要進(jìn)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(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹了其改造的總體目標(biāo)、策略以及設(shè)計(jì)技術(shù)措施。本項(xiàng)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(shù)應(yīng)用實(shí)踐提供有益參考。