作者 | 尹寶泉，伍小亭，宋晨，陳奕
作者單位 | 天津市建筑設計院
基于可再生能源的超低能耗建筑能源系統設計及示范應用
1 引言
我國可再生能源供熱潛力很大。研究測算，我國可再生能源供熱潛力可達30億噸標準煤以上。地熱能的資源潛力最大，據國土資源部2015年調查結果，全國336個地級以上城市淺層地熱能年可開采資源量折合7億噸標準煤、全國中深層地熱資源年可開采量折合19億噸標準煤。
全國可作為能源利用的農作物秸稈及農產品加工剩余物、林業剩余物和能源作物、生活垃圾與有機廢棄物等生物質資源年供熱潛力折合4.6億噸標準煤，其中，利用農作物秸稈等農林廢棄物供熱年利用潛力折合4億噸標準煤。風電等可再生能源發電按照10%電量供熱利用計算，2020年可供暖5億平方米，折合1500萬噸標準煤。
可再生能源供熱清潔低碳，可因地制宜集中供暖或分散供熱，在解決北方地區清潔供暖尤其是農村地區清潔取暖、替代散煤方面，可以發揮重要作用。
實現綠色建筑需要充分利用可再生能源，提高可再生能源的貢獻率。然而不能回避的現實是，相當多的建筑可再生能源利用項目并未實現其節能的初衷，有的項目可再生能源利用系統，折合一次能源的效率甚至低于傳統能源形式。
研究表明造成這一現象的主要原因在于沒有一套科學完整的基于可再生能源與建筑用能需求特點的設計方法，不能實現基于節能目標的預測型設計。
而通過本項目的研究，可以解決“合規設計”中存在的系列問題，實現建筑利用可再生能源的節能目標，并優化利用結構，提高建筑可再生能源利用系統的性價比，促進其廣泛應用。
可再生能源應用是建筑節能與綠色建筑工作中重要的組成部分，未來能源系統的挑戰是將不同的可再生能源技術融合到一個交互的能源系統，能夠實現在任何時間以合理的價格提供非化石能源，滿足不同的能源需求，本文的研究將為可再生能源在建筑中的集成化應用、再綠色建筑中的規模化推廣提供技術支撐。
2 項目概況
天津市建筑設計院新建業務用房及附屬綜合樓位于河西區氣象臺路95號，天津市建筑設計院院內，如圖1。項目的設計構思源于對建設周期及場地環境等問題的疏理與解決。最大限度的保護院內現有綠地和植被，還要兼顧周邊居民樓的視覺均好性及日照有效時數等要求，建設10層高的“L”型的業務用房與4層高的“一”字型的附屬綜合樓的總體布局方案。該項目總建筑面積3125m2，機動車停車位300輛。保留原有樹木50余棵。
圖1 新建業務用房及附屬綜合樓鳥瞰及實景照片
目前，本項目已獲得國標綠建三星級設計標識，入選住建部綠色建筑示范工程，天津市科委“美麗天津”科技示范工程，正在申報國標綠建三星級運營標識、健康建筑二星級設計標識、LEED 金獎、GREEN MARK 鉑金獎。
項目設計伊始以綠色建筑應用為切入點，遵循“被動優先、主動優化”的設計原則，因地制宜的將低影響開發、可持續設計、BIM 全過程應用、智能化集成平臺建設等與建筑設計結合，充分利用可再生能源，采用了近30項綠色建筑技術，如圖2所示。設計能耗指標為72KWh /m2·a，節能率大于50%。
圖2 綠色建筑技術集成應用
業務用房項目地下一層主要功能空間包括地源熱泵機房、10KV變電站、直飲水機房、消防泵房、消防水池等輔助設備用房以及物業管理辦公室，地上一層主要功能空間包括大堂、展廳、檔案室、圖文中心、以及值班室、衛生間等輔助用房；地上二層主要為會議室、開敞辦公、培訓室、展廳、智能控制中心、以及配電間、衛生間等輔助空間；3~10層主要為開敞辦公空間及輔助用房，各樓層平面劃分見圖3：
圖3 各層平面布置圖
附屬綜合樓項目主要功能為汽車庫（300輛）及非機動車庫（250輛），通過封閉連廊與新建業務用房連接。屋頂架設光伏發電裝置，在充分利用可再生能源的同時為屋頂停車區域提供遮陽。
3 被動式設計
3.1 設計理念
場地原有及周邊建筑分別建于1959~2008年間的不同時期，具有較為復雜的場地環境，如圖4所示。作為對既有院落的有機更新，本設計的難點在于既要尊重原有院落的場所記憶，順應城市肌理，又要在有限的場地空間內實現新建筑高效、環保、健康、舒適的綠色設計目標。
遵循低影響開發與可持續設計理念，本項目從被動設計到主動設計進行了全面多角度的權衡與考慮，在設計伊始應用計算機模擬分析場地環境，為建筑布局提供依據；在方案階段優化建筑的基本幾何體型、進深、窗墻比、風環境、光環境、熱工環境；在施工圖階段，進行能耗模擬，輔助建筑基于能耗限值的性能化設計。
圖4 原有院落總平面圖
3.2 被動式技術特征
項目充分考慮被動式節能技術，包括建筑布局、朝向與體型系數控制，圍護結構節能設計，自然通風，自然采光，建筑遮陽等技術措施。
3.2.1建筑布局與體型系數控制
設計構思源于對建設周期及場地環境等問題的梳理與解決，本著最大化降低對周邊環境影響的原則，最大限度的保護院內綠地和植被，兼顧周邊居民樓的視覺均好性等，結合場地周邊風環境、太陽輻射及噪聲模擬分析結果，反復論證，最終形成了“I +L”型總體布局。建筑主體朝向為南北向，業務用房體型系數為0.21。
3.2.2 圍護結構節能設計
本項目外墻選用300mm厚蒸壓砂加氣混凝土砌塊，主體幕墻選用18厚陶土板材，平均傳熱系數為0.52W/m2·K。
綜合考慮降低建筑能耗，設計對建筑每個朝向的窗墻比進行了嚴格控制，且不同朝向的外窗采用不同的傳熱系數：南向窗墻比0.28，東向窗墻比0.24，西向窗墻比0.33，北向窗墻比0.28，在滿足自然通風和采光的同時，降低了建筑物圍護結構的能耗。東、西、北向門窗、幕墻采用PA斷橋鋁合金真空（輻射率≤0.15）雙Low-E 6無色+12+6無色（離線），傳熱系數為1.80w/m2. K) ，南向門窗、幕墻采用PA斷橋鋁合金真空（輻射率≤0.15）雙Low-E 6無色+12+6無色（離線）內填氬氣，傳熱系數為2.20w/(m2. K)。
3.2.3自然通風
本項目方案設計階段首先采用CFD風環境模擬軟件，對建筑體塊模型進行室外風環境模擬分析，得出建筑室外風環境數據，再進行室內自然通風模擬分析，采取墻式進風口等強化自然通風的構造措施，見圖5。外窗可開啟比例達到30.58% ，并設置了通風腔，優化建筑內部氣流組織，獲得了較好的自然通風效果。
圖5 自然通風強化構造措施節點圖及進風口風速測試實景圖
3.2.4自然采光
室內光環境是辦公建筑設計關注的重點之一。本項目利用采光模擬分析工具，對主要辦公區域、公共空間以及地下空間分別進行了自然采光優化設計，在節約照明用電的同時有效提升了室內空間品質。
“窄高窗”
方案階段對建筑方案體塊模型各個立面進行了日照模擬分析，給出建筑各立面的窗墻比建議值，并對開窗形式進行優化。在窗墻比不變的情況下，通過對“窄高窗”和“寬矮窗”進行對比分析，使用“窄高窗”，提高自然采光效率，如圖6所示。
圖6 寬矮窗和窄高窗的模擬分析
采光井
通過在業務用房東向首層設置采光井，有效改善了辦公室、衛生間等局部地下空間的自然采光效果，如圖7所示。
圖7 業務用房地下室采光井設計圖
3.2.5 建筑遮陽
綜合考慮冬季得熱與夏季遮陽的需求，以及主要功能空間的采光效果，本項目從方案階段即優化了建筑遮陽設計。通過適當加深窗洞深度增強了墻體自遮陽，并采用可調節百葉外遮陽與內置遮陽百葉結合使用的方式，實現不同日照條件與使用需求下的靈活遮陽控制。
4 主動式技術措施
4.1 空調系統
4.1.1空調冷、熱源綜述
【1】空調系統冷、熱負荷
（1）本項目空調系統總冷負荷1370kW，折合建筑面積冷負荷指標68W/m2，其中非7x24小時使用區域空調系統冷負荷1236kW，7x24小時使用區域空調系統冷負荷134kW。非7x24小時使用區域空調系統冷負荷中顯熱冷負荷970kW，潛熱冷負荷266kW。
（2）本項目空調系統總熱負荷1135kW，折合建筑面積熱負荷指標56.5W/㎡。其中，非7x24小時使用區域空調熱負荷1050kW，7x24小時使用區域空調熱負荷85kW。
（3）本項目冬季生活熱水熱負荷50kW。
【2】冷、熱源形式
（1）非7x24小時使用區域空調——垂直埋管地源熱泵耦合太陽能供冷供熱系統為主。
（2）7x24小時使用區域空調——以及機房精密空調系統。
（3）冬季生活熱水——垂直埋管地源熱泵耦合太陽能供熱系統為主。
【3】建筑供冷、熱源系統概述
（1）系統形式：地源熱泵系統耦合太陽能供冷供熱系統。
（2）系統構成：
1）系統構成，如圖8所示
圖8 建筑冷、熱源系統示意圖
2）子系統額定設計工況冷、熱負荷
- 槽式太陽能集熱供冷、供熱系統——冷負荷180kW；熱負荷280kW
- 平板式太陽能集熱供冷、供熱系統——冷負荷350kW；熱負荷100kW
- 埋管地源熱泵供冷、供熱系統——冷負荷1250kW；熱負荷1050kW
3）各子系統制取的熱水并聯后，直接供應建筑空調系統與間接供應建筑生活熱水系統。
4）以上三個供冷、供熱子系統在二次能源使用端（空調系統）側耦合。
5）太陽能集熱系統在采暖季開始前的過渡季，可經地源熱泵系統垂直埋管向土壤蓄熱。
6）土壤源熱泵系統可實現“跨機組供冷、熱”功能，即系統冷、熱水通過土壤換熱器后，不經過熱泵機組，直接為建筑提供冷、熱水。
7）由于本項目屬于總體工程中的一期工程，而垂直埋管地源熱泵的實施在二期工程中，為保證本項目如期供熱，將槽式太陽能供冷、供熱系統的"備份"熱源容量放大到同時滿足氨吸收空氣源熱泵與溴化鋰吸收式冷溫水機組的供熱運行要求。
4.1.2 空調末端系統
【1】空調系統形式
（1）本項目非7x24小時使用區域采用溫濕度獨立控制空調系統，濕度控制設備為溶液調濕新風機組，溫度控制設備為各類型的干式空調末端，即溶液調濕新風+各類干式末端系統。
（2）本項目7x24小時使用區域，如值班室、變電室、網絡機房及首層圖文采用VRF系統，室外機設于業務樓三層屋頂。
（3）本項目數據機房、二層控制室采用直膨式精密空調，室外機置于業務樓三層屋頂。
【2】空調新風系統
（1）溫濕度獨立控制空調系統區域內的溶液調濕新風機組，分層設置，其中服務地下一、一、二層的新風機組設于地下一層，服務其它各層的新風機組設于本層。處理后的新風，經豎井及各層水平風管獨立送入室內，室外新風由各層新風機房外墻或由新風豎井引入，新風采風口由建筑專業統一進行裝飾處理。建筑給水系統為溶液調濕機組提供水源。
（2）首層采用VRF空調系統的圖文區域，設熱回收換氣機新風系統，熱回收換氣機設于走廊吊頂，處理后的新風由水平風管獨立送入室內，室外新風由本層外墻引入，新風采風口由建筑專業統一進行裝飾處理。
【3】溫濕度獨立控制空調系統的干式末端，除圖文區域的辦公及輔助房間均采用干式直流無刷風機盤管，風機盤管供回水溫度16℃/21℃。
【4】二層展示廳采用金屬冷（熱）輻射吊頂+干式直流無刷風機盤管+主動式冷梁
【5】采暖系統設計
（1）首層大廳采用低溫地面輻射暖系統，管材采用PE-RT，間距300mm，供回水管45℃/40℃，分配器設于首層門廳內。
（2）地下室及屋頂水泵房、設備機房、水箱間設置低溫散熱器系統，散熱器高度800mm。
4.1.3 空調自控系統
【1】冷、熱源工藝系統自控
（1）總體目標——采用群控方式實現系統自動運行；實現既滿足冷熱負荷需求，又保證能源費用相對最低的自動控制與調節。
（2）基于冷、熱源工藝特點對群控系統的要求：
1）群控系統應由一個主控模塊與三個子控制模塊組成，子控制模塊為槽式太陽能集熱供冷、供熱系統模塊、板式太陽能集熱供冷供熱系統模塊、垂直埋管地源熱泵模塊。
2）主控模塊具有以下功能
- 自動確定冷、熱源系統的工作狀態，即：制冷或供熱。
- 根據氣象預報與過往運行數據分析，預測日周期逐時冷、熱負荷。
- 根據預測的冷、熱負荷及檢測的太陽輻射強度，依能源費用最小化原則制定整體運行策略。
- 根據整體運行策略，向子控制模塊發出工作狀態指令，并接受其上傳的約定信息。
- 整體運行策略應體現為，在某時段三個冷、熱源子系統應處于的工作狀態，即保證當前狀態、投入或退出。
3）子控制模塊應具有以下功能
- 接受主控模塊下達的工作狀態指令，并向其上傳約定信息。
- 執行主控模塊要求的工作狀態下的程序操作，實現"所轄"冷、熱源子系統投入與退出時的安全運行以及運行狀態下的控制調節。
（3）冷、熱源系統總體運行調節策略（由主控模塊制定、實施）
1）晴或多云天氣（用氣象預報與輻射照度實測值判斷）
2）陰天（用氣象預報與輻射照度實測值判斷）
3）晴或多云的大風天氣（用氣象預報、輻射照度、風力實測值判斷）
4）過渡季蓄能
4.2 照明系統
本項目參照LEED對LPD（照明功率密度）的要求（見表4-1），在不同區域配置不同種類的高效光源及燈具。辦公室、會議室選用T5光源的嵌入式燈具，走道、衛生間采用高光效LED燈或T5熒光燈、緊湊型節能熒光燈。
為在實現運行管理的節能，本項目設置了智能照明控制系統，針對不同的功能分區，采用對應的控制方式。
4.3智能窗簾控制系統
為減少東西向的太陽輻射得熱，項目在東西向外窗設置了暗藏式可調節穿孔鋁百葉外遮陽。窗簾設置于窗的外側，將陽光阻隔在室外，并因其穿孔特點，具有一定的透光特性；同時設置本地開關，可根據使用者需求開關遮陽簾及調節遮陽百葉的角度，滿足遮陽和采光的需求，如圖9所示。
圖9 外遮陽室外、室內及用戶側控制末端
為更好的發揮外遮陽的節能作用，本項目設置了智能窗簾控制系統，結合綠建運維管理平臺，具有手動控制、自動控制，本地手動控制具有最高的優先級。外遮陽設有自動保護裝置，若室外風速24≥m/s（即九級風），窗簾會自動收起。
自動控制具有過渡季模式、冬季模式、夏季模式等多種控制模式，結合不同季節對光線和冷熱量的需求編寫控制算法，最大化的利用光線和冷熱量，減少照明和空調能耗。具體模式執行日期、時間可在運維平臺系統日歷工作通過點擊鼠標靈活配置。
4.4能源管理平臺
能源管理平臺能夠輕松完成對能源消耗的信息采集、分析、展現和管理，提高建筑物綜合能源管理水平。其主要功能包括：
- 能耗監測：通過有效通訊，持續監測分路和分戶能源消耗。
- 能耗統計與報告：根據《天津市民用建筑能耗監測系統設計標準》，進行能耗總計、分類統計、分項統計、分區統計，幫助使用者掌控建筑能耗狀況。
- 能效分析：對建筑物重要能效指標、系統能效指標、設備能效指標進行分析，進行同比、環比分析，規劃有效節能措施，持續有效降低能源成本。
- 能耗對標與報警：根據《建筑能耗標準》中標準，進行能耗對標、排名和高能報警，培養用戶合理的用能習慣，減少能源浪費。
平臺主要具有的查詢功能有主頁、能耗監測、表格、趨勢、報警以及報告幾個菜單選項。各個功能選項的顯示頁面，如圖10所示。
圖10 能源管理平臺顯示頁面
運維人員通過上述各個功能，可以對新建業務用房從整體到局部的用電能耗進行精確到小時的查詢，甚至可以對某個設備具體到秒級的負荷功率的查詢，通過對能耗數據的分析，實現合理的用電，降低建筑整體能耗，提高建筑經濟效益和管理水平。
4.5運維管理平臺
運維管理平臺能夠實現對綠色建筑內多個子系統信息的集成和綜合管理。其主要功能包括：實時監測：平臺具有強大的實時監測功能和豐富的圖形功能，可以實現多個子系統運行信息的集中監測、分析和處理；集中控制：平臺具有多系統聯動功能，能夠實現多系統間的快速響應與聯動控制，能夠實現多系統預設模式運行；報警管理：平臺能夠實現報警集中顯示、處理，通過聲光報警和短信報警及時通知給相關管理人員；運行日志：平臺可以記錄系統運行信息，實現問題追溯、查詢；維保管理：平臺具有完善的維保管理功能，可以建立設備檔案，有效減少建筑內故障發生率、延長設備使用壽命。
平臺集成了包括設備IP管理網、安防系統、電梯監控系統、機房動態環境監測系統等多個智能化系統。各個智能化系統的顯示頁面，如圖11所示。
圖11 智能化系統的顯示頁面
通過對智能化系統數據的集中監測和控制、子系統間數據交互、全局事件管理等。定期地輸出運行狀況的報告，實現多個智能化子系統之間信息資源的共享，實現相關系統之間的互操作、快速響應和聯動控制，盡可能使建筑內的各系統運行在各自最佳的情況。
4.6 光伏發電系統
并網光伏發電系統設置在附屬綜合樓（停車樓）屋頂，作為科學實驗之用，屬于不帶儲能裝置、交流集中并網的非逆流光伏系統，采用0.4KV低壓并網。屋頂裝設光伏并網發電系統的區域為屋頂層停車位上方西南側，安裝等容量單晶硅、多晶硅、非晶硅光伏組件，各部分裝機容量均為約7KWp，共計21KWp，如圖12所示。
圖12 太陽能光伏發電系統分布示意圖
5 項目運行情況
2015-2016年冬季供暖，基于可再生能源的供冷供熱系統表現出了良好的性能，每建筑平米的供暖費用折合下來約為20元，為常規市政供熱的50%，這種運行費用的節約，對于系統回收成本，至關重要，據測算，該供冷供熱系統6年內可回收成本。
【第375條】中央新風系統2：在每個公寓的通風可以在一個體積流量調節器的幫助下完成調節。設備的運行由在居住區域安裝的一個控制器來完成的。借助于一個選擇開關來設置不同的功率等級和不同的空氣體量。中央風機須設置消音器。語音消音器的設置可以避免噪音在各個房間之間的傳播。
