項(xiàng)目概況 

岳麓山實(shí)驗(yàn)室集聚區(qū)項(xiàng)目旨在打造一個(gè)集品種創(chuàng)新、 基礎(chǔ)研究、創(chuàng)業(yè)孵化、共享服務(wù)于一體的現(xiàn)代化高標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家級(jí)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)園區(qū)，形成具有強(qiáng)大集聚功能、輻射能力和示范帶動(dòng)作用的總部聚集區(qū)。其中，B2棟成果展示中心位于項(xiàng)目中心，建筑面積為4 744.26 m²，采用框架結(jié)構(gòu)，是湖南省首個(gè)近零能耗辦公建筑典范。

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)近零能耗目標(biāo)的主要技術(shù)路徑是通過(guò)被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)，提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能，最大限度降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求。 長(zhǎng)沙市夏熱冬冷的氣候特征導(dǎo)致了公共建筑全年空調(diào)供暖能耗的增加。因此，本項(xiàng)目結(jié)合地區(qū)氣候特征、建筑用能特征和設(shè)計(jì)理念，項(xiàng)目采取以下主要技術(shù)路徑：被動(dòng)式設(shè)計(jì)優(yōu)先，主動(dòng)式技術(shù)優(yōu)化，可再生能源補(bǔ)充。整體技術(shù)方案如圖1所示。

圖1    整體技術(shù)方案示意圖

被動(dòng)式設(shè)計(jì)

• 平面布局與形體設(shè)計(jì)

近零能耗建筑作為節(jié)能降耗性能優(yōu)異的建筑典范，在整體規(guī)劃設(shè)計(jì)中，通過(guò)確立一系列科學(xué)合理的總體原則， 能從源頭引導(dǎo)建筑性能的實(shí)現(xiàn)，確保建筑在全生命期內(nèi)都能達(dá)到近零能耗的目標(biāo)。項(xiàng)目總平面圖如圖2所示。 

圖2    項(xiàng)目總平面

項(xiàng)目從規(guī)劃階段開(kāi)始，通過(guò)控制建筑密度、區(qū)域微氣候營(yíng)造等角度創(chuàng)造近零能耗建筑發(fā)展的前提條件，在建筑群規(guī)劃時(shí)，充分利用自然能源，降低冬季采暖能耗和夏季制冷能耗。同時(shí)，通過(guò)建筑群空間布局分析，營(yíng)造適宜的風(fēng)環(huán)境，降低冬季冷風(fēng)滲透，夏季增強(qiáng)自然通風(fēng)，通過(guò)景觀設(shè)計(jì)， 減少熱島效應(yīng)，降低夏季新風(fēng)負(fù)荷，提高空調(diào)設(shè)備效率。

B2 棟設(shè)在整個(gè)基地的中心，被試驗(yàn)田包圍，建筑體形設(shè)計(jì)力求規(guī)整緊湊、簡(jiǎn)潔、有利于近零能耗建筑節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要最大限度地減小體形系數(shù)，同時(shí)確?？刂聘鞒虼皦Ρ龋_(dá)到降低夏季太陽(yáng)熱輻射的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 

項(xiàng)目的功能房間平面布局均進(jìn)行細(xì)致推敲，避免在東西向設(shè)置較大的外立面。同時(shí)建筑體形的變化，與供暖和空調(diào)負(fù)荷及能耗的大小有密切的關(guān)系，凹凸越多，能耗越大。 因此建筑體形系數(shù)設(shè)計(jì)為0.19，避免體形系數(shù)過(guò)大，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷。 

在窗墻面積比的控制上，在保證采光的前提下，鑒于項(xiàng)目建筑空間有特定需求（需設(shè)有大型展覽區(qū)域），南向的窗墻面積比控制為0.57，對(duì)東、西向以避免設(shè)置主要功能房間外窗為主，通過(guò)利用外窗（包括透明幕墻）通風(fēng)，既能提高熱舒適性，又能節(jié)省能耗。 

項(xiàng)目的平面布置，立面設(shè)計(jì)均結(jié)合場(chǎng)地自然條件對(duì)建筑物的間距、體形、朝向等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分考慮建筑物獲得良好日照與自然通風(fēng)，合理組織綠地和水域，減少硬化地面，改善建筑室內(nèi)外夏季熱環(huán)境，減少冬季不利風(fēng)向。充分利用自然通風(fēng)、天然采光、太陽(yáng)得熱，控制體形系數(shù)和窗墻比等，為后續(xù)定量分析優(yōu)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

• 室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境優(yōu)化和自然采光利用

湖南地區(qū)過(guò)渡季充分利用自然通風(fēng)是效降低空調(diào)能耗的重要手段。項(xiàng)目通過(guò)設(shè)置通風(fēng)中庭及挑高空間，在高大空間頂部和底部設(shè)置可開(kāi)啟的開(kāi)啟部件，在建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面設(shè)置自然通風(fēng)開(kāi)啟扇，利用建筑高度在建筑頂部設(shè)置可開(kāi)啟天窗等方式，增強(qiáng)熱壓和風(fēng)壓的作用效果，自然 通風(fēng)模擬如圖3所示。

圖3    自然通風(fēng)模擬

在辦公區(qū)域增加開(kāi)窗透光面積，以降低辦公照明所帶來(lái)的能耗。針對(duì)展覽空間，在中庭部位設(shè)計(jì)了多組條狀采光天窗。通過(guò)利用中庭頂部的太陽(yáng)光線，保證開(kāi)敞展覽空間的天然光利用。2層中心區(qū)域空間的的天光照度及采光均勻度，降低照明能耗，自然采光模擬如圖4所示。

圖4    自然采光模擬

• 近零能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能提升：圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗占建筑總能耗的44%～49%，因此 提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能至關(guān)重要，可以提升建筑整體保溫隔熱性能、建筑能效、熱環(huán)境舒適度。因此，本項(xiàng)目對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能提升方案如下。外墻采用的是90 mm厚巖棉板，其平均傳熱系數(shù)為 0.48 W/(m²·K)；平屋面采用難燃型擠塑聚苯板作為保溫材料，厚度為140 mm，平均傳熱系數(shù)為0.25 W/(m²·K)，屋面保溫層上方設(shè)置防水層，防水隔汽層位于保溫板下面覆蓋屋面和女兒墻內(nèi)側(cè)墻體；首層幕墻采用明框幕墻，三玻兩腔中空玻璃，傳熱系數(shù)為 1.55 W/(m²·K)，夏季遮陽(yáng)系數(shù)0.37，冬季遮陽(yáng)系數(shù)0.37，可見(jiàn)光透射比0.62，2層采用隱框幕墻，兩玻一腔中空充氬氣，傳熱系數(shù)為1.70 W/(m²·K)，夏季遮陽(yáng)系數(shù)0.40，冬季遮陽(yáng)系數(shù)0.40，可見(jiàn)光透射比0.63；天窗采用兩玻一腔中空充氬氣，傳熱系數(shù)為1.99 W/(m²·K)， 夏季遮陽(yáng)系數(shù)0.42，冬季遮陽(yáng)系數(shù)0.42，可見(jiàn)光透射比0.62。

關(guān)鍵部位斷熱橋：近零能耗公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層應(yīng)連續(xù)完整，對(duì)于無(wú)法連續(xù)的部分，采用斷熱橋?qū)Ｓ媒M件進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體構(gòu)造如圖5至圖8所示。本項(xiàng)目的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)避免了破壞或穿透，確保了管線穿越時(shí)的保溫連續(xù)性，無(wú)空洞。在建筑部件連接處，保溫層保持連續(xù)無(wú)間隙，同時(shí)減少幾何結(jié)構(gòu)變化以降低散熱面積。對(duì)于潛在的熱橋構(gòu)造，進(jìn)行了加強(qiáng)保溫隔熱設(shè)計(jì)，以減少熱流通量。通過(guò)針對(duì)關(guān)鍵冷熱橋節(jié)點(diǎn)的二維冷熱橋傳熱分析，根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》要求和規(guī)定，在室內(nèi)設(shè)計(jì)溫、濕度條件下驗(yàn)算建筑屋面和外墻熱橋部分的內(nèi)表面是否有結(jié)露現(xiàn)象，結(jié)果如表1所示。經(jīng)驗(yàn)算，線性熱橋節(jié)點(diǎn)內(nèi)表面最低溫度大于室內(nèi)露點(diǎn)溫度（10.14 ℃），滿(mǎn)足結(jié)露驗(yàn)算規(guī)定，熱橋節(jié)點(diǎn)部位不會(huì)發(fā)生結(jié)露。

圖5    層間熱橋大樣圖

圖6    透氣管出屋面節(jié)點(diǎn)大樣圖

圖7    屋面天窗大樣圖

圖8    女兒墻泛水大樣圖

表1    結(jié)露驗(yàn)算表

氣密性設(shè)計(jì)：在高氣密性設(shè)計(jì)方面，通過(guò)采用簡(jiǎn)潔的造型和精細(xì)的細(xì)節(jié)處理，有效減少了漏氣節(jié)點(diǎn)區(qū)域的出現(xiàn)。選用的外門(mén)窗和幕墻均達(dá)到高級(jí)別的氣密性標(biāo)準(zhǔn)（門(mén)窗為6級(jí)，幕墻為4級(jí)），并運(yùn)用了如防水隔汽膜、專(zhuān)用膨脹密封條、專(zhuān)用氣密性處理涂料等高氣密性材料進(jìn)行封堵處理。此外，對(duì)于門(mén)窗、洞口、電氣接線盒、管線貫穿等易出現(xiàn)氣密性問(wèn)題的部位，進(jìn)行了特殊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，以確保整體結(jié)構(gòu)的氣密性。具體構(gòu)造如圖9至圖12所示。

圖9    預(yù)埋構(gòu)件縱剖圖

圖10    排水立管、橫管管卡隔聲、保溫節(jié)點(diǎn)圖

圖11    屋面排水管做法大樣圖

圖12    出屋面風(fēng)井大樣圖

主動(dòng)式優(yōu)化 

• 高效供暖空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

暖通空調(diào)冷熱源及系統(tǒng)形式：夏熱冬冷地區(qū)公共建筑空調(diào)供暖能耗占比較大，因此選用高能效的供暖空調(diào)設(shè)備，對(duì)降低建筑總能耗和提升室內(nèi)舒適度會(huì)產(chǎn)生顯著的積極影響。本項(xiàng)目集中空調(diào)系統(tǒng)冷熱源采用蒸發(fā)冷卻式雙高效熱泵+氣懸浮一體式冷水機(jī)組， 夏季制冷冬季供熱，采用環(huán)保制冷劑。冷水機(jī)組能效比為 5.35，雙高效熱泵制冷能效比為4.35，優(yōu)于GB/T 51350— 2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求；冬季僅雙高效熱泵機(jī)組運(yùn)行，供回水溫度為45/40 ℃?？偫湄?fù)荷為535 kW， 冷指標(biāo)為152 W/m²；總熱負(fù)荷為 119.7 kW，熱指標(biāo)為 34 W/m²?？照{(diào)末端展廳、大堂采用吊柜空調(diào)機(jī)組加新風(fēng)系統(tǒng)，辦公室及接待室采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)。

高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)：近零能耗建筑需具備優(yōu)良?xì)饷苄?，但自然通風(fēng)受限，因此需要設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)，其在公共建筑空調(diào)系統(tǒng)總負(fù)荷中的占比超過(guò)70%。因此，本項(xiàng)目新風(fēng)系統(tǒng)采用4臺(tái)轉(zhuǎn)輪熱回收式組合式空調(diào)機(jī)組，新風(fēng)機(jī)組采用兩級(jí)過(guò)濾，初效過(guò)濾器采用板式過(guò)濾器，中效采用板式高壓靜電過(guò)濾器，其 PM_2.5 一次凈化效率高于90%；新風(fēng)機(jī)組單位風(fēng)量耗功率為0.149 W/(m3·h)，全熱回收效率高達(dá)70%，所有機(jī)組可根據(jù)室內(nèi)PM_2.5 、CO₂ 濃度和露點(diǎn)溫度等變頻調(diào)速運(yùn)行，從而充分保證室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生需求。

• 照明及電氣設(shè)備節(jié)能

項(xiàng)目區(qū)域照明設(shè)備如表2所示。

表2    項(xiàng)目區(qū)域照明

根據(jù)建筑使用情況及天然采光情況，對(duì)照明進(jìn)行分區(qū)、分組控制；公共活動(dòng)區(qū)域照明（含廣告、標(biāo)識(shí)）采用智能燈光控制系統(tǒng)；普通照明及各種豎井等處的照明采用就地設(shè)置照明開(kāi)關(guān)控制。項(xiàng)目照明能耗從76 410.21 kW·h 降低到51 587.7 kW·h。模擬結(jié)果表明，采用高能效節(jié)能燈具與智能照明控制系統(tǒng)具有優(yōu)秀的節(jié)能效果，且性?xún)r(jià)比較高。

• 智能化與能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)

通過(guò)建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)建筑能耗進(jìn)行分類(lèi)和分項(xiàng)計(jì)量，利用遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)及時(shí)采集能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)建筑能耗的在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析。在主要功能房間設(shè)置PM₁₀ 、PM_2.5 、CO₂ 濃度的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)PM₁₀ 、PM_2.5 、CO₂ 分別進(jìn)行定時(shí)連續(xù)測(cè)量、顯示、記錄和數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)污染物濃度的讀數(shù)時(shí)間間隔不大于10 min；且樓頂?shù)奶齑霸O(shè)置聯(lián)網(wǎng)智能開(kāi)閉功能，根據(jù)室外天氣或室內(nèi)環(huán)境等因素實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)開(kāi)閉。

減碳效果分析

• 可再生能源減碳

可再生能源主要包括太陽(yáng)能、風(fēng)能和地?zé)崮艿?，其中利用太?yáng)能對(duì)建筑進(jìn)行能源補(bǔ)償具有來(lái)源廣泛、環(huán)?？沙掷m(xù)、技術(shù)成熟以及性?xún)r(jià)比較高等多方面的優(yōu)勢(shì)。項(xiàng)目所處的長(zhǎng)沙市，新能源資源稟賦較為一般，水力資源開(kāi)發(fā)利用程度高，風(fēng)能資源屬于Ⅳ類(lèi)地區(qū)，太陽(yáng)能資源屬于Ⅲ類(lèi)地區(qū)， 地?zé)崮苜Y源規(guī)?；蒙形葱纬沙墒斓纳虡I(yè)模式，新能源開(kāi)發(fā)增量空間比較有限，光伏發(fā)電是比較經(jīng)濟(jì)可行的選項(xiàng)。由于立面薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和造價(jià)較高等緣故，本項(xiàng)目在屋頂安裝太陽(yáng)能光伏組件，選用550 Wp單晶硅 光伏組件，共安裝220塊，總裝機(jī)容量為121 kWp，面積 為514 m²，選用架高安裝（雨棚形式），內(nèi)設(shè)導(dǎo)水槽，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量10.30萬(wàn) kW·h，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約電費(fèi)8萬(wàn)元；同時(shí)，項(xiàng)目采用“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”模式， 在屋面設(shè)置1臺(tái)70 kW+1臺(tái)30 kW組串式逆變器，共1個(gè) 并網(wǎng)點(diǎn)，采用400 V低壓并網(wǎng)。

• 能效指標(biāo)及運(yùn)行減碳

本項(xiàng)目通過(guò)多種優(yōu)化措施，與參照建筑對(duì)比，建筑總能耗從274 028.11 kW·h 降至 206 442.91 kW·h，建筑綜合能耗（不包含可再生能源）從 151.32 kW·h/m²降至 114.00 kW·h/m²，建筑本體節(jié)能率（不包含可再生能源）為 24.66%，建筑屋頂光伏年產(chǎn)能量為 103 211.2 kW·h，建筑綜合節(jié)能率為62.33%，可再生能源利用率為57.65%， 滿(mǎn)足GB/T 51350—2019中的近零能耗建筑能效指標(biāo)要求，具體能效指標(biāo)如表3所示。

表3    項(xiàng)目能效指標(biāo)

總  結(jié)

與標(biāo)準(zhǔn)辦公建筑相比，位于夏熱冬冷氣候區(qū)的近零能 耗公共建筑需結(jié)合本地區(qū)特點(diǎn)選取并實(shí)施節(jié)能低碳技術(shù)策略，同時(shí)進(jìn)行深入優(yōu)化與改進(jìn)。在被動(dòng)式設(shè)計(jì)上，全面考量了地區(qū)性氣候條件和建筑位置所帶來(lái)的獨(dú)特環(huán)境效應(yīng)，運(yùn)用了低體形系數(shù)、合理的窗墻比率、建筑遮陽(yáng)等策略，并將它們與近零能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合。選用了保溫層完整且連續(xù)的高性能?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)材料，若保溫層在構(gòu)造上難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)，則采用斷熱橋?qū)Ｓ媒M件來(lái)進(jìn)行斷熱處理或削弱熱橋效應(yīng)，從而大幅提升建筑的節(jié)能性能；通過(guò)實(shí)施主動(dòng)式 節(jié)能手段，提升了暖通空調(diào)、電氣照明等系統(tǒng)的能效，從能 源使用源頭減少了全年的能耗，并提高了能源利用效率。同時(shí)，整合了建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)建筑的能耗狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與管理，利用數(shù)據(jù)分析手段來(lái)優(yōu)化能源使用，達(dá)到了對(duì)建筑能耗的全面監(jiān)管和智慧運(yùn)行；在可再生能源的利用上，充分挖掘了建筑及其周邊環(huán)境中的可再生能源潛力，將其作為實(shí)現(xiàn)近零能耗目標(biāo)的關(guān)鍵途徑，通過(guò)減少對(duì)非可再生能源的依賴(lài)，以降低建筑運(yùn)行階段的能耗。此外，還對(duì)建筑的室內(nèi)通風(fēng)、自然采光等方面進(jìn)行了改進(jìn)，并將這些改進(jìn)措施與具體的近零能耗建筑技術(shù)相結(jié)合，顯著提高了室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，同時(shí)促進(jìn)了辦公建筑的節(jié)能與減碳效果。

本項(xiàng)目在滿(mǎn)足建筑內(nèi)部健康舒適性的同時(shí)，通過(guò)各種技術(shù)手段降低建筑50 a能耗運(yùn)行費(fèi)用，建筑運(yùn)行階段經(jīng)濟(jì)效益顯著，為湖南省建筑領(lǐng)域綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了可推廣和復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。