超低能耗建筑設計方法與典型案例研究
王學宛，張時聰，徐偉，孫育英，王偉
（1．北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京100124；2．中國建筑科學研究院，北京100013）
[摘要]近幾年，許多發(fā)達國家積極開展關于超低能耗、近零能耗、零能耗建筑（本文根據(jù)《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》，將上述名詞統(tǒng)稱為超低能耗建筑）的相關研究并建設典型示范工程，國內(nèi)也逐步研究開展相關工作。超低能耗建筑大范圍推廣的關鍵之一是從傳統(tǒng)建筑設計方法到基于能耗指標控制的性能化設計方法的轉(zhuǎn)變。本文通過分析國內(nèi)外超低能耗建筑設計方法相關研究，提煉出3種科學通用的超低能耗建筑設計方法一關鍵參數(shù)限額法、雙向交叉平衡法和經(jīng)濟環(huán)境決策法，并系統(tǒng)分析了每種方法的設計流程、設計要點及適用性，對最佳案例進行了研究。
[關鍵詞]超低能耗建筑；性能化設計方法；能耗指標；設計流程
0 引言
2000年以后，國際上開始推動建設超低能耗建筑。剛剛召開的巴黎氣候大會上各國也針對節(jié)能減排問題制定相應目標。通過超低能耗建筑示范項目的實踐，日本、加拿大、美國等國家已經(jīng)制定實現(xiàn)超低能耗建筑目標的路線圖及辦法，并逐步推廣基于能耗指標的性能化設計。然而，目前國際上多是針對某一設計案例或設計中的某一方面開展深入研究，缺少系統(tǒng)化、通用性強的超低能耗建筑設計指導方法。本文通過深入分析已有超低能耗建筑設計方法相關研究的必要流程及關鍵問題，提煉出3種不同流程、不同要點、不同適用特性的通用方法，協(xié)助超低能耗建筑在國內(nèi)的實踐，由此推動建筑節(jié)能工作發(fā)展。
1 超低能耗建筑設計與傳統(tǒng)設計
1.1 傳統(tǒng)建筑
目前，我國絕大多數(shù)設計沿用傳統(tǒng)設計方法，即依照現(xiàn)行建筑設計規(guī)范和建筑設計方法進行設計，以我國現(xiàn)行的GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設計標準》和各氣候區(qū)《居住建筑節(jié)能設計標準》為例，規(guī)范詳細規(guī)定了建筑、暖通及電氣專業(yè)的節(jié)能性能指標，包括熱工參數(shù)限值，空調(diào)系統(tǒng)形式及設備能效限值等。
傳統(tǒng)設計方法以相關設計標準為原則，滿足業(yè)主對建筑各項功能需求為核心，各專業(yè)分別實現(xiàn)自身職責（團隊分工示意圖可總結為圖1所示）。此種設計方法特點是分工明確，設計人員只需根據(jù)相關規(guī)范標準“照方抓藥”，做出“合規(guī)”的設計，保證滿足建筑功能。然而，應用傳統(tǒng)設計方法來達到超低能耗建筑目標存在一些局限性，主要表現(xiàn)為：
1)滿足功能和安全性要求的同時傳統(tǒng)設計經(jīng)常出現(xiàn)設計偏大，造成設備閑置、系統(tǒng)龐大、能源浪費、成本過高等問題。
2)現(xiàn)有設計標準大多分散在各專業(yè)標準體系中，多數(shù)節(jié)能條款嵌入分專業(yè)的技術標準，導致眾多孤立節(jié)能技術的堆砌，并不能實現(xiàn)預期節(jié)能效果。
3)對建筑圍護結構傳熱系數(shù)限值的要求不能最小化建筑能量需求和促進高標準建筑材料的研發(fā)使用。
4)不利于設計人員發(fā)揮主觀能動性靈活設計、最大化提高能效。
1.2超低能耗建筑
目前，作為超低能耗建筑的一種形式，德國被動房被廣泛接受，通常其最大供熱負荷不超過10 W/m2、供熱、制冷能耗需求量均不超過15 kW．fi／( IIl2-a)、年一次能源總消耗（包括生活熱水、供熱制冷和烹飪）不超過120 kW-h/( m2-a)，由此可見，超低能耗建筑設計與傳統(tǒng)建筑設計的不同在于從僅僅實現(xiàn)建筑功能到最優(yōu)化建筑性能的提升，即實現(xiàn)滿足能耗指標的性能化設計。
以能耗為控制指標的性能化設計方法可以理解為：各分支專業(yè)均以優(yōu)化建筑性能以及達到終極能耗指標為中心（團隊分工示意圖見圖2），通過充分利用建筑周圍自然條件，各專業(yè)交互配合提出滿足建筑功能及能耗指標的建筑體形系數(shù)、圍護結構熱工參數(shù)以及高效設備及系統(tǒng)方案，對其最終運行能耗進行預測評估，從而得出每一棟建筑最優(yōu)化合理的設計方案。
相對于傳統(tǒng)建筑設計方法，基于能耗指標的性能化設計有以下特點：
1)以能耗指標為導向，協(xié)調(diào)各專業(yè)充分發(fā)揮設計師主觀能動性。
2)初設階段嚴格把控建筑形體和圍護結構熱工參數(shù)，最小化建筑能源需求，以能耗指標為導向，被動優(yōu)先主動優(yōu)化相結合，同時對場地周圍可再生能源應用潛力儲能技術和能量回收技術潛力進行研究。
3)不規(guī)定整個建筑設計過程的具體節(jié)能措施，以建筑能耗表現(xiàn)為終極目標優(yōu)化整合適用節(jié)能技術和設計方案。
2 超低能耗建筑設計流程及技術優(yōu)選研究
超低能耗建筑設計方法相關研究可以分為三類：第一類是對設計流程框架的研究，第二類是節(jié)能技術優(yōu)選研究，第三類是其他設計相關研究。
2.1 設計流程框架研究
在超低能耗建筑設計探索中，很多研究人員根據(jù)應用地域、技術水平、國情不同，對超低建筑的設計流程進行研究，目標是為某一具體建筑或某氣候類型下的建筑提供一個基本的設計概念和流程框架。
Mathieu David基于法國被動房設計方法提出一種適用于熱帶地區(qū)零能耗建筑的設計流程，并將其應用于法國第一棟海外零能耗建筑建造中，達到能耗指標低于50 kW h／m2的水平。該流程強調(diào)各部門協(xié)同設計、高水平設計工具應用與經(jīng)濟適用的方案，并注重對自然資源的最大化利用，設計流程如圖3所示。
清華大學宋曄皓提出了零能耗建筑Decision-Design-Feedback Phase Process的設計思想和基于合作的設計( collaboration-based design)流程，并將其應用于北京水禽館的建設，將熱負荷峰值控制在11.1 W／rri2、將尖峰冷負荷峰值控制在8.1 W／ni2。基于合作的設計（collaboration-based design）流程，如圖4所示。
David Pudleiner基于某工廠建筑實例，提出不確定性和敏感性分析的方法。應用此方法對31種建筑設計方案及13個建筑參數(shù)進行優(yōu)選來提高建筑能效。提出如圖5所示設計思路。
Mohamed Hamdy提出建筑節(jié)能措施(energy-savlng measures．ESMs)和可再生能源系統(tǒng)( renewable energy sources，RESs)的有效組合可以實現(xiàn)建筑零能耗。第一步算得建筑各參數(shù)和系統(tǒng)的最高效組合，第二步算出一次能源消耗( primary-energyconsumption，PEC)和全生命周期(life cycle cost，LCC)最優(yōu)組合，第三步最優(yōu)化光熱和光伏系統(tǒng)，從完成建筑的最優(yōu)化設計，依據(jù)此種方法，芬蘭寒冷地區(qū)獨棟建筑可以達到實際能耗70 kW．h／(m2．a(chǎn))。如果加入可再生能源的使用，能耗可以降到更低。
盧月紅針對可再生能源部分，基于遺傳算法將CO2排放量、總成本、電網(wǎng)連接因子三者綜合考慮，可直接得到設計最優(yōu)結果，但不能為設計者提供具體設計參數(shù)的修改意見；基于非支配排序遺傳算法將3個目標函數(shù)平行考慮，可以給出設計者指導意見。
2.2 節(jié)能技術優(yōu)先性研究
在設計流程研究的基礎上，有專家開展了對超低能耗建筑元素求解最優(yōu)值、求解被動技術措施最優(yōu)值的方法探究，為超低能耗建筑具體的設計步驟提供參考方法，具體如下：
龔新智將中國依據(jù)氣候條件分為7個區(qū)域，使用正交法和列表法以能耗為目標函數(shù)得到7種被動技術措施適用的優(yōu)先性排序，包括外墻厚度、外墻保溫厚度、屋頂保溫厚度、窗戶朝向、窗墻比、玻璃類型、日光溫室深度寬度，指出除了夏熱冬暖地區(qū)，屋頂保溫厚度、外墻保溫厚度對能耗的影響分別占到70%和10 %，應優(yōu)先考慮。
Seoung-Wook Whang基于既有的31棟節(jié)能建筑展開對20種被動技術( passive design elements，PDEs)的研究，得出優(yōu)先級較高的七種被動技術組合分別為南向窗加北向墻體的保溫、自然通風、氣密性、三層真空玻璃、外保溫系統(tǒng)、建筑分區(qū)以及外保溫系數(shù)。對優(yōu)先性強的因素進行優(yōu)化可將C02排放量減少80%，供暖能耗降低到一般建筑的25%。
孫永軍提出宏觀參數(shù)系統(tǒng)敏感性分析方法(systematic sensitivity analysis of macro-parameters).逐一分析設計關鍵參數(shù)對零能耗建筑各系統(tǒng)規(guī)格的影響，得出影響最大的參數(shù)是室內(nèi)設定溫度、系統(tǒng)性能系數(shù)及室內(nèi)得熱密度，影響最小的參數(shù)是墻體厚度、窗墻比，滲透率及風管能量損失。
Bryan Eisenhower建立“Meta-model”新模型（圖6所示），為建筑設計提供最佳參數(shù)取值，得出在以建筑能耗和舒適度為目標函數(shù)下最具影響的前20名建筑元素。提出用不確定性分析( uncertaintyanalysis，UA)和敏感性分析(sensitivity analysis，SA)的方法縮小建筑才參數(shù)取值范圍可以更加有利于超低能耗建筑設計參數(shù)的選擇。
Evola探究適用于溫帶地中海氣候低層住宅零能耗建筑設計的有效技術措施，得出增加圍護結構保溫性能、使用低輻射玻璃、窗外遮陽、自然冷卻、熱泵作為能源供應系統(tǒng)以及太陽能集熱器供給生活熱水都有良好效果。并將其應用實際案例最終達到每戶僅用6.5 m2的光伏系統(tǒng)，僅增加6%初投資即可實現(xiàn)零能耗。
2.3其他相關研究
Rabin Bldg基于室內(nèi)空氣質(zhì)量、聲學、光學等原則提出基于性能的設計（performance-based design，PBD)，此種流程適用于大多區(qū)域。并強調(diào)性能化設計必須發(fā)展仿真設計工具和性能測試方法，遵循將用戶、市場以及業(yè)主三者綜合考慮的設計理念，PBD的流程如圖7所示：
Kapsalaki建立了適用于住宅的方法以及生命周期成本( life cycle cost，LCC)和初始成本(initialcost，IC)的估算方法及相應計算平臺，得出在建筑設計初期進行經(jīng)濟性評估的重要性。數(shù)據(jù)顯示考慮當?shù)貧夂�、�?jīng)濟條件和建筑內(nèi)生能源后，在溫和氣候最優(yōu)和最差經(jīng)濟性比值可達到3:1，寒冷地帶甚至達到6:1。嘗試用平臺結合當?shù)亟?jīng)濟條件，氣候條件以及內(nèi)生能源來評估超低能耗建筑設計方案可行性。
Mohamed Hamdy還研究以C02排放量和投資成本作為目標函數(shù)，結合GA算法和MATLAB仿真，以冷熱源、熱回收形式，建筑圍護結構參數(shù)為變量，計算出對于兩層住宅建筑及其暖通空調(diào)系統(tǒng)的最佳設計方案，相比初始方案減少320/0 C02排放量和26%初投資
Maurizio Cellura基于意大利第一棟近零能耗建筑“the Leaf House”探討不同計算方法（包括中機能源及一次能源使用量）下建筑能耗量是不同的，如果要符合各定義的要求就需要對光伏系統(tǒng)、圍護結構等進行再設計。
Ravi S．Srinivasan提出可再生能源能值平衡法( renewable emergy balance，REB)，注重建筑設計之初的可再生能源設計最大化利用，從新的角度說明建筑設計的另一個重要因素。
2.4小結
綜上所述，現(xiàn)有關于超低能耗建筑設計方法的相關研究可歸結為以下三方面：
1)以能耗為導向，針對某一建筑分析其設計流程。設計流程共同點在于強調(diào)一體化的設計概念、協(xié)同設計。但設計流程研究都是針對某一地區(qū)、基于某一建筑案例得到，建筑類型及所在氣候具有特殊性，結果的推廣應用有一定局限性，如適用于所有類型及地區(qū)，要點需進一步明確，并增加其通用性。
2)以能耗為導向，針對某一建筑分析確定各參數(shù)取值（范圍）或各種被動技術重要性。其中給出了一些設計超低能耗建筑適用的設計措施。但這只針對超低能耗建筑設計方法的一部分進行探究，缺乏對建筑設計整體性設計的思考和指導。
3)以能耗、環(huán)境、經(jīng)濟性為目標，針對某一（類型）建筑考慮經(jīng)濟可行性及環(huán)保效果，確定最優(yōu)建筑設計方法。為超低能耗建筑設計方法可行性提供指導，但是對設計細節(jié)指導不夠。
3 超低能耗建筑的通用設計方法
對于超低能耗建筑設計方法的探究，并不需要一些刻板的技術指導，套用基于單獨案例得到的方法到超低能耗建筑的性能化設計中去有一定困難．基于能耗指標的性能化設計需要的是能夠凝練建筑設計要點的通用性強、引導性強的方法和完整設計流程的指導。
為推進建筑節(jié)能，協(xié)助指導超低能耗建筑設計，本文分析總結國內(nèi)外現(xiàn)有相關文獻與典型案例，依據(jù)目標函數(shù)的不同，加以考慮建筑所在地氣候特點差異，提煉出適用于超低能耗建筑通用的3種設計方法：關鍵參數(shù)限額法、雙向交叉平衡法以及經(jīng)濟環(huán)境決策法。對各種建筑及不同氣候類型下設計超低能耗建筑的要點、流程及步驟給出指導。
3.1 關鍵參數(shù)限額法
關鍵參數(shù)限額法即以減小建筑耗能為導向，充分利用氣候特征和自然條件，嚴格控制建筑關鍵元素（外墻、屋面、外窗的傳熱系數(shù)、氣密性）指標，結合高效新風熱回收技術，基本滿足用戶舒適條件的設計方法。這種方法對可再生能源資源的依賴性不強，無需過多模擬計算，實質(zhì)上是對現(xiàn)有節(jié)能標準控制指標的提升，應用此種方法旨在使建筑具備達到超低能耗建筑的潛力。
應用關鍵參數(shù)限額法達到超低能耗有3個主要技術特征：
1)圍護結構熱工性能的提高和建筑整體氣密性的提高。外墻、屋面、外窗、樓板這些圍護結構的傳熱系數(shù)需達規(guī)定數(shù)值，由此極大限度提高建筑保溫隔熱性能以及氣密性；
2)充分利用被動式技術節(jié)能。如自然通風、自然采光、太陽能輻射和室內(nèi)非供暖熱源的利用，顯著降低建筑能源需求和對機械系統(tǒng)的依賴；
3)高效新風熱回收系統(tǒng)。有效保障室內(nèi)空氣質(zhì)量和熱環(huán)境。
該方法流程圖如圖8。
3.2雙向交叉平衡法
雙向交叉平衡法即以能耗指標、舒適度指標為導向，在優(yōu)化建筑圍護結構和高效新風熱回收的同時，考慮可再生能源的應用，建筑消耗的能量由可再生能源來提供，從而達到能量供需的平衡的設計方法。設計過程中通過改變建筑朝向、窗墻比，將建筑本身圍護結構與系統(tǒng)設備、可再生能源與高效能源有效組合。通過可再生能源達到建筑能源供需的平衡，可以充分滿足用戶的舒適要求。
應用雙向交叉平衡法達到超低能耗有3個主要技術特征：
1)充分優(yōu)化被動設計手段。調(diào)節(jié)建筑體形系數(shù)、內(nèi)外遮陽、自然通風和自然采光等，嚴格把控建筑圍護結構參數(shù)限值，最大限度減小建筑對化石燃料的需求；
2)主動優(yōu)化提高系統(tǒng)性能。利用新型技術和設備提高能效，如節(jié)能燈具、變頻風機或水泵等的應用；
3)合理利用可再生能源。建筑需求的能量盡可能多的來源于太陽能、風能、淺層地熱能、生物質(zhì)能等可再生能源。
該方法流程圖見圖9。
3.3經(jīng)濟環(huán)境決策法
經(jīng)濟環(huán)境決策法即以能耗、舒適度和經(jīng)濟性3個指標為導向，通過對建筑本身圍護結構的優(yōu)化，以及有效利用周圍環(huán)境以及可再生能源，考慮經(jīng)濟可行性因素，不斷優(yōu)化建筑設計方法，直到找出使建筑物各項指標滿足的設計條件的設計方法。該方法將3個指標平行考慮，需要循環(huán)迭代的計算和定量的分析，在最優(yōu)化目標函數(shù)的同時滿足業(yè)主和用戶的需求。
應用經(jīng)濟環(huán)境決策法達到超低能耗有3個主要技術特征：
1)同時滿足3項設計指標。建筑設計初期要同時設定能耗指標、經(jīng)濟性指標和環(huán)境優(yōu)化指標，圍繞這3項指標進行設計；
2)充分主動優(yōu)化設計。循環(huán)迭代優(yōu)化，得到單個參數(shù)的最優(yōu)取值，系統(tǒng)設計方案及運行方案；
3)經(jīng)濟可行性分析。決策節(jié)能與投資的關系，選擇合適方案。
其流程圖如圖10所示。
3.4小結
關鍵參數(shù)限額法、雙向交叉平衡法以及經(jīng)濟環(huán)境決策法是可以實現(xiàn)超低能耗目標的3種通用設計方法，并且都不受建筑類型限制，應用領域包括辦公、住宅、學校、體育館及工業(yè)用房，并且既有建筑也可依照3種方法提升節(jié)能效果。
關鍵參數(shù)限額法是3種方法中相對簡單基礎的方法。對關鍵元素進行限額也是設計超低能耗建筑最基礎的一步。推薦使用在對舒適度要求不高的小型公建、住宅的設計上，用相對較少的資金投入來降低運行費用，獲得基本舒適的室內(nèi)環(huán)境。
雙向交叉平衡法相對關鍵參數(shù)限額法復雜，在設計思路上除了強調(diào)通過建筑被動設計和主動設計獲得建筑元素優(yōu)選設計值外，還將建筑能源需求轉(zhuǎn)向可再生能源。因此對耗能量較大、有條件利用可再生能源的場所使用。
經(jīng)濟環(huán)境決策法是3種方法中考慮最周全、相對最復雜的一種方法。這種方法適用于考慮節(jié)能收益比的大型建筑。因為此方法可給出業(yè)主和投資商量化的節(jié)能效益、成本增量和回收年限，避免了不計成本的盲目使用可再生能源的情況，解決了業(yè)主關心的經(jīng)濟性問題。
4 典型案例研究
上文已經(jīng)提煉出3種通用的低能耗建筑設計方法，對于特定建筑如何套用上述方法有效實現(xiàn)節(jié)能，下面給出參考案例。
4.1 中國新疆“幸福堡”商業(yè)綜合樓
“幸福堡”位于中國新疆自治區(qū)，建筑區(qū)域7667.9m2，地下兩層（包括車庫超市），地上六層（包括商業(yè)餐飲和酒店），其中被動式建筑面積為436 1.6m2。其建成標志著中亞嚴寒干熱氣候區(qū)有了第一棟接近零能耗的標志性建筑，該建筑也是中國第四棟獲得被動式建筑認證證書的建筑。“幸福堡”采用關鍵參數(shù)限額法設計，以建筑能耗目標為導向，生活熱水、供熱、供冷和生活用電總能耗限額為54 kW·h/( m2 -a)，耗能僅為每平方米1.5 m3燃氣，設計流程如圖8，主要步驟如下。
第一步：規(guī)定圍護結構熱工參數(shù)限值，以及防止熱橋、加強隔熱的措施。外墻、屋面等圍護結構K值上限為0. 15 W/( m2．K)，窗玻璃K值上限0.80W/( m2.K)。設計人員需在設計圖上詳細注明建筑邊緣，轉(zhuǎn)角，連接和縫隙等部位的設計詳圖。無法避免的熱橋K值上限0. 01 W/( m2．K)。另外，屋頂增加了綠化設計用于提高建筑保溫隔熱性能。供熱管道、設備要求做保溫，嚴格密封處理。
第二步：在自然通風和采光的設計中，盡量利用自然冷源和自然光，減少空調(diào)和照明能耗。一至三層設有中庭，采用電動開窗器和電動外遮陽，保證建筑良好的自然通風采光。
第三步：在建筑能源系統(tǒng)的設計中，注重結合建筑需求最大化系統(tǒng)能效。具體措施如下：
1)制冷空調(diào)系統(tǒng)：建筑處于嚴寒干熱氣候區(qū)，夏季尤其需要保證空氣品質(zhì)，降溫加濕，因此制冷空調(diào)系統(tǒng)選用高溫水和干工況，采用地面輻射供冷，供回水溫度16—21℃。高性能冷水機組設計工況下系統(tǒng)能效達到14.9，且不結露。
2)供熱空調(diào)系統(tǒng)：采用落地式冷凝模塊低溫和高溫燃氣鍋爐為建筑供熱并提供生活用水。一次側循環(huán)水泵耦合連接二次側變頻節(jié)能水泵，可根據(jù)負載、室外氣溫、自動調(diào)節(jié)鍋爐工作數(shù)量及每臺鍋爐的輸出功率大小。高溫燃氣鍋爐可提供60—80 aC熱水，最高熱效率可達97. 4%。
3)新風熱回收機組，熱回收效率高達75%，保證了室內(nèi)空氣質(zhì)量和能源的節(jié)約。該項目設計要點是保證關鍵指標不超過規(guī)定限值，進而達成終極能耗指標。德國度納幼兒園、哈爾濱溪樹庭院的實現(xiàn)都使用關鍵參數(shù)限額法進行設計，通過對圍護結構傳熱系數(shù)的嚴格把控，不需用可再生能源系統(tǒng)，同樣可以達到不超過120 kW - h/( mz．a(chǎn))的能耗指標。
4.2美國國家可再生能源實驗室辦公大樓
美國國家可再生能源實驗室辦公大樓（Research Support Facility，簡稱RSF）位于科羅拉多州戈爾登，是一棟20 000 lIl2的辦公建筑，可容納多達800人辦公。項目旨在創(chuàng)造一個可推廣的超低能耗建筑模式。該工程是史上LEED得分最高的建筑，2011年被評為LEED白金級，是綠色建筑的典范。RSF注重一體化設計，建筑設計相關部門以預定的性能指標、成本、占地以及時間為目標開展工作，并在運行過程中不斷調(diào)試系統(tǒng)進行。
RSF大樓采用雙向交叉平衡法設計，最終達到建筑能耗僅為111 kW-h/( m2．a(chǎn))，其中包括一個消耗建筑1/3能耗的數(shù)據(jù)中心。設計流程如圖9所示，設計過程分為以下四步：
第一步為建筑周圍環(huán)境分析：設計師根據(jù)建筑所在地干冷、以供熱為主導，通過分析地理位置選用H型設計，已獲得更好的采光條件。結合AutodeskEcotect Analysis軟件詳細分析建筑各方向太陽輻射情況與風向頻率，確定建筑形狀與朝向，并為照明和通風的被動設計奠定基礎。
第二步為被動設計：首先保證圍護結構良好的保溫隔熱性能，外墻、屋頂和窗體K值分別為0. 053W/(m2. K)、0.03 W/( m2. K)和0.41 W/( m2. K).自然通風和采光依賴于蒸發(fā)太陽能集熱器和節(jié)能窗體實現(xiàn)。自然采光通過采光窗和觀光窗結合實現(xiàn)最優(yōu)化，采光窗用于自然光的攝人，觀光窗用來控制遮陽和炫目，92%的建筑區(qū)域可僅依賴日光照射滿足所需。
第三步為主動優(yōu)化：各系統(tǒng)都與智能高效的自控系統(tǒng)相結合，通風系統(tǒng)結合C02濃度傳感器控制通風啟停。采用頂板輻射方式供熱供冷，存儲利用絕緣預制混凝土蓄熱墻、熱回收裝置、數(shù)據(jù)機房和蒸發(fā)太陽能集熱器的熱量。照明方面結合智能控制系統(tǒng)，最小化能耗。
第四步可再生能源應用設計。完全使用太陽能代替化石能源，結合“Nrel PV watt”軟件設計優(yōu)化光伏系統(tǒng)。該項目完全圍繞雙向交叉平衡法流程設計，以能耗為控制指標，結合優(yōu)化仿真軟件做到了采光、通風的精細化設計。此方法西雅圖最環(huán)保的辦公樓Bullitte Center、中國的天津生態(tài)城公屋、CABR超低能耗辦公建筑項目上也得到應用，并取得良好效果。
4.3韓國零碳綠色家園
韓國零碳綠色家園( Zero Carbon Green Home)是位于韓國首爾南部的一棟8層的居住超低能耗建筑，內(nèi)有122戶獨立住宅及公寓建筑。
該項目采用經(jīng)濟環(huán)境平衡法設計，以能耗指標、環(huán)境指標及經(jīng)濟指標為控制指標，并結合對周圍環(huán)境的利用、建筑本身圍護結構的優(yōu)化以及經(jīng)濟性分析。其流程圖如圖10所示，設計過程分為以四個步驟。
第一步為被動設計：高性能超真空絕熱Low-E玻璃窗系統(tǒng)K值達到0.8 W/( m2．K)，這種做法使得通過玻璃的熱損失減少60%~70%；墻體K值為0. 15 W/( m2．K)，高性能保溫材料導熱系數(shù)0.004W/( m- K)，是傳統(tǒng)墻體保溫效果的3倍；高性真空絕熱保溫門K值為0.6 W/( mz．K)；熱橋損失保證在0. 01 W/( m2.K)；窗子的布置使建筑各房間在白天可以保證自然采光以及穿堂風，利用C02探測器控制每個房間的通風量，保證良好的室內(nèi)空氣環(huán)境，達到建筑單單用被動技術措施即可節(jié)約采暖能耗80%的效果。
第二步為主動優(yōu)化：冬季只需要用小型鍋爐供應采暖和生活熱水，同時使用熱回收裝置。在不供暖的情況下房間可靠太陽輻射保持室內(nèi)平均溫度維持在20℃左右。夏季設置外遮陽百葉簾使室內(nèi)平均溫度波動保持在1—2℃左右。照明方面使用自然采光、人工照明和光感傳熱器結合控制。
第三步為可再生能源應用設計。從能源供需角度比較決策光伏系統(tǒng)的參數(shù)和面積，采用建筑光伏一體化技術。冬季光伏系統(tǒng)年產(chǎn)能可達46 000 kW-h，相當于提供傳統(tǒng)公寓85%的能源用量。被動設計加上可再生能源的作用最終可達到降低85%能源使用的目標。
第四步為經(jīng)濟性評估：零碳綠色家園在設計初期提出了一個成本回收周期的構想，提升15%的初投資成本，回收周期為15 a。這一步貫穿于整個設計過程中。
零碳綠色家園的實際運行數(shù)據(jù)表明該建筑相對于傳統(tǒng)建筑，C02排放量減少了90%，供熱和照明能耗降低了85%，另外初投資增量成本可保持在20%以內(nèi)，回收周期約為10 a。除零碳綠色家園之外，丹麥哥本哈根綠色燈塔、韓國多戶型住宅等都基于經(jīng)濟環(huán)境決策法設計，取得良好成效。
5 結語
本文基于對現(xiàn)有國內(nèi)外超低能耗建筑相關文獻與典型案例的分析和思考，提出3種超低能耗建筑設計方法，得出以下結論：
1)梳理了傳統(tǒng)建筑與超低能耗建筑在設計理念與方法上的異同，說明了傳統(tǒng)建筑設計方法應用于超低能耗建筑設計上的局限性，明確了研究超低能耗建筑設計方法對推進建設超低能耗建筑和建筑節(jié)能工作的重要作用。
2)國內(nèi)外學者多針對案例進行研究，難以對超低能耗建筑設計提供有效指導。本文提煉出適用于超低能耗建筑的基于能耗指標的性能化設計方法——關鍵參數(shù)限額法、雙向交叉平衡法以及經(jīng)濟環(huán)境決策法，并說明設計流程以及適用性，彌補了超低能耗建筑設計方法的空白，為超低能耗建筑的設計實踐提供必要的參考。
推行超低能耗建筑是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，基于本文的討論并結合我國的實際情況，筆者認為超低能耗建筑形式在國內(nèi)的推行有以下幾個問題需要關注：
1)我國地域遼闊，各地建筑風格迥異、資源不同、經(jīng)濟水平發(fā)展不均。當前不同氣候區(qū)域都已有超低能耗建筑示范項目，在此基礎上結合地區(qū)環(huán)境特色、因地制宜，探索分析適用于我國5個氣候區(qū)域的超低能耗建筑設計方法勢在必行。
2)相對發(fā)達國家，我國目前實現(xiàn)超低能耗建筑還在學習階段。目前示范建筑多使用德國被動房能耗指標。但我國建筑形式以及居民生活習慣多與德國不同，對K值的測試條件、室內(nèi)舒適度要求、超溫頻率及計算面積方法與德國均有差異，因此制定適合于各地區(qū)的科學的各項能耗指標工作亟待開展。
3)國內(nèi)對超低能耗建筑的性能認定工具和手段的相關研究較少，實現(xiàn)超低能耗建筑的關鍵技術和設備的研發(fā)急需實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和標準化，推進超低能耗建筑市場化、降低相關成本也是推行超低能耗建筑實施的關鍵之一。
上一篇:不同底材上制備的CrCuFeMnSiAlx高熵合金的組成和性能
下一篇:返回列表
