陳俊亦 賈琪 崔明輝

摘 要：為實(shí)現(xiàn)零碳建筑的零碳排放和超低能耗目標(biāo)，提出了零碳建筑的技術(shù)路線。利用負(fù)荷能耗指標(biāo)作為技術(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以保定市某幼兒園實(shí)際工程為例，通過(guò)DeST軟件模擬，分析了本項(xiàng)目全年負(fù)荷變化，冷熱負(fù)荷指標(biāo)以及負(fù)荷能耗指標(biāo)，然后通過(guò)正交試驗(yàn)與極差分析得出不同影響因素對(duì)建筑熱負(fù)荷的影響程度。結(jié)果表明，零碳幼兒園全年累計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為61.60 kW·h/m2，全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)為75.99 kW·h/m2，采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)為18.36 W/m2，空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)為25.76 W/m2;不同影響因素對(duì)建筑熱負(fù)荷的影響程度從大到小依次為外墻傳熱系數(shù)>人員密度>設(shè)備功率>屋頂傳熱系數(shù)，對(duì)建筑冷負(fù)荷影響程度從大到小依次為人員密度>設(shè)備功率>外墻傳熱系數(shù)>屋頂傳熱系數(shù)。零碳建筑技術(shù)路線的運(yùn)用對(duì)于降低建筑能耗、實(shí)現(xiàn)建筑零碳目標(biāo)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計(jì)方法與理論;零碳建筑;節(jié)能技術(shù);DeST模擬;正交試驗(yàn);極差分析

中圖分類號(hào)：TU244.1?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2019yx06005

文章編號(hào)：1008-1534（2019）06-0396-07

Abstract：Aiming at the zero-carbon emission and ultra-low energy consumption targets of zero-carbon buildings， the technical route of zero-carbon buildings is proposed. The load energy consumption index is used as the technical evaluation standard. The actual project of zero-carbon kindergarten in Baoding City is taken as an example to analyze with DeST software. The annual load change， cold and heat load indicators and load energy consumption indicators of the project are analyzed， and the effect of different factors on building thermal load and cold load is obtained by orthogonal test and range analysis. The results show that the annual cumulative heat load index of the zero-carbon kindergarten is 61.60 kW·h/m2， the annual accumulated cold load index is 75.99 kW·h/m2， and the heating season thermal load index is 18.36 W/m2. It is 25.76 W/m2 in air conditioning season. The relationship between the influence of different influencing factors on building thermal load is the external wall heat transfer coefficient > personnel density > equipment power > roof heat transfer coefficient; the relationship between the degree of influence on building cold load for personnel density > equipment power > external wall heat transfer coefficient > roof heat transfer coefficient.The use of zero-carbon building technology routes is of great significance for reducing building energy consumption and achieving zero carbon targets.

Keywords：architectural design method and theory; zero carbon construction; energy saving technology; DeST simulation; orthogonal test; range analysis

現(xiàn)階段，中國(guó)正處在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，面對(duì)不斷推進(jìn)的新型城鎮(zhèn)化建設(shè)和不斷提高的居民生活水平需求，建筑行業(yè)也面臨著能源、資源消耗和環(huán)境影響之間的沖突和挑戰(zhàn)。在全球倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)下，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)改革，探索零碳建筑模式，必將成為未來(lái)城市建設(shè)和發(fā)展的主流。

2019年9月1日，由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》正式實(shí)施。

零碳建筑的概念源于零碳城市，指采用綜合建筑設(shè)計(jì)方法，在不消耗常規(guī)污染性能源的情況下，實(shí)現(xiàn)建筑物的零碳排放。零碳建筑的核心是在建筑物消耗的能源與其自身產(chǎn)生的能源達(dá)到平衡時(shí)實(shí)現(xiàn)零碳排放。世界上著名的零碳建筑示范項(xiàng)目有倫敦貝丁頓零碳社區(qū)、美國(guó)赫斯特大廈以及上海世博會(huì)零碳館等[1-2]。

目前已有不少對(duì)零碳建筑技術(shù)路線的研究。宋德萱等[3]探究了在夏熱冬冷地區(qū)發(fā)展近零能耗建筑的技術(shù)途徑和可行性研究。劉偉等[4]通過(guò)對(duì)建筑氣密性等級(jí)和新風(fēng)系統(tǒng)性能參數(shù)的研究，分析了建筑氣密性對(duì)近零能耗居住建筑總體能耗的影響。鄧琴琴等[5]分析了近零能耗居住建筑保溫系統(tǒng)的應(yīng)用類型，為北方地區(qū)近零能耗建筑外墻保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

本文研究零碳建筑在寒冷地區(qū)的技術(shù)路線，從建筑設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、設(shè)備與系統(tǒng)節(jié)能3個(gè)方面進(jìn)行論述，并結(jié)合保定市實(shí)際工程案例進(jìn)行負(fù)荷分析和建筑負(fù)荷能耗的影響因素分析。

1?零碳建筑技術(shù)路線研究

零碳建筑的設(shè)計(jì)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑零碳的核心，通過(guò)對(duì)零碳建筑相關(guān)技術(shù)措施的總結(jié)和整個(gè)技術(shù)路線的研究，提出了以下3方面的內(nèi)容。

1.1?建筑規(guī)劃與空間設(shè)計(jì)

零碳建筑的規(guī)劃與空間設(shè)計(jì)應(yīng)以建筑物所在地氣候特征為導(dǎo)向，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)進(jìn)行建筑朝向、體形系數(shù)、開窗形式、遮陽(yáng)、通風(fēng)、室內(nèi)空間布局的設(shè)計(jì)[6]。

1）零碳建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件優(yōu)勢(shì)和自然資源。通過(guò)設(shè)置南北向或接近南北向的朝向、緊湊建筑外觀、規(guī)整建筑體形、合理化建筑空間布局，來(lái)營(yíng)造適宜的建筑內(nèi)部微氣候。增強(qiáng)夏季自然通風(fēng)和冬季自然采光，實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)環(huán)境的自調(diào)節(jié)功能。

2）零碳建筑應(yīng)以零碳排放和超低能耗為目標(biāo)，采用遮陽(yáng)技術(shù)和自然通風(fēng)技術(shù)等措施降低建筑物的供熱供冷負(fù)荷。遮陽(yáng)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮房間功能需求和窗戶所在朝向。常用的遮陽(yáng)技術(shù)有設(shè)置不同類型的遮陽(yáng)設(shè)施和采用特殊材料的玻璃（熱反射玻璃、鍍膜玻璃、低發(fā)射率膜玻璃等）。自然通風(fēng)技術(shù)是通過(guò)設(shè)計(jì)建筑物中庭、廊道等結(jié)構(gòu)，利用風(fēng)壓、熱壓以及機(jī)械輔助通風(fēng)等形式，來(lái)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)效果。常用的技術(shù)有設(shè)置排風(fēng)裝置、設(shè)計(jì)建筑夾層通風(fēng)空間以及設(shè)計(jì)大空間立體中庭[7]。

1.2?圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫

零碳建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件、建筑使用功能以及建筑物類型。

1）零碳建筑墻體及屋面的保溫技術(shù)可分為自保溫技術(shù)和復(fù)合材料保溫技術(shù)。自保溫是指墻體材料自身具有保溫效果。復(fù)合材料保溫是指由傳統(tǒng)材料+新型材料+絕熱材料所構(gòu)成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。常見的零碳建筑外墻保溫做法有：自保溫、內(nèi)保溫、外保溫以及夾芯保溫。常見的零碳屋面保溫做法有倒置型外保溫屋面、通風(fēng)屋面、坡屋面以及種植屋面等技術(shù)。

2）零碳建筑的門窗設(shè)計(jì)和選擇是降低建筑能耗的關(guān)鍵步驟。在進(jìn)行外窗設(shè)計(jì)和選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮窗戶的玻璃層數(shù)、Low-E膜層、邊部密封、窗框材料及外窗開啟方式。對(duì)于外門的設(shè)計(jì)，需要分區(qū)考慮，嚴(yán)寒地區(qū)需設(shè)置門斗;寒冷地區(qū)可設(shè)置雙層外門;其他地區(qū)外門宜采取防風(fēng)防滲透措施[8]。

1.3?建筑設(shè)備與系統(tǒng)的節(jié)能

1）零碳建筑的供暖供冷應(yīng)優(yōu)先利用可再生能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿龋?。設(shè)計(jì)時(shí)宜采用土壤源熱泵、空氣源熱泵以及輔助電采暖爐等設(shè)備[9]。

2）零碳建筑的給排水系統(tǒng)應(yīng)按照高質(zhì)高用、低質(zhì)低用的原則進(jìn)行分配和處理。建筑物內(nèi)應(yīng)采用節(jié)水器具和設(shè)備。例如，衛(wèi)生間宜采用低水量沖便器和感應(yīng)式水龍頭。

3）零碳建筑的照明系統(tǒng)應(yīng)選擇高效節(jié)能的照明器具，以及智能照明控制系統(tǒng)來(lái)減少耗電量。建筑物內(nèi)公共區(qū)域照明宜采用聲光控制、定時(shí)控制及紅外感應(yīng)控制等控制技術(shù)。室外照明宜采用太陽(yáng)能路燈或風(fēng)電路燈作為光源。

2?案例分析

2.1?項(xiàng)目概況

河北省保定市地處京津冀核心地區(qū)，是國(guó)家發(fā)改委確定的全國(guó)首批8個(gè)低碳城市試點(diǎn)之一。直隸新城幼兒園位于河北省保定市向陽(yáng)北大街直隸新城示范社區(qū)內(nèi)，項(xiàng)目總建筑面積5 619 m2，占地面積1 694.56 m2，框架結(jié)構(gòu)形式，地上3層，局部4層，無(wú)地下室，建筑內(nèi)部主要功能區(qū)包括多功能教室、辦公室、體音美活動(dòng)室、門衛(wèi)室等。建筑總平面圖和建筑功能分區(qū)圖分別見圖1和圖2。本項(xiàng)目根據(jù)零碳建筑技術(shù)路線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，在保證幼兒園建筑功能需求和室內(nèi)環(huán)境舒適的前提下，盡可能降低建筑碳排放量和建筑負(fù)荷能耗[10]。

2.2?建筑節(jié)能技術(shù)

本項(xiàng)目使用的零碳技術(shù)主要有陽(yáng)光房設(shè)計(jì)、遮陽(yáng)技術(shù)、自然采光通風(fēng)技術(shù)、新風(fēng)熱回收系統(tǒng)以及綠化屋頂設(shè)計(jì)等，具體措施見表1[11-13]。

2.3?建筑負(fù)荷分析

2.3.1?評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

依據(jù)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51350—2019）和《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）居住建筑》選取零碳建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)，將分季節(jié)負(fù)荷面積指標(biāo)和全年負(fù)荷能耗指標(biāo)作為建筑冷熱負(fù)荷需求和建筑能耗的評(píng)價(jià)依據(jù)。

2.3.2?模型參數(shù)的設(shè)置

利用DeST能耗分析軟件對(duì)零碳幼兒園的全年供熱、供冷能耗進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬計(jì)算模型見圖3。

在DeST軟件中設(shè)置幼兒園建筑采暖期為11月15日至次年3月15日，共122天，其中將寒假時(shí)間設(shè)置為1月15日—2月20日;設(shè)置空調(diào)期為6月1日—8月31日，共92天，其中暑假時(shí)間設(shè)置為7月15日—8月31日。室內(nèi)熱擾設(shè)定參數(shù)見圖4。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫構(gòu)造做法見表2。建筑負(fù)荷能耗計(jì)算結(jié)果見表3。

2.3.3?計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)負(fù)荷計(jì)算得出整個(gè)建筑物全年逐時(shí)負(fù)荷變化圖（見圖5）和全年逐時(shí)單位面積負(fù)荷變化圖（見圖6）。由圖可知，該建筑物全年冷熱負(fù)荷變化幅度較大，夏季冷負(fù)荷明顯增大，全年最大冷負(fù)荷值為449.76 kW。全年最大逐時(shí)冷負(fù)荷指標(biāo)為113.59 W/m2。冬季熱負(fù)荷明顯增大，全年最大熱負(fù)荷值為337.79 kW。全年最大逐時(shí)熱負(fù)荷指標(biāo)為85.81 W/m2。保定市屬于典型的大陸性季風(fēng)型氣候，冬夏較長(zhǎng)，春秋較短。另外，可得到分季節(jié)負(fù)荷指標(biāo)和全年負(fù)荷面積指標(biāo)，其中采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)為18.36 W/m2，空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)為25.76 W/m2，全年累計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為61.60 kW·h/m2，全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)為75.99 kW·h/m2[14-15]。

3?建筑負(fù)荷能耗影響因素敏感性分析

3.1?能耗模擬正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究不同影響因素對(duì)建筑物負(fù)荷的影響關(guān)系，現(xiàn)取外墻傳熱系數(shù)Kwall、屋頂傳熱系數(shù)Kroof、人員密度D、設(shè)備功率Qe共4個(gè)因素進(jìn)行敏感性分析，每個(gè)因素取3個(gè)水平[16]，其中第1個(gè)水平為本文案例分析中的設(shè)置參數(shù)，各因素水平見表4。進(jìn)行建筑能耗模擬時(shí)，若每個(gè)因素取 3 個(gè)水平，則需做 64 次模擬試驗(yàn)，耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，本文采用正交試驗(yàn)法簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案[17]，將各參數(shù)輸入到DeST模擬軟件的相應(yīng)位置，可得出9組試驗(yàn)工況下給定建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷和冷負(fù)荷，其正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及計(jì)算結(jié)果匯總見表5。

3.2?影響因子極差分析

極差分析包括計(jì)算和判斷2個(gè)步驟。Kjm為第j列因素m水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和，

jm為Kjm的平均值。由jm的大小可以判斷j因素的影響顯著性水平。Rj為第j列因素的極差，即j列因素各水平下指標(biāo)值的最大值與最小值之差，其計(jì)算公式見式（1）。

將各因素的極差進(jìn)行比較，由極差大小順序便可判別各因子的影響主次。極差最大者，敏感度最大，影響程度最大;極差較小者為較次要的因素，依次類推[18]。極差分析結(jié)果見表6和表7。

從極差分析結(jié)果中可得出：不同影響因素對(duì)建筑熱負(fù)荷影響程度從大到小依次為外墻傳熱系數(shù)>人員密度>設(shè)備功率>屋頂傳熱系數(shù);不同影響因素對(duì)建筑冷負(fù)荷影響程度從大到小依次為人員密度>設(shè)備功率>外墻傳熱系數(shù)>屋頂傳熱系數(shù)。因此，技術(shù)人員在進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足室內(nèi)舒適性要求的前提下需盡可能提高室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，并考慮減小設(shè)備功率。在設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫時(shí)，重點(diǎn)考慮外墻的保溫構(gòu)造設(shè)計(jì)。

4 結(jié)?語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)零碳建筑的實(shí)例研究，提出了零碳建筑技術(shù)路線。以保定市某幼兒園實(shí)際零碳工程為例，使用DeST能耗模擬軟件對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行負(fù)荷能耗模擬，分析了該項(xiàng)目的負(fù)荷組成、負(fù)荷變化、分季節(jié)負(fù)荷指標(biāo)以及全年累計(jì)負(fù)荷指標(biāo)。采用正交試驗(yàn)與極差分析法，對(duì)該地區(qū)幼兒園類公共建筑負(fù)荷能耗影響因素進(jìn)行了敏感性分析。通過(guò)模擬研究，得到以下結(jié)論。

1）零碳建筑技術(shù)路線分為建筑規(guī)劃與空間設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫以及建筑設(shè)備與系統(tǒng)的節(jié)能3個(gè)方面。通過(guò)案例分析表明零碳建筑技術(shù)路線的運(yùn)用對(duì)于降低建筑能耗、實(shí)現(xiàn)建筑零碳目標(biāo)具有重要意義。

2）通過(guò)案例負(fù)荷能耗計(jì)算可得，零碳幼兒園全年累計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為61.60 kW·h/m2，全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)為75.99 kW·h/m2;采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)為18.36 W/m2，空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)為25.76 W/m2。

3）通過(guò)正交試驗(yàn)與極差分析可知，不同影響因素對(duì)建筑熱負(fù)荷影響程度從大到小依次為外墻傳熱系數(shù)>人員密度>設(shè)備功率>屋頂傳熱系數(shù);不同影響因素對(duì)建筑冷負(fù)荷影響程度從大到小依次為人員密度>設(shè)備功率>外墻傳熱系數(shù)>屋頂傳熱系數(shù)。

4）本文尚有一些不足之處，如：公共建筑類型廣泛，只針對(duì)某一特定類型開展研究，不具備普遍性;在進(jìn)行負(fù)荷能耗影響因素敏感性分析時(shí)選取的影響因素不夠全面。未來(lái)需對(duì)不同類型公共建筑及其體形系數(shù)、窗墻比、建筑朝向等因素進(jìn)行分析。

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