中国建筑科学研究院北京市100013
【摘要】本文通过建筑设计的视角，结合CABR近零能耗节能示范楼项目在节能方面的设计以及技术方面应用，探讨近零能耗建筑被动式设计的相关实践和思考，希望能够对未来节能建筑发展起到一定的示范效应。
Abstract：AccordingtotheapplicationofCABR’sdemonstrationbuildinginthefieldofZEB（zero-energybuilding）technology，thepapermainlydiscussedtheresearchandtheimplementationwayofZEB，expectingtogeneratecertainpositiveeffectstothefutureenergysavingbuildingtosomeextent.
【关键词】被动式设计；节能；旧建筑改造
随着工业化的高速发展，城市化进程的不断加速，我国在城市建设方面取得了举世瞩目的成就，由此产生的负面作用也愈发明显。为了可持续发展，减少能源负荷，无论国家还是地方都相继出台政策，大力推广绿色能源，发展绿色建筑。时至今日，中国建筑节能发展已经接近三十年，逐步成为节能减排的主力军，未来若干年，也将成为建筑产业发展的主旋律。
近零能耗建筑是通过被动式设计，通过加强外围护结构的保温隔热性能，并利用可再生能源，以及先进的能源回收技术来实现最少化的建筑产能。目前，其他国家纷纷进行近零能耗建筑实践，我国超低能耗建筑的发展，也将是未来绿色建筑领域的一个新的课题。
CABR近零能耗示范楼坐落于建研院新科研实验楼南侧，建筑平面呈U字形，总建筑面积为3692平方米。主体建筑地上4层，副楼地上2层，且与原二层砖混办公楼相接，主要功能为办公及会议用房。作为一个在旧有建筑基础上改扩建的项目，如何使新建建筑融入周围环境，延续传统风貌的同时寻求创新是建筑方案立意时需要重点考虑的环节。作为被动式建筑的设计要点，建筑形体也力求简洁规整，并严格控制窗墙比。基于以上考虑，我们采用了比较简洁的造型方案，通过体量的切割、穿插和悬挑来打破单调，突出力度，强调竖线条的立面也与周围几栋建筑相统一。外立面选用砖红色与暖灰色穿插的埃特板，通过新材料的选用，在色彩和材质上尽量还原老建筑留下的记忆。建成后的示范楼简洁大方，刚劲有力，既理性又不失雅致，既丰富又不造作，既满足了低成本设计要求，又不失风度。
为最大化满足使用需求，建筑平面采用中间走廊两侧布置房间的形式。我们通过设计共享休息区，为员工提供交流互动的空间，提升办公品质，体现以人为本。
为达到超低能耗甚至近零能耗的目标，示范楼应用十余种技术进行集成，不同技术之间的匹配和优化是需要进行系统化研究的复杂工作，目前由我院环境与节能研究院根据运行使用数据进行系统化研究分析，再结合分析结果进行设计优化和运行优化。相信对超低能耗建筑设计起到指导性意义。
-STP真空绝热板保温系统
STP保温结构采用无机纤维芯材与高强度复合阻气膜通过抽真空封装技术制成，通过内部真空度来隔绝空气对流导致的热传递，大大降低导热系数，实现保温的目的。另外，保温板与墙面粘结材料为铝箔玻璃纤维布，本身也可以反射辐射。该系统同时还具备质量轻，厚度薄，无毒环保，施工工艺简便，防火性能好（A级）等优点，但在安装过程中应避免尖锐物体刺破，当真空曾层破坏后，保温效果会大打折扣，所以当施工室外幕墙龙骨是要格外注意。
-Low-E真空三层玻璃外窗+中置遮阳+日光折射膜
窗为外墙整体节能的薄弱部位，为达到节能效果，建筑使用三层low-E中空玻璃，窗框采用70系列内平开下悬铝木复合窗框。综合K<1.3W/（m2?K）Sc=0.2~0.6。窗与外墙之间的封堵也为设计重点，通过构造手段避免冷风渗透。从而达到冬季节能的目标。
中置遮阳为电动可调节百叶，可以实现电动升降及百叶角度调节，与外窗形成很好的统一，整体性强也避免了百叶窗容易落尘的缺点。
通过敷设在外窗上1/3处的日光折射膜，其微棱镜结构改变80%入射光的角度，折射向上到室内天花，再通过天花折射到室内工作面，不仅能够提高自然光覆盖进深，而且可以使得自然采光更加均匀，减少炫光带来的不适。这是一种简单的自然光增强技术解决途径，能够有效提高室内光环境质量，降低照明能耗。
-太阳能中高温集热与地源热泵复合供能系统
示范楼能源系统以充分利用可再生能源为设计理念，结合北京地区太阳能资源丰富的特点，考虑到实验性和科研性的需求，采用太阳能集热系统和地源热泵系统相结合的能源形式。
示范楼的夏季制冷和冬季采暖采取太阳能空调和地源热泵系统联合运行的形式。屋面布置了144组真空玻璃管中温集热器，2组可实现自动追日的高温槽式集热器，共同提供项目所需要的热源。项目设置1台制冷量为35kW的单效吸收式机组，1台制冷量为50kW的低温冷水机组用于处理新风负荷，另一台100kW的高温冷水地源热泵机组为辐射末端提供所需冷热水。项目分别设置了蓄冷、蓄热水箱，可以有效降低由于太阳能不稳定带来的不利影响，并实现夜间利用峰谷电价蓄冷后昼间直接供冷。
-太阳能空调优化及控制
示范楼能源系统采用优先利用太阳能的运行控制原则，夏季利用太阳能热水系统制冷，初冬采用太阳能热水直接供暖，寒冬太阳能结合地源热泵系统给楼内供暖。
-光伏发电系统
示范楼太阳能光伏系统采用分布式并网模式建设，系统模式为自发自用，余电上网。系统总装机量为2.88KWp，系统已安装完毕且发电正常。
示范楼装机容量为2.88KWp，影响太阳能电池组件发电量的因素为：（1）、安装角度；（2）太阳能辐照量；（3）太阳能电池组件的组串。
示范楼项目共安装48块太阳能电池组件，分为4个模块，每个模块12块组件，接线方式为6串2并。
北京地区夏季一般辐照为800W/㎡，南立面90度安装九月份辐照是最佳倾角的0.59倍，约为472W/㎡，系统组串系数（转化效率）按照0.8算，示范楼项目的实时发电功率为：实时功率=2.88kW*472/1000*0.8=1.1kW。
-PM2.5监测及气象实时收集显示装置
示范楼楼顶设置独立的气象站系统用来采集室外温湿度及PM2.5等气象参数，这些气象参在实时发布的同时，也作为示范楼能能源系统和新风系统优化控制的重要参数。值得一提的是，这些数据通过外立面的一块液晶屏显示，与建筑外立面形成良好的结合，已经成为我院气象参数的发布的重要推广平台，深受员工关注。
-手持和无线技术
示范楼部署了室内环境监测传感器，监测数据上传至数据平台后，个人可以通过手机微信端进行数据查询，实时掌握室内环境质量。
能源发布系统上线后，使用人员通过手机app或个人电脑，可以对建筑实时能耗和历史数据进行查询。
会议室的多种照明模式，可以通过手机登录控制平台进行不同模式的切换。示范楼在四层互联照明展示中心实现了个人照明控制的功能，开放办公区个人可以根据需求，使用桌面软件或通过手机app，控制和自己直接相关的照明灯具，进行个人能源管理。
-蒸发式冷却
示范楼采用双模水蒸发冷却空调系统，在夏季、冬季室外空气设计参数状态，用房间内设的风机盘管制冷制热与水间接蒸发接替模式，在过渡季通风状态采用水直接蒸发和间接蒸发空调模式。双模水蒸发冷却空调系统，房间送风电动调节阀控制空调分区和部分负荷调节模式。必要时可发挥全空气空调系统的优势，增加采用空气物理化学净化的功能。房间内设的风机盘管空调系统，可在水蒸发空调系统工作不稳定时和冬季采暖时，采用风机盘管空调系统。
-新风热回收和温湿度独立控制
为提升项目的节能性、室内舒适度和空气品质，本项目采取温湿度独立控制空调技术，由溶液调湿新风机组承担全部的新风负荷和室内除湿负荷，以及少量显热负荷，由高温冷水机组（或水冷多联机组等）承担剩余显热负荷。
-吊顶及地板辐射供暖系统
示范楼二层采用地板辐射供冷供热+溶液除湿机组。并设置备用风机盘管系统。冬季供暖供回水温度为30/35℃，夏季供冷供回水温度为9/13℃，夏季供冷采用表面露点温度控制；地板辐射系统的每个环路，配置与系统特性相适应的、调节性能可靠的远传式温控阀。
三层采用了辐射吊顶供冷供热系统加新风热回收机组。并设置备用风机盘管系统。辐射顶板分为冬季模式和夏季模式。在夏季，系统根据室内温度和相对湿度运行，供水水温随露点的变化而变化，在冬季，主要通过气候补偿功能来工作。
无论是地板辐射还是吊顶辐射供冷供热系统，都实现了温湿度独立控制，不仅提高了空调环境的热舒适性与室内空气品质；而且与传统的空调系统相比有着显著的节能效果。
-低能耗建筑空调系统调试
示范楼用能系统兼顾实验和科研的目的，较一般办公建筑的能源系统复杂，建筑空调系统的调试难度也较大。各子系统的风平衡和水平衡直接决定了系统的运行效果。各主要设备和系统均安装了流量和温度计量装，根据测量参数，进行空调系统的调试。
-水冷多联机组
鉴于水冷多联机系统的分散、灵活性，以及部分符合效率较高的特点，示范楼的一层和四层采用了水冷多联机系统外加新风热回收机组。
-超低能耗建筑耗能及控制优化
示范项目旨在打造目前最高水平的建筑节能与绿色建筑技术的高效集成与示范应用。与现有常规建筑相比，示范建筑提出明确的能耗量化指标，并承诺向公众实时公开能耗数据：“全年空调、采暖和照明能耗低于25kWh/m2，冬季不使用化石能源供热、夏季供冷能耗降低50%、建筑照明能耗降低75%”。这对项目的设计、建造和运营提出了极大的挑战。
本示范建筑采用先进的楼宇控制设备和集成技术。集中包括冷热源站、空调末端、智能照明、能源管理平台和气象站在内的6个子系统进楼控系统。各子系统之间的联合控制，比如遮阳系统和智能照明的联动、室外参数和冷机系统的运行模式、空调末端的参数设置等是整个楼宇控制的关键。
-屋顶绿化
由于大部分的屋面已经被设备系统占满，我们在西侧局部二层屋面设计了一个规模不大的屋顶花园，种植适宜华北地区气候生长的植物，冬日赏雪、夏日纳凉，虽然面积很小，但也尽可能为楼内办公人员提供一块小小的休憩之地，在一定程度上提升了办公品质。
-雨水收集利用
雨水是优质的淡水资源，经简单处理即可实现建筑冲厕、路面喷洒、绿化浇灌的功能。北京地区水资源紧缺，回用雨水具有显著的节水效能，能够减少建筑市政水耗，提高对非传统水源的有效利用。示范楼附楼东北角预留了雨水收集罐的位置。屋面雨水经过初期弃流后，进入雨水收集罐，处理后达到符合设计使用标准，用于室外景观灌溉和道路冲洗。系统由弃流过滤系统、蓄水系统、净化系统组成。
-透水地面
室外广场设计也是本项目的亮点之一，为摆脱传统生硬的广场铺装模式。我们采用了曲线围合的手法来界定空间，弱化了道路与广场的关系，将绿化、道路和广场三者有机结合成为一个统一的整体，进而大面积选用透水砖作为地面铺装，不但取得了良好的吸收效果，还使建筑外环境更为统一，也节约了造价。
-光导管技术
项目在顶层大会议室应用了安装了6个直径600的光导管照明装置，通过内部调节开关可以控制自然光照明引入量，从而达到调节室内照度的效果，从实际使用效果看还是不错的，白天不用开灯也能基本满足室内照度要求，由于利用多次漫反射原理，进入到室内的光线柔和舒适，照明范围也比较广泛。
-建筑材料再利用
旧建筑拆除后产生大量的废弃红砖，由于建筑年代久远，大部分红砖都无法再次使用，我们挑选其中保留比较完整的红砖，在楼内休息区内设置了一道装饰墙，通过这种方式来处理内部空间，为功能稍显单一的办公提供一处温馨的交流休息空间，同时还能保留企业的历史记忆。
结语
节能示范楼虽然面积不大，可却是一个包罗万象，内部结构复杂的有机体。各项措施的统一协调，各自又发挥着十分重要的作用。未虽然来的具体使用效果还有待检验，但对于开展近零能耗建筑设计却意义重大。随着十三五规划的提出，我们希望未来中国的城市规划以及建筑设计，应少些浮夸，多些内涵，不过分追求形式，而是探索科学发展的积极意义，节能建筑也应有更为广阔的市场前景。