項目概況 

岳麓山實驗室集聚區(qū)項目旨在打造一個集品種創(chuàng)新、 基礎(chǔ)研究、創(chuàng)業(yè)孵化、共享服務(wù)于一體的現(xiàn)代化高標準國家級農(nóng)業(yè)實驗園區(qū)，形成具有強大集聚功能、輻射能力和示范帶動作用的總部聚集區(qū)。其中，B2棟成果展示中心位于項目中心，建筑面積為4 744.26 m²，采用框架結(jié)構(gòu)，是湖南省首個近零能耗辦公建筑典范。

項目實現(xiàn)近零能耗目標的主要技術(shù)路徑是通過被動式建筑設(shè)計，提升圍護結(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，本項目結(jié)合地區(qū)氣候特征、建筑用能特征和設(shè)計理念，項目采取以下主要技術(shù)路徑：被動式設(shè)計優(yōu)先，主動式技術(shù)優(yōu)化，可再生能源補充。整體技術(shù)方案如圖1所示。

圖1    整體技術(shù)方案示意圖

被動式設(shè)計

• 平面布局與形體設(shè)計

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)計中，通過確立一系列科學(xué)合理的總體原則， 能從源頭引導(dǎo)建筑性能的實現(xiàn)，確保建筑在全生命期內(nèi)都能達到近零能耗的目標。項目總平面圖如圖2所示。 

圖2    項目總平面

項目從規(guī)劃階段開始，通過控制建筑密度、區(qū)域微氣候營造等角度創(chuàng)造近零能耗建筑發(fā)展的前提條件，在建筑群規(guī)劃時，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，通過建筑群空間布局分析，營造適宜的風環(huán)境，降低冬季冷風滲透，夏季增強自然通風，通過景觀設(shè)計， 減少熱島效應(yīng)，降低夏季新風負荷，提高空調(diào)設(shè)備效率。

B2 棟設(shè)在整個基地的中心，被試驗田包圍，建筑體形設(shè)計力求規(guī)整緊湊、簡潔、有利于近零能耗建筑節(jié)點設(shè)計的同時，還要最大限度地減小體形系數(shù)，同時確?？刂聘鞒虼皦Ρ?，達到降低夏季太陽熱輻射的設(shè)計目標。 

項目的功能房間平面布局均進行細致推敲，避免在東西向設(shè)置較大的外立面。同時建筑體形的變化，與供暖和空調(diào)負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)計為0.19，避免體形系數(shù)過大，增加圍護結(jié)構(gòu)負荷。 

在窗墻面積比的控制上，在保證采光的前提下，鑒于項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，對東、西向以避免設(shè)置主要功能房間外窗為主，通過利用外窗（包括透明幕墻）通風，既能提高熱舒適性，又能節(jié)省能耗。 

項目的平面布置，立面設(shè)計均結(jié)合場地自然條件對建筑物的間距、體形、朝向等進行優(yōu)化設(shè)計，充分考慮建筑物獲得良好日照與自然通風，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，減少冬季不利風向。充分利用自然通風、天然采光、太陽得熱，控制體形系數(shù)和窗墻比等，為后續(xù)定量分析優(yōu)化打下堅實的基礎(chǔ)。

• 室內(nèi)外風環(huán)境優(yōu)化和自然采光利用

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

圖3    自然通風模擬

在辦公區(qū)域增加開窗透光面積，以降低辦公照明所帶來的能耗。針對展覽空間，在中庭部位設(shè)計了多組條狀采光天窗。通過利用中庭頂部的太陽光線，保證開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

• 近零能耗圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計

圍護結(jié)構(gòu)性能提升：圍護結(jié)構(gòu)能耗占建筑總能耗的44%～49%，因此 提升圍護結(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，本項目對圍護結(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)，夏季遮陽系數(shù)0.37，冬季遮陽系數(shù)0.37，可見光透射比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)，夏季遮陽系數(shù)0.40，冬季遮陽系數(shù)0.40，可見光透射比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)， 夏季遮陽系數(shù)0.42，冬季遮陽系數(shù)0.42，可見光透射比0.62。

關(guān)鍵部位斷熱橋：近零能耗公共建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫層應(yīng)連續(xù)完整，對于無法連續(xù)的部分，采用斷熱橋?qū)Ｓ媒M件進行設(shè)計，具體構(gòu)造如圖5至圖8所示。本項目的圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計避免了破壞或穿透，確保了管線穿越時的保溫連續(xù)性，無空洞。在建筑部件連接處，保溫層保持連續(xù)無間隙，同時減少幾何結(jié)構(gòu)變化以降低散熱面積。對于潛在的熱橋構(gòu)造，進行了加強保溫隔熱設(shè)計，以減少熱流通量。通過針對關(guān)鍵冷熱橋節(jié)點的二維冷熱橋傳熱分析，根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》要求和規(guī)定，在室內(nèi)設(shè)計溫、濕度條件下驗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)驗算，線性熱橋節(jié)點內(nèi)表面最低溫度大于室內(nèi)露點溫度（10.14 ℃），滿足結(jié)露驗算規(guī)定，熱橋節(jié)點部位不會發(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)露驗算表

氣密性設(shè)計：在高氣密性設(shè)計方面，通過采用簡潔的造型和精細的細節(jié)處理，有效減少了漏氣節(jié)點區(qū)域的出現(xiàn)。選用的外門窗和幕墻均達到高級別的氣密性標準（門窗為6級，幕墻為4級），并運用了如防水隔汽膜、專用膨脹密封條、專用氣密性處理涂料等高氣密性材料進行封堵處理。此外，對于門窗、洞口、電氣接線盒、管線貫穿等易出現(xiàn)氣密性問題的部位，進行了特殊節(jié)點設(shè)計，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)點圖

圖11    屋面排水管做法大樣圖

圖12    出屋面風井大樣圖

主動式優(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，對降低建筑總能耗和提升室內(nèi)舒適度會產(chǎn)生顯著的積極影響。本項目集中空調(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組， 夏季制冷冬季供熱，采用環(huán)保制冷劑。冷水機組能效比為 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)標準》的要求；冬季僅雙高效熱泵機組運行，供回水溫度為45/40 ℃?？偫湄摵蔀?35 kW， 冷指標為152 W/m²；總熱負荷為 119.7 kW，熱指標為 34 W/m²。空調(diào)末端展廳、大堂采用吊柜空調(diào)機組加新風系統(tǒng)，辦公室及接待室采用風機盤管加新風系統(tǒng)。

高效熱回收新風系統(tǒng)：近零能耗建筑需具備優(yōu)良氣密性，但自然通風受限，因此需要設(shè)置新風系統(tǒng)，其在公共建筑空調(diào)系統(tǒng)總負荷中的占比超過70%。因此，本項目新風系統(tǒng)采用4臺轉(zhuǎn)輪熱回收式組合式空調(diào)機組，新風機組采用兩級過濾，初效過濾器采用板式過濾器，中效采用板式高壓靜電過濾器，其 PM_2.5 一次凈化效率高于90%；新風機組單位風量耗功率為0.149 W/(m3·h)，全熱回收效率高達70%，所有機組可根據(jù)室內(nèi)PM_2.5 、CO₂ 濃度和露點溫度等變頻調(diào)速運行，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

項目區(qū)域照明設(shè)備如表2所示。

表2    項目區(qū)域照明

根據(jù)建筑使用情況及天然采光情況，對照明進行分區(qū)、分組控制；公共活動區(qū)域照明（含廣告、標識）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)置照明開關(guān)控制。項目照明能耗從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，且性價比較高。

• 智能化與能耗監(jiān)測平臺

通過建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)對建筑能耗進行分類和分項計量，利用遠程傳輸技術(shù)及時采集能耗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)重點建筑能耗的在線監(jiān)測和動態(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)測系統(tǒng)，對PM₁₀ 、PM_2.5 、CO₂ 分別進行定時連續(xù)測量、顯示、記錄和數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測系統(tǒng)對污染物濃度的讀數(shù)時間間隔不大于10 min；且樓頂?shù)奶齑霸O(shè)置聯(lián)網(wǎng)智能開閉功能，根據(jù)室外天氣或室內(nèi)環(huán)境等因素實現(xiàn)自動監(jiān)測，自動開閉。

減碳效果分析

• 可再生能源減碳

可再生能源主要包括太陽能、風能和地熱能等，其中利用太陽能對建筑進行能源補償具有來源廣泛、環(huán)保可持續(xù)、技術(shù)成熟以及性價比較高等多方面的優(yōu)勢。項目所處的長沙市，新能源資源稟賦較為一般，水力資源開發(fā)利用程度高，風能資源屬于Ⅳ類地區(qū)，太陽能資源屬于Ⅲ類地區(qū)， 地熱能資源規(guī)?；蒙形葱纬沙墒斓纳虡I(yè)模式，新能源開發(fā)增量空間比較有限，光伏發(fā)電是比較經(jīng)濟可行的選項。由于立面薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和造價較高等緣故，本項目在屋頂安裝太陽能光伏組件，選用550 Wp單晶硅 光伏組件，共安裝220塊，總裝機容量為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，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量10.30萬 kW·h，預(yù)計每年可節(jié)約電費8萬元；同時，項目采用“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”模式， 在屋面設(shè)置1臺70 kW+1臺30 kW組串式逆變器，共1個 并網(wǎng)點，采用400 V低壓并網(wǎng)。

• 能效指標及運行減碳

本項目通過多種優(yōu)化措施，與參照建筑對比，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%， 滿足GB/T 51350—2019中的近零能耗建筑能效指標要求，具體能效指標如表3所示。

表3    項目能效指標

總  結(jié)

與標準辦公建筑相比，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)特點選取并實施節(jié)能低碳技術(shù)策略，同時進行深入優(yōu)化與改進。在被動式設(shè)計上，全面考量了地區(qū)性氣候條件和建筑位置所帶來的獨特環(huán)境效應(yīng)，運用了低體形系數(shù)、合理的窗墻比率、建筑遮陽等策略，并將它們與近零能耗圍護結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合。選用了保溫層完整且連續(xù)的高性能圍護結(jié)構(gòu)材料，若保溫層在構(gòu)造上難以實現(xiàn)連續(xù)，則采用斷熱橋?qū)Ｓ媒M件來進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；通過實施主動式 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，整合了建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)，對建筑的能耗狀況進行實時跟蹤與管理，利用數(shù)據(jù)分析手段來優(yōu)化能源使用，達到了對建筑能耗的全面監(jiān)管和智慧運行；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，將其作為實現(xiàn)近零能耗目標的關(guān)鍵途徑，通過減少對非可再生能源的依賴，以降低建筑運行階段的能耗。此外，還對建筑的室內(nèi)通風、自然采光等方面進行了改進，并將這些改進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，同時促進了辦公建筑的節(jié)能與減碳效果。

本項目在滿足建筑內(nèi)部健康舒適性的同時，通過各種技術(shù)手段降低建筑50 a能耗運行費用，建筑運行階段經(jīng)濟效益顯著，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，助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。