天津市建筑设计院项目分析 | 天津市建筑设计院新建业务用房及附属综合楼

作者|尹宝全，吴小婷，宋晨，陈卿。

作者|天津建筑设计院

基于可再生能源的超低能耗建筑能源系统设计及示范应用

1导言

中国的可再生能源有很大的供热潜力。据估计，中国可再生能源的供热潜力可达30多亿吨标准煤。地热能的资源潜力最大。国土资源部2015年调查结果显示，336个地级以上城市浅层地热能年可开采资源相当于7亿吨标准煤，我国中深层地热能年可开采资源相当于19亿吨标准煤。

我国可作为能源的农作物秸秆、农产品加工剩余物、林业剩余物、能源作物、生活垃圾、有机废弃物等生物质资源的年供热潜力相当于4.6亿吨标准煤，其中农作物秸秆等农林废弃物的年供热潜力相当于4亿吨标准煤。按照10%的电采暖利用率计算，2020年风电等可再生能源可供热5亿平方米，相当于1500万吨标准煤。

可再生能源清洁低碳，因地制宜，可用于集中供热或分散供热。对于解决北方地区特别是农村地区的清洁供暖问题，替代散煤可以起到重要作用。

要实现绿色建筑，必须充分利用可再生能源，提高可再生能源的贡献率。然而，不可避免的现实是，相当一部分建筑中的可再生能源利用项目没有达到节能的初衷，一些项目中可再生能源利用系统的效率甚至低于传统能源形式。

研究表明，造成这一现象的主要原因是没有科学完整的基于可再生能源和建筑能源需求特点的设计方法，基于节能目标的预测设计无法实现。

通过本项目的研究，可以解决“合规设计”中的一系列问题，实现建筑可再生能源利用的节能目标，优化利用结构，提高建筑可再生能源利用系统的性价比，促进其广泛应用。

可再生能源的应用是建筑节能和绿色建筑工作的重要组成部分。未来能源系统的挑战是将不同的可再生能源技术集成到一个交互式的能源系统中，该系统可以随时以合理的价格提供非化石能源，以满足不同的能源需求。本文的研究将为可再生能源在建筑中的综合应用和绿色建筑的大规模推广提供技术支持。

2项目概述

天津市建筑设计院新建营业用房及附属综合楼位于河西区气象台路95号，天津市建筑设计院院内，如图1所示。该项目的设计理念源于对工期、场地环境等问题的整理和解决。最大限度地保护庭院内现有的绿地和植被，兼顾周边居住建筑的视觉均匀性和有效日照时数要求，打造10层L型营业用房和4层I型附属综合楼的整体布局方案。该项目总建筑面积3125m2，机动车停车位300个。保留50多棵原生树。

图1新建商业建筑及附属综合楼鸟瞰图及实景照片

目前，该项目已获得国家标准绿色建筑三星级设计标志，并入选住房和城乡建设部绿色建筑示范工程和天津市科委“美丽天津”科技示范工程。正在申请国家标准绿色建筑三星级运营标志、健康建筑二星级设计标志、LEED金奖、绿色标志白金奖。

项目设计之初，以绿色建筑的应用为切入点，遵循“被动优先、主动优化”的设计原则，因地制宜地将低影响开发、可持续设计、BIM全过程应用、智能集成平台建设与建筑设计相结合，充分利用可再生能源，采用近30种绿色建筑技术，如图2所示。设计能耗指标为72千瓦时/m2·a，节能率大于50%。

图2绿色建筑技术的综合应用

营业用房项目首层地下室主要功能空房间包括地源热泵房、10KV变电站、直饮水房、消防泵房、消防水池、物业管理办公室等辅助设备用房，首层地下室主要功能空房间包括大堂、展厅、档案室、图文中心、值班室、卫生间等辅助用房。地上二层主要包括会议室、开放式办公室、实训室、展厅、智能控制中心、配电室、卫生间等辅助用房空；3-10层主要为开放式办公室空和辅助用房。平面划分见图3:

图3各楼层布局

附属综合楼项目主要功能为车库(300辆)和非机动车车库(250辆)，通过封闭走廊与新建商业建筑相连。光伏发电装置竖立在屋顶上，可以充分利用可再生能源，为屋顶停车区提供阴凉。

3被动设计

3.1设计理念

场地原有及周边建筑建于1959年至2008年不同时期，场地环境复杂，如图4所示。作为对现有庭院的有机更新，本次设计的难点在于既要尊重原庭院的场所记忆，又要符合城市肌理，还要在有限的空间内实现新建筑高效、环保、健康、舒适的绿色设计目标空。

本项目遵循低影响开发和可持续设计的理念，从被动设计到主动设计进行了全面多角度的权衡和考虑，并在设计之初应用计算机模拟分析场地环境，为建筑布局提供依据；方案阶段优化建筑的基本几何形状、深度、窗墙比、风环境、光环境、热环境；在施工图阶段，进行能耗模拟，以辅助基于能耗限值的建筑性能化设计。

图4原庭院总平面图

3.2被动技术特征

该工程充分考虑了被动式节能技术，包括建筑布局、朝向和体型系数控制、围护结构节能设计、自然通风、自然采光、建筑遮阳等技术措施。

3.2.1建筑布局和形状系数的控制

设计思路源于对工期和场地环境问题的梳理和解决，本着对周边环境影响最小化、最大限度保护庭院绿地和植被、兼顾周边居住建筑视觉均匀性等原则。结合场地周围风环境、太阳辐射和噪声的模拟分析结果，反复论证，最终形成“I +L”型总体布局。建筑主方向为南北向，商住楼体形系数为0.21。

3.2.2围护结构节能设计

本工程外墙选用300mm厚蒸压砂加气混凝土砌块，主幕墙选用18厚粘土板，平均传热系数为0.52 W/m2·k。

考虑到建筑能耗的降低，设计严格控制建筑各个方向的窗墙比，不同方向的外窗采用不同的传热系数:南窗墙比0.28，东窗墙比0.24，西窗墙比0.33，北窗墙比0.28，在满足自然通风和采光的同时降低了建筑围护结构的能耗。PA断桥铝合金真空(发射率≤0.15)双Low-E 6无色+12+6无色(线下)，传热系数1.80w/m2。k)用于东、西、北门窗及幕墙，PA断桥铝合金真空(辐射

3.2.3自然通风

本项目方案设计阶段，利用CFD风环境模拟软件对建筑砌块模型的室外风环境进行模拟分析，得到建筑室外风环境数据，然后进行室内自然通风模拟分析，采用壁式进风口等结构措施加强自然通风，如图5所示。外窗开度达到30.58%，设置通风空腔，优化建筑内部气流组织，获得更好的自然通风效果。

图5自然通风加强结构措施节点图及进风口风速测试实景图

3.2.4自然照明

室内光环境是办公建筑设计的重点之一。本项目利用照明模拟分析工具对主要办公区域、公共空房间和地下空房间进行了自然采光优化设计，可以节约照明用电，有效提高室内空房间的品质。

“窄高窗”

方案阶段，对建筑方案的砌块模型各立面进行日照模拟分析，给出建筑各立面窗墙比推荐值，优化开窗形式。在窗墙比不变的情况下，通过“窄高窗”和“宽低窗”的对比分析，采用“窄高窗”来提高自然采光效率，如图6所示。

图6宽低窗和窄高窗仿真分析

照明良好

办公室、卫生间等局部地下空房间的自然采光效果，通过在商业楼主一楼设置采光井得到有效改善，如图7所示。

图7营业场所地下室照明井设计图

3.2.5建筑遮阳

考虑到冬季得热和夏季遮阳的需要，以及主要功能之间的采光效果空，本项目从方案阶段就对建筑遮阳设计进行了优化。通过适当加深窗户和孔洞的深度来增强墙体的自遮阳，通过可调外遮阳与内置遮阳百叶相结合，实现不同日照条件和使用要求下的灵活遮阳控制。

4积极的技术措施

4.1 空调节系统

4.1.1空冷却和热源概述

[1]空调节系统的冷负荷和热负荷

1)晴天或阴天(根据天气预报和辐照度测量值判断)

2)阴天(根据天气预报和辐照度测量值判断)

3)晴天或多云有风的天气(通过天气预报、辐射照度和测风值判断)

4)过渡季节的储能

4.2照明系统

根据LEED对LPD的要求(见表4-1)，不同区域布置不同类型的高效光源和灯具。办公室、会议室选用T5光源的嵌入式灯具，走道、卫生间采用光效高的LED灯或T5荧光灯、紧凑型节能荧光灯。

为了在运行和管理中节约能源，本项目设置了智能照明控制系统，针对不同的功能分区采用相应的控制方法。

4.3智能窗帘控制系统

为了减少东西向太阳辐射得热量，本工程东西向外窗安装了隐藏式可调穿孔铝百叶窗。窗帘设置在窗外，遮挡室外的阳光，因其穿孔特性而具有一定的透光特性；同时设置局部开关，可根据用户要求切换遮阳帘，调节遮阳百叶的角度，以满足遮阳和采光的要求，如图9所示。

图9外遮阳室外、室内和用户侧控制终端

为了充分发挥外遮阳的节能效果，本项目设置了智能窗帘控制系统，与绿色建筑运维管理平台相结合，有手动控制和自动控制，本地手动控制优先级最高。外部遮阳板配有自动保护装置。如果室外风速≥24米/秒(即9级风)，窗帘会自动折叠。

自动控制有多种控制模式，如过渡季节模式、冬季模式和夏季模式。控制算法根据不同季节对光冷热的要求进行编制，以最大限度的利用光冷热，减少照明和空调节的能耗。具体模式的执行日期和时间可以通过在运维平台系统的日历工作中点击鼠标来灵活配置。

4.4能源管理平台

能源管理平台可以轻松完成能耗信息的采集、分析、展示和管理，提高建筑综合能源管理水平。其主要功能包括:

能耗监测：通过有效通讯，持续监测分路和分户能源消耗。能耗统计与报告：根据《天津市民用建筑能耗监测系统设计标准》，进行能耗总计、分类统计、分项统计、分区统计，帮助使用者掌控建筑能耗状况。能效分析：对建筑物重要能效指标、系统能效指标、设备能效指标进行分析，进行同比、环比分析，规划有效节能措施，持续有效降低能源成本。能耗对标与报警：根据《建筑能耗标准》中标准，进行能耗对标、排名和高能报警，培养用户合理的用能习惯，减少能源浪费。

平台主要查询功能包括首页、能耗监控、表格、趋势、报警、报表。每个功能选项的显示页面如图10所示。

图10能源管理平台显示页面

通过上述功能，运维人员可以从整体到局部，精确到小时，甚至具体到秒，查询到某个设备的负荷功率。通过分析能耗数据，实现合理用电，降低建筑整体能耗，提高建筑经济效益和管理水平。

4.5运维管理平台

运维管理平台可以实现绿色建筑中多个子系统的信息集成和综合管理。其主要功能包括:实时监控:平台具有强大的实时监控功能和丰富的图形功能，可实现多个子系统运行信息的集中监控、分析和处理；集中控制:平台具有多系统联动功能，可实现多系统间的快速响应和联动控制，实现多系统预置模式运行；报警管理:平台可以实现报警的集中显示和处理，并通过声光报警和短信报警及时通知相关管理人员；运行日志:平台可以记录系统运行信息，实现问题追踪和查询；维护管理:平台具有完善的维护管理功能，可以建立设备档案，有效降低建筑物故障发生率，延长设备使用寿命。

该平台集成了IP管理网络、安全系统、电梯监控系统和机房动态环境监控系统等多个智能系统。每个智能系统的显示页面如图11所示。