歐洲綠色校園近零能耗建筑設(shè)計(jì)策略分析
——以西班牙巴利亞多利德大學(xué)露西亞樓（UCIA）為例

謝孟舉 侯俊豪 單 峰 徐

近年來，在全球能源危機(jī)、環(huán)境惡化的背景下，各國建設(shè)低碳城市迫在眉睫。建筑業(yè)是城市能源消耗的主戰(zhàn)場，已成為節(jié)能減排的關(guān)鍵領(lǐng)域。我國校園建筑面積占城市建筑3%～7%，但其所消耗的能源卻占到建筑業(yè)總能源消耗的30%，其單位面積消耗是普通住宅建筑的5～10倍[1]。國外的研究也表明，大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的單位能耗比政府辦公樓的單位能耗高出3～4倍[2]。校園建筑的低能耗發(fā)展成為建筑行業(yè)節(jié)能減排的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。同時(shí)，校園建筑的節(jié)能減排對(duì)于向?qū)W生及其家庭推廣建筑節(jié)能和提升民眾環(huán)境意識(shí)具有重要的教育意義。本文以歐洲校園中近零能耗建筑的實(shí)踐案例進(jìn)行分析和總結(jié)，對(duì)我國校園建筑的綠色低碳發(fā)展具有很好的借鑒意義。

1 近零能耗建筑

1.1 定義

近零能耗建筑（Nearly zero energy building，簡稱：nZEB）一詞從提出到推廣，由于各個(gè)國家的氣候、政治、經(jīng)濟(jì)條件的差異性，在各個(gè)國家其定義和內(nèi)涵各有不同，各個(gè)國家設(shè)定了符合自己國情的近零能耗指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。我國2019年《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中這樣定義：“適應(yīng)氣候特征和場地條件，通過被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)最大幅度降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求，通過主動(dòng)技術(shù)措施最大幅度提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適室內(nèi)環(huán)境，且其室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和能效指標(biāo)符合本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的建筑?！盵3]通過以上的定義可知：“近零能耗”建筑，并不是不消耗能源，而是通過利用各種節(jié)能設(shè)備和可再生能源，使建筑的產(chǎn)能與能耗盡可能達(dá)到平衡。

1.2 近零能耗建筑的發(fā)展

近零能耗建筑在發(fā)達(dá)國家，尤其是歐洲發(fā)展迅速。歐盟在2010年《建筑能效2010指令》中明確給出了關(guān)于建筑能效發(fā)展的階段性目標(biāo)：逐步通過近零能耗建筑的普及，向零能耗建筑和產(chǎn)能房的目標(biāo)邁進(jìn)[4]。各個(gè)國家對(duì)近零能耗建筑的定義、評(píng)價(jià)依據(jù)、評(píng)價(jià)范圍等有所不同，但也有共同點(diǎn)：大多數(shù)國家都以一次能源作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，且以暖通空調(diào)、照明、設(shè)備負(fù)荷作為重要的評(píng)價(jià)項(xiàng)（表1）。

表1 各國近零能耗建筑評(píng)價(jià)特點(diǎn)

我國近零能耗建筑起步晚，發(fā)展相對(duì)滯后。我國于2019年9月，實(shí)施了《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)準(zhǔn)明確了我國近零能耗建筑的評(píng)價(jià)體系。同年，我國《綠色校園評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》頒布，綠色校園評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最重要的板塊之一就是節(jié)能和能源消耗，近零能耗建筑發(fā)展是綠色校園建設(shè)的重要支撐。

目前我國近零能耗建筑的發(fā)展主要還存在以下問題：①我國地域遼闊，氣候區(qū)多樣，缺乏針對(duì)不同氣候區(qū)可推廣的近零能耗建筑技術(shù)體系。②部分近零能耗建筑偏好高技，缺乏對(duì)被動(dòng)式技術(shù)系統(tǒng)的整合應(yīng)用。③多數(shù)建成的近零能耗建筑缺乏對(duì)全生命周期的能耗監(jiān)控和系統(tǒng)評(píng)估，難以驗(yàn)證其技術(shù)可行性及可推廣性。本文選取的歐洲校園近零能耗建筑作為歐洲近零能耗建筑的典范，其呼應(yīng)地域氣候的主被動(dòng)式技術(shù)與先進(jìn)的管理控制技術(shù)，可為我國近零能耗建筑的實(shí)踐和發(fā)展提供參考。

2 西班牙巴利亞多利德大學(xué)露西亞樓

2.1 概述

露西亞樓（圖1）位于西班牙巴利亞多利德大學(xué)（University of Valladolid）內(nèi)，建筑面積為7500m2。該地區(qū)屬于夏季炎熱的地中海氣候，夏季炎熱干燥，冬季涼爽多風(fēng)、經(jīng)常下雪。該建筑將被動(dòng)式采暖和冷卻技術(shù)與光伏技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了更好的節(jié)能效果，在LEED（ Leadership in Energy and Environmental Design）認(rèn)證中得分98分，是歐洲大陸地區(qū)排名第一的建筑[5]。該項(xiàng)目被視作近零能耗建筑在世界范圍內(nèi)的杰出典范之一。

圖1 西班牙巴利亞多利德大學(xué)露西亞樓

2.2 被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)

（1）被動(dòng)式立面和剖面設(shè)計(jì)

建筑南立面的設(shè)計(jì)既有利于冬季太陽能收集，又能保證夏季有較好的遮陽效果。南立面中部形體表面由半透明的光伏玻璃模塊組成，從主墻體向外突出1.1m，這樣既保證了室內(nèi)充足的自然采光，又能充分利用太陽能發(fā)電。南立面兩側(cè)的窗采用綜合遮陽的形式，綜合遮陽集合了垂直遮陽與水平遮陽的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于各個(gè)角度與方向的陽光都有較好的遮陽效果。東西兩側(cè)采用“之”字形的外立面（圖2），將窗戶重新導(dǎo)向南面。窗戶進(jìn)行了精心的遮陽設(shè)計(jì)：上部設(shè)置的混凝土板形成了自然的遮陽檐，能有效減少窗戶的陽光直射[6]。

圖2 “之”字形立面

建筑通過底層架空和通高空間的設(shè)計(jì)形成了具有獨(dú)特通風(fēng)效應(yīng)的建筑剖面（圖3），夏季涼爽的風(fēng)可以通過底層架空的廊道輸送到中庭，形成良好的自然通風(fēng)效應(yīng)。

圖3 建筑剖面示意圖

（2）綠色屋頂設(shè)計(jì)

露西亞樓還有一個(gè)綠色屋頂設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)屋頂相比較而言，綠色屋頂具有更高的反射率，這大大增加了屋頂?shù)臒嶙?，減少室外環(huán)境對(duì)室內(nèi)熱舒適度的影響。同時(shí)對(duì)于室外環(huán)境，綠色屋頂能夠有效地調(diào)節(jié)環(huán)境微氣候，改善城市熱島效應(yīng)[7]。

（3）被動(dòng)式構(gòu)造設(shè)計(jì)

建筑外墻采用內(nèi)保溫墻體。墻體熱透射比為0.157W/m2K[5]，熱惰性大，很大程度上減少了室內(nèi)外環(huán)境之間的熱傳遞，從而削弱外部環(huán)境溫度對(duì)于室內(nèi)熱舒適度的影響。

建筑物的外窗進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)，采用氬氣填充的雙層中空玻璃。氬氣相比空氣具有密度大，導(dǎo)熱系數(shù)小的特點(diǎn)，可以有效降低中空玻璃的傳熱系數(shù)。與傳統(tǒng)窗相比，雙層中空玻璃窗具有更好的保溫性能。

2.3 可再生能源利用

露西亞樓中的可再生能源比例為0.66[8]，是世界上最可持續(xù)的建筑之一。建筑物的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（圖4）將三種可再生能源巧妙地組合在一起，為建筑提供源源不斷的能源。

圖4 建筑物中使用的可再生能源系統(tǒng)

（1）太陽能

太陽能是地球可再生能源中最基本的也是最重要的能源。風(fēng)能、海洋能、生物能等其他可再生能源的源頭都是太陽能。現(xiàn)階段，對(duì)于太陽能的利用主要通過光電利用和光熱利用兩種方式，光電利用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，光熱利用是通過太陽能獲取熱能[9]。

該建筑為太陽能光伏建筑一體化提供了簡單的解決方案。太陽能光伏模塊被集成在玻璃內(nèi)部，既不影響室內(nèi)的自然采光，又能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電。其中一組模塊（模塊1）被安裝在建筑的南立面，作為通風(fēng)玻璃幕墻系統(tǒng)（圖5），其他三個(gè)模塊（模塊2，模塊3和模塊4）安裝在天窗（圖6）。太陽能光伏提供了露西亞樓所需的12% 的電能（年均980 kWh）[8]，有效減少了CO2排放（表2）。

表2 建筑中安裝的光伏系統(tǒng)模塊參數(shù)

圖5 立面光伏模塊內(nèi)部透視圖

圖6 屋頂光伏模塊內(nèi)部透視圖

（2）生物質(zhì)能

生物質(zhì)能是化學(xué)能，具有可存儲(chǔ)、可運(yùn)輸、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)其高效利用開發(fā)， 對(duì)解決能源、生態(tài)環(huán)境問題將起到十分積極的作用。對(duì)于生物質(zhì)能的研究與開發(fā)，主要有生物轉(zhuǎn)化、物理轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化三大類，涉及到的技術(shù)有氣化、固化、液化、熱解、和直接燃燒等相關(guān)處理技術(shù)[10]。

露西亞樓采用氣化處理技術(shù)來運(yùn)用生物質(zhì)能。生物質(zhì)鍋爐（圖7）將燃料進(jìn)行氣化處理產(chǎn)生熱量和氣體。熱量直接應(yīng)用到建筑物的空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)中以調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱舒適。氣體被引入到5臺(tái)內(nèi)燃機(jī)（圖8）進(jìn)行發(fā)電為建筑物提供電能。生物質(zhì)鍋爐每小時(shí)消耗生物質(zhì)100～125kg，產(chǎn)生100～130Kw·h的電能和200～220Kw·h的熱能[11]。它以木屑為燃料，充分利用了當(dāng)?shù)刎S富的森林資源。

圖7 生物質(zhì)鍋爐

圖8 內(nèi)燃機(jī)

（3）地源熱能

作為清潔能源的地源熱能，具有儲(chǔ)量大、分布廣、穩(wěn)定的特點(diǎn)，受到建筑領(lǐng)域的關(guān)注。地?zé)豳Y源根據(jù)分布位置的不同分為淺層地?zé)豳Y源、水熱型地?zé)豳Y源、中層地?zé)豳Y源[12]。利用地?zé)崮苡袃煞N方式：一種是發(fā)電；另一種是地?zé)崴闹苯永煤偷卦礋岜霉?、制冷?/p>

露西亞樓采用了地源熱泵技術(shù)，其通過土壤空氣熱交換器（Earth to Air Heat Exchanger，簡稱EAHX，圖9）對(duì)地?zé)崮茉催M(jìn)行利用。EAHX有52口長16m、直徑200mm的井。EAHX集成在露西亞樓下面粘土中，黏土的熱值為0.8 kJ/（kg·℃），密度為2700 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為2.9 W/（m·℃）[8]。因?yàn)橥寥赖捏w積足夠大，在運(yùn)行期間顯著降低了建筑能源需求，并且不會(huì)出現(xiàn)地面熱飽和的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，該建筑的地?zé)崮芟到y(tǒng)通過SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）進(jìn)行焓控制，目的是最大程度地回收能量，以提高系統(tǒng)效率。

圖9 EAHX系統(tǒng)（從外側(cè)（左）和內(nèi)側(cè)（右）觀看）

2.4 主動(dòng)式節(jié)能設(shè)備

（1）采光設(shè)備系統(tǒng)

建筑中使用的各種特殊的設(shè)備也為建筑的節(jié)能減碳提供了更多的可能。南立面采用了大面積的半透明光伏立面墻，占?jí)偯娣e的46%，能夠?qū)⒋罅康淖匀还庖胧覂?nèi)。人工照明設(shè)施采用高效節(jié)能燈，建筑中各個(gè)區(qū)域的燈光每時(shí)每刻的照度水平和人工照明的比例都能根據(jù)需求自由控制。

（2）復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)

自由冷卻、熱回收系統(tǒng)和地?zé)峤粨Q器都是建筑中實(shí)施的策略，都能提高通風(fēng)系統(tǒng)的能源效率。通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)不同的情況有多種運(yùn)行模式，可以利用EAHX系統(tǒng)和地?zé)崮芑厥障到y(tǒng)，也可以不利用，甚至自由冷卻。地?zé)崮芟到y(tǒng)通過監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行焓控制，不僅能夠更多地回收能量，還有助于提高通風(fēng)系統(tǒng)的效率[5]。

（3）熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（圖10）是由經(jīng)過氣化過程的生物質(zhì)能進(jìn)行供給，然后將氣體引入五臺(tái)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電和生產(chǎn)熱能，這些能量用來滿足建筑加熱或制冷需求。另外，還有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)生物質(zhì)鍋爐用作建筑的輔助加熱系統(tǒng)，只有在建筑的供熱需求超過一定輸出功率時(shí)運(yùn)行。熱回收裝置的運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)61%的熱回收，剩余部分有一臺(tái)生物質(zhì)鍋爐供應(yīng)。該系統(tǒng)與復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)一起提供制熱和制冷，熱量通過建筑中的4個(gè)管道風(fēng)機(jī)進(jìn)行管理[5]。露西亞樓的電能生產(chǎn)基于100%光伏發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)是并網(wǎng)的。

2.5 先進(jìn)的管理和控制系統(tǒng)

露西亞樓在運(yùn)行過程中由一個(gè)名為DESIGO的先進(jìn)控制管理系統(tǒng)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)基于監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（Supervisory Control and Data Acquisition）技術(shù)軟件在建筑運(yùn)行期間可以對(duì)暖通空調(diào)、電力、舒適度、室內(nèi)空氣質(zhì)量、警報(bào)等進(jìn)行優(yōu)化管理，確保能源高效利用。它還可以對(duì)建筑物進(jìn)行預(yù)測監(jiān)控，以維持和預(yù)測設(shè)施能源需求。

結(jié)語

在全球變暖與能源危機(jī)的大背景下，近零能耗建筑的推廣和發(fā)展已經(jīng)在世界范圍內(nèi)逐漸展開。同時(shí)，隨著各種建筑節(jié)能技術(shù)的不斷升級(jí)更新，為近零能耗建筑的發(fā)展提供了更多的機(jī)遇和可能。

西班牙巴利亞多利德大學(xué)露西亞樓作為近零能耗建筑的典型代表，其集合了近零能耗建筑基本的技術(shù)手段：①被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)；②可再生能源利用；③主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)；④先進(jìn)的管理和控制系統(tǒng)。在保證室內(nèi)環(huán)境熱舒適的條件下，不僅利用各種被動(dòng)式的建筑設(shè)計(jì)策略和主動(dòng)式節(jié)能設(shè)備減少建筑物的使用能耗，提升能源利用效率，同時(shí)充分利用太陽能、生物質(zhì)能和地?zé)崮芸稍偕茉礊榻ㄖ┠堋Ｂ段鱽啒菑脑O(shè)計(jì)到建造，再到后期的運(yùn)行，始終將“可持續(xù)”理念貫穿于整個(gè)建筑的建設(shè)決策、設(shè)計(jì)、管理及后期的運(yùn)行等各個(gè)階段。盡管它建成使用已十幾年，但時(shí)至今日它在歐洲乃至全世界范圍內(nèi)依舊是非常成功的實(shí)踐案例。

我國建筑正處于綠色建筑高速發(fā)展期，校園建筑作為城市中量大面廣的類型之一，發(fā)展校園近零能耗建筑是綠色校園發(fā)展的必然趨勢。西班牙巴利亞多利德大學(xué)露西亞樓的近零能耗實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國的近零能耗建筑實(shí)踐具有重要的借鑒和參考意義。

資料來源：

圖1：https://www.construction21.org/espana/data/sources/users/882/images/lucia-1.jpg；

圖2：http://gruposanjose.biz/data/foto/gran_1527181259_1485795880.jpg；

圖3～4：為作者繪制；表1為作者自制；

圖5～6：來自參考文獻(xiàn)[8]；

圖7～9，表2：來源于網(wǎng)絡(luò)。