既有建筑改造設(shè)計(jì)中低碳技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐
——以中國城市建設(shè)研究院科研示范基地近零碳化改造為例

文/中國城市建設(shè)研究院有限公司 徐 力 郭 磊 楊雅楠 劉志翔

1 建筑設(shè)計(jì)低碳化發(fā)展背景

我國是溫室氣體排放量大國，控制溫室氣體排放已上升為國家基本戰(zhàn)略。根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會公布的數(shù)據(jù)，全國建筑全過程碳排放總量占全國碳排放總量的50%以上。其中建筑材料（鋼鐵、水泥、鋁材等）占比28.3%，運(yùn)行階段（城鎮(zhèn)居住建筑、公共建筑、農(nóng)村建筑）占比21.9%，施工階段占比1.0%。建筑領(lǐng)域?yàn)槲覈寂欧胖饕獊碓粗?，建筑的“?jié)能”和“低碳”成為關(guān)注重點(diǎn)。

目前低碳建筑已逐漸成為國際建筑界的主流趨勢，專家在低碳建筑基礎(chǔ)上提出“零碳建筑”概念。零碳建筑主要特點(diǎn)是除強(qiáng)調(diào)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動式節(jié)能設(shè)計(jì)外，將建筑能源需求轉(zhuǎn)向太陽能、風(fēng)能、淺層地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等可再生能源，為人與建筑、環(huán)境的和諧共生尋找最佳解決方案。

與新建建筑相比，既有建筑綠色化改造對于建筑領(lǐng)域的碳減排具有很大潛力。既有建筑由于建成年代早、標(biāo)準(zhǔn)低、維修不及時等原因，多數(shù)存量建筑為不節(jié)能建筑。既有建筑綠色改造是綠色建筑整體實(shí)現(xiàn)“碳中和”的關(guān)鍵措施。本文以中國城市建設(shè)研究院科研示范基地近零碳化改造為例探討低碳技術(shù)應(yīng)用。

2 項(xiàng)目背景與項(xiàng)目定位

中國城市建設(shè)研究院有限公司是城市建設(shè)行業(yè)綜合性科研設(shè)計(jì)單位，主要承擔(dān)城市環(huán)境衛(wèi)生、環(huán)境工程等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)和科研任務(wù)。但長期以來，由于缺少場地，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)推進(jìn)緩慢，未形成建成集中、系統(tǒng)、規(guī)范且具備基礎(chǔ)監(jiān)測、分析及研究能力的試驗(yàn)條件，嚴(yán)重制約科研工作發(fā)展。建設(shè)創(chuàng)新基地作為實(shí)現(xiàn)科研創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，具有重要的戰(zhàn)略意義。其建設(shè)目標(biāo)及功能定位如下。

1）科學(xué)研發(fā)實(shí)驗(yàn)中心 全方位的科研實(shí)驗(yàn)平臺、可靠的測試檢驗(yàn)平臺及全過程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺。

2）工程設(shè)備研發(fā)中心 為城市環(huán)衛(wèi)行業(yè)提供整體技術(shù)解決方案，打造環(huán)衛(wèi)產(chǎn)業(yè)新理念。

3）國家環(huán)境保護(hù)生活垃圾處理處置與資源化工程技術(shù)中心 通過政策研究、技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備開發(fā)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、咨詢服務(wù)、工程示范等途徑實(shí)現(xiàn)行業(yè)重大科技成果的工程化和產(chǎn)業(yè)化。

4）建筑立體綠化工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 立體綠化產(chǎn)品、技術(shù)展示和應(yīng)用示范（包括栽植模塊、灌溉技術(shù)集成、栽植基質(zhì)、綠植材料等），實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)、研發(fā)、推廣及應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。

綜合分析項(xiàng)目的主要功能，定位為科研基地和實(shí)驗(yàn)場所，實(shí)現(xiàn)能耗和污染排放最小化、智能控制、舒適度人性化、行為節(jié)能及可復(fù)制性。希望通過對既有建筑的改造，探索超低能耗建筑設(shè)計(jì)管理辦法與技術(shù)體系。

3 既有建筑現(xiàn)存主要問題及改造策略

3.1 既有建筑現(xiàn)狀分析

中國城市建設(shè)研究院科研示范基地位于河北省燕郊空港物流國際產(chǎn)業(yè)基地，建筑面積約4360m2，占地面積約2000m2。建筑現(xiàn)狀為物流工業(yè)用房，擬改造成辦公試驗(yàn)綜合實(shí)驗(yàn)室。改造后的1～3層總面積為4360m2，主要作為實(shí)驗(yàn)室和辦公室使用。

3.2 改造內(nèi)容

通過對科研基地原建筑進(jìn)行綜合分析可知，原有建筑設(shè)計(jì)功能為工業(yè)物流，無法滿足實(shí)驗(yàn)辦公綜合樓的基本需求，另外從低碳智能的角度分析，需從以下方面進(jìn)行改造。

1）原有圍護(hù)結(jié)構(gòu)與市政供暖系統(tǒng)無法滿足河北省公共建筑節(jié)能要求。

2）原有建筑無夏季供冷和通風(fēng)系統(tǒng)，無法滿足實(shí)驗(yàn)實(shí)際使用要求。

3）原有建筑進(jìn)深過大，改造后部分功能房間無法實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)與采光。

4）按照建設(shè)方提供的室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)方案圖紙進(jìn)行合理的室內(nèi)空間布局，完成室內(nèi)深化設(shè)計(jì)。

5）室內(nèi)空間設(shè)計(jì)及裝飾材料選用應(yīng)遵循以人為本、低碳、環(huán)保的設(shè)計(jì)原則，區(qū)別于傳統(tǒng)辦公環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室，打造舒適自然的辦公空間，設(shè)計(jì)理念考慮辦公人員心理感受。

3.3 改造基本原則

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)盡量按照被動式節(jié)能建筑要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。

2）最大限度利用各種可再生能源滿足建筑功能需求。

3）盡量不破壞或拆除現(xiàn)有建筑部件及設(shè)備，做到施工過程近零碳。

4）突出建筑結(jié)構(gòu)體系和建筑材料本身質(zhì)感，減少不必要的室內(nèi)裝修，將裝修成本降至最低。

5）以建筑技術(shù)展示為主，每個改造路線均有綠色建筑技術(shù)展示。

4 重點(diǎn)研究內(nèi)容

4.1 建筑節(jié)能改造技術(shù)及能耗系統(tǒng)分析

以科研基地能耗最小化為目標(biāo)，重點(diǎn)從被動式超低能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、自然采光、空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化、照明系統(tǒng)優(yōu)化、能源供給等角度對科研基地能源消耗系統(tǒng)進(jìn)行分析與計(jì)算，預(yù)估科研基地能源消耗，同時配套設(shè)計(jì)相應(yīng)的能源供應(yīng)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)科研基地的近零碳化改造。

4.1.1 被動式超低能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過建筑能耗模擬分析進(jìn)行被動式超低能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別對建筑外墻、屋面及外窗3個界面進(jìn)行優(yōu)化。

1）外墻 在原有50mm厚巖棉保溫板的基礎(chǔ)上新增100mm厚擠塑聚苯板外保溫，窗下墻為150mm厚擠塑聚苯板。導(dǎo)熱系數(shù)按0.03W/（m·K）計(jì)算。女兒墻內(nèi)部在現(xiàn)有面層上涂30mm厚膠粉聚苯顆粒保溫砂漿，與屋面保溫交圈。內(nèi)墻增涂40mm厚自調(diào)溫相變節(jié)能砂漿，該構(gòu)造在為外墻額外提供1.69（m2·K）/W熱阻的同時，提供圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力。圍護(hù)結(jié)構(gòu)可有效降低空調(diào)尖峰負(fù)荷和夜間圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄冷能力。改造后，外墻整體綜合傳熱系數(shù)為0.16W/（m2·K），基本與常見的外保溫為250mm厚擠塑聚苯板的同氣候區(qū)被動房外墻保溫性能相同。

2）屋面 在原有50mm厚復(fù)合玻璃巖棉板基礎(chǔ)上新增40mm厚擠塑聚苯板，并新增簡易型種植屋面，鋪設(shè)200mm厚無機(jī)復(fù)合種植土。改造后屋頂綜合傳熱系數(shù)為0.335W/（m2·K）。

3）外窗 新?lián)Q外窗為高效三玻中置百葉外窗，傳熱系數(shù)要求不高于1.8W/（m2·K）。南向、東向和西向采用外貼無色雙銀Low-e中空玻璃，遮陽系數(shù)不高于0.4。

4.1.2 綠色照明及自動控制系統(tǒng)

優(yōu)化利用初始采光條件，控制辦公室區(qū)域進(jìn)深在6～8m，并采用雙側(cè)采光；在多功能區(qū)及2層部分實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)置導(dǎo)光裝置與LED人工照明相結(jié)合，室內(nèi)設(shè)工作面照度傳感系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)照度自動調(diào)節(jié)照明燈具的光通量輸出，綜合光導(dǎo)裝置、人工照明、電動遮陽技術(shù)，通過智能控制系統(tǒng)達(dá)到節(jié)約能耗、降低碳排放的目標(biāo)（見圖1）。

1光導(dǎo)系統(tǒng)及屋頂綠化

4.1.3 遮陽通風(fēng)系統(tǒng)

建筑通風(fēng)系統(tǒng)采用機(jī)械輔助自然通風(fēng)技術(shù)，在屋頂設(shè)置通風(fēng)帽裝置，確保室內(nèi)具有良好的自然通風(fēng)，并在過渡季節(jié)充分利用自然通風(fēng)，縮短空調(diào)開啟時間；建立溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，同時通過新風(fēng)系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)和自然通風(fēng)系統(tǒng)，降低空調(diào)能耗，進(jìn)而減少二氧化碳排放量。

4.1.4 集中空調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研分析、建筑空調(diào)系統(tǒng)選擇成本評估及科研示范要求，本項(xiàng)目中央空調(diào)采用地源熱泵與空氣源熱泵組合系統(tǒng)。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要分為3個部分，分別為室外地能換熱系統(tǒng)、地源熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。根據(jù)該建筑的建筑冷熱負(fù)荷、地源熱泵機(jī)組參數(shù)及當(dāng)?shù)貛r土熱物性，利用建筑周邊有限的場地面積設(shè)置地下?lián)Q熱管系統(tǒng)?？諝庠礋岜脵C(jī)組作為建筑冬夏兩季冷熱負(fù)荷補(bǔ)充，可實(shí)現(xiàn)建筑高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的設(shè)計(jì)目標(biāo)。地?zé)崮芎涂諝饽芫鶎儆诳稍偕茉?，本?xiàng)目通過示范性的系統(tǒng)利用，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境示范效益。根據(jù)模擬計(jì)算，基準(zhǔn)建筑全年采暖、空調(diào)及照明能耗與改造設(shè)計(jì)后建筑全年采暖、空調(diào)及照明能耗比對，節(jié)能率達(dá)73%，可滿足建筑冬季采暖、夏季制冷需求，年節(jié)約采暖費(fèi)22.3萬元。

4.1.5 太陽能綜合利用

太陽能光熱是可再生能源技術(shù)發(fā)展最成熟、應(yīng)用最普遍的利用方式之一。作為科研示范項(xiàng)目，根據(jù)建筑日照條件，在本次改造中有針對性地進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置設(shè)計(jì)。在建筑3層屋面安裝18塊太陽能熱水系統(tǒng)集熱器，太陽能集熱系統(tǒng)采用“一備一用”水泵，更安全可靠地保證建筑生活熱水需求（見圖2）；同時在建筑南立面和入口雨篷安裝太陽能光伏板（見圖3），示范展示與建筑結(jié)合的BIPV和BAPV光伏發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)用于辦公部分公共區(qū)域的建筑照明，年節(jié)約電費(fèi)約1.6萬元。

2屋頂太陽能光伏系統(tǒng)

3外立面光伏發(fā)電系統(tǒng)

4.2 除臭系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)備選用

該項(xiàng)目建筑功能定位為試驗(yàn)及科學(xué)研發(fā)，在樓內(nèi)設(shè)有城市垃圾處理實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備研發(fā)空間，故需設(shè)置完善的臭氣控制系統(tǒng)。本項(xiàng)目采用負(fù)壓抽風(fēng)和生物滴濾塔聯(lián)合處理車間臭氣，設(shè)計(jì)一體化全封閉生物除臭系統(tǒng)，可有效凈化空氣，使凈化后的空氣排放達(dá)到國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、零碳排放，避免造成二次環(huán)境污染；并設(shè)置集成集氣罩、變頻風(fēng)機(jī)抽送系統(tǒng)、除臭機(jī)房、洗凈增濕塔、生物滴濾塔于一體的臭氣有效收集與生物處理設(shè)備模塊（見圖4）。

4實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)

4.3 BIM化全過程管理系統(tǒng)

建筑信息模型是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對該項(xiàng)目相關(guān)信息的詳盡表達(dá)。建筑信息模型是數(shù)字技術(shù)在建筑工程中的直接應(yīng)用，可解決建筑工程在軟件中的描述問題，為協(xié)同工作提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

建筑信息模型又是一種應(yīng)用于設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)字化方法，可支持建筑工程的集成管理環(huán)境，使建筑工程在整個進(jìn)程中提高效率并降低風(fēng)險?？蒲惺痉痘貙IM化全過程管理系統(tǒng)應(yīng)用于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營管理全過程，顯著提升項(xiàng)目施工精度及效率，實(shí)現(xiàn)限額配料和損耗控制，有效降低全過程碳排放。

4.4 智能化運(yùn)營管理系統(tǒng)

樓宇智能化管理系統(tǒng)是由中央計(jì)算機(jī)及控制子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)，采用傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代通信技術(shù)對包括采暖、電梯、空調(diào)控制、給排水監(jiān)控、配變電與自備電源監(jiān)控、火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動、安全保衛(wèi)等系統(tǒng)進(jìn)行全自動綜合管理。本項(xiàng)目采用分散控制、集中監(jiān)控與管理，設(shè)置先進(jìn)的傳感技術(shù)、接口控制技術(shù)與管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對基地的智能化運(yùn)營控制，提供最有效的信息服務(wù)和高效、舒適、便利、安全的實(shí)驗(yàn)辦公環(huán)境（見圖5）。

5智能化運(yùn)營管理系統(tǒng)

4.5 建筑碳排放模型及減排效果分析

在零碳化改造及能源消耗計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合溫室氣體排放核算方法學(xué)，建立針對科研基地的碳排放模型，對改造前后科研基地的碳排放環(huán)節(jié)及排放量進(jìn)行梳理與計(jì)算，獲得科研基地零碳化改造后的碳減排量，實(shí)現(xiàn)對零碳化改造的定量化評價。項(xiàng)目對近零碳化改造的二氧化碳減排效益進(jìn)行定量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造后節(jié)能69577kW·h，太陽能光伏系統(tǒng)節(jié)能20000kW·h，暖通系統(tǒng)節(jié)能101926kW·h，照明系統(tǒng)節(jié)能5566kW·h，整個研發(fā)基地年降低能耗約197000kW·h，固碳約66t，折合二氧化碳減排量241.4t。

5 結(jié)語

作為近零碳建筑改造實(shí)踐，為既有建筑節(jié)能改造及智能化改造拓展提供理論與實(shí)踐的數(shù)據(jù)支持是本項(xiàng)目的突出特點(diǎn)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中強(qiáng)調(diào)結(jié)合現(xiàn)有建筑基礎(chǔ)進(jìn)行最優(yōu)化分析及設(shè)計(jì)改造；通過建立排放方法學(xué)對改造項(xiàng)目的碳減排效果進(jìn)行定量化分析，實(shí)現(xiàn)對于建筑的定量化碳減排核算。改造過程中應(yīng)用節(jié)能、環(huán)保、低碳理念，設(shè)置樓宇智能化管理系統(tǒng)，采用分散控制、集中監(jiān)控與管理，設(shè)置先進(jìn)的傳感技術(shù)、接口控制技術(shù)與管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對基地的智能化運(yùn)營控制，提供有效的信息服務(wù)，創(chuàng)建高效、舒適、便利、安全的實(shí)驗(yàn)辦公環(huán)境。項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)可為日后國內(nèi)進(jìn)行近零碳化智能化改造項(xiàng)目提供參考。