燕 艷，孫 斌，沈蔚偉，潘嘉凝，徐 悅，陳家樂(lè)（上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041）

1 大型公建實(shí)施超低能耗建筑的意義

2020年9月，我國(guó)提出“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更為有利的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。根據(jù)《2021 年全球建筑和建造業(yè)狀況報(bào)告》，建筑建造行業(yè)碳排放占比為 37%；《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告 2020》顯示，我國(guó)建筑行業(yè)碳排放總量占總碳排放的35%。無(wú)論是從全球還是全國(guó)的數(shù)據(jù)來(lái)看，建筑行業(yè)碳排放占比約為碳排放總額的 1/3 左右?？梢?jiàn)，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，建筑行業(yè)低碳化發(fā)展勢(shì)在必行。

由于使用功能復(fù)雜、人員密度大、空調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜等原因，目前全國(guó)達(dá)到超低能耗建筑的多為不超過(guò) 2 萬(wàn) m2的小體量公建，大型超低能耗公共建筑的實(shí)踐還處于空缺的狀態(tài)。大型公建的運(yùn)行往往有著大量的能耗和較高的碳排放，因此通過(guò)設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段，設(shè)計(jì)低能耗的公共建筑，節(jié)能減排效益將更加明顯，對(duì)推進(jìn)建筑低碳化發(fā)展有著重要意義。

2 項(xiàng)目概況及設(shè)計(jì)目標(biāo)

本項(xiàng)目（圖 1）位于上海自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū) PDC1-0401單元 H01-01 地塊，世界頂尖科學(xué)家社區(qū)（WLA科學(xué)社區(qū)）規(guī)劃用地西北角，建筑如同雙翼向城市展開(kāi)，抽象提取振翅欲飛的勢(shì)態(tài)，起伏的光伏屋面，與建筑渾然一體，表達(dá)“展未來(lái)之翼，聚科技之光”美好愿景。項(xiàng)目由上海諾港會(huì)展有限公司建設(shè)，上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司擔(dān)任建筑設(shè)計(jì)及超低能耗全過(guò)程咨詢。

圖 1 項(xiàng)目效果圖

項(xiàng)目積極響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，響應(yīng)上海市 2021 年節(jié)能減排降碳重點(diǎn)工作安排，落實(shí)臨港新片區(qū)管委會(huì)的要求，以三星級(jí)綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)、高預(yù)制裝配率要求進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，并進(jìn)行可再生能源建筑一體化設(shè)計(jì)，打造低能耗低碳排的高品質(zhì)建筑。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)全過(guò)程中進(jìn)行多方案對(duì)比，在保證室內(nèi)外舒適度及建筑品質(zhì)的基礎(chǔ)上，兼顧建筑美學(xué)和技術(shù)科學(xué)，最終達(dá)到綠色三星、超低能耗的標(biāo)準(zhǔn)要求。

工程包括 1 座多層會(huì)議中心、1 座五星級(jí)酒店和 1 座公寓式酒店，總建筑面積 227 082.18 m2，容積率 1.8，建筑密度 51.79%，綠地率 10.5%，酒店塔樓 23 層，建筑高度99.9 m，裙房 5 層。其中五星級(jí)酒店和公寓式酒店部分為超低能耗實(shí)施范圍，建筑面積為 97 264.89 m2，建筑結(jié)構(gòu)形式為鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)。

3 超低能耗建筑設(shè)計(jì)策略

項(xiàng)目目標(biāo)定位較高，全專業(yè)設(shè)計(jì)咨詢團(tuán)隊(duì)緊密配合，把技術(shù)要求和設(shè)計(jì)理念高度融合，共同制訂設(shè)計(jì)策略。

3.1 以健康舒適為前提

作為世界頂尖科學(xué)家論壇會(huì)址用途，項(xiàng)目對(duì)建筑品質(zhì)有著極高的要求，保證室內(nèi)外環(huán)境安全、健康、舒適是設(shè)計(jì)首要前提。因此在制訂超低能耗策略時(shí)，以建筑健康舒適為基礎(chǔ)，尊重各功能空間的使用特點(diǎn)和使用需求，將自然采光、自然通風(fēng)、室內(nèi)熱濕環(huán)境控制、室內(nèi)空氣品質(zhì)等放在首要位置，在此基礎(chǔ)上探索合理的超低能耗技術(shù)路徑，而非一味追求高節(jié)能率而犧牲建筑品質(zhì)。

3.2 以節(jié)能減排為目標(biāo)

超低能耗建筑要求一次能源消耗量降低 50% 以上，這對(duì)大型公共建筑有著極高的難度。團(tuán)隊(duì)從方案創(chuàng)作開(kāi)始對(duì)建筑方案進(jìn)行多輪優(yōu)化，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行反復(fù)比選，通過(guò)建筑氣候響應(yīng)設(shè)計(jì)、建筑體形系數(shù)和窗墻比的測(cè)算比較、不同朝向的外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)能效提升優(yōu)化設(shè)計(jì)、可再生能源建筑一體化設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

3.3 技術(shù)和藝術(shù)的融合

在方案創(chuàng)作過(guò)程中充分發(fā)揮建筑師的主觀能動(dòng)性，將綠色、節(jié)能、低碳理念融入設(shè)計(jì)理念，并貫穿設(shè)計(jì)全過(guò)程，充分融合工程、技術(shù)與藝術(shù)，打造美的、健康舒適的、綠色低碳的高品質(zhì)建筑。

4 超低能耗建筑技術(shù)路徑

本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)超低能耗建筑主要技術(shù)路徑包括氣候響應(yīng)設(shè)計(jì)、高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高效機(jī)電系統(tǒng)、可再生能源利用等。

4.1 氣候響應(yīng)設(shè)計(jì)

上海地處夏熱冬冷地區(qū)，需滿足保溫、隔熱設(shè)計(jì)要求，重視自然通風(fēng)及遮陽(yáng)。項(xiàng)目所在的臨港地區(qū)位于浦東新區(qū)東南，潮濕多風(fēng)，設(shè)計(jì)時(shí)需要充分分析場(chǎng)地微氣候，順應(yīng)并引導(dǎo)室內(nèi)外環(huán)境設(shè)計(jì)，優(yōu)先選用簡(jiǎn)單實(shí)用的低成本技術(shù)措施。

4.1.1 場(chǎng)地布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

項(xiàng)目包含酒店及會(huì)展功能，場(chǎng)地總體布局的不同，會(huì)對(duì)場(chǎng)地微氣候帶來(lái)較大影響。設(shè)計(jì)中將酒店和會(huì)展沿軸線拉開(kāi)，連接部分設(shè)置為架空連廊，保持人行區(qū)域良好的風(fēng)環(huán)境的同時(shí)，兼顧酒店和會(huì)展的采光需求。同時(shí)酒店設(shè)置于地塊南側(cè)，并將酒店裙房設(shè)計(jì)為南向退臺(tái)式，順應(yīng)夏季主導(dǎo)風(fēng)向，并引導(dǎo)環(huán)境風(fēng)，減少場(chǎng)地風(fēng)速過(guò)大或出現(xiàn)旋渦區(qū)的情況，保證 1.5 m 處行人可感知風(fēng)環(huán)境區(qū)域的人體舒適度。

4.1.2 建筑窗墻比優(yōu)化設(shè)計(jì)

建筑窗墻比對(duì)建筑能耗和建筑采光都有較大的影響，因此合理選擇窗墻比是超低能耗建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本項(xiàng)目根據(jù)不同功能房間進(jìn)行建筑外立面虛實(shí)比例設(shè)計(jì)，尤其是客房部分，在考慮星級(jí)酒店的自然采光和視野舒適性需求的同時(shí)，兼顧超低能耗建筑空調(diào)負(fù)荷降低和能耗降低的要求。通過(guò)對(duì)不同立面、不同窗墻比的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行能耗及采光的計(jì)算分析，最終確定各朝向平均窗墻比約為 0.5 左右的建筑設(shè)計(jì)方案。

由于功能需要，裙房進(jìn)深較深，為改善其自然采光和通風(fēng)，采用了結(jié)合天窗的采光中庭優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，改善了大進(jìn)深空間內(nèi)區(qū)的自然采光。同時(shí)由于天窗會(huì)造成夏季空調(diào)負(fù)荷增加，在天窗玻璃的選擇上進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)采用光伏玻璃，在不影響天窗采光的情況下，一方面降低了空調(diào)負(fù)荷，一方面實(shí)現(xiàn)了建筑光伏一體化設(shè)計(jì)。室內(nèi)自然采光模擬分析如圖 2 所示。

圖 2 室內(nèi)自然采光模擬分析

4.1.3 外遮陽(yáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，決定了設(shè)置建筑外遮陽(yáng)的重要性和必要性。本項(xiàng)目將建筑外遮陽(yáng)構(gòu)件作為建筑造型的有機(jī)組成部分，使其成為立面的重要元素，進(jìn)而將建筑外遮陽(yáng)和建筑立面設(shè)計(jì)相結(jié)合，豐富建筑立面，賦予建筑鮮明的特點(diǎn)。

酒店塔樓客房外立面順應(yīng)建筑造型設(shè)計(jì)，在滿足室內(nèi)采光的基礎(chǔ)上設(shè)置水平外遮陽(yáng)，在保證客房采光的同時(shí)，降低客房夏季太陽(yáng)輻射得熱，實(shí)現(xiàn)節(jié)能及采光的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。裙房每層設(shè)置大挑檐，將外遮陽(yáng)構(gòu)件與屋頂空間復(fù)合化設(shè)計(jì)，在增加屋頂綠化面積的同時(shí)，利用挑檐形成外遮陽(yáng)，降低太陽(yáng)輻射得熱，減少能耗。

4.1.4 自然通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

開(kāi)啟扇的設(shè)置對(duì)建筑立面效果和成本都有較大影響，為此項(xiàng)目從方案階段開(kāi)始就進(jìn)行建筑風(fēng)環(huán)境模擬分析，確定利于室外風(fēng)順利進(jìn)入室內(nèi)的開(kāi)啟扇設(shè)置位置，并跟隨項(xiàng)目進(jìn)程，配合立面造型及平面功能進(jìn)行調(diào)整，從而滿足室內(nèi)換氣 次數(shù)的需求。

4.2 高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)

采用高性能的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能和氣密性能，可以有效降低建筑的氣候敏感性，減少建筑內(nèi)冷量熱量的損耗，優(yōu)化室內(nèi)熱濕環(huán)境和光環(huán)境，降低建筑的運(yùn)維成本，為使用者創(chuàng)造舒適高效的工作和生活環(huán)境。

4.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能提升設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目裙房為幕墻體系，外立面采用鋁板幕墻結(jié)合玻璃幕墻，塔樓為窗墻體系，外墻外飾面采用鋁板幕墻。根據(jù)外立面特點(diǎn)，通過(guò)保溫材料及保溫做法比選，確定巖棉板作為外墻外保溫材料，屋面保溫材料采用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料，外窗（透明幕墻）采用斷熱鋁合金型材、低輻射三玻兩腔玻璃。

4.2.2 氣密性處理

本項(xiàng)目在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上打破常規(guī)做法，采用防水透氣膜、防水隔汽膜對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，盡可能阻斷熱橋并提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體的氣密性和水密性，預(yù)期實(shí)現(xiàn)建筑氣密性符合室內(nèi)外正負(fù)壓差 50 Pa 條件下?lián)Q氣次數(shù)每小時(shí)不超過(guò) 1 次（n50≤1 次/h），從而減少滲漏損失，有效地提高建筑的氣候適應(yīng)性，優(yōu)化室內(nèi)熱濕環(huán)境。

4.3 高效機(jī)電系統(tǒng)

高效的機(jī)電系統(tǒng)決定了建筑的運(yùn)行能耗大小，本項(xiàng)目在機(jī)電系統(tǒng)能效、設(shè)備效率等方面均進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供暖空調(diào)及新風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)節(jié)能方案。

4.3.1 冷熱源系統(tǒng)選擇

冷源采用磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組，設(shè)備效率達(dá)到GB 19577-2015《冷水機(jī)組能效限定值及能效等級(jí)》中的1 級(jí)能效要求；熱源采用燃?xì)庹婵諢崴仩t，鍋爐效率不低于 94%。生活熱水由真空熱水鍋爐和高溫?zé)崴疅岜脵C(jī)組組合供應(yīng)。高溫?zé)崴疅岜脵C(jī)組用于夏季及過(guò)渡季節(jié)回收空調(diào)冷卻水的熱量，并用于酒店客房部分生活熱水加熱。

4.3.2 空調(diào)輸配系統(tǒng)

空調(diào)風(fēng)機(jī)達(dá)到 GB 19761-2020《通風(fēng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》所規(guī)定的 1 級(jí)能效，空調(diào)水泵能效達(dá)到《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》中 1 級(jí)能效的要求。經(jīng)過(guò)管路優(yōu)化，空調(diào)水泵的耗電輸冷（熱）比相比于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 50736-2016《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》降低 20% 以上。冷卻塔風(fēng)機(jī)采用變頻控制，根據(jù)冷卻塔岀水溫度控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

4.3.3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組均采用粗效過(guò)濾 G4+ 駐點(diǎn)電極中效過(guò)濾 F7。人員密度較高且隨時(shí)間變化大的區(qū)域設(shè)置室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)室內(nèi)的二氧化碳濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析，新風(fēng)量根據(jù)二氧化碳濃度進(jìn)行變新風(fēng)調(diào)節(jié)，以節(jié)約新風(fēng)能耗。

新風(fēng)系統(tǒng)集中設(shè)置，并采用熱回收，同時(shí)設(shè)置旁通管。熱回收裝置納入 BA 系統(tǒng)自動(dòng)控制，通過(guò)監(jiān)測(cè)室內(nèi)外焓差，進(jìn)行啟?？刂?。室內(nèi)外焓差較小時(shí)，新風(fēng)可直接進(jìn)入空氣處理裝置。

4.3.4 電氣節(jié)能

項(xiàng)變電所設(shè)置于建筑內(nèi)地下一層，緊靠負(fù)荷中心，選用低損、低噪、高效、且符合國(guó)家環(huán)保要求的節(jié)能型干式變壓器，達(dá)到變壓器一級(jí)能效要求。

照明光源優(yōu)先選用發(fā)光二極管（LED）燈，且選用LED 照明產(chǎn)品的光輸出波形的波動(dòng)深度滿足現(xiàn)行國(guó)標(biāo) GB/T 31831-2015《LED 室內(nèi)照明應(yīng)用技術(shù)要求》的規(guī)定。配套公共設(shè)施、地下車庫(kù)、走廊、樓梯等公共部位照明光源主要采用 LED 燈等節(jié)能型光源。并對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)實(shí)用、合理有效的控制設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低照明能耗的目標(biāo)。

4.4 可再生能源利用

太陽(yáng)能光伏在建筑中的應(yīng)用往往面臨著發(fā)電效率與建筑效果的選擇。本項(xiàng)目結(jié)合建筑整體造型，通過(guò)對(duì)不同光伏產(chǎn)品的發(fā)電效率、產(chǎn)品特性以及與建筑造型的結(jié)合美觀性等進(jìn)行對(duì)比，選用了薄膜光伏系統(tǒng)。

通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻陰影遮擋下的表面太陽(yáng)能輻射資源情況進(jìn)行分析對(duì)比，對(duì)適合布置太陽(yáng)能光伏的區(qū)域進(jìn)行選擇，并利用 BIM 輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行太陽(yáng)能光伏建筑一體化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)建筑美學(xué)與科學(xué)技術(shù)的高度統(tǒng)一。

將光伏板設(shè)置于北側(cè)會(huì)展的金屬屋面和南側(cè)酒店裙房的采光中庭屋頂上，面積約 1.4萬(wàn) m2。采光頂玻璃為三玻兩腔鋼化超白玻璃，電池芯片位于外側(cè)的雙玻夾片中，可有效吸收太陽(yáng)輻射得熱，起到隔熱作用。

4.5 關(guān)鍵性能控制指標(biāo)

本項(xiàng)目達(dá)到《上海市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）》及 GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中超低能耗公共建筑的要求。關(guān)鍵性能控制指標(biāo)見(jiàn)表 1。

表 1 關(guān)鍵性能控制指標(biāo)

5 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目旨在營(yíng)造低碳健康的建筑環(huán)境空間，大幅降低供暖、空調(diào)、照明、電梯等用能需求，推進(jìn)空間節(jié)能和設(shè)備系統(tǒng)節(jié)能的融合，在提高室內(nèi)舒適性的同時(shí)降低建筑碳排放，達(dá)到綠色三星、超低能耗的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

大型公建的超低能耗建筑設(shè)計(jì)，需要全專業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的緊密配合才能完成，以節(jié)能減排為目標(biāo)的設(shè)計(jì)模式或?qū)⒁鸾ㄖO(shè)計(jì)的思維轉(zhuǎn)型。通過(guò)組織完整的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，制訂合理的設(shè)計(jì)策略和技術(shù)路徑，超低能耗建筑可以是健康舒適的、綠色低碳的、兼顧建筑美學(xué)與技術(shù)科學(xué)的高品質(zhì)建筑。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)策略和技術(shù)路徑可為上海乃至全國(guó)大型公建所借鑒，項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要意義。