馮 岑，蒲曉斌，杜永幫，雷保國(guó)，尚 策

（深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展，我國(guó)建筑能耗逐年上升，其中2019年我國(guó)建筑運(yùn)行階段能耗10.3 tce，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的21.2%[1]。早在“十三五”期間，我國(guó)就提出深化低碳城市、低碳園區(qū)和低碳社區(qū)試點(diǎn)，形成一批可復(fù)制、可推廣的低碳發(fā)展典型案例，并在此基礎(chǔ)上深化各類低碳試點(diǎn)，實(shí)施近零碳排放區(qū)示范工程。“十四五”時(shí)期，我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)入了以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向、推動(dòng)減污降碳協(xié)同增效、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時(shí)期。而近幾年我國(guó)軌道交通系統(tǒng)發(fā)展迅速，在大城市綜合交通系統(tǒng)中的主體地位日趨明確；同時(shí)，為滿足人們的生活需求，以綜合軌道交通樞紐為核心的周邊配套公共建筑已經(jīng)成為城市生產(chǎn)生活不可或缺的部分[2]。配套建筑主要為包含酒店、商業(yè)、辦公等多種功能在內(nèi)的綜合型公共建筑；與一般的公共建筑相比，配套建筑具有人流量大、能源系統(tǒng)復(fù)雜、使用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，能耗會(huì)更高。對(duì)于既有配套建筑，需要加以改造才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，順應(yīng)國(guó)家低碳、零碳政策變化趨勢(shì)。

2 研究背景

徐偉[3]等人根據(jù)我國(guó)特點(diǎn)分析了適用于我國(guó)的被動(dòng)式近零碳排放建筑技術(shù)路線，針對(duì)建筑、設(shè)備等方面提供了思路。林美鳳[4]以福建漳州某辦公建筑為例，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化、主動(dòng)式系統(tǒng)節(jié)能和可再生能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)方面，分析夏熱冬暖地區(qū)辦公建筑近零碳排放關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)在屋頂、外墻和外窗的傳熱系數(shù)方面，外墻傳熱系數(shù)對(duì)建筑負(fù)荷影響最為顯著，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)次之，外窗傳熱系數(shù)的影響極小。丁曉欣[5]等人綜合分析被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)、太陽能光-電、光 -熱一體化、輔助熱源應(yīng)用、提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能等諸項(xiàng)節(jié)能技術(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用效果，給出了適用于嚴(yán)寒地區(qū)的近零碳排放途徑。張時(shí)聰[6]等人認(rèn)為近零碳排放辦公建筑的被動(dòng)式設(shè)計(jì)已近最優(yōu)，能源系統(tǒng)在運(yùn)行階段的優(yōu)化調(diào)適對(duì)提升能效非常重要，并以北京市某近零碳排放建筑為例使用TRNSYS軟件，分析了其負(fù)荷特性及復(fù)合式可再生能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化。

我國(guó)地域廣闊，不同地區(qū)的氣候條件有顯著差異，導(dǎo)致同一節(jié)能措施在不同地區(qū)的適用程度也有差異。例如，在北部地區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮建筑外墻保溫層，而在南部地區(qū)，外部遮陽和夜間通風(fēng)措施在夏季尤為重要。因此，為獲得更好的節(jié)能效果，必須檢驗(yàn)近零碳排放建筑實(shí)施路徑的適用性和可行性。本文以深圳市某交通樞紐配套建筑為例，使用EnergyPlus軟件模擬分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化、可再生能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化對(duì)建筑能耗的影響，為設(shè)計(jì)近零碳排放實(shí)施路徑提供參考依據(jù)。

3 建筑概況與 EnergyPlus 模型

本文研究對(duì)象為深圳市某軌道交通樞紐周邊的多棟配套建筑，建筑相關(guān)信息見表1。深圳市位于廣東省中南沿海地區(qū)，屬于夏熱冬暖地區(qū)。

表1 深圳市某交通樞紐配套建筑概況

該綜合軌道交通樞紐建筑面積近10萬m2，由東西廣場(chǎng)及商業(yè)建筑構(gòu)成，為各類人群出行活動(dòng)提供便利、快捷的綜合性商業(yè)服務(wù)，包括商務(wù)辦公、酒店、餐飲。受其建筑體量大、功能空間復(fù)雜，和氣候狀況、交通組織、空間特征、人員行為模式等眾多因素影響，該建筑的能耗與碳排放特點(diǎn)與其他類型公共建筑顯著不同；其能耗的構(gòu)成也較為復(fù)雜。由于客流量大、照明等設(shè)備密度高，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，供冷能耗大，單位面積能耗指標(biāo)高，該建筑全年總耗電量大，約為200～400 kW·h/m2，是普通公共建筑的4～8倍?？照{(diào)系統(tǒng)形式主要為風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)和一次回風(fēng)系統(tǒng)。為便于分析不同策略對(duì)配套建筑冷負(fù)荷的影響，本文采用EnergyPlus能耗模擬軟件進(jìn)行建模分析，車站實(shí)景圖與建筑模型如圖1所示。

圖1 深圳市某交通樞紐軌道總體布局與EnergyPlus模型

4 近零碳排放實(shí)施路徑及效果分析

為達(dá)到近零碳排放的建設(shè)目標(biāo)，需最大化地降低深圳市某軌道交通樞紐配套建筑能耗，提高設(shè)備與系統(tǒng)效率，并結(jié)合大規(guī)模的可再生能源利用以及碳匯手段，達(dá)到“凈零排放”的目標(biāo)。本文針對(duì)配套建筑特點(diǎn)與建設(shè)需求，從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、能源系統(tǒng)等方面展開分析。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化

4.1.1 屋面

建筑非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包含屋面和外墻。由于其占建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積較大，應(yīng)考慮非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能對(duì)建筑運(yùn)行能耗的影響。

根據(jù)GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）[7]中規(guī)定的近零能耗公共建筑的屋面平均傳熱系數(shù)為0.30～0.60 W/（m2·K）；圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部位傳熱系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)參照參數(shù)與節(jié)能措施如表2所示。配套建筑原始保溫措施為采用30 mm厚擠塑聚苯板隔熱層作為屋頂保溫材料。本研究通過改變保溫材料厚度（從30 mm增加至80 mm，每段增加間隔為10 mm）分析建筑負(fù)荷變化。部分結(jié)果如圖2所示；隨著屋面平均傳熱系數(shù)減小，所有建筑全年冷負(fù)荷均有不同程度降低。其中降幅最低的建筑為B1b，僅有0.47%；最高的為E1，高達(dá)2.16%；這是因?yàn)锽1b地上共5層，而E1僅有2層且建筑面積小，故對(duì)屋頂采取措施時(shí)效果顯著。

圖2 屋面保溫對(duì)建筑冷負(fù)荷的影響

4.1.2 外墻

由于深圳所處地區(qū)夏熱冬暖，太陽高度角較大，相較于屋面，外墻的保溫需求較低。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的近零能耗公共建筑的外墻平均傳熱系數(shù)為0.30～0.80 W/（m2· K）。配套建筑原始保溫措施為采用B06級(jí)190 mm厚加氣混凝土作為外墻主體材料，并附加50 mm厚硬質(zhì)礦棉板作為保溫材料。如表2所示，本文通過改變保溫材料厚度（從50 mm增加至110 mm，每段增加間隔為20 mm）分析建筑負(fù)荷的變化。部分結(jié)果如圖3所示；隨著保溫材料厚度的增加，外墻傳熱系數(shù)降幅與屋面相比不大，建筑全年冷負(fù)荷降幅效果甚微；降幅最大的建筑為B1a僅有0.17%，僅有2.17 MW · h，折合單位建筑面積年總冷負(fù)荷僅有0.13 kW · h/m2；這也反映出深圳地區(qū)太陽高度角高導(dǎo)致的通過外墻得熱形成的冷負(fù)荷占比較小，制定相關(guān)節(jié)能措施時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮屋面。

圖3 外墻保溫對(duì)建筑冷負(fù)荷的影響

4.1.3 外窗

外窗作為透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要部分，是連接室內(nèi)外環(huán)境的重要結(jié)構(gòu)，是對(duì)建筑節(jié)能產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵要素。外窗的遮陽板、SHGC（太陽熱增益系數(shù)）、WWR（窗墻比）是影響建筑能耗的重要參數(shù)[8]。其中，隨著緯度的減小，采用遮陽裝置的節(jié)能效果更為顯著。外部窗戶造成的能量損失占建筑能量損失的57%～63%，其中傳熱和輻射占23%～27%，滲透占34%～36%。因此，提高外部窗戶的熱性能對(duì)于建筑能效至關(guān)重要[9]。

《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，近零能耗公共建筑的外窗傳熱系數(shù)K≤2.80W/（m2· K）。因此，本研究通過改變外窗玻璃厚度或空氣間隔改變其傳熱系數(shù)，從3.5 W/（m2· K）降低至2 W/（m2· K），降低間隔為0.3W/（m2· K），模擬得到建筑全年冷熱負(fù)荷及能耗變化。部分結(jié)果如圖4所示；隨著外窗傳熱系數(shù)減小，建筑空調(diào)負(fù)荷降幅較大；降幅最大的建筑B1a為1.47%，最小的建筑為C1，僅有0.43%。單位建筑面積年總冷負(fù)荷降幅最大的為E1，為9.85 kW · h/m2。本文中關(guān)于外窗的模擬結(jié)果與林美鳳[4]在同處于夏熱冬暖地區(qū)的漳州辦公建筑結(jié)果有所出入；原因在于于本案例中建筑的窗墻面積比較大，通過外窗傳熱形成的冷負(fù)荷占比較高；E1汽車客運(yùn)站有大量的玻璃幕墻，其結(jié)果也符合此規(guī)律。

圖4 外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑冷負(fù)荷的影響

綜合上述模擬結(jié)果可以看出，由于深圳市緯度較低，太陽高度角較高，屋面接受的太陽輻射最多，故屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化對(duì)建筑能耗的影響最大。同時(shí)由于窗墻面積比較大，外窗傳熱形成的冷負(fù)荷較大，故其傳熱系數(shù)對(duì)建筑冷負(fù)荷影響比外墻大。因此對(duì)于太陽高度角較高的建筑，在近零碳排放改造中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)屋面的保溫；對(duì)于窗墻面積比較大且通過窗戶傳熱形成的冷負(fù)荷占比較高的建筑，應(yīng)該注重對(duì)外窗的保溫。

4.2 暖通空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化

空調(diào)系統(tǒng)作為公共建筑必不可少的一部分，發(fā)展越來越迅速。傳統(tǒng)制冷空調(diào)設(shè)備消耗了大量的電能（發(fā)達(dá)國(guó)家的空調(diào)能耗占全年民用能耗的20% ～40%），給能源、電力和環(huán)境帶來了很大壓力。本文中配套建筑的空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)年久未啟用；冷水機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、空調(diào)設(shè)定溫度等設(shè)備與設(shè)定參數(shù)都通過人工調(diào)節(jié)；人工調(diào)節(jié)包含一定弊端，例如供冷需求較小的時(shí)候冷水機(jī)組仍然按照平時(shí)設(shè)定的狀態(tài)運(yùn)行，導(dǎo)致部分能源的浪費(fèi)，而這部分能耗可以通過優(yōu)化運(yùn)行策略減小，進(jìn)一步減少碳排放。

本文使用EnergyPlus軟件中的能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS） 編 寫 Erl（EnergyPlus Runtime Language）程序，控制冷水機(jī)組的啟停，將冷凍水出水溫度分別維持在7.5℃、8℃、8.5℃、9℃，程序示例如圖5所示。

圖5 EMS程序設(shè)置（以7.5 ℃為例）

通過模擬得出不同冷凍水出水溫度下的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷與下降的百分比，如圖6所示。其中C1、D1、E1三棟建筑的負(fù)荷降幅最大，均能達(dá)到1.5%；其空調(diào)形式主要為集中式空調(diào)系統(tǒng)，更易于調(diào)節(jié)。另外三棟建筑A1、B1a、B1b主要采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，降幅僅有0.8%左右。無論何種空調(diào)形式，其冷負(fù)荷降低速度都隨著冷凍水出水溫度升高而越來越慢，故不宜為了節(jié)能而過度提高出水溫度。若恢復(fù)空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可優(yōu)先考慮從集中式空調(diào)機(jī)組運(yùn)行的運(yùn)行策略入手。

圖6 冷凍水出水溫度對(duì)建筑冷負(fù)荷的影響

4.3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力可用于建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)、照明及其他電器設(shè)備。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)近零碳排放智慧綜合交通樞紐建設(shè)的主要貢獻(xiàn)力量之一；利用配套建筑屋頂、連廊、建筑立面等空間，進(jìn)行建筑與光伏一體化設(shè)計(jì)，規(guī)?；瘧?yīng)用可再生能源，可以減少對(duì)常規(guī)能源的需求。

該配套綜合體坐落于深圳市中部，附近高大建筑物很少，光照環(huán)境良好，將光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在建筑樓頂效率最高。另外，此地日照時(shí)間長(zhǎng)，平均年日照時(shí)數(shù)2 120.5 h，太陽年輻射量5 225年MJ/m2，符合光伏投資要求。

本文在配套建筑的A1屋頂、B1屋頂、C1屋頂、D1屋頂、翼廊鋪設(shè)光伏組件建設(shè)屋頂分布式光伏項(xiàng)目。分布式光伏發(fā)電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)。在屋頂采用支架將組件安裝在四周鋼結(jié)構(gòu)頂部（以最高支架為平面搭建光伏屋頂，頂層屋頂設(shè)施具備防風(fēng)、防雨的基礎(chǔ)功能），不破壞原有屋頂結(jié)構(gòu)；在翼廊，需將其原有玻璃拆除，用防水導(dǎo)軌安裝透光組件。其中E1建筑層高較低，且屋頂面積較小，故暫不設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏組件總占地面積約3萬m2，預(yù)計(jì)裝機(jī)容量3 MW。安裝效果圖與EnergyPlus模型圖如圖7所示。EnergyPlus模型中光伏元件的可用太陽能電池表面積分?jǐn)?shù)為50%，發(fā)電效率（發(fā)電功率/太陽能入射功率）為12%。

圖7 項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)效果圖

通過模擬，得出各棟建筑年發(fā)電量見表3。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》[7]，可再生能源利用率REPp應(yīng)按式（1）計(jì)算：

表3 光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量

式（1）中：EPh表示供暖系統(tǒng)中可再生能源利用量，kW · h；EPc表示空調(diào)系統(tǒng)中可再生能源利用量，kW · h；EPw表示生活熱水系統(tǒng)中可再生能源利用量，kW · h；fi表示i類型（i表示式中包含的能源類型數(shù)量；此處僅涉及光伏發(fā)電，i=1）能源的能源換算系數(shù)；Er，i表示年本體產(chǎn)生的i類型可再生能源發(fā)電量， kW · h ；Erd，i表 示 年 周 邊 產(chǎn) 生 的i類型可再生能源發(fā)電量，kW · h ；Qh表示供暖年耗熱量，kW · h ；Qc表示供冷年耗冷量，kW · h；Qw表示年生活熱水耗熱量，kW · h；E1表示年照明系統(tǒng)能源消耗，kW · h；Ec表示年電梯系統(tǒng)能源消耗，kW · h。

其中空調(diào)系統(tǒng)年耗電量為15 682.46 MW · h，若能充分利用光伏發(fā)電系統(tǒng)，將模擬數(shù)據(jù)代入式（1）得到可再生能源利用率為14.5%，滿足《標(biāo)準(zhǔn)》可再生能源利用率不小于8%的核心指標(biāo)。

5 結(jié)論

以響應(yīng)國(guó)家近零碳排放建筑政策為目標(biāo)，本文以深圳市某軌道交通樞紐周邊配套建筑為例，利用EnergyPlus建立能耗模型，綜合分析改變屋面、外墻、外窗的傳熱系數(shù)和增加光伏發(fā)電系統(tǒng)等措施對(duì)建筑能耗變化的影響，得出結(jié)論如下。

（1）本文對(duì)于屋面和外墻的改造措施主要為增厚保溫層的厚度；模擬結(jié)果顯示屋面改造后建筑全年能耗最大降幅為0.47%～2.16%，單位建筑面積年能耗降低0.47～2.24 kW · h/m2，而外墻改造后的相應(yīng)數(shù)值僅為0.06%～0.17%，0.04～0.21 kW · h/m2；故對(duì)于本案例中配套建筑的非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)，改造時(shí)應(yīng)以屋面為主。

（2）對(duì)于外窗的改造措施為改變玻璃厚度和空氣隔層的厚度；模擬結(jié)果顯示建筑全年能耗最大降幅為0.43%～1.47%，單位建筑面積年能耗降低0.42～9.85 kW · h/m2；故對(duì)于窗墻面積比高的建筑，在改造時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注外窗的傳熱系數(shù)。

（3）對(duì)于暖通空調(diào)系統(tǒng)，本文通過EnergyPlus軟件中的EMS系統(tǒng)控制冷水機(jī)組啟停以將冷凍水出水溫度維持在不同的水平；模擬結(jié)果顯示相同集中式空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率比風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)高，改造時(shí)應(yīng)該注重集中式空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理。

（4）為充分利用深圳地區(qū)太陽高度角高的自然條件，本文在配套建筑的屋頂設(shè)置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)；模擬結(jié)果顯示年總發(fā)電量可達(dá)2.27 MW · h，若能充分利用這些發(fā)電量，可再生能源利用率可達(dá)14.5%，滿足《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》可再生能源利用率不小于8%的核心指標(biāo)。

綜合以上幾方面的考慮，本案例的配套建筑在實(shí)施近零碳排放改造時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注屋面和外窗的改造，同時(shí)應(yīng)充分利用豐富的太陽能資源，合理布置光伏發(fā)電系統(tǒng)或光伏光熱系統(tǒng)，進(jìn)一步降低整棟建筑的能耗。