建筑技術(shù)丨嚴(yán)寒地區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)超低能耗建筑技術(shù)探索研究

自2012年起，我國開展對被動式建筑的積極探索，先后建成了“在水一方”和“中德被動式低能耗建筑”，隨著對被動式超低能耗技術(shù)的深入研究，逐步掌握了適用于中國建筑的被動式技術(shù)要領(lǐng)，中國式被動式超低能耗建筑蓬勃發(fā)展。目前在各類被動式建筑研究中，以住宅建筑和辦公建筑居多。目前，我國交通運(yùn)輸行業(yè)飛速發(fā)展，作為綜合運(yùn)輸體系的重要組成部分，高速公路是我國經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要保障，而服務(wù)區(qū)是高速公路的必要組成部分。相關(guān)研究表明，高速公路服務(wù)區(qū)由于距城市較遠(yuǎn)，可用的能源資源有限。交通運(yùn)輸行業(yè)能源消耗占總能源消耗的20%，相對于其他氣候區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)的建筑在滿足日常使用舒適性條件下的能耗遠(yuǎn)高于其他氣候區(qū)。被動式建筑技術(shù)在嚴(yán)寒氣候區(qū)的應(yīng)用和推廣具有深遠(yuǎn)的意義及經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，因此在嚴(yán)寒地區(qū)的高速公路服務(wù)區(qū)中推行被動式技術(shù)具有無限潛力。王建軍針對曲港某典型被動式超低能耗建筑服務(wù)區(qū)的外墻和屋面，采用FLUENT流體軟件模擬其夏季及冬季內(nèi)部熱流密度變化，分析其傳熱性能，并與常規(guī)服務(wù)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，結(jié)果表明被動房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的隔熱保溫性能。田起軍、齊彥宇等對適用于嚴(yán)寒地區(qū)的被動式超低能耗建筑技術(shù)和運(yùn)行評價(jià)方法進(jìn)行探索研究，結(jié)果表明在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用被動式超低能耗技術(shù)有著廣泛前景。本文選取延崇高速赤城服務(wù)區(qū)南區(qū)為研究對象，按被動式建筑技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用DB軟件模擬其能耗，并與常規(guī)建筑進(jìn)行比對，分析其節(jié)能潛力。1、工程概況本工程為延慶至崇禮高速公路河北段工程沿線設(shè)施——赤城服務(wù)區(qū)南區(qū)，位于河北省張家口赤城，按GB50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)劃分屬嚴(yán)寒地區(qū)。該建筑地上3層，建筑面積3?896.05?㎡，供暖面積3?896.05?㎡，建筑總高15.15?m，是集超市、衛(wèi)生間、客房、餐廳和廚房于一體的綜合型高速公路服務(wù)用房。本項(xiàng)目依據(jù)河北省現(xiàn)行DB13(J)T273—2018《被動式低能耗設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計(jì)。2、主要技術(shù)措施本工程采用被動式超低能耗技術(shù)，結(jié)合太陽能光伏系統(tǒng)，利用峰谷電價(jià)，以求取代傳統(tǒng)能源形式，主要技術(shù)措施如下。2.1高效保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的重要部分之一，研究表明嚴(yán)寒地區(qū)建筑通過外墻散熱量約占建筑散熱總量的30%，因此提升外墻的保溫隔熱性能對整個(gè)建筑的節(jié)能降耗意義重大。與墻體結(jié)構(gòu)相比，門窗是整個(gè)建筑節(jié)能最薄弱的部位，外門窗面積一般占整個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的20%，在嚴(yán)寒地區(qū)整個(gè)建筑能耗中，通過門傳傳遞及冷風(fēng)滲透耗熱量產(chǎn)生的熱損失約占全部建筑能耗的40%~50%。本工程外門及外窗采用多腔塑料型材中空、真空玻璃，氣密性為8級，水密性為3級，設(shè)遮陽卷簾遮陽系數(shù)0.4。本工程外墻、屋面、地面、門窗等的熱工性能見表1。表1圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法2.2無熱橋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)熱橋不僅是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失的主要源頭，更是使建筑長菌發(fā)霉的關(guān)鍵所在。本項(xiàng)目熱橋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖1所示。（a）

（b）（c）

（d）（e）

（f）圖1墻身節(jié)點(diǎn)保溫做法（a）外墻保溫做法；（b）外墻陽角保溫；（c）外墻陰角保溫；（d）女兒墻保溫；（e）通風(fēng)管道穿墻保溫；（f）首層隔墻與樓板交接處保溫2.3帶熱回收的新風(fēng)系統(tǒng)餐廳、會議室、超市、特色小賣、鐘點(diǎn)房、客房、辦公室、衛(wèi)生間采用熱回收型新風(fēng)換氣機(jī)通風(fēng)換氣。新風(fēng)換氣機(jī)前設(shè)點(diǎn)預(yù)熱段，將新風(fēng)預(yù)熱至–5℃后進(jìn)行熱回收，顯熱回收效率不小于75%，除衛(wèi)生間外其他房間過渡季采用自然通風(fēng)。2.4冷熱源系統(tǒng)采用蓄熱電鍋爐供暖，在夜間低谷電時(shí)段開啟電鍋爐進(jìn)行供暖并蓄熱，平段時(shí)間依靠蓄熱供暖；同時(shí)采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，為建筑提供一定的清潔能源。2.5可再生能源系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)被動式建筑理念并降低能源消耗，被動式建住能源系統(tǒng)常采用太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能等可再生能源。本項(xiàng)目所處張家口地區(qū)雖建有大量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，但本工程位置較偏遠(yuǎn)無法直接采用風(fēng)力發(fā)電，故引入太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。在停車場處設(shè)有2?223?MW光伏發(fā)電板，能提供電量3?456?MW供本項(xiàng)目使用。3、能耗模擬能耗模擬采用DesignBuilder軟件，以整個(gè)服務(wù)區(qū)CAD圖紙搭建建筑能耗模型，采用energyplus的計(jì)算程序模擬建筑物的能耗，通過設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)、照明、人員、設(shè)備等一系列參數(shù)，進(jìn)行全年8?460?h能耗模擬計(jì)算，最終可按年、月、日、小時(shí)及更小的時(shí)間單位輸出建筑能耗、室內(nèi)空氣溫度、舒適度、通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量、熱負(fù)荷和二氧化碳排放量等結(jié)果。3.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置赤城服務(wù)區(qū)被動式圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按DB13（J）T

273—2018《被動式公共建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體參數(shù)見表1。3.2DB計(jì)算模型根據(jù)赤城服務(wù)區(qū)建筑CAD圖紙，分樓層繪制DesignBuilder建筑模型，再選取同一基點(diǎn)將各層疊在一起，構(gòu)建赤城服務(wù)區(qū)能耗分析模型（圖2）。圖2赤城服務(wù)區(qū)能耗分析模型3.3室內(nèi)參數(shù)設(shè)計(jì)3.3.1室內(nèi)計(jì)算參數(shù)本工程室內(nèi)參數(shù)設(shè)計(jì)滿足DB13（J）T273—2018《被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，具體參數(shù)見表2。表2室內(nèi)計(jì)算參數(shù)3.3.2作息模式建筑供暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、室內(nèi)溫度、照明功率密度值及開關(guān)時(shí)間、房間人均占有的使用面積及在室率、人員新風(fēng)量及新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間表、電氣設(shè)備功率密度及使用率主要參照GB50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄B進(jìn)行設(shè)計(jì)。據(jù)相關(guān)研究表明，高速公路服務(wù)區(qū)人員流動量較大，其中餐廳和超市與常規(guī)公共建筑人員作息存在明顯差異，其他功能房間如客房、辦公室的人員作息差異較小，由清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系環(huán)境與設(shè)備研究所開發(fā)的DeST建筑能耗模擬軟件內(nèi)置了豐富的建筑類型人員、照明、設(shè)備作息模式，本工程在該軟件內(nèi)置作息設(shè)置的基礎(chǔ)上結(jié)合高速公路服務(wù)區(qū)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，作息模式設(shè)置如圖3~圖5所示。（a）

（b）（c）

（d）圖3照明時(shí)間表（計(jì)算機(jī)截圖）（a）餐廳時(shí)間表；（b）客房時(shí)間表；（c）超市時(shí)間表；（d）衛(wèi)生間時(shí)間表（a）

（b）圖4供暖和通風(fēng)時(shí)間表（計(jì)算機(jī)截圖）（a）供暖、新風(fēng)時(shí)間表；（b）廚房機(jī)械排風(fēng)時(shí)間表（a）

（b）圖5其他設(shè)備時(shí)間表（計(jì)算機(jī)截圖）（a）客房設(shè)備時(shí)間表；（b）廚房設(shè)備時(shí)間表3.4模擬結(jié)果分析能耗模擬結(jié)果如圖6所示，全年總建筑能耗為425?682.30?kWh，單位面積能耗為124.97?kWh/㎡。其中供暖、照明和新風(fēng)能耗為414?213.9?kWh。圖6赤城服務(wù)區(qū)能耗模擬結(jié)果（計(jì)算機(jī)截圖）3.5相對節(jié)能率計(jì)算評價(jià)公共建筑是否滿足被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)要求，還需評價(jià)其相對節(jié)能率，應(yīng)按以下公式計(jì)算：η=（E0–E）/E0式中：η為相對節(jié)能率；E0為參照建筑在規(guī)定條件下的全年供暖、供冷和照明能耗；E為設(shè)計(jì)建筑在規(guī)定條件的全年供暖、供冷和照明能耗。其中參照建筑是符合河北省DB13（J）81—2016《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求的作為計(jì)算全年供暖、供冷和照明能耗用的基準(zhǔn)建筑。參照建筑的形狀、大小、朝向及內(nèi)部的空間劃分和使用功能應(yīng)與設(shè)計(jì)建筑基本一致；參照建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、外窗（包括透光幕墻）太陽得熱系數(shù)限值、遮陽、冷熱源、空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、自然通風(fēng)、照明等符合DB23/T2277—2018《被動式低能耗居住建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中表3.0.4的規(guī)定（表3）。表3參照建筑熱工性能及系統(tǒng)形式經(jīng)計(jì)算，參照建筑供暖、照明和通風(fēng)能耗為951747.21kWh，本工程相對節(jié)能率為56.48%，符合《被動式超低能耗建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對公共建筑能耗的要求，即為被動式超低能耗建筑。4、結(jié)論（1）嚴(yán)寒地區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)類建筑節(jié)能潛力很大，可通過引入被動式超低能耗建筑技術(shù)，采用高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)、無熱橋節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、高氣密性、高效供暖設(shè)備和熱回收新風(fēng)裝置，以解決嚴(yán)寒地區(qū)該類建筑能耗高的問題。（2）本文應(yīng)用De