一、项目概况

天津中新生态城公屋展示中心是中国北方第一座以近零能耗为设计目标的建筑，位于天津市中心生态城内。主要用途一部分为公屋展示、销售；另一部分为房管局办公和档案储存。项目占地面积8090㎡，总建筑面积3467㎡，其中地上3013㎡，地下454㎡。建筑高度15m，地上2层，地下局部1层。结构类型为钢框架结构。本项目设计时间为2011年，于2012年建成；设计单位为天津市建筑设计院，施工单位为中建三局第三建设工程有限责任公司。

本项目已获得中国绿色建筑三星级设计标识、运营标识，并荣获2015、2017年度全国绿色建筑创新奖二等奖、2013 香港建筑师学会四地建筑设计大奖、2013年度天津市优秀设计一等奖、2012 全国人居经典建筑规划设计方案竞赛建筑、科技双金奖。

项目以“性能化设计”理念为指导，在设计全过程中采用了以能耗限值为目标的建筑能耗量化控制。从被动式设计、主动式设计和可再生能源利用方面对项目进行了逐步优化，最终实现零能耗建筑设计目标。

二、技术措施

2.1 技术措施概述

项目基于中新生态城的气候条件和场地周边环境，采用计算机模拟分析，综合运用了能耗、风环境、光环境模拟指导体块推演，优化建筑布局、朝向与体型系数控制，通过提高围护结构节能设计，强化自然通风、自然采光等技术措施，降低了建筑的用能需求。同时，通过机电系统的精细化设计，选用高效智能设备，降低了建筑能耗。在此基础上，本项目采用了大面积光伏发电系统，以及地源热泵、太阳能热水等可再生能源利用，最终实现近零能耗的设计目标。

图1.绿色建筑技术集成应用

2.2 建筑布局

项目位于地块东北角，城市主干道交口南侧，道路基本成正交，但与南北向呈 45°，交口有一个已经建成的街角公园。建筑平面是顺应主干道延展方向的“菱形”平面。通过加大“菱形”平面的进深和建筑体量，有效减少了围护结构的热损失，建筑体型系数为0.22。

地上主要功能分为两部分，建筑东半部分为公屋展示、销售，西半部分为房管局办公和档案存储。地上平面分为贴邻建筑外墙一侧的外区和建筑内部核心的内区 ；根据朝向，将各层外区的功能房间也进行细致划分，南向布置需要良好朝向和采光的房间，北向则布置对朝向和采光无过高要求的房间。地下一层主要为空调机房、消防泵房等辅助设备用房。

2.3 围护结构

根据耗能模拟分析、经济性分析，确定了围护结构的热工性能参数，如表1所示。建筑外墙采用 300 厚砂加气混凝土砌块 +150厚保温岩棉，在满足保温要求的前提下避免过厚的墙体影响采光；幕墙选用高反射铝单板，具有自洁功能，且100% 可回收。

表1 主要围护结构材料及热工性能

2.4 自然通风

采用CFD风环境模拟软件，计算了夏季、冬季、过渡季3个工况下速度、压力的分布情况，从而综合利用风压/热压通风、以及建筑构件的导风作用，优化室内自然通风效果。

建筑外区的通风主要靠外窗的自然通风完成，内区则是靠坑道风技术来完成。分布在首层的交易大厅和公屋交易大厅下，分别通过室内的地面送风道为两个大厅输送新风，再通过中庭的侧高窗进行排风，完成过渡季节大厅内的空气循环。实现缩短共享中庭空调制冷时间约 20%，减少空调制冷共享中庭能耗约 30%，年节能量 1.65 kWh/m²，主机节省电耗 0.393 kWh/m²。

2.5 自然采光

经过日照模拟和优化确定每个立面的窗墙比及开窗形式。窗墙比，南向为0.34，东向为0.27，西向为0.19，北向为0.16。北向及东北、西北立面以竖向条形窗为主，南向及东南、西南立面以横向条形窗为主，南向外檐设计成“搓板”造型，改善遮阳与采光；建筑内区采用中庭高侧窗设计来满足主要采光需求，如图2所示。

图2.外窗设计及实景图

  为了改善自然采光效果，在地下空间设置了3个光导筒，屋顶设置了20个光导筒，侧墙设置12个光导筒，一层的整体平均采光系数提升了0.99%，二层的整体平均采光系数提升了1.21%，区域内88.49%的主要功能空间采光系数达到采光要求。

图3.自然采光实景图

2.6 场地低影响开发及屋顶绿化

项目采用适合天津地区的乡土植物，优化乔木、灌木和草坪的搭配，形成富有生机的复层绿化体系，场区的绿化率达到67%，改善局部气候的效果比较明显。此外，还设置了部分屋顶绿化。

2.7 采暖、通风及空调系统

系统设计概述：

采暖系统采用地板辐射及低温散热器，根据建筑实际情况，选择合理供暖方式 , 中庭及办公区域采用地板辐射采暖，附属用房采用低温散热器系统，提高舒适度同时采暖系统效率提升 10%，与通常办公采用风机盘管系统相比，减少年供暖电耗 2 147 kW，降低建筑能耗 1.1 kwh/m2.a ；

空调系统采用高温冷水机组配合温湿度独立分控的空调系统，在保证室内舒适度的前提下，降低能源消耗。与通常办公采用风机盘管系统相比，降低建筑能耗 45.1kwh/m2.a。

根据建筑使用功能的不同，各功能区的设计温度、新风需求等，如表2所示。

表2.室内环境设定参数

空调系统：

1）空调冷热源系统

空调冷、热源形式为：高温地源热泵耦合太阳能光热系统+溶液调湿系统，实现高温供冷（16℃/21℃），低温供热（42℃/37℃）。该机组供冷COP为5.93，供热COP为4.5。

2）空调冷、热负荷

总冷负荷为193kW，冷指标为55W/㎡，冷水机组负担175kW；VRF负担18kW；总热负荷为173.5KW，热指标为49.6W/㎡，冷水机组负担168kW，VRF负担5.5kW。

溶液调湿新风机组在为建筑提供新风的同时，夏季消除系统湿负荷，冬季作为新风机组为建筑提供新风。对于部分需24小时供冷、热的电气房间及室内要求无“水隐患”的档案库则采用VRF机组全年供冷供热。

3）空调末端系统

利用干燥新风通过变风量方式调节室内湿度，用高温冷水通过独立的末端调节室内温度。大厅：采用单区变风量全空气空调系统，送风机变频，空气处理设备为组合式空气处理机。小开敞房间：采用干式风机盘管加新风系统。新风机组集中设置，新风经溶液调湿新风机组处理后，由集中新风竖井及各层水平新风管道独立送入室内。各新风管道分支均安装定风量调节器，与室内CO2传感器联动以保证新风量的实时按需分配。

4）空调系统控制

风机盘管采用联网控制系统，系统自带温度传感器。房间无人时，延时断开室内的照明和风机盘管的供电；当下班时，在确定无人后延时断开室内所有供电回路，包括照明、插座、风机盘管等。对用电、用水和冷/热量等能源消耗情况进行分项监测及计量。

2.8 照明系统

在满足规范的前提下，最大限度的降低照明能耗，主要采取了以下措施：

1. 根据不同使用功能采用分区照明控制系统；

2. 利用高效照明灯具及光源进一步降低人工照明的能耗；

3 光源采用高效高频荧光灯、LED筒灯或其它节能型光源；

4. 利用照明控制手段，如设置亮度传感器、定时控制、感应控制等保证照明节能的措施的实现。

2.9 能源管理平台

建筑能源管理平台整个系统分为三层：现场测控层、通信管理层和系统管理层。设置空调、动力、照明插座和特殊用电等分项计量，并按照功能区分别进行计量。其他带远传功能的计量装置接入统一的后台管理软件平台，实现能效监管。

图4.能效监管系统首界面及七大模块

如图4所示，建筑能源管理平台七大模块包括：综合首页、能源分析、系统监测、环境监测、系统控制、报警中心、应用工具等。同时，系统为用户提供了综合的报表功能，包含电表、水表等的分类分项报表及历史环境监测报表等，并可以进行显示、打印和查询。

2.10 可再生能源利用

项目在可再生能源利用方面采用了地源热泵供冷/热，太阳能生活热水及太阳能光伏发电系统，由于项目设计目标为零能耗，光伏装机容量取决于建筑全年的化石能源消耗。

光伏发电系统：

光伏板以三种形态与建筑设计结合为一体。包括建筑西南和东南立面 ；南北向跨越建筑的桁架支撑着具有造型象征意义的光伏板 ；屋面还布置了与地面呈 0o、32o 倾角的光伏板。由桁架支撑的光伏板，为了尽量减少对后排的遮挡，特别设计成梭形，并逐排变化倾角排列。桁架与屋面的光伏板为建筑提供能源的同时还兼顾着良好的遮阳作用。经光伏发电模拟分析，光伏发电可提供 299 MWh，总装机容量 296 kWp。

太阳能光伏发电与市电并网运行，多余的光伏电量反馈到电网，并设置有648kW的锂电池储能装置，用于平滑光伏馈电功率，并为较重要负荷提供备用电源。

图5.太阳能光伏发电系统分布示意及安装的实景图

太阳能热水系统：

本项目采用太阳能热水系统提供生活热水，集热器集中布置在屋顶，太阳能保证率为70%。屋顶设置太阳能集热器24㎡，卫生间设换热水箱。

可再生能源贡献率：

由于采用地源热泵及生活热水系统降低了供冷供热能耗及热水能耗，反应在建筑整体能耗上的就是能耗需求降低了，因此在计算了建筑总体能耗后，不再单独计算地源热泵及生活热水系统的可再生能源贡献率，项目可再生能源的贡献率为89.52%。

2.11 运行能耗

项目经被动式、主动式系统优化设计后，单位面积建筑能耗降低到了62.5kWh/㎡a，建筑总能耗为220.5 MWh，光伏发电年理论可提供电力约299MWh，可满足建筑年用电需求。

项目总能耗：

项目于2013年投入使用，2015年的能耗数据，如图6及表3所示：

图6.2015年逐月消耗市电、光伏发电及并网电量

                表3.2015年总用电耗汇总表       单位：kWh/(㎡.a)

用电分项特征：

公屋展示中心用能主要包括暖通空调系统能耗、办公和其他用电设备能耗、照明系统能耗、热水系统能耗，通过对2015年能耗的分析，其中空调及新风能耗合计占比为48.28%，插座照明为37.38%，热水为12.10%。

2.12 建筑全生命期碳排放

本项目使用年限为50年，其总建筑面积为3467㎡。碳排放计算涵盖了建筑全生命期的7大阶段，分别为：建材生产阶段、建材运输阶段、施工阶段、使用阶段、维修阶段、拆除阶段、废弃物回收利用阶段。根据国家发展改革委应对气候变化司发布的《2016中国区域电网基准线排放因子（征求意见稿）》，华北区域电网碳排放因子为0.4506。按建筑每平米年二氧化碳排放计算为基础，项目全生命期碳排放如表4所示。

表4.公屋展示中心全生命期碳排放计算汇总表

三、总结

自《巴黎协定》签订以来，气候变化涉及的科学问题越来越受到人们的关注。从工业革命开始的两百多年间，人类社会的发展越来越依靠化石能源的消耗。快速城市化进程与CO2排放同步增长，碳排放已成为影响全球气候变化的主要因素。温室气体排放的75%来自城市，我们需要改变传统城市发展模式来应对全球变暖的挑战。在占碳排放总量约30%的建筑领域，低碳城市与绿色建筑研究成为遏制全球升温的重要途径。

本项目通过采用性能化设计，综合采用多种被动式与主动式节能技术，并最大限度的利用可再生能源，显著降低了建筑使用阶段的碳排放。在本项目建筑全生命期内，建材生产阶段能耗及CO2排放量占比最高，较常规建筑使用阶段最高不同，这一方面是因为项目为近零能耗建筑，另一方面是因为采用了钢结构。随着建筑节能的发展，建材生产及建筑使用阶段是建筑碳排放总量控制的关键环节。

信息提供单位：天津市建筑设计院