北京市建筑設計研究院C座改造項目

本文作者為中國建筑科學研究院有限公司建科環(huán)能科技有限公司康一亭、吳劍林，北京市建筑設計研究院有限公司何荻。

摘要

北京市建筑設計研究院C座改造項目最大程度地保留了原建筑主體結構，采用高性能保溫體系和門窗，加強建筑圍護結構熱工性能；利用全自動控制電驅動外遮陽，提供高靈活性的遮陽系統(tǒng)；并在方案階段綜合考慮自然通風和自然采光的應用，降低建筑能耗。項目在低碳節(jié)能改造方面的增量成本約為1247元/m2，能源消耗量為70.69 kW·h/(m2·a)，節(jié)能率達到63.87%。

關鍵詞

節(jié)能改造；綠色減碳；增量成本；建筑能耗

項目概況

北京市建筑設計研究院C座改造項目位于北京市南禮士路62號北京市建筑設計研究院公司院區(qū)內(nèi)中心偏東側地塊。項目總建筑面積8652m2，其中地上建筑面積7690m2，地下建筑面積962m2，建筑功能為辦公。項目于2018年10月開工，2019年底完成改造工作，2020年5月投入使用。

建筑建成于1982年，經(jīng)過30多年的使用，已出現(xiàn)樓板開裂、鋼筋外露、周邊懸挑梁變形等問題。建筑原圍護結構保溫性能失效，氣密性能較差，節(jié)能效果不佳。建筑能源系統(tǒng)和照明系統(tǒng)運行年限長，設備能效水平低，運行安全性和可靠性降低。建筑已經(jīng)不符合現(xiàn)行國家標準的抗震能力要求和建筑節(jié)能要求，存在嚴重安全隱患和能耗偏高問題。由于其位于北京市核心區(qū)且南側緊鄰住宅樓，因此，在改造過程中不能開展大規(guī)模建筑外立面施工，避免施工過程中噪音、粉塵、廢棄物給周邊居民帶來不利影響。

圖1 北京市建筑設計研究院C座改造項目

為了提高建筑綠色低碳發(fā)展水平，基于國內(nèi)外綠色、健康、節(jié)能建筑標準，確定項目1~4層改造目標為LEED鉑金級，WELL鉑金級，健康建筑三星級，全樓改造目標為近零能耗建筑、綠色建筑三星級，旨在建造安全、近零能耗、智慧、健康建筑示范工程。北京市建筑設計研究院C座是國內(nèi)首個綠色、健康、近零能耗建筑高標準的改造項目。建筑節(jié)能低碳改造應優(yōu)先通過高性能圍護結構系統(tǒng)降低建筑冷熱需求，但考慮到建筑施工條件的限制，最終確定在原有圍護結構外墻內(nèi)側增加內(nèi)保溫，提升圍護結構保溫性能。內(nèi)保溫在建筑關鍵節(jié)點工藝做法方面受較多因素影響，須重點把控。為了進一步降低建筑碳排放，建筑采用高效機電設備，充分利用可再生能源，結合智能化運維系統(tǒng)達到綠色低碳運行效果（圖1）。

技術方案

1 圍護結構被動節(jié)能改造

本案例考慮降低拆改過程中造成的碳排放和對周邊環(huán)境的影響，采用了增加巖棉和STP真空絕熱板作為內(nèi)保溫的方式，同時配備高性能外窗與遮陽系統(tǒng)，達到優(yōu)化圍護結構的目標。

項目改造前圍護結構僅采用200mm加氣混凝土，其中東向和南向在2000年改造工程中增加了50mm的聚苯板保溫層，建筑門窗傳熱性能、氣密性均較差。圍護結構已不滿足現(xiàn)行國家相關節(jié)能標準要求。受項目改造條件限制，無法在建筑外立面進行大規(guī)模施工，最終確定基于原有圍護結構在外墻內(nèi)側增加內(nèi)保溫。

外墻保留原有200mm加氣混凝土外墻，在外墻內(nèi)側增加80mm厚巖棉板和30mm厚STP真空絕熱板，外墻平均傳熱系數(shù)達到0.21W/(m2·K)。同時，根據(jù)建筑方案和無熱橋設計需求，在局部節(jié)點或造型位置增加STP真空絕熱板，保障建筑保溫性能和無熱橋效果。屋面：屋面保溫采用300mm厚擠塑聚苯板，屋面平均傳熱系數(shù)達到0.14 W/(m2·K)。

外窗及外遮陽采用TP6（單銀Low-e）+16Ar暖邊+TP5+0.5V+TP5三玻中空，窗框采用鋁合金隔熱斷橋鋁型材，斷橋鋁型材表面采用氟碳噴涂，外窗整體傳熱系數(shù)達到1.0W/( m2·K )，外窗氣密性等級達到8級，水密性等級達到6級。建筑南側、東側外窗設置室外電動遮陽百葉，室內(nèi)每套外窗側設置遮陽卷簾（圖2）。

圖2 建筑外窗與外遮陽

保證建筑屋面、外墻、地面、外窗等部位無熱橋。建筑采用內(nèi)保溫方式，其無熱橋設計節(jié)點包括保溫層連接部位、外窗與結構墻體連接部位、管道等穿墻或屋面部位，以及遮陽裝置等需要在外圍護結構固定可能導致熱橋的部位等（圖3~圖5）。

圖3 外墻大樣圖

圖4 外窗大樣圖

圖5 屋面大樣圖

按照《近零能耗建筑技術標準》GB/T 51350-2019，建筑氣密性指標達到換氣次數(shù)N50≤0.6。建筑氣密性對于實現(xiàn)近零能耗及近零碳建筑目標非常重要。良好的氣密性可以減少冬季冷風滲透，降低夏季非受控通風導致的供冷需求，避免濕氣侵入造成的建筑發(fā)霉、結露、損壞，降低室外噪聲和空氣污染等不良因素對室內(nèi)環(huán)境的影響。

項目選用高性能的門窗，外門窗氣密性等級達到8級。在建筑設計和施工過程中，保障關鍵節(jié)點的性能，其中對建筑風道、給水排水管、電纜、空調(diào)水管、雨水管等孔洞位置均進行有效密封。

2 冷熱源系統(tǒng)改造

項目改造前采用市政熱力和冷水機組提供冷熱源，改造后重新匹配冷熱源機組，采用4臺模塊式空氣源熱泵主機，熱泵制冷COP達到3.75，制熱COP達到4.2。每臺空氣源熱泵主機有4個機頭，可以逐級進行調(diào)節(jié)，4臺主機共可按照16級變頻調(diào)節(jié)。建筑末端采用“風機盤管+新風系統(tǒng)”，新風熱回收系統(tǒng)全熱回收段效率為75%，當過渡季室外溫度低于28℃，相對濕度低于60%時，采用自然通風方式（圖6）。

圖6 空氣源熱泵機組

3 照明系統(tǒng)改造

室內(nèi)照明燈具更換為高效LED節(jié)能燈具并配套智能化照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)分區(qū)分組、人感光感控制。項目改造前照明系統(tǒng)以普通白熾燈和節(jié)能燈為主，手動控制，照明系統(tǒng)節(jié)能潛力較大。項目改造后主要功能房間的照明功率密度為4~6.5W/m2。同時，增加智能照明控制系統(tǒng)，按建筑使用條件和天然采光狀況采取分區(qū)、分組控制措施。

4 可再生能源應用

為了進一步達到近零能耗和近零碳排放的目標，結合建筑造型和屋面條件，在充分考慮建筑光伏一體化的前提下，采用屋頂太陽能光伏系統(tǒng)，光伏設計面積為400m2。根據(jù)北京市氣象條件，全年發(fā)電量約為66014kW·h，屋面光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量可滿足節(jié)能需求（圖7）。同時，室內(nèi)布置綠植墻面和盆栽增加碳匯，間接降低建筑碳排放。

圖7 太陽能光伏系統(tǒng)

5 建筑智控系統(tǒng)

項目采用智能化監(jiān)控運維系統(tǒng)對建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)、室外環(huán)境溫度和建筑能源系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，準確反映建筑的用能情況，監(jiān)測能源系統(tǒng)運行狀態(tài)，實現(xiàn)對建筑的最佳使用效果。項目在建筑室內(nèi)和室外設置溫度、濕度傳感器，監(jiān)測環(huán)境舒適度。在冷熱源系統(tǒng)、能源系統(tǒng)末端等關鍵部位設置溫度、流量、壓力傳感器，通過監(jiān)測能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，設置合理的系統(tǒng)運行方案，完成自動控制。同時在建筑會議室和公共區(qū)域設置人感和光感傳感器，實現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能控制。外窗和外遮陽采用自動控制方式，通過室外日照情況和室內(nèi)人員情況，設定合理的控制方案，集中自動控制。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)仁侄渭皶r采集分析能耗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在能耗監(jiān)測平臺上對能耗統(tǒng)計結果進行分析展示的效果。

6 管理模式創(chuàng)新

項目改造期間采用全過程管理模式，從方案設計、施工圖設計、建筑施工、系統(tǒng)調(diào)試、建筑運行階段制定技術方案，應用一體化管理流程，組織各個專業(yè)和領域的工作人員開展項目研討會，相互協(xié)調(diào)和響應不同專業(yè)的需求。監(jiān)督實施過程，保障實施效果。見圖8所示。

圖8 全過程一體化管理流程

實施效果

1 節(jié)能降碳效果

針對項目改造方案，以滿足《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2015節(jié)能要求的建筑作為參照建筑，參照建筑能源消耗量為195.68 kW·h/(m2·a)，本項目建筑能源消耗量為70.69 kW·h/(m2·a)，節(jié)能率達到63.87%。根據(jù)碳排放計算結果，常規(guī)節(jié)能參照建筑碳排放強度為5583 kg CO2/m2，本項目通過采用多項綠色低碳技術后碳排放強度下降30.32%，降碳效果顯著。其中隱含碳排放強度為1142 kg CO2/m2，運行碳排放強度為2748 kg CO2/m2，運行碳排放占比70.64%。

2 經(jīng)濟與社會效益

項目改造投資約1331萬元，相比常規(guī)建筑，改造建筑在根據(jù)《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2015建造基礎上，產(chǎn)生的增量成本如下表所示，投資費用增加了925.28萬元，增量成本約為1247元/m2。建筑節(jié)能減碳改造增量成本見表1。

表1 建筑節(jié)能低碳改造增量成本

既有公共建筑已成為我國建筑節(jié)能改造的重點，其具備節(jié)能改造的相關潛力。本示范項目為其它公共建筑節(jié)能改造項目提供了新技術應用參考，從而引導更多的既有公共建筑以高標準提升建筑性能。為了進一步提升建筑節(jié)能水平，強化建筑的綜合性能，延長建筑使用壽命，應積極推動并大量推廣該項目節(jié)能減碳改造模式。

項目特點

本次改造最大程度地保留了原建筑主體結構，在對原主體結構進行加固改造的基礎上，對建筑方案進行了優(yōu)化設計，采用高性能保溫體系和門窗加強建筑圍護結構熱工性能，利用全自動控制電驅動外窗和外遮陽提供高靈活性的遮陽系統(tǒng)，并在方案階段綜合考慮自然通風和自然采光的應用，降低建筑能耗需求。建筑能源系統(tǒng)以空氣源熱泵系統(tǒng)作為獨立冷熱源。利用高效LED燈具及智能照明控制系統(tǒng)降低建筑照明能耗，全樓機電設備設施完成了更換，對全樓進行裝修改造，綠色化改造。建筑充分利用可再生能源，設置400m2的屋面光伏系統(tǒng)為公共區(qū)域照明供電，以進一步達到建筑近零能耗和近零碳的目標。建筑改造應用健康建筑元素，通過在空調(diào)系統(tǒng)設置活性炭過濾、高壓靜電除塵等空氣凈化裝置保障室內(nèi)空氣質量；全樓設置直飲水凈化系統(tǒng)為員工提供便捷干凈的飲水來源；室內(nèi)采用健康高質量光源，提供舒適的光環(huán)境；員工工位配備人體工程學工位，公共區(qū)域設置健身工位，鼓勵健康的工作方式；建筑應用智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)空氣質量監(jiān)測、水質在線監(jiān)測、照明分區(qū)分組控制、樓宇設備自動化運維等功能。

推廣建議

既有建筑改造項目可以通過：外圍護結構及保溫結構改造、更新外門窗和遮陽、冷熱源機房改造、熱回收機組加裝、應用節(jié)能自控照明設備、裝配光伏發(fā)電等措施，在不改變主體結構的情況下，在安全改造的同時，開展綜合節(jié)能改造工作，解決建筑年代久遠、基礎條件差、鄰近住宅樓等問題，探索并實施近零能耗建筑、綠色建筑、健康建筑、智慧建筑技術改造，提高建筑物使用的安全性、舒適性和健康性。