绿色建筑研习社策划编著的《超低能耗建筑产业实践》一书已由四川科技出版社出版发行，其中《项目篇》收录了11个超低能耗建筑项目，介绍了其规划设计、节能策略、技术应用、运维管理、能耗数据等内容。本文介绍的项目为：北京市建筑设计研究院C座改造项目，作者为中国建筑科学研究院有限公司建科环能科技有限公司康一亭、吴剑林，北京市建筑设计研究院有限公司何荻。
摘要
北京市建筑设计研究院C座改造项目最大程度地保留了原建筑主体结构，采用高性能保温体系和门窗，加强建筑围护结构热工性能；利用全自动控制电驱动外遮阳，提供高灵活性的遮阳系统；并在方案阶段综合考虑自然通风和自然采光的应用，降低建筑能耗。项目在低碳节能改造方面的增量成本约为1247元/m²，能源消耗量为70.69 kW·h/(m²·a)，节能率达到63.87%。
关键词
节能改造；绿色减碳；增量成本；建筑能耗
北京市建筑设计研究院C座改造项目位于北京市南礼士路62号北京市建筑设计研究院公司院区内中心偏东侧地块。项目总建筑面积8652m²，其中地上建筑面积7690m²，地下建筑面积962m²，建筑功能为办公。项目于2018年10月开工，2019年底完成改造工作，2020年5月投入使用。
建筑建成于1982年，经过30多年的使用，已出现楼板开裂、钢筋外露、周边悬挑梁变形等问题。建筑原围护结构保温性能失效，气密性能较差，节能效果不佳。建筑能源系统和照明系统运行年限长，设备能效水平低，运行安全性和可靠性降低。建筑已经不符合现行国家标准的抗震能力要求和建筑节能要求，存在严重安全隐患和能耗偏高问题。由于其位于北京市核心区且南侧紧邻住宅楼，因此，在改造过程中不能开展大规模建筑外立面施工，避免施工过程中噪音、粉尘、废弃物给周边居民带来不利影响。
图1 北京市建筑设计研究院C座改造项目
为了提高建筑绿色低碳发展水平，基于国内外绿色、健康、节能建筑标准，确定项目1~4层改造目标为LEED铂金级，WELL铂金级，健康建筑三星级，全楼改造目标为近零能耗建筑、绿色建筑三星级，旨在建造安全、近零能耗、智慧、健康建筑示范工程。北京市建筑设计研究院C座是国内首个绿色、健康、近零能耗建筑高标准的改造项目。建筑节能低碳改造应优先通过高性能围护结构系统降低建筑冷热需求，但考虑到建筑施工条件的限制，最终确定在原有围护结构外墙内侧增加内保温，提升围护结构保温性能。内保温在建筑关键节点工艺做法方面受较多因素影响，须重点把控。为了进一步降低建筑碳排放，建筑采用高效机电设备，充分利用可再生能源，结合智能化运维系统达到绿色低碳运行效果（图1）。
1 围护结构被动节能改造
本案例考虑降低拆改过程中造成的碳排放和对周边环境的影响，采用了增加岩棉和STP真空绝热板作为内保温的方式，同时配备高性能外窗与遮阳系统，达到优化围护结构的目标。
项目改造前围护结构仅采用200mm加气混凝土，其中东向和南向在2000年改造工程中增加了50mm的聚苯板保温层，建筑门窗传热性能、气密性均较差。围护结构已不满足现行国家相关节能标准要求。受项目改造条件限制，无法在建筑外立面进行大规模施工，最终确定基于原有围护结构在外墙内侧增加内保温。
外墙保留原有200mm加气混凝土外墙，在外墙内侧增加80mm厚岩棉板和30mm厚STP真空绝热板，外墙平均传热系数达到0.21W/(m²·K)。同时，根据建筑方案和无热桥设计需求，在局部节点或造型位置增加STP真空绝热板，保障建筑保温性能和无热桥效果。屋面：屋面保温采用300mm厚挤塑聚苯板，屋面平均传热系数达到0.14 W/(m²·K)。
外窗及外遮阳采用TP6（单银Low-e）+16Ar暖边+TP5+0.5V+TP5三玻中空，窗框采用铝合金隔热断桥铝型材，断桥铝型材表面采用氟碳喷涂，外窗整体传热系数达到1.0W/( m²·K )，外窗气密性等级达到8级，水密性等级达到6级。建筑南侧、东侧外窗设置室外电动遮阳百叶，室内每套外窗侧设置遮阳卷帘（图2）。
图2 建筑外窗与外遮阳
保证建筑屋面、外墙、地面、外窗等部位无热桥。建筑采用内保温方式，其无热桥设计节点包括保温层连接部位、外窗与结构墙体连接部位、管道等穿墙或屋面部位，以及遮阳装置等需要在外围护结构固定可能导致热桥的部位等（图3~图5）。
图3 外墙大样图
图4 外窗大样图
图5 屋面大样图
按照《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350-2019，建筑气密性指标达到换气次数N50≤0.6。建筑气密性对于实现近零能耗及近零碳建筑目标非常重要。良好的气密性可以减少冬季冷风渗透，降低夏季非受控通风导致的供冷需求，避免湿气侵入造成的建筑发霉、结露、损坏，降低室外噪声和空气污染等不良因素对室内环境的影响。
项目选用高性能的门窗，外门窗气密性等级达到8级。在建筑设计和施工过程中，保障关键节点的性能，其中对建筑风道、给水排水管、电缆、空调水管、雨水管等孔洞位置均进行有效密封。
2 冷热源系统改造
项目改造前采用市政热力和冷水机组提供冷热源，改造后重新匹配冷热源机组，采用4台模块式空气源热泵主机，热泵制冷COP达到3.75，制热COP达到4.2。每台空气源热泵主机有4个机头，可以逐级进行调节，4台主机共可按照16级变频调节。建筑末端采用“风机盘管+新风系统”，新风热回收系统全热回收段效率为75%，当过渡季室外温度低于28℃，相对湿度低于60%时，采用自然通风方式（图6）。
图6 空气源热泵机组
3 照明系统改造
室内照明灯具更换为高效LED节能灯具并配套智能化照明控制系统，实现分区分组、人感光感控制。项目改造前照明系统以普通白炽灯和节能灯为主，手动控制，照明系统节能潜力较大。项目改造后主要功能房间的照明功率密度为4~6.5W/m²。同时，增加智能照明控制系统，按建筑使用条件和天然采光状况采取分区、分组控制措施。
4 可再生能源应用
为了进一步达到近零能耗和近零碳排放的目标，结合建筑造型和屋面条件，在充分考虑建筑光伏一体化的前提下，采用屋顶太阳能光伏系统，光伏设计面积为400m²。根据北京市气象条件，全年发电量约为66014kW·h，屋面光伏系统全年发电量可满足节能需求（图7）。同时，室内布置绿植墙面和盆栽增加碳汇，间接降低建筑碳排放。
图7 太阳能光伏系统
5 建筑智控系统
项目采用智能化监控运维系统对建筑室内环境参数、室外环境温度和建筑能源系统进行实时监测，准确反映建筑的用能情况，监测能源系统运行状态，实现对建筑的最佳使用效果。项目在建筑室内和室外设置温度、湿度传感器，监测环境舒适度。在冷热源系统、能源系统末端等关键部位设置温度、流量、压力传感器，通过监测能源系统的数据，设置合理的系统运行方案，完成自动控制。同时在建筑会议室和公共区域设置人感和光感传感器，实现照明系统的智能控制。外窗和外遮阳采用自动控制方式，通过室外日照情况和室内人员情况，设定合理的控制方案，集中自动控制。通过监测数据远程传输等手段及时采集分析能耗数据，实现在能耗监测平台上对能耗统计结果进行分析展示的效果。
6 管理模式创新
项目改造期间采用全过程管理模式，从方案设计、施工图设计、建筑施工、系统调试、建筑运行阶段制定技术方案，应用一体化管理流程，组织各个专业和领域的工作人员开展项目研讨会，相互协调和响应不同专业的需求。监督实施过程，保障实施效果。见图8所示。
图8 全过程一体化管理流程
1 节能降碳效果
针对项目改造方案，以满足《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015节能要求的建筑作为参照建筑，参照建筑能源消耗量为195.68 kW·h/(m²·a)，本项目建筑能源消耗量为70.69 kW·h/(m²·a)，节能率达到63.87%。根据碳排放计算结果，常规节能参照建筑碳排放强度为5583 kg CO2/m²，本项目通过采用多项绿色低碳技术后碳排放强度下降30.32%，降碳效果显著。其中隐含碳排放强度为1142 kg CO2/m²，运行碳排放强度为2748 kg CO2/m²，运行碳排放占比70.64%。
2 经济与社会效益
项目改造投资约1331万元，相比常规建筑，改造建筑在根据《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015建造基础上，产生的增量成本如下表所示，投资费用增加了925.28万元，增量成本约为1247元/m²。建筑节能减碳改造增量成本见表1。
表1 建筑节能低碳改造增量成本
既有公共建筑已成为我国建筑节能改造的重点，其具备节能改造的相关潜力。本示范项目为其它公共建筑节能改造项目提供了新技术应用参考，从而引导更多的既有公共建筑以高标准提升建筑性能。为了进一步提升建筑节能水平，强化建筑的综合性能，延长建筑使用寿命，应积极推动并大量推广该项目节能减碳改造模式。
本次改造最大程度地保留了原建筑主体结构，在对原主体结构进行加固改造的基础上，对建筑方案进行了优化设计，采用高性能保温体系和门窗加强建筑围护结构热工性能，利用全自动控制电驱动外窗和外遮阳提供高灵活性的遮阳系统，并在方案阶段综合考虑自然通风和自然采光的应用，降低建筑能耗需求。建筑能源系统以空气源热泵系统作为独立冷热源。利用高效LED灯具及智能照明控制系统降低建筑照明能耗，全楼机电设备设施完成了更换，对全楼进行装修改造，绿色化改造。建筑充分利用可再生能源，设置400m²的屋面光伏系统为公共区域照明供电，以进一步达到建筑近零能耗和近零碳的目标。建筑改造应用健康建筑元素，通过在空调系统设置活性炭过滤、高压静电除尘等空气净化装置保障室内空气质量；全楼设置直饮水净化系统为员工提供便捷干净的饮水来源；室内采用健康高质量光源，提供舒适的光环境；员工工位配备人体工程学工位，公共区域设置健身工位，鼓励健康的工作方式；建筑应用智能化监测系统，实现空气质量监测、水质在线监测、照明分区分组控制、楼宇设备自动化运维等功能。
既有建筑改造项目可以通过：外围护结构及保温结构改造、更新外门窗和遮阳、冷热源机房改造、热回收机组加装、应用节能自控照明设备、装配光伏发电等措施，在不改变主体结构的情况下，在安全改造的同时，开展综合节能改造工作，解决建筑年代久远、基础条件差、邻近住宅楼等问题，探索并实施近零能耗建筑、绿色建筑、健康建筑、智慧建筑技术改造，提高建筑物使用的安全性、舒适性和健康性。