严寒地区展馆建筑产能设计探索与实践

1 项目概况及建设目标大同能源馆位于严寒C地区的大同市国际能源革命科技创新园内，总建筑面积为28899.94m2，其中地上建筑面积为17716.71m2，地下建筑面积为11183.23m2。地上3层，地下1层，1层和地下1层局部设有夹层。建筑高度为23.7m，建筑结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构。地上部分主要包括展厅、办公室、设备用房等；地下部分主要包括展厅、配套服务用房等。本项目创新采用展馆类超低能耗建筑技术、BIPV光伏建筑一体化技术、全直流建筑技术、微电网技术、CIM数字孪生技术、物联网大数据技术、视觉识别技术以及5G技术等，建筑节能率达到90%以上，充分利用太阳能，能源自给自足，源网荷储内部匹配，交直流柔性互换，与电网友好互动，达到未来产能展馆建筑、全直流建筑目标。该项目是国内首例产能展馆建筑、国内首例规模最大的全直流建筑、国内规模最大的“自然空调”——地道风应用示范项目、山西省首例落地的超低能耗建筑、“被动式超低能耗建筑、健康建筑、LEEDv4BD+C（建筑设计与施工）金级认证、绿建三星”四标认证的项目。2 产能建筑主要技术方案产能建筑主要采取3个基本技术措施。（1）尽量提高建筑节能率。严格控制合理窗墙比，尽量将保温隔热性能及气密性做到最佳。（2）将建筑能耗降到最低。（3）利用可再生能源作为消费能源。为实现本项目产能建筑目标，首先考虑将本项目打造成节能率高达90%以上的超低能耗建筑，然后通过全直流设备及其他高能效设备，充分利用可再生能源（地道风、光伏建筑一体化、光导管等）及机房余热，搭建交直流混合微电网系统，实现严寒地区展馆建筑的零碳排放及产能建筑目标。2.1 超低能耗建筑性能化、精细化围护结构设计

本项目创新采用展馆类超低能耗建筑技术，建筑节能率达到90%以上。本项目为展馆建筑，相较于常规公共建筑，该建筑运行时，人员密度大（0.3p/m2），展览设备散热量大（约60~80W/m2），且具有间歇运行特点。超低能耗建筑由于设置了高性能的围护结构原因，冬季无须提供大量的热量就能满足采暖舒适性的要求，导致室内散热设备等热扰因素对冷热需求的影响占比扩大。针对项目特点，突破严寒地区常规被动式超低能耗建筑250mm厚及以上外保温的普遍作法，采用性能化设计、精细化模拟方法，结合项目自身展馆建筑特点及经济性，确定性能化围护结构参数，并保证建筑节能率90%以上。通过模拟不同外保温厚度对冷热负荷的影响及经济性分析发现，当保温厚度达到150mm以后，保温厚度的增加，对降低建筑热需求的影响越来越小，夏季反而不利于建筑夜间散热，造成夏季冷负荷的增加。本项目最终的性能化设计外围护结构方案见表1。表1 主要围护结构方案（W/（m2·K））2.2 BIPV建筑光伏一体化设计本项目采用BIPV建筑光伏一体化技术，光伏总装机容量916kW，年总发电量123.54万kWh，为建筑提供清洁能源。BIPV技术兼顾建筑美学与发电功能，建筑屋面采用发电效率高的单晶硅组件，尺寸根据立面菱形格栅的两条平行边延伸至屋面，形成屋面光伏板的格栅边框。而3层东、南、西3个立面采用了哑光银灰色效果的碲化镉薄膜电池，以满足建筑立面的格栅装饰效果。2.3 全直流建筑及微电网设计本项目采用直流供配电技术，以直流母线直驱直连，省去交直流转换，提高能量转换效率。项目实现了建筑照明、插座、展示大屏、充电桩、数据中心、暖通空调系统全直流供电，并实现了光伏系统、储能系统的全直流接入；直流供配电架构采用多段母线，提高了建筑直流供配电系统的可靠性、灵活性、安全性。并进一步构建了建筑级交直流混合柔性微电网。建筑光伏发电系统、储能系统及建筑内直流负荷构成直流微电网，直流微电网通过双向变流器接入交流配电室低压侧，构成交直流混合微电网。实现可再生能源灵活接入，负荷灵活调控，能源自给自足，与外部电网友好交互。通过建筑内部源网荷储一体化协同运行，实现能源生产与消费就地平衡。降低对外部能源的需求，提高建筑内部能源利用效率。交直流混合柔性微电网系统架构如图1所示。图1 交直流混合柔性微电网系统架构2.4 充分利用浅层地热能、空气能及机房余热

对项目资源进行系统分析与研究，创新采用地道风技术、空气源热泵技术及余热回收技术，充分利用可再生能源及机房余热，降低建筑能耗。针对展馆类超低能耗建筑新风负荷大、新风预热等难点问题，本项目充分利用浅层地热资源，创新性提出了蚁穴通风与地道风相结合的设计；利用超低温空气源热泵和蓄热电锅炉建立严寒地区复合供暖系统，为严寒地区清洁供暖提供新思路；本项目回收稳定数据机房余热作为展馆建筑办公区域的热源。2.4.1土壤–空气换热器（地道风）系统解决严寒C区新风预热问题本项目为展馆建筑，人员密度大（0.3p/m2），新风需求大，带来大量新风负荷的同时，新风预热问题成为一大难题。新风预热方式若采用热水预热方式，热源由园区电锅炉提供。该方式冬季一旦运行，不可间断，不节能。电预热方式，系统上虽调节灵活，相对节能一些，但本项目新风需求量大，且位于严寒地区，新风预热负荷非常大，若考虑电预热，将会带来建筑配电系统增容问题及电耗过高问题。为解决上述问题，大同能源馆采用土壤–空气换热器（地道风）新风热回收系统。通过模拟分析计算，共铺设6根、每根长度为150m、直径为1.2m的地道风管道，室外新风经地道风管道预冷、预热后进入空气处理机组，与排风热交换、并经处理后送入室内。该系统是目前国内最大的地道风应用项目，彻底解决了严寒C区冬季新风预热问题及过渡季室内余热无法散出的问题。地道风系统如图2所示。地道风管道剖面、平面布置如图3所示。图2 地道风系统示意图3 地道风管道剖面、平面布置本建筑地道风设计以满足冬季预热功能为主，并兼顾春、夏季降温的要求。地道风系统主要考虑4种运行模式。（1）冬季室外空气经地道风系统混凝土管道预热升温8~10 ℃后，无需进行常规新风预热，可直接进入热回收新风机组，与排风热交换后直接送入室内，降低了新风能耗。（2）在供暖初期或者末期、下午出现需供冷时段，室外空气经地道风系统后送入室内，进行降温。（3）在制冷初期，新风经地道风系统降温后，送入室内；利用天然冷源为建筑降温，节省电耗。（4）当夏季白天室外温度高于室内温度时，室外空气经过地道风预冷后送入室内，如室内温度无法通过地道风系统送风调节至舒适水平，再打开冷水盘管阀门，对预冷后的新风进一步冷却处理后送入室内。2.4.2 超低温空气源热泵和蓄热电锅炉复合供暖系统被动式超低能耗建筑由于良好的围护结构、密闭性设计及建造工艺，有效地降低或去除了建筑冷热需求，此时传统的暖通空调热源形式往往过大、过于复杂，灵活性不足，已经无法满足被动式超低能耗建筑的需求及零碳园区产能建筑建设需求。本项目热源摒弃传统热源供给形式，采用超温空气源热泵+蓄热电锅炉的形式，且优先使用超低温空气源热泵供热，蓄热电锅炉作为极端天气备用热源。利用超低温空气源热泵和蓄热电锅炉建立严寒地区复合供暖系统，白天超低温空气源热泵运行，电锅炉作为辅助热源，晚上极寒时段，利用蓄热电锅炉保持低温运行。超低温热泵在低温制热时保持高COP，比普通热泵机组高出15 %，在–25 ℃时仍可运行。消纳建筑自身光伏发电量的同时，为严寒地区清洁供暖提供新思路。2.4.3 数据机房余热回收利用针对建筑内部分空间供暖空调运行模式不同的情况，本项目对供暖空调系统进行分区设计及控制，并回收稳定数据机房余热作为展馆建筑办公区域的热源。本项目安装了带余热回收及自然冷源利用的热管背板空调系统，收集利用地下2层数据机房内的余热，进一步降低冬季采暖负荷。空调方案整体为全氟系统，通过热管背板为机房IT设备供冷，无水进入机房。机房热量回收供暖，在采暖季节时，机房的热量通过热回收模块传递至供暖水，向大同能源馆的供暖系统提供45~50℃的热水，实现余热回收。室外气温较低，如果不启动热回收模式，则采用自然冷源模式运行，室外机仅启动风机即可为机房供冷，冷媒完全依靠重力循环，不需要泵驱动冷媒循环。在夏季非供暖季节，机房热量通过室外机排至室外大气中。数据机房余热回收利用原理如图4所示。图4 数据机房余热回收利用原理2.5 其他技术措施（1）本项目冷源采用超低温空气源热泵+冷水机组的形式。根据开展时负荷情况，选择机组的供冷模式。展厅大空间区域采用热回收式组合式空调机组，办公、配套服务用房采用热回收式新风机组+风机盘管，机组显热回收效率≥75 %。（2）本项目在部分房间设置了导光筒，充分利用自然采光技术解决房间无外窗的问题，以减少照明设备能耗。（3）在建筑各层设置可开启外窗并在建筑中庭顶部设置可开启天窗，充分利用自然通风技术解决过渡季节房间过热问题，以减少通风设备能耗。（4）照明设备均采用LED节能灯具，以减少照明设备能耗。3 结束语