引用格式：燕艳.不同类型公共建筑超低能耗设计实践与思考:以上海市3个工程项目为例[J].绿色建筑,2024,16(4):6-11,41.

　　目前，上海市超低能耗建筑案例主要以居住建筑为主，公共建筑较少。结合工程设计实践，通过对 3 栋不同类型（酒店、学校、商业综合体）的超低能耗公共建筑的设计进行分析总结，得到超低能耗公共建筑的设计原则、基于功能特征的超低能耗设计技术策略以及参数化手段辅助超低能耗建筑设计的可行性。得出超低能耗建筑的设计策略应该追随建筑功能和形式，并可以通过参数化工具辅助设计寻找最优方案的思考，以期为其他超低能耗公共建筑的设计提供一定参考。

　　随着人们物质生活条件不断改善，对建筑的需求量和对房屋舒适度的要求也同步提高，建筑能耗总量逐年上升。数据显示，2020 年，中国建筑运行阶段能耗为 10.6 亿 t 标准煤，占全国能源消费总量的 21.3%，建筑运行阶段碳排放总量为 21.6 亿 tCO2，占全国能源碳排放总量的 21.7%[1]，因此减少建筑运行阶段能耗对“双碳”目标的实现具有巨大意义。

　　2017 年 1 月，国务院发布《“十三五”节能减排综合工作方案》[2]，明确实施建筑节能先进标准领跑行动，开展超低能耗及近零能耗建筑建设试点，推广建筑屋顶分布式光伏发电。2017 年 3 月，住房和城乡建设部印发《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》[3]，提出在全国不同气候区积极开展超低能耗建筑建设示范。结合气候条件和资源禀赋情况，探索实现超低能耗建筑的不同技术路径。总结形成符合我国国情的超低能耗建筑设计、施工及材料、产品支撑体系。开展超低能耗小区 ( 园区 )、近零能耗建筑示范工程试点，到 2020 年，建设超低能耗、近零能耗建筑示范项目 1 000 万 m2 以上。2022 年 3 月，住 房和城乡建设部印发《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》[4]，提出在京津冀及周边地区、长三角等有条件地区全面推广超低能耗建筑，鼓励政府投资公益性建筑、大型公共建筑、重点功能区内新建建筑执行超低能耗建筑、近零能耗建筑标准。到 2025 年，建设超低能耗、近零能耗建筑示范项目0.5 亿 m2 以上。2024 年 3 月，国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部联合印发《加快推动建筑领域节能降碳工作方案》[5]，提出到 2025 年，建筑领域节能降碳制度体系更加健全，城镇新建建筑全面执行绿色建筑标准，新建超低能耗、近零能耗建筑面积比 2023 年增长 0.2 亿 m2以上，到 2027 年，超低能耗建筑实现规模化发展。

　　住房和城乡建设部于 2015 年 11 月发布《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）（居住建筑）》[6]，首次提出被动式超低能耗绿色建筑是指适应气候特征和自然条件，通过保温隔热性能和气密性能更高的围护结构，采用高效新风热回收技术最大限度降低建筑供暖供冷需求，并充分利用可再生能源，以更少的能源消耗提供舒适室内环境并能满足绿色建筑基本要求的建筑。2019 年 5 月，GB/T 51350—2019《 近 零 能 耗 建 筑 技 术 标 准》[7] 发 布，对近零能耗建筑的设计、施工、运行和评价做出了明确规定，此后全国各地根据各自气候特点也相继发布地方标准，如北京市DB11/T 1665—2019《超低能耗居住建筑设计标准》和《上海市超低能耗建筑技术导 则（试 行）》，以 及 DBJ 41/T 246—2021《河南省超低能耗公共建筑节能设计标准》等，但大部分超低能耗建筑导则和设计标准多以居住建筑为主，或兼顾办公建筑、酒店建筑，对于其他类型公共建筑仅可参照使用。2020 年，全国在建和已建成的超低能耗建筑面积超过 1 000 万 m2，其中，北京市、河北省、河南省和山东省 4 省市占 86.7%, 我国 64 个示范项目中居住建筑和小型办公建筑总面积为 154.43 万 m2，占示范项目总面积的96.1%[8]。

　　根据《上海绿色建筑发展报告 2022》[9]，截至 2022 年6 月，上海市共有 62 个项目通过超低能耗建筑方案评审，其中住宅建筑 55 个，公共建筑 7 个；截至 2022 年年底，累计落实项目 127 个，建筑面积达到 1 030 万 m2，其中，住宅建筑 965 万 m2，公共建筑 65 万 m2，位居全国第一。上海市超低能耗建筑目前仍以居住建筑和小型办公建筑为主，大型公共建筑相对较少。2022 年 11 月，上海市发布《上海市城乡建设领域碳达峰实施方案》[10]，提出到 2025 年，新建居住建筑执行超低能耗建筑标准的比例达到 50%，规模化推进新建公共建筑执行超低能耗建筑标准，到 2030 年，新建民用建筑全面执行超低能耗建筑标准。

　　相较于居住建筑，公共建筑具有功能空间复杂、使用频率不固定、使用人数波动大等特点，且公共建筑的机电系统往往更加复杂，不同类型公共建筑能耗组成各不相同。因此需要通过更多不同功能类型的公共建筑的工程实践，总结不同类型公共建筑超低能耗设计方法及技术策略，为上海地区超低能耗公共建筑的规范制定提供技术支撑，助力超低能耗公共建筑在上海市规模化推广。

　　笔者通过上海市 3 栋不同类型超低能耗建筑的设计及总结，对不同功能特征的超低能耗建筑设计原则、技术策略、设计方法进行整理，为其他超低能耗公共建筑设计提供借鉴。

　　临港中心是世界顶尖科学家社区（WLA 科学社区）的首发项目，2022 年 11 月，第 5 届世界顶尖科学家论坛开幕式暨首届世界顶尖科学家协会奖颁奖典礼在此举办。项目包括 1 座多层会议中心、1 座五星级酒店和 1 座公寓式酒店，总建筑面积为 22.7 万 m2，其中，2 座酒店塔楼及其裙房为超低能耗实施范围，建筑面积为 9.7 万 m2。本项目是上海市首栋也是目前全国最大的超低能耗公共建筑，建筑北侧鸟瞰实景图如图 1 所示。

　　超低能耗建筑的设计原则决定了其设计策略。在本项目设计过程中，超低能耗建筑的设计原则为：首先是健康舒适的建筑，其次是节能低碳的建筑，最后是美的建筑。基于上述原则，本项目的超低能耗设计策略如下。

　　充分适应夏热冬冷地区以及临港地区的气候条件，场地内南北分区布置，北侧为会议中心，南侧为酒店及公寓式酒店，开放底层空间，南侧酒店面向科学公园形成连续有机的景观退台，顺应并引导夏季主导风，提升场地风环境的舒适度。

　　结合立面造型以及虚实关系，综合考虑星级酒店自然采光、视野舒适度以及节能等因素，对不同立面、不同窗墙比的设计方案进行测算比选，最终确定客房部分窗墙比约为 0.6，整体窗墙比控制在 0.5。塔楼客房外立面在满足室内采光的基础上合理设置外遮阳，外遮阳与横向装饰铝板相结合，降低夏季太阳辐射得热。每间客房都有可开启外窗，保证过渡季节和夏季有效自然通风。

　　将会议中心入口和酒店大堂设置在 2 层平台，人车分流，视野开阔，通过连廊令会议中心空间与酒店大堂形成互动，实现了空间的延展和功能的共享。裙房进深较深，结合天窗优化酒店中庭采光，并结合透光光伏玻璃组件，兼顾发电与天窗遮阳。

　　以超低能耗为目标，就要分析酒店建筑能耗占比构成，针对占比最高的空调、照明、热水 3 大能耗，重点设计节能减排技术策略。

　　围护结构热工和气密性提升。根据外立面特点，采用岩棉板作为外墙外保温材料，屋面保温材料采用 XPS 挤塑聚苯板，外窗 ( 透明幕墙 ) 采用断热铝合金型材、低辐射三玻两腔玻璃。同时，采用防水透气膜、防水隔汽膜对关键节点进行创新设计。

　　空调系统能效提升。冷源采用磁悬浮变频离心式冷水组，1 级设备效率。热源采用燃气真空热水锅炉，锅炉效率不低于 94%。空调风机、水泵能效达到 1 级能效。新风系统集中设置，并采用热回收，减少空调系统能耗。

　　电气节能设计。选用 1 级变压器，室内照明功率密度值达到现行国家标准规定目标值的 70% 以下。

　　生活热水节能设计。生活热水由真空热水锅炉和高温热水热泵机组组合供应。高温热水热泵机组用于夏季及过渡季节回收空调冷却水的热量，并用于酒店客房部分生活热水加热。

　　将可持续理念融入建筑设计全过程，充分融合工程、技术与艺术。如建筑光伏一体化设计，抽象地提取振翅欲飞的势态，整个建筑如同双翼向城市展开。结合建筑屋面造型，设计起伏的光伏屋面，与建筑浑然一体，表达“展未来之翼，聚科技之光”的美好愿景。同时，利用 BIM 技术辅助，通过单元式的排布，结合阳光照射角度，提高光伏板发电效率，形成鳞次栉比、具有动感的羽片形态。单元板块间的空隙也为屋顶设备机组提供良好的通风换气环境，将屋面空间高效利用。本项目上空鸟瞰实景图如图 2 所示。

　　临港 103 社区配套小学位于上海市浦东新区临港新片区顶尖科学家社区。规划用地面积为 21 498 m2，学校总建筑面积为 23 710 m2，容积率 0.88，建筑密度 30%，建筑高度为 18.05 m，地上 4 层，地下 1 层，为 25 班的配套小学。本项目为上海市首个通过方案评审的超低能耗小学项目，建筑效果图如图 3 所示。

　　校园类建筑由于其使用人群和模式的特殊性，与常规公共建筑有很大区别，功能复合和形体分散是其两大主要特征。本项目功能包括普通教室、专业教室、教师办公室、图书阅览室、报告厅、食堂、室内运动馆等，形体不规整，体块分布分散，容积率小，层数较低，窗墙比较小，屋顶资源丰富。超低能耗建筑设计策略应该追随功能和建筑形式，根据学校的建筑特征，进行针对性的研究。基于上述原则，本项目的超低能耗设计策略如下。

　　结合教师、学生的日常行为习惯，教学楼普通教室坐北朝南，办公室在普通教室两侧，专业教室置于东侧和北侧，图书馆位于 1 层沿街面，食运楼临近操场，位于场地西南角。教学区围合成独立的院落，教室均为单廊设计，自然采光和自然通风条件好。校园采用敞开式公共空间布局，通过绿化平台、草坪和屋顶绿化给师生提供怡人的活动空间，局部架空空间为建筑带来良好的通风。

　　结合建筑造型，设置外遮阳，南向、东向、西向设置不同尺寸的水平遮阳。普通教室南侧利用外廊进行遮阳设计，西侧和东侧利用窗外安全平台进行自遮阳设计，在满足室内采光的基 础上，减 少室内空调能 耗。经 过计算，该项目82% 的功能空间采光系数达到现行采光标准要求，92% 的功能空间在过渡季典型工况下室内自然通风换气次数达到2 次 /h，建筑被动式设计示意图如图 4 所示。

　　围护结构设计。本项目为窗墙体系，通过连续完整的保温设计，打造几乎无热桥的外围护结构，如图 5 所示。屋面采用挤塑聚苯板，外墙采用中空内模金属网水泥隔墙，热桥柱、热桥梁采用无机改性不燃保温板，热桥过梁、楼板采用自调温相变蓄能材料，外窗 ( 透明幕 墙 ) 采用断热铝合金型材、低辐射三玻两腔玻璃。

　　机电系统设计。教学楼根据平面布置每层设置 2 套或多套热泵型变制冷剂流量分体多联式空调系统，教师办公室、会议室等区域根据平面布置需求设置 1 套或多套热泵型变制冷剂流量分体多联式空调系统，多联机 APF 达到 4.5以上，教室、办公室、会议室等新风采用热回收，采用粗效G4 ＋高中效 F8 过滤，室内设置 PM10、PM2.5、CO2 监测系统，与新风装置联动控制。

　　设计师以建筑光伏一体化为设计原则，巧妙地将七巧板理念藏进了校园设计中，通过有趣的几何元素构筑了建筑形体和空间。屋顶的太阳能光伏板以三角形为单元划分，根据太阳辐射角度与建筑体块逻辑确定了每块三角形区域的空间倾角。结合光伏发电效率与建筑视觉逻辑，形成了兼有科技意蕴和童真趣味的特色形态。屋顶光伏面积约 3 400 m2，总装机量约为 340 kW。

　　莫比乌斯环公园商业项目位于上海市浦东新区临港新片区，通过跨河造桥巧妙地串联河两岸的功能空间，形成完整的莫比乌斯环的概念，具有独创性。单体建筑形成对各个空间的围合之态，将自然景观与建筑形体紧密结合，形成从人工向自然的渗透。整体造型凸显轻盈感、科技感与未 来 感。建 筑面 积 为 3.9 万 m2，地 上 5 层，地下 2 层，本项目为上海市首个通过方案评审的超低能耗商业综合体项目，建筑效果图如图 6 所示。

　　商业建筑具有人员密度大、能耗高的特点，实现超低能耗难度较大，加上建筑造型独特，需要采用更加科学的工具，在超低能耗建筑设计各影响因素中寻找权衡点，找到最适合建筑形体的解法。因此在方案前期，通过参数化分析工具，探讨超低能耗建筑参数化寻优设计方法。

　　采用 Honeybee 插件调用 Energyplus 对建筑能耗进行初步测算，并通过自行编写电池组，通过模型导入、围护结构设定、空调系统设定等步骤，计算并筛选出建筑空调、采暖、照明、生活热水等主要能耗构成，计算建筑能耗指标及节能率。对于建筑窗墙比、围护结构热工性能等参数进行遗传算法寻优，对于部分室内未来有灵活使用潜力的空间，适当兼顾采光和通风效果，通过多方案比选确定合理的窗墙比及围护结构热工参数，并且配合建筑设计确定各朝向各部位虚实关系。

　　同时，采用“遗传算法”将相邻公共空间的美景视野的利用效率最大化，同时，分别针对夏季和冬季的室外气候环境条件制定精准响应措施，通过被动式的遮阳措施，创造舒适的室内外微气候条件，在优化建筑群湿热负荷的同时减少了更多的能源消耗，营造舒适健康、绿色低碳的建筑环境。超低能耗建筑参数化寻优流程示意图如图 7 所示。

　　利用 CFD 模拟建筑室外风环境，并对其舒适度进行评价分析，为构建舒适的室外活动场地提供参考依据。经计算，项目周边室外风环境达到过渡季节的舒适度要求，并达到超低能耗建筑相关指标要求。

　　对南侧地块 4 层商业部分窗墙比做了优化，在北向增大透明部分的面积，改善局部商业功能的采光效果，提升南侧 4 层功能空间采光效果。同时，将遮阳作为建筑形体的一部分加以考虑，赋予建筑鲜明的特点。结合光伏的布置，利用外挑屋檐进行建筑自遮阳设计，出挑 3 800 ～ 4 200 mm；将建筑外遮阳和建筑立面设计相结合，结合立面竖挺构成垂直外遮阳，竖挺最大出挑 450 mm，在确保满足室内舒适度的同时，将透明幕墙综合遮阳系数降至 0.3，有效减少了由太阳辐射得热引起的建筑负荷增加。建筑外表面太阳辐射得热分析如图 8 所示。

　　本项目屋檐随建筑造型螺旋上升，倾角不断变化，太阳辐射强度也随之变化。利用屋顶除步道以外的屋檐部分设计光伏发电区域，通过对屋檐部分太阳的直射和辐射情况的模拟分析，计算屋檐部分受自遮挡较少、全年可接受阳光较多的区域，作为合理经济的光伏布置位置，合计面积约为 3 530 m2。选用蓝色发电玻璃（薄膜）光伏系统，光伏装机容量共计 291 kWp，光伏铺设位置参数化寻优如图 9 所示。

　　本项目由能源中心提供全年 24 h 空调冷热水，大空间采用全空气系统，小空间采用风机盘管＋独立新风系统，独立新风系统均采取转轮全热回收措施，全热回收效率冬季焓效率 70%，夏季焓效率 65%，热回收系统设置旁通管，在室内外焓差较小时开启旁通。项目 80% 的生活热水采用空气源热水热泵供应，最例电气化设计。变压器能效等级达到 GB 20052—2020《电力变压器能效限定值及能效等级》中规定的 1 级；室内照明功率密度值应达到国家标准规定目标值的 70% 以下。

　　目前，上海市正大力推广超低能耗建筑规模化建设，公共建筑因功能多样，其技术策略也各不相同。笔者通过对上海市 3 栋超低能耗公共建筑的工程设计实践的分析，不断思考并总结超低能耗公共建筑需要遵循的设计原则和设计方法，针对不同功能类型的建筑提出不同的超低能耗技术策略。超低能耗建筑首先应该是健康舒适的建筑，然后是节能低碳的建筑，同时也是美的建筑。超低能耗建筑的设计策略应该追随其功能和建筑形式，并可以通过参数化工具辅助设计寻找最优方案。

　　[1] 中国建筑节能协会建筑能耗与碳排放数据专委会 .2022 中国建筑能耗与碳排放研究报告 [R]. 重庆 ,2022.

　　临港新片区 PDC1-0401 单元 H01-01 地块项目（大型超低能耗公共建筑示范项目）（沪建科 ）

　　燕艳，硕士研究生，高级工程师，研究方向为建筑可持续与绿色低碳技术，现供职于上海建筑设计研究院有限公司。