从能源预算入手

通过高效的能源性能解决方案缓解高科技建筑物的复杂需求

December 21, 2017

莫哈克学院的乔伊斯合作和创新中心是入选加拿大绿色建筑委员会(CaGBC)两年“零碳建筑标准”试行项目的十六个项目之一,该试行项目将评估这些商业建筑、公共设施建筑、多家庭住户建筑和仓库的碳性能,并帮助确定零碳建筑框架的要求和标准。

为实现这个宏大的能源性能目标,尤其是满足工程实验室巨大的能源需求,B+H联手mcCallumSather颠覆了典型的设计流程,将设计深植于创新能源预算策略的制定中,力求帮助优先解决能源需求。与项目进度或资本预算等其他重大项目指令一样,这项预算被视作严格的指导方针,用于确保合理地阐述、归类和克服与净零能源性能相关的重大挑战。

为了获得更多相关信息,设计团队研究了加拿大已知高性能建筑物的公开能源使用强度(EUI)值。团队得出结论,每年75 kWh/m²[1]的EUI目标不仅是其所需要的,而且是设计规划可实现的,其中的空间主要包括教室、教学实验室和协作学习空间。

制定概括性愿景

从一开始,团队便认识到两项重要策略:第一,建筑物围护结构必须有出众的性能;第二,有效建筑系统必须具备超高能效。  暖通空调系统设计基于独立新风系统(DOAS),具备局部制热和制冷功能。高性能围护结构将使被动式设计策略的成果最大化并显著降低建筑物机械系统所需的制热和制冷量。DOAS对于这项设计至关重要,因为这类暖通空调系统能够同时消除必须制热和制冷的空间,进而提供出众的空气质量(因为回流空气不会在整个建筑中再循环),同时最大化排气热回收性能。

[1]等同于美国的每年24 kBtu/ft²以及加拿大政府类型的每年0.27 GJ/m²。

概念设计能源使用分类

建立了一个概括性能源模型,用于调查建筑物内哪些地方使用能源以及不同暖通空调系统方案对实现净零能源目标所需的现场可再生能源量的潜在影响。通过该模型练习收获三大发现:

  • 建造流程和插座用电量是建筑物内能耗最高的一项能源最终用途,约为每年20 ekWh/m²。这凸显出了解建筑如何运作以及哪些设备将插入建筑物的插座中对于了解现场可再生能源系统必须生成的能源量至关重要。
  • 紧随其后的两大能源最终用途包括空间制热和照明,其次是泵、风扇、空间制冷和家用热水。从建筑设计的角度来说,围护结构热损耗性能和制热系统效率至关重要,与照明设计的重要性相当。然而,其余的能源最终用途能耗均大于每年75 ekWh/m²的低量级目标,所有设计分析均需要关注设计细节。
  • 要实现建筑的高性能:所有系统必须实现协同作用。围护结构设计、DOAS通风系统以及同类最佳低能耗照明设计结合起来,可实现低强度、低能耗的制热和制冷设备的采用,所有调查方案的能耗均低于每年25 ekWh/m²。很明显,基于热泵的解决方案的能耗显著低于化石燃料解决方案。设计团队早期的分析包括了解现代气源变流热泵解决方案和变流地源热泵解决方案之间的差异。两者的差异很小,但需要详细评估,两者均适合该级别的建筑能源性能。

能源建模敏感度研究

  • 为了进一步明确能源性能设计目标,制定了详细的建筑物小时能源模型。该模型用于对入住和需求响应系统以及插座用电量和渗透执行敏感度研究。研究显示,居住者用电量会显著影响建筑物的总能耗,因为他们会影响通风和插座用电量。对插座用电量和渗透的敏感度研究还显示出这些方面对建筑物能耗的严重影响。因此,设计团队需要将精力放在建筑物设计和运行的这些方面。
  • 确定能源预算后,制定了明确的路线图以阐明设计的各个组成部分,从建筑物朝向和材料颜色到机械需求和光伏目标。光伏目标有助于了解乔伊斯中心设计中最标志性的部分,即现场的545 kW光伏阵列。