果海鳳 劉郁林 王英琦 李瑞雪 白羽

北京市住宅建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

借鑒德國被動房節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，我國超低能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐漸形成，并興建了一批前瞻性的示范項(xiàng)目。X88 幼兒園作為北京第一例投入使用、規(guī)模最大的超低能耗幼兒園，同時(shí)又是采用鋼結(jié)構(gòu)裝配式建造技術(shù)建造的被動式幼兒園，具有典型的示范意義。X88 幼兒園采用鋼結(jié)構(gòu)裝配式施工工藝，將裝配式施工與超低能耗技術(shù)相結(jié)合，克服了鋼結(jié)構(gòu)體系建筑在氣密性和熱橋方面對圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。通過被動式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計(jì)和深入優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)細(xì)部節(jié)點(diǎn)，最大限度的降低熱橋影響，并保障氣密性指標(biāo)滿足被動房的要求。已經(jīng)獲得了德國被動房研究所認(rèn)證及北京市超低能耗建筑示范工程的稱號。

與普通幼兒園運(yùn)維及使用模式不同，被動式幼兒園在運(yùn)維初期也出現(xiàn)了一些不可預(yù)期的問題，比如耗電量高、室內(nèi)溫度過熱等。為了驗(yàn)證被動式幼兒園的舒適性和節(jié)能性，減少運(yùn)營費(fèi)用，又能增加室內(nèi)舒適度，對幼兒園運(yùn)營前幾個(gè)月的舒適性和耗電量進(jìn)行了記錄和研究分析，驗(yàn)證了被動房的節(jié)能性，為中國被動房事業(yè)提供了“第一個(gè)運(yùn)營的被動式幼兒園”的具有極大參考價(jià)值的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目概況

X88 幼兒園（圖1）位于北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，由北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)管委會投資建設(shè)。幼兒園辦學(xué)規(guī)模為21 班制（每班30 人），學(xué)生總計(jì)630 人，教師42 人，保育員21 人。本項(xiàng)目用地面積共約8907 m2，總建筑面積為8537.03 m2。地下一層，地上三層。被動房區(qū)域總建筑面積7531.2 m2，TFA 建筑面積5834.5 m2。包括所有地上區(qū)域和地下的樓梯間、廚房以及食堂等區(qū)域。

圖1 X88 幼兒園實(shí)景圖

幼兒園布局主要分為三個(gè)區(qū)，南區(qū)和北區(qū)為教室，中區(qū)為多功能教室和聯(lián)系南北區(qū)的環(huán)形走廊。其中，北側(cè)教學(xué)樓（建筑分區(qū)1）：地上3 層，地下1 層，布置12 班生活教師、多功能教學(xué)教室及行政辦公用房、地下一層布置廚房及各類設(shè)備用房。中部教學(xué)樓（建筑分區(qū)2）：地上1 層，布置門廳、晨檢醫(yī)務(wù)室、音體活動教室等房間。南側(cè)教學(xué)樓（建筑分區(qū)3）：地上3 層，布置9 班生活教室及服務(wù)辦公用房。幼兒園整體設(shè)計(jì)生動有趣，色彩鮮明，完全呈現(xiàn)了幼兒園建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

2 性能化設(shè)計(jì)

2.1 非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)

外墻地上部分采用加氣混凝土砌塊，外貼憎水巖棉保溫板，本項(xiàng)目屬于教育建筑，外墻保溫統(tǒng)一設(shè)計(jì)為燃燒性能為A1 級的巖棉帶，飾面為干掛增強(qiáng)纖維水泥板。內(nèi)隔墻為加氣混凝土砌塊。外墻地下部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體。

屋面為正置式屋面，由下至上的各層結(jié)構(gòu)及厚度：內(nèi)抹灰15 mm，現(xiàn)澆混凝土樓板120 mm，防水隔汽層，屋面保溫?cái)D塑板400 mm，雙層SBS 防水卷材，細(xì)石混凝土50 mm。斷熱橋措施：女兒墻采用底部挖空的構(gòu)造，以降低其產(chǎn)生的線性熱橋，且內(nèi)側(cè)和頂部分別包裹有100 mm 厚擠塑板和巖棉板.出屋面排氣管都包有200 mm 厚擠塑板。

首層與地下層相鄰的樓板下側(cè)粘貼150 mm 厚巖棉板。地下層采暖房間與非采暖房間之間的隔墻外側(cè)粘貼150 mm 厚巖棉板。斷熱橋措施：保溫固定采用斷熱橋錨栓。保溫被內(nèi)墻、外墻、結(jié)構(gòu)梁等斷開處，以100 mm 厚巖棉板沿內(nèi)墻兩側(cè)向下延伸1 m。

表1 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動式性能化設(shè)計(jì)參數(shù)[1]。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動式性能化設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)

外窗的窗框型材采用鋁包木型材，整窗傳熱系數(shù)Uw 值不高于0.8W/(m·2K)。玻璃的構(gòu)造采用三玻兩腔Low-e 充惰性氣體暖邊玻璃，其氣密性等級不應(yīng)低于8 級、水密性等級不應(yīng)低于6 級。開啟扇開啟方式為內(nèi)平開內(nèi)倒開啟。

同時(shí)，本項(xiàng)目首次大面積采用被動房的弧形窗（圖2），弧形窗本身制作工藝復(fù)雜，普通窗戶做成弧形窗構(gòu)造難度也很大，要實(shí)現(xiàn)被動房要求更是難以實(shí)現(xiàn)。X88幼兒園大面積采用的弧形窗其傳熱系數(shù)、保溫要求和氣密性等參數(shù)均能滿足被動房的要求，這在中國甚至世界上都屬特例，為在被動房建筑內(nèi)實(shí)現(xiàn)豐富的外立面效果提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。

圖2 弧形窗

本項(xiàng)目所有的東、西、南向外窗都配備有電動外遮陽設(shè)備（圖3）。由于建筑朝向近乎正南北向，北向外窗夏季受到的陽光輻射小，無須配備遮陽設(shè)施。外遮陽設(shè)備的形式為金屬百葉簾，電動控制，手動操作，無感光自動控制。外遮陽以角鋼固定于基墻上。

圖3 外窗遮陽圖

2.3 新風(fēng)系統(tǒng)

X88 幼兒園設(shè)置了集中式新風(fēng)系統(tǒng)，分層設(shè)置于南樓、北樓的機(jī)房里，每層一臺。中間部分和位于地下層餐廳的新風(fēng)主機(jī)則設(shè)置于吊頂中。新風(fēng)量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按照：30 m3/(h·p)。新風(fēng)系統(tǒng)采用全熱回收裝置，顯熱回收效率不低于75%，全回收效率不小于70%。送風(fēng)溫度在室外空氣溫度為-10 ℃時(shí)，不小于16.5 ℃。設(shè)置微靜電高效空氣凈化器，PM2.5 過濾效率不低于97%。新風(fēng)的送風(fēng)管均設(shè)置消聲裝置，以削弱風(fēng)扇噪聲對兒童活動室的影響。

2.4 輔助供暖供冷

本項(xiàng)目采用土壤源熱泵機(jī)組作為冷熱源，冬季供熱，夏季供冷。夏季空調(diào)末端為風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)；冬季采暖使用低溫地板輻射+風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)。冬季采用低溫地板輻射供暖，經(jīng)過熱泵機(jī)組厚的冬季采暖供回水溫度為45/35 ℃。供暖系統(tǒng)為變流量系統(tǒng)，非采暖季需滿水保養(yǎng)。設(shè)置供熱量自動控制裝置。循環(huán)水泵的耗電熱比值和設(shè)置供熱量控制裝置，應(yīng)符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）的要求。

2.5 太陽能生活熱

根據(jù)中國《北京市太陽能熱水系統(tǒng)城鎮(zhèn)建筑應(yīng)用管理辦法》，本工程為廚房和淋浴等需要熱水的區(qū)域設(shè)置集中太陽能熱水系統(tǒng)，提供生活熱水，熱水供水溫度60 ℃。太陽能集熱器選用玻璃真空管型集熱器，布置于建筑屋面。太陽光熱經(jīng)集熱管內(nèi)介質(zhì)傳送至單體建筑換熱機(jī)房內(nèi)半容積式換熱器，與冷水進(jìn)行熱交換，從而制備生活熱水。輔助熱源為商用冷凝容積式燃?xì)鉄崴疇t，其運(yùn)行可根據(jù)時(shí)間和溫度自動調(diào)節(jié)，以保證熱水使用溫度。

3 氣密性測試

本項(xiàng)目已建成，并于2019 年9 月開園。在投入使用前和投入使用后共進(jìn)行2 次氣密性測試，包括對全樓整體的氣密性測試和地下餐廳氣密性測試（表2）。

表2 氣密性測試統(tǒng)計(jì)表

4 PHPP 能耗計(jì)算

采用PHPP 計(jì)算軟件，建立了本項(xiàng)目的DesignPH模型（圖4），經(jīng)過綜合計(jì)算得到，其供暖需求，供冷需求以及一次能耗計(jì)算結(jié)果見表3：

表3 供暖需求、供冷需求以及一次能耗計(jì)算結(jié)果

圖4 DesignPH 模型

X88 幼兒園按照德國被動房標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過PHPP 計(jì)算可知，完全符合被動房的設(shè)計(jì)要求和能耗標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，本項(xiàng)目申報(bào)中國的超低能耗建筑認(rèn)證，滿足中國的超低能耗建筑設(shè)計(jì)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。中國的公共建筑目前按照標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造。X88 幼兒園作為滿足德國被動房要求的超低能耗建筑，與按照中國《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）進(jìn)行設(shè)計(jì)的參照建筑相比，其供暖需求和供冷需求均極大降低，一次能耗下降了66.4%，從而能夠滿足中國超低能耗示范項(xiàng)目在公建65%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上再降低不少于60%的要求。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)建筑的相對節(jié)能率達(dá)到了88.2%[2]。

5 初步運(yùn)維研究

5.1 初期運(yùn)維分析

X88 幼兒園運(yùn)維初期，耗電量較高，還有一個(gè)重要因素是缺乏專業(yè)的物業(yè)維護(hù)管理。被動房與普通的建筑運(yùn)維管理不同，幼兒園老師們又并非專業(yè)人員，運(yùn)行初期，必然有一個(gè)學(xué)習(xí)、理解和熟悉使用的過程，幼兒園負(fù)責(zé)人宜根據(jù)使用情況總結(jié)適用于本幼兒園的運(yùn)行方式和后期長期運(yùn)維策略（表4）。

表4 初期運(yùn)維診斷

5.2 耗電量分析

幼兒園初期運(yùn)行電費(fèi)較高，9 月份約10000 元，10月份約8000 元，11 月份約15000 元，12 月份約12000元。X88 幼兒園為被動房，未接入市政熱力，沒有采暖費(fèi)。如果僅比較每月的電費(fèi)來衡量其是否節(jié)能，不太合理，宜把普通幼兒園采暖季需要上交的采暖費(fèi)和每月其他耗電量加在一起的綜合費(fèi)用，與X88 幼兒園實(shí)際耗電量進(jìn)行對比，其結(jié)果如表5：

表5 11 月份運(yùn)行電費(fèi)對比

由表5 可知，X88 被動式幼兒園11 月消耗的綜合費(fèi)用低于普通幼兒園，稍高于按德國被動房標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的理論值（采暖季和制冷季高于理論值，過渡季節(jié)低于理論值），11 月份氣溫降低，采暖費(fèi)用增加，其結(jié)果也是合理的。折算成全年的平均運(yùn)行費(fèi)用，被動式幼兒園的全年運(yùn)行費(fèi)用約為13.5 萬元/年，而我國正常運(yùn)行的規(guī)模相似的普通幼兒園的全年運(yùn)行費(fèi)用約為35.86 萬元/年，每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約22.36 萬元。

綜上可知：被動房=節(jié)能建筑。按德國被動房標(biāo)準(zhǔn)建造的X88 幼兒園在保證室內(nèi)較高舒適度的同時(shí)，也保證了較低的能源消耗水平，相對于目前中國的幼兒園建筑，節(jié)能效益顯著。

6 結(jié)論

展望未來，低耗、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、集成與優(yōu)化，是人與自然、現(xiàn)在與未來之間的利益共享，是可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)手段。X88 幼兒園的順利建成，為以后北京地區(qū)，乃至中國的教育類被動房項(xiàng)目提供了可以借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)，也為我國節(jié)能減排政策目標(biāo)的實(shí)施，提供了實(shí)際落地項(xiàng)目和運(yùn)維管理的可參考經(jīng)驗(yàn)。