李婷，吳蔚蘭，張柱，周麟，李亞珂，張?jiān)谙?/p>

（1中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；2重慶道欣建設(shè)集團(tuán)有限公司，重慶 400039）

0 引言

習(xí)近平主席在2020年9月22日的聯(lián)合國大會(huì)上鄭重宣示：要在2030年之前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，力爭2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。主要發(fā)達(dá)國家在2010年已基本完成碳達(dá)峰，并計(jì)劃在2050年前實(shí)現(xiàn)碳中和；由于社會(huì)發(fā)展階段和社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長速度的差異，中國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的難度比發(fā)達(dá)國家更大。建筑領(lǐng)域碳排放占全國碳排放量近1/3，其中，建筑運(yùn)營碳排放約占建筑領(lǐng)域碳排放的20%，建設(shè)綠色低碳建筑，進(jìn)行建筑全生命周期的碳減排將是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要一環(huán)。面對雙碳目標(biāo)，堅(jiān)持被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化的綜合建筑節(jié)能技術(shù)措施，將是加大建筑領(lǐng)域節(jié)能減碳力度的基本途徑[1-2]。本文以某中學(xué)項(xiàng)目工程實(shí)踐為例，通過對設(shè)計(jì)過程中的被動(dòng)式和主動(dòng)式設(shè)計(jì)策略、室內(nèi)空間環(huán)境（通風(fēng)、采光、室內(nèi)熱濕環(huán)境、噪音等）高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方式等進(jìn)行研究，以期為夏熱冬冷地區(qū)中小學(xué)建筑設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

該學(xué)校位于重慶市，規(guī)模為92個(gè)教學(xué)班，規(guī)劃總建筑面積約10.8萬㎡，主教學(xué)樓建筑高度23.50m，建設(shè)目標(biāo)為綠色建筑二星級(jí)。項(xiàng)目中心圓環(huán)布置初中部、高中部、實(shí)驗(yàn)樓、行政樓、國際部、藝術(shù)樓，學(xué)校配備了科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、文物展廳、籃球館、圖書館、劇場等復(fù)雜功能用房（圖1）。

圖1 航拍鳥瞰圖

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 被動(dòng)式低能耗建筑技術(shù)在學(xué)校建筑中的應(yīng)用

該項(xiàng)目以“十分鐘校園”這一時(shí)空范圍為邊界，擬采用最具效率的圓形布置主要教學(xué)設(shè)施，但相比常見的的錯(cuò)列式、斜列式以及自由式，這種建筑布局方式不利于自然通風(fēng)[3]。為了在滿足使用功能需求的同時(shí)，盡可能地降低建筑能耗，通過查閱大量的文獻(xiàn)和進(jìn)行室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境模擬計(jì)算，建議采用圓環(huán)局部敞開、內(nèi)設(shè)天井以及建筑底層架空的形式（圖2），將夏季和過渡季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)引入學(xué)校的內(nèi)部，形成穿過學(xué)校內(nèi)部建筑的風(fēng)道，減少圍合式圓環(huán)形建筑對自然通風(fēng)的不利影響。

圖2 外遮陽和底層架空設(shè)計(jì)

利用被動(dòng)式通風(fēng)技術(shù)，有效組織室內(nèi)外自然通風(fēng)氣流路徑，并通過Phoenics軟件對室外風(fēng)環(huán)境和室內(nèi)自然通風(fēng)進(jìn)行分析。室外風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果表明：在夏季和過渡季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向下，場地內(nèi)無明顯無風(fēng)區(qū)或蝸旋區(qū)域，50%以上的可開啟窗內(nèi)外風(fēng)壓差大于0.5Pa，有利于自然通風(fēng)，改善室內(nèi)熱環(huán)境；在冬季、過渡季10%大風(fēng)工況下，場地內(nèi)人行高度處的風(fēng)速符合舒適要求；冬季典型風(fēng)速方向下，除第一排建筑外，建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓差小于5Pa，避免冷風(fēng)滲透，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境不舒適，增加供熱能耗。室內(nèi)自然通風(fēng)模擬得出，教學(xué)樓在夏季和過渡季節(jié)的通風(fēng)良好，教室的換氣次數(shù)不小于4.5次/h，除教室外，其他主要功能房間的換氣次數(shù)均不小于2次/h，為學(xué)校建筑全年提供了健康安全、舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境，降低了室內(nèi)熱濕環(huán)境對空調(diào)的依賴，降低了能源消耗。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，廣泛篩選被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù)，從重慶地區(qū)傳統(tǒng)民居通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)中汲取經(jīng)驗(yàn)，將具有良好的自然通風(fēng)散熱、隔熱的屋頂，兼顧防曬與納陽的水平遮陽措施等被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)融合，盡可能降低建筑能源消耗。主教學(xué)樓采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用穿孔金屬板雨棚自遮陽作為外遮陽，兼顧夏季遮陽和冬季納陽的遮陽結(jié)構(gòu)，使夏季可最大限度遮擋強(qiáng)烈的陽光，冬季則可利用傾斜遮陽板使陽光充分進(jìn)入室內(nèi)，適應(yīng)了重慶的地域氣候特點(diǎn)，同時(shí)豐富了外立面造型，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)和藝術(shù)的完美融合。同時(shí)，將實(shí)驗(yàn)農(nóng)田帶到主教學(xué)樓直徑200m的環(huán)形屋頂上，滿足學(xué)生親近自然需求的同時(shí)，降低了整個(gè)建筑的熱島效應(yīng)。

以“被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)實(shí)用”為原則，采用以自然通風(fēng)為主的原則進(jìn)行學(xué)校的規(guī)劃布局設(shè)計(jì)。穿孔金屬板雨棚自遮陽和農(nóng)田屋面等被動(dòng)式措施，最大程度降低了建筑能源消耗。該項(xiàng)目被動(dòng)式低能耗建筑技術(shù)的應(yīng)用，不是技術(shù)的堆砌，而是以滿足功能需求為主，在降低建筑碳排放量的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)適用。

2.2 設(shè)計(jì)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境

實(shí)驗(yàn)室是中學(xué)教學(xué)、科研的基地，學(xué)生流動(dòng)性大，有毒、有害顆粒物交叉顯著，常規(guī)暖通設(shè)計(jì)更多關(guān)注于實(shí)驗(yàn)設(shè)備通風(fēng)，而對實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和師生在實(shí)驗(yàn)過程中的安全與健康等問題未能給予足夠的重視[4]。為了給師生提供安全、健康、舒適、節(jié)能的室內(nèi)環(huán)境，通風(fēng)設(shè)計(jì)猶為重要，特別應(yīng)重點(diǎn)考慮室內(nèi)有毒物殘留飄移控制、噪音控制及節(jié)能。通過對通風(fēng)系統(tǒng)型式、換氣次數(shù)指標(biāo)、排風(fēng)凈化、噪聲、防火材料選擇等的合理設(shè)計(jì)，在滿足工藝要求的前提下，解決實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大氣污染問題的同時(shí)，利用自然冷熱源，盡可能降低房間換氣次數(shù)。

針對化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等散發(fā)有害或異味氣體的實(shí)驗(yàn)室，采用局部通風(fēng)+全室通風(fēng)的形式。局部通風(fēng)采用桌面上通風(fēng)、柜下排風(fēng)的形式，排風(fēng)主管道設(shè)于所在實(shí)驗(yàn)室的下一層，管線布置美觀。全室通風(fēng)采用自然通風(fēng)形式。桌面式通風(fēng)柜將工作區(qū)域的污染氣體以最快的速度吸入，并通過排風(fēng)機(jī)排至屋面，使操作者吸入接觸的污染物最小化（圖3）。風(fēng)管采用具有耐腐蝕性能的PVC風(fēng)管。實(shí)驗(yàn)室良好的污染物控制性能保證了師生的身體健康。

圖3 實(shí)驗(yàn)室桌面排風(fēng)

通過合理劃分通風(fēng)系統(tǒng)，控制其服務(wù)半徑，采用變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)和智能組合式廢氣處理裝置，充分發(fā)揮變風(fēng)量的節(jié)能作用，可減少活性炭的用量以及固廢的產(chǎn)生，減少后期的更換維護(hù)費(fèi)用，節(jié)省安裝空間，保證室內(nèi)溫濕度、送排風(fēng)量滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到安全和節(jié)能的目的。

2.3 精細(xì)化的大空間氣流組織設(shè)計(jì)

報(bào)告廳和風(fēng)雨操場的大空間區(qū)域采用旋流風(fēng)口送風(fēng)，選型均由專業(yè)風(fēng)口廠家根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算確定，精細(xì)化設(shè)計(jì)保證室內(nèi)熱舒適。

報(bào)告廳（禮堂）的觀眾廳及舞臺(tái)分設(shè)全空氣系統(tǒng)，可根據(jù)需要決定是否開啟舞臺(tái)區(qū)域送風(fēng)，如舉行學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)開啟舞臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)，而舉行文藝演出時(shí)可提前開啟舞臺(tái)區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)降溫，正式演出時(shí)為避免幕布吹動(dòng)，關(guān)閉舞臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)。送風(fēng)口采用溫控旋流風(fēng)口，根據(jù)冬夏季工況和觀眾區(qū)前后排區(qū)域風(fēng)口射程要求，采用電信號(hào)調(diào)整送風(fēng)角度，使觀眾區(qū)前后排冷熱氣流均能送至人員活動(dòng)區(qū)域。

風(fēng)雨操場分為羽毛球和籃球區(qū)域，空調(diào)系統(tǒng)采用旋流風(fēng)口送風(fēng)，旋流風(fēng)口安裝在籃球區(qū)域，單層百葉回風(fēng)口設(shè)于羽毛球區(qū)域。送風(fēng)口避開羽毛球區(qū)域，以防止氣流影響羽毛球的走向。

2.4 空調(diào)系統(tǒng)在降低運(yùn)行成本的同時(shí)，兼顧運(yùn)行管理簡便和熱舒適

主動(dòng)式技術(shù)作為被動(dòng)式建筑技術(shù)的一種補(bǔ)充，用以滿足極端天氣的建筑需求。學(xué)校建筑具有空間布局既靈活分散又整體關(guān)聯(lián)、維護(hù)管理人員少且管理人員技術(shù)相對薄弱、空調(diào)系統(tǒng)間歇使用、夏季最熱及冬季最冷天氣時(shí)放假等特點(diǎn)。結(jié)合使用要求、各個(gè)單體的用途和使用時(shí)間等因素，冷熱源采用了多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)+空氣源熱泵系統(tǒng)+分體空調(diào)系統(tǒng)組成的集中和分散相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)。

學(xué)生宿舍采用一拖一分體空調(diào)，方便使用，同時(shí)又可以大幅降低一次投資；劇場、籃球館等高大空間采用空氣源熱泵型冷熱水機(jī)組，利用組合式空調(diào)機(jī)對空氣進(jìn)行冷、熱處理，送風(fēng)口采用旋流風(fēng)口，采用精細(xì)化設(shè)計(jì)選型、計(jì)算，較好地滿足大空間氣流組織的要求，使其具有理想的空調(diào)舒適性，設(shè)計(jì)時(shí)考慮過渡季全新風(fēng)運(yùn)行工況，通過調(diào)節(jié)新、回風(fēng)管道上的電動(dòng)風(fēng)閥開關(guān)比例實(shí)現(xiàn)全新風(fēng)運(yùn)行，同時(shí)，通過調(diào)節(jié)空調(diào)排風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)或轉(zhuǎn)速，滿足室內(nèi)送排風(fēng)平衡要求；食堂、教室、琴房、行政辦公室、會(huì)議室等中小型房間均采用VRF變冷媒流量一拖多空調(diào)系統(tǒng)，按樓層或區(qū)域設(shè)置，方便靈活，可提高空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下的運(yùn)行效率。學(xué)校教室的新風(fēng)均采用直接送入的方式，部分教室使用時(shí)，新風(fēng)負(fù)荷由室內(nèi)空調(diào)承擔(dān)，有效減少空置教室大量新風(fēng)能耗，同時(shí)又能較好地滿足衛(wèi)生要求。食堂、圖書館等由于集中使用，空調(diào)新風(fēng)采用全熱交換方式，盡可能降低新風(fēng)負(fù)荷。該項(xiàng)目雖然在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)了新風(fēng)系統(tǒng)，但因投資和運(yùn)營維護(hù)問題，未設(shè)計(jì)凈化裝置。在空氣污染、疫情反復(fù)、落實(shí)高質(zhì)量發(fā)展要求等多種因素的影響下，新風(fēng)凈化系統(tǒng)在中小學(xué)校園會(huì)越來越普及。

3 綜合效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全年能耗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 學(xué)校實(shí)測全年建筑能耗和單位建筑面積能耗

根據(jù)重慶市《公共機(jī)構(gòu)能源消耗定額》（DB 50/T 1080—2021），教育類公共機(jī)構(gòu)的單位建筑面積能耗指標(biāo)詳見表2。

表2 教育類公共機(jī)構(gòu)的單位建筑面積能耗指標(biāo)

相比該項(xiàng)目竣工驗(yàn)收后開始實(shí)施的重慶市《公共機(jī)構(gòu)能源消耗定額》（DB 50/T 1080—2021）給出的中等學(xué)校單位建筑面積約束值45kWh/（m2·a），該項(xiàng)目在2019年和2020年的平均能耗指標(biāo)降低59.2%，基準(zhǔn)值降低26.6%，接近引導(dǎo)值。

重慶市《公共機(jī)構(gòu)能源消耗定額》（DB 50/T 1080—2021）于2021年4月20日實(shí)施，該學(xué)校于2016年設(shè)計(jì)，2019年竣工投入使用。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，通過低能耗設(shè)計(jì)策略，全年節(jié)約能耗72.7萬kWh，節(jié)約電費(fèi)38萬元/年。

3.2 環(huán)境效益

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前火電廠發(fā)1kWh電量產(chǎn)生各種污染物的排放量：SO2為7.68×10-3kg，CO2為0.73 kg，NOx為3.38×10-3kg。該項(xiàng)目全年節(jié)能減排量：CO2減排量為530.71t；SO2減排量為5.58t；NOx減排量為2.46t。

4 結(jié)語

根據(jù)中小學(xué)高質(zhì)量發(fā)展的要求，科學(xué)館、藝術(shù)館、圖書館、風(fēng)雨操場、室內(nèi)運(yùn)動(dòng)場等逐漸成為中小學(xué)學(xué)校建筑的標(biāo)配。學(xué)校建筑的功能越來越復(fù)雜，對室內(nèi)熱濕環(huán)境的要求也越來越高。在雙碳目標(biāo)下，低碳甚至零碳學(xué)校建筑將成為中小學(xué)建筑的主流。學(xué)校建筑的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足高品質(zhì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的前提下降低能耗，減小對不可再生能源的依賴。

本文結(jié)合創(chuàng)新性的建筑造型設(shè)計(jì)和重慶地方氣候特征，介紹了把被動(dòng)式低能耗建筑技術(shù)與學(xué)校建筑相結(jié)合，在室內(nèi)提供健康舒適的學(xué)習(xí)工作環(huán)境的同時(shí)，使暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗大幅度減少的典型學(xué)校建筑案例，對同類工程設(shè)計(jì)具有重要參考意義。