超低能耗小型公共建筑研究
——以北京某幼兒園為例

文/中國建筑設計研究院有限公司 周瑞雪 李 梅

1 我國超低能耗建筑現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

我國引入超低能耗建筑已有10余年，通過相關(guān)技術(shù)應用，使建筑從單純的能源消耗者變?yōu)槟茉葱枨蟮目刂普摺?010—2021年，我國超低能耗建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從政策、技術(shù)、產(chǎn)品、管理到工程項目的全方位發(fā)展。在發(fā)展過程中同樣存在一些問題，如傳統(tǒng)設計模式難以轉(zhuǎn)變；高能效產(chǎn)品規(guī)范化程度不足，系統(tǒng)化水平不高；囿于工人專業(yè)素質(zhì)、施工成本和工期限制，精細化施工尚有難度等。隨著越來越多工程項目落地，技術(shù)路線逐步明朗，政策和標準逐步完善，市場上適用材料與設備國產(chǎn)化快速發(fā)展，全行業(yè)及用戶市場認知度不斷加深，我國正在以中國效率、市場規(guī)模及技術(shù)創(chuàng)新，成為建筑領(lǐng)域變革的領(lǐng)軍者。

2 超低能耗小型公共建筑特征及問題

超低能耗技術(shù)的基本要求是“采暖能耗來自于自身”，遵循“五指”原則：①高性能的外圍護系統(tǒng)；②低能耗的外窗系統(tǒng)；③無熱橋的細部構(gòu)造；④完整的氣密性；⑤高效的熱回收新風系統(tǒng)。

公共建筑類型多樣，但目前廣泛應用的超低能耗技術(shù)僅適用于功能穩(wěn)定的建筑。隨著項目落地，問題也逐漸呈現(xiàn)：小型公共建筑體量小，空間靈活，與超低能耗要求的體形控制易產(chǎn)生矛盾；嚴寒和寒冷地區(qū)的小型公共建筑在利用日照、控制得熱的布局方面往往被忽略；公共建筑的復雜造型對空間布局、裝飾構(gòu)件和幕墻構(gòu)造要求較高；為達到低能耗指標采用高品質(zhì)部品、構(gòu)件，但施工過程中不重視防水、氣密性等細節(jié)處理導致實施效果不佳；選用的設備系統(tǒng)未重視地域氣候特點，新風與熱回收難以高效整合。

3 超低能耗幼兒園設計實踐

從近年相關(guān)工程實踐可看出，我國90%的超低能耗項目位于寒冷地區(qū)，以居住建筑為主。截至2020年，全國共發(fā)布超低能耗技術(shù)、居住和公共建筑類導則/標準9項，居住建筑類導則/標準13項，公共建筑類導則/標準僅1項。選擇幼兒園類建筑研究超低能耗技術(shù)是由于其既具有小型公共建筑的特點，又作為以供暖能耗為主的居住建筑節(jié)能類型出現(xiàn)。基于北京大興區(qū)黃村鎮(zhèn)興華大街幼兒園項目，試探性地將超低能耗居住建筑技術(shù)推廣至小型公共建筑，進而使相關(guān)公共建筑技術(shù)得到更好的發(fā)展。

3.1 工程概況

北京大興區(qū)黃村鎮(zhèn)興華大街幼兒園項目所處氣候分區(qū)屬于寒冷B區(qū)，主要功能是12班幼兒園，建筑面積4097m2，兒童人數(shù)為360人，教職工人數(shù)為60人，如圖1所示。該項目采用超低能耗技術(shù)進行設計，建筑能耗指標：年供暖需求為18.64kW·h/m2，年供冷需求29.62kW·h/m2，年供暖、供冷和照明一次能源消耗量62.44kW·h/m2，相對節(jié)能率61.35%，換氣次數(shù)N50≤0.6。

圖1 北京大興區(qū)黃村鎮(zhèn)興華大街幼兒園項目效果

3.2 超低能耗技術(shù)應用

3.2.1 規(guī)劃及單體

結(jié)合北京地區(qū)氣候特征，建筑應充分利用日照，為提高冬季南向房間得熱，降低夏季東、西房間得熱，建筑物宜為南北向布置。平面避免過度凹凸，布局緊湊，保持較小體形系數(shù)。窗墻比應經(jīng)過性能化設計，既要考慮冬季得熱，又要考慮夏季隔熱、通風和過渡季的通風需求。

3.2.2 外保溫與遮陽系統(tǒng)

1）圍護結(jié)構(gòu)的保溫應連續(xù)完整，充分考慮可靠性和耐久性。由于公共建筑往往大面積采用幕墻系統(tǒng)，外保溫還應重視防火要求。屋面保溫材料應具備較低吸水率和較好的抗壓性能。當無地下室或設有非保溫地下室時，首層地面應進行保溫處理。該項目為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部采用幕墻，保溫材料與幕墻龍骨結(jié)合緊密。通過計算框架部分的能耗損失，確定相關(guān)構(gòu)造以避免冷橋。屋面構(gòu)造大幅降低施工破壞保溫系統(tǒng)的幾率，模塑聚苯板容重≥30kg/m3，抗壓強度≥200kPa。雨水管等管道出外墻洞口處用巖棉填實。該項目關(guān)鍵部品材料做法及設計參數(shù)如表1所示，屋面節(jié)點構(gòu)造如圖2所示。

圖2 屋面節(jié)點構(gòu)造

表1 關(guān)鍵部品材料做法及設計參數(shù)

2）遮陽主要考慮夏季空調(diào)能耗。幼兒活動空間的外窗處設深遠的窗套作為固定遮陽，同時在南側(cè)和東側(cè)的主要空間外設可活動外遮陽。窗套、卷簾與墻體之間的固定件增設隔熱墊片避免點熱橋。當采用主體出挑結(jié)構(gòu)作為固定遮陽時，也可將保溫材料完全包覆遮陽構(gòu)件以阻止結(jié)構(gòu)性熱橋，如圖3所示。

圖3 外遮陽構(gòu)造

3.2.3 外門窗系統(tǒng)

傳熱系數(shù)應在0.8～1.0W/（m2·K）；根據(jù)北京地區(qū)氣候條件，以冬季得熱為主，控制玻璃太陽得熱系數(shù)（SHGC）；外門窗應有良好的氣密性、水密性和抗風壓性能。整體配置綜合考慮框料型材、玻璃層數(shù)、Low-e膜層、真空層、惰性氣體、暖邊間隔條、密封構(gòu)造等措施。

3.2.4 斷熱橋處理

外墻采用雙層保溫時，應錯縫黏結(jié)避免通縫；保溫層應采用斷熱橋錨栓固定；避免在外墻上固定導軌、龍骨、支架等熱橋部件；與外墻主體的導熱連接件應采用隔熱墊塊等措施。

屋面保溫層應與外墻保溫層連續(xù)，不得出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性熱橋；屋面保溫層靠近室外一側(cè)應設置防水層，防水層延續(xù)到女兒墻頂部蓋板內(nèi)；在屋面結(jié)構(gòu)層保溫層下設置隔汽層。

地下室外墻外側(cè)保溫層應與地上部分保溫層連續(xù)，并應采用吸水率低的保溫材料；外墻外側(cè)保溫層應延伸到地下凍土層以下。

該項目外圍護上的固定件與墻體間采用10mm厚高強度聚氨酯墊片；幕墻龍骨穿出保溫層的最外沿采用預壓膨脹密封帶密封；龍骨和固定件避免體量過大，在排布時除考慮結(jié)構(gòu)安全外，還應最大程度減小龍骨和固定點數(shù)量。涂料部分墻面采用巖棉板滿鋪，第1層巖棉隨鋪隨抹灰作為保護層；由于巖棉厚度較大，采用斷熱橋長錨栓。涂料和飾面砂漿具有良好的透氣性。

3.2.5 氣密性

氣密區(qū)連續(xù)并包圍整個超低能耗區(qū)域，選用氣密外門窗，選擇適用的氣密性材料進行節(jié)點處理，如氣密性薄膜、專用膨脹密封條、氣性處理涂料等材料。密實的混凝土墻體無需進行氣密性處理，砌塊墻體可采用抹灰處理作為氣密層。對門洞、窗洞、電氣接線盒、管線貫穿處等易發(fā)生氣密性問題的節(jié)點進行處理。

3.2.6 高效新風與熱回收系統(tǒng)

新風熱回收裝置應配備空氣凈化功能，減小霧霾天氣對室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響。新風熱回收配置初效、中效平板電子除塵殺菌裝置，凈化達到要求。新風系統(tǒng)不得產(chǎn)生氮氧化物、臭氧等有害物質(zhì)，滿足GB/T 14295—2019《空氣過濾器》的要求。與室外連通的風管上均應設置保溫密閉型電動風閥，并應與對應系統(tǒng)聯(lián)動。衛(wèi)生間不宜設獨立排風道，宜結(jié)合新風系統(tǒng)設置。當衛(wèi)生間必須設置獨立排風道時，宜設置啟停裝置，避免長期運行導致不必要的能源流失。

該項目的活動室、辦公室人均新風量按30m3/h設計，選擇屋頂式熱回收新風機組，為活動區(qū)域提供新風。新風機組選用轉(zhuǎn)輪熱回收新風機組，熱回收效率不低于70%。教室、活動室等人員密集場所設置CO2傳感器，聯(lián)動新風機組變頻。為緩解室外PM2.5以下顆粒物對室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響，新風機組均配設初效、中效平板式電子除塵凈化殺菌裝置，其凈化級別應達到F8，臭氧發(fā)生濃度應滿足《空氣過濾器》要求。

3.2.7 冷熱源系統(tǒng)

本項目冷熱源采用低溫空氣源熱泵機組提供空調(diào)冷熱水，機組放置于屋頂，夏季空調(diào)供回水溫度為7～12℃，冬季空調(diào)供回水溫度為35～45℃。空調(diào)水系統(tǒng)為變流量系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)冷熱水均由屋頂空氣源熱泵機組提供，通過自動轉(zhuǎn)換實現(xiàn)夏季送冷水、冬季送熱水。

3.3 技術(shù)難點

1）屋面保溫系統(tǒng)易在施工過程中積水產(chǎn)生破壞。利用小型公共建筑屋面縱深較小的特點，采用細石混凝土作為找坡層，可有效防止雨水進入保溫層。

2）由于幼兒活動要求，外窗采用高窗，開啟形式為內(nèi)開內(nèi)倒。根據(jù)相關(guān)功能特點，還可選擇推拉門窗以滿足超低能耗要求，但目前市面上的被動式外窗較重，幼兒園的外窗仍有待輕量化提升。

3）廚房作為新風熱回收系統(tǒng)的難點，同時囿于二次設計、部品采購等限制，往往成為氣密性不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)，可將其設在氣密區(qū)外。

4）外門窗與主體結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的位置是薄弱環(huán)節(jié)。窗框應盡量與洞口大小一致。框下口設通長隔熱墊塊或防腐木做支撐，防水透氣膜一端貼在型材上包裹隔熱墊塊，而后粘貼到主體結(jié)構(gòu)上。室外金屬窗臺板下外保溫抹面層（抹面灰漿+雙層玻纖網(wǎng)）應包裹保溫層頂面，如圖4所示。

圖4 外窗節(jié)點構(gòu)造

5）無地下室的建筑地面做法為下設擠塑聚苯板，在外墻與地面接觸處應將保溫向地下延伸一段包圍基礎(chǔ)；在外門與地坪接觸的位置設置聚氨酯墊枕避免熱應力集中，同時采用通長金屬蓋板避免雨水浸泡保溫材料；防水材料密閉成環(huán)，如圖5所示。

圖5 外門框節(jié)點構(gòu)造

該項目能耗指標計算結(jié)果如下：熱負荷21.24W/m2，冷負荷37.42W/m2。采暖期熱需求為18.64kW·h/m2，制冷期冷需求為29.62kW·h/m2。該項目節(jié)能率可達60%以上換氣次數(shù)N50≤0.6。

超低能耗小型公共建筑要充分考慮后期的使用和運維，兼顧室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的需要。值得一提的是應避免過度使用產(chǎn)品與技術(shù)，超低能耗建筑是以能耗指標結(jié)果為評判標準，在達到同樣結(jié)果的前提下，所用技術(shù)越少越好，越適用越好。

4 結(jié)語

超低能耗建筑以能耗控制為目標，采用被動式策略降低建筑冷熱需求，為人們提供舒適和節(jié)能的生活環(huán)境。小型公共建筑廣泛存在于我國工程建設中，尤其在嚴寒和寒冷地區(qū)，公共建筑為滿足使用舒適性的能耗遠高于其他區(qū)域，研究其超低能耗技術(shù)有典型意義。幼兒園作為小型公共建筑的代表，為公共建筑的節(jié)能技術(shù)提供新的視野。結(jié)合實際工程，總結(jié)工程實踐中發(fā)現(xiàn)的問題，通過設定目標、制定策略、技術(shù)解決、難點分析，以期為小型公共建筑實現(xiàn)綠色、健康、節(jié)能發(fā)展提供參考。