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狀與發展趨勢

我國引入超低能耗建筑已有10余年，通過相關技術應用，使建筑從單純的能源消耗者變為能源需求的控制者。2010—2021年，我國超低能耗建筑領域實現從政策、技術、產品、管理到工程項目的全方位發展。在發展過程中同樣存在一些問題，如傳統設計模式難以轉變；高能效產品規范化程度不足，系統化水平不高；囿于工人專業素質、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化快速發展，全行業及用戶市場認知度不斷加深，我國正在以中國效率、市場規模及技術創新，成為建筑領域變革的領軍者。

2 超低能耗小型公共建筑特征及問題

超低能耗技術的基本要求是“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；②低能耗的外窗系統；③無熱橋的細部構造；④完整的氣密性；⑤高效的熱回收新風系統。

公共建筑類型多樣，但目前廣泛應用的超低能耗技術僅適用于功能穩定的建筑。隨著項目落地，問題也逐漸呈現：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生矛盾；嚴寒和寒冷地區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、裝飾構件和幕墻構造要求較高；為達到低能耗指標采用高品質部品、構件，但施工過程中不重視防水、氣密性等細節處理導致實施效果不佳；選用的設備系統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

從近年相關工程實踐可看出，我國90%的超低能耗項目位于寒冷地區，以居住建筑為主。截至2020年，全國共發布超低能耗技術、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能類型出現。基于北京大興區黃村鎮興華大街幼兒園項目，試探性地將超低能耗居住建筑技術推廣至小型公共建筑，進而使相關公共建筑技術得到更好的發展。

3.1 工程概況

北京大興區黃村鎮興華大街幼兒園項目所處氣候分區屬于寒冷B區，主要功能是12班幼兒園，建筑面積4097m2，兒童人數為360人，教職工人數為60人，如圖1所示。該項目采用超低能耗技術進行設計，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，相對節能率61.35%，換氣次數N50≤0.6。

圖1 北京大興區黃村鎮興華大街幼兒園項目效果

3.2 超低能耗技術應用

3.2.1 規劃及單體

結合北京地區氣候特征，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。窗墻比應經過性能化設計，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

1）圍護結構的保溫應連續完整，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，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構，局部采用幕墻，保溫材料與幕墻龍骨結合緊密。通過計算框架部分的能耗損失，確定相關構造以避免冷橋。屋面構造大幅降低施工破壞保溫系統的幾率，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。該項目關鍵部品材料做法及設計參數如表1所示，屋面節點構造如圖2所示。

圖2 屋面節點構造

表1 關鍵部品材料做法及設計參數

2）遮陽主要考慮夏季空調能耗。幼兒活動空間的外窗處設深遠的窗套作為固定遮陽，同時在南側和東側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。當采用主體出挑結構作為固定遮陽時，也可將保溫材料完全包覆遮陽構件以阻止結構性熱橋，如圖3所示。

圖3 外遮陽構造

3.2.3 外門窗系統

傳熱系數應在0.8～1.0W/（m2·K）；根據北京地區氣候條件，以冬季得熱為主，控制玻璃太陽得熱系數（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、Low-e膜層、真空層、惰性氣體、暖邊間隔條、密封構造等措施。

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，不得出現結構性熱橋；屋面保溫層靠近室外一側應設置防水層，防水層延續到女兒墻頂部蓋板內；在屋面結構層保溫層下設置隔汽層。

地下室外墻外側保溫層應與地上部分保溫層連續，并應采用吸水率低的保溫材料；外墻外側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，在排布時除考慮結構安全外，還應最大程度減小龍骨和固定點數量。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

氣密區連續并包圍整個超低能耗區域，選用氣密外門窗，選擇適用的氣密性材料進行節點處理，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、管線貫穿處等易發生氣密性問題的節點進行處理。

3.2.6 高效新風與熱回收系統

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空氣質量的影響。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。新風系統不得產生氮氧化物、臭氧等有害物質，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，并應與對應系統聯動。衛生間不宜設獨立排風道，宜結合新風系統設置。當衛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，為活動區域提供新風。新風機組選用轉輪熱回收新風機組，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，聯動新風機組變頻。為緩解室外PM2.5以下顆粒物對室內空氣質量的影響，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，臭氧發生濃度應滿足《空氣過濾器》要求。

3.2.7 冷熱源系統

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

3.3 技術難點

1）屋面保溫系統易在施工過程中積水產生破壞。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，開啟形式為內開內倒。根據相關功能特點，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定的環節，可將其設在氣密區外。

4）外門窗與主體結構關聯的位置是薄弱環節。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，而后粘貼到主體結構上。室外金屬窗臺板下外保溫抹面層（抹面灰漿+雙層玻纖網）應包裹保溫層頂面，如圖4所示。

圖4 外窗節點構造

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；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，如圖5所示。

圖5 外門框節點構造

該項目能耗指標計算結果如下：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。該項目節能率可達60%以上換氣次數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，兼顧室內環境數據采集的需要。值得一提的是應避免過度使用產品與技術，超低能耗建筑是以能耗指標結果為評判標準，在達到同樣結果的前提下，所用技術越少越好，越適用越好。

4 結語

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能的生活環境。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，公共建筑為滿足使用舒適性的能耗遠高于其他區域，研究其超低能耗技術有典型意義。幼兒園作為小型公共建筑的代表，為公共建筑的節能技術提供新的視野。結合實際工程，總結工程實踐中發現的問題，通過設定目標、制定策略、技術解決、難點分析，以期為小型公共建筑實現綠色、健康、節能發展提供參考。