既有教育建筑更新設計中能源平衡策略協同應用研究

關鍵詞：既有教育建筑更新；能源策略協同；正能耗學校；能耗平衡；能耗計算

中圖分類號：X32 文獻標志碼：A

前言

當前，中國城市已進入存量更新和增量調整并重時期。既有公共建筑總面積超124億平方米，其中90%以上是高耗能建筑，單位建筑能耗比同等氣候條件發達國家高2～3倍。截止2022年，全國既有校舍面積已超34. 87億平方米，被作為中國公建能源更新的重點。

國內本領域工作已開展，范征宇等通過軟件模擬對比為寒冷地區高校圖書館提供節能布局策略。周亞平等對某小學進行了外圍護結構的節能改造并取得了良好效果；王巖等針對寒冷地區大學熱水系統進行了太陽能熱水系統輔助的實踐。綜合看，這些研究和實踐還剛起步，在建筑設計階段缺乏系統理論體系支撐和整體協同設計思想。發達國家已在該領域開展了多年研究，2008年德國啟動了“節能學校”（EnEff： Schule）計劃，分為三個等級，最高等級是“正能耗學校”，即從全年考慮，本地產生的初級能源多用于采暖、通風、飲用水加熱、照明和必要的輔助能量所需能源。

文章對德國羅斯托克市“正能耗學校”（Plus energie Schule）進行深入研究，其能源平衡策略的整體性設計理念和具體措施對中國本領域研究與實踐有較強的借鑒意義。

1項目評估及更新設計理念

項目由兩個相同的建于1960年代的中學校舍合并，將其中一個校舍進行改造。原校舍從能效角度評估存在很多缺陷：首先，分散式布局導致過多交通面積和過大表面積，即建筑體形系數過大。其次，原主樓為砌體結構形式，外墻與屋面均沒有設置保溫層，窗框等構件存在嚴重的氣密性與保溫隔熱缺陷。第三，每個教室都是單側采光，沒有遮陽和防眩光措施，室內光環境極度不均勻。第四，采暖系統陳舊，系統整體能效低，造成能源浪費。第五，原校舍為自然通風，缺乏可控的通風系統，造成了自然通風與熱損耗之間的矛盾。

針對這些能源缺陷，單一的建筑設計措施或能耗平衡技術都很難實現“正能耗”的更新目標，此項目遵循了能源策略協同的整體性設計理念。在更新設計中以能源平衡為切入點，通過計算建筑需要消耗的能源總量來反推能耗平衡所需要的優質能源總量，整合多種清潔能源并高效地應用。在建筑設計上協同了諸如整體布局、中庭空間、外圍護界面、通風設計、采暖系統等具體的措施。建筑設計措施與能源平衡技術相互策動協同，實現了有利的體形系數、形成了氣候緩沖區域、更好的氣密性、更強的保溫隔熱能力，回收再利用了建筑余熱，建立了能耗高效利用的通風和采暖系統。（見圖1）

2策略協同的建筑設計措施

2.1調整總體布局

原體量較小的體育館和托管中心現狀質量已很差，在更新設計中被拆除。此次更新以原主樓為基礎進行。

原主樓內走廊及南半部分予以保留并對南外墻進行節能優化。將主樓北半部分拆除并向北平移重建作為中學教學空間；主樓的南北部分之間形成寬敞的走廊空間，提供多樣化活動的場所（學校街）。沿原主樓體量向西側依次拓展出中庭、小學。在德國小學大部分上課時間為上午，西曬不會構成嚴重不良影響。中庭空間被作為建筑的人口大廳，與學校街聯通形成一個高大通透的“T形”公共區域，成為多功能活動區域。

建筑由半圍合的分散式布局被更新設計為緊湊的獨立式布局。交通面積被極大削減，使用功能更為合理，內部空間更加開闊明亮。更新改造前后，總建筑面積在保持基本不變的情況下，建筑表面積極大減少，建筑體形系數由原來的0.38降為0.21，交通面積和建筑體積在更新后減少，這樣會極大降低建筑能耗，而建筑使用面積從約5600平方米卻增加至6325平方米，進一步提升了空間利用效率。（見表1）

2.2營造氣候緩沖區

中庭和學校街空間具有建筑氣候緩沖區的作用。在炎熱夏季，開啟中庭頂部側天窗進行通風降溫。利用熱壓通風原理，在室內外溫差為3℃的情況下，室外空氣交換達到每小時3次以上。在寒冷冬季，陽光射入室內升高該區域室溫，同時設有采暖的教學空間中多余熱量溢出至該區域也會升高室溫。設計模擬了室外溫度在-8℃到6℃的一個冬季時段，如果將教室溫度在使用時段（9：00-16：00）控制在19℃，夜晚關閉采暖系統時，中庭和學校街空間在白天使用時段的溫度也能達到15℃左右，較室外高出約10℃。

2.3優化外圍護界面

針對外墻界面，新建部分采用了可再利用的復合膠合木框架結構體系填充高保溫性能的預制模塊。結構框架內外側分別有160 mm和80 mm的礦棉保溫層，保溫層外側設有防風層保證外墻的密封性。保留部分在原有磚墻外側增加240 mm厚保溫層，也改善了門窗的封閉性。為避免炫光在窗口處設置傾角為31°的鋼索張拉式遮陽板，板的上半部分延續立面的木飾板，下半部分為太陽能光伏電板。

針對屋頂界面，在混凝土中嵌入塑料材質的球形空腔材料（Cobiax Decken），可減少混凝土用量和結構自重，有利于保溫隔熱、隔聲降噪。中庭屋頂為印刷有控制光線攝人圖案的ETFT（乙烯-四氟乙烯共聚物），冬天氣枕充氣飽滿，氣枕上下層遮光圖案相互錯位，日光可大量進入室內；夏季減少充氣而使得氣枕上下層遮光圖案重疊阻擋部分日光直接進入室內減少熱輻射。

在更新改造中建筑各部位的構造由多種材料組合，因此引入了U-wert技術來計算綜合導熱系數，數值越小說明構件的隔熱性能越好。對比更新前后外圍護界面各構件的U-wert值，可見熱傳導性能顯著下降，說明建筑能耗也會大幅度下降。（見表2）

2.4機械通風及供暖系統

為規避自然通風帶來的熱量損耗，除夏季炎熱自然通風外，主要采用機械送風的方式。新鮮空氣通過送風口被送至每間教室，教室內設有C02濃度傳感器以控制必要的進出風量。含有熱量的廢氣從教室靠近中庭一側墻面頂部百葉窗進入氣候緩沖區，再通過熱交換器回收熱量后集中排出，回收的熱量被用于新風預熱而得到再利用。

每個房間實際對室溫的要求不相同，因此在教室內采用兩個供暖系統的組合應用：首先基本熱量由墻面踢腳板式熱水散熱器提供基本熱量，可將室溫調節至17℃；其次通過天花板輻射提供額外的熱量，迅速將室溫升至所需溫度以滿足要求。天花板供暖系統與感應器連接，若檢測到房間無人活動系統會自動關閉。

3策略協同的能耗平衡技術

3.1能耗平衡方案

由于該市的遠程供熱具有有利的初級能源系數（0.08～0.256），因此仍選取區域遠程供熱作為基本熱源。初級能源系數反映了不同能源的質量優劣及轉化損耗程度，該系數越低，表示能源轉化標準煤的損耗越小。設計采用初級能源系數較低的能源，可降低建筑能耗計算值，從而提高能源的利用效率。

此項目能耗主要用于提供熱能與電能，為滿足兩類能源總量而應用了多種類型的清潔能源以平衡需求，根據能耗平衡方案，區域遠程供熱系統不僅滿足建筑采暖需求，還成為ORC低溫余熱發電系統的能量來源而生產部分電能。另外風能、太陽能光伏也一并生產電能。三者生產的總電量可以滿足建筑使用，多余的電能則反向輸入城市電網。（見圖2）

3.2 ORC發電系統

有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，簡稱ORC）是以低沸點有機液體為工質的朗肯循環。此項目區域供熱管網的熱水與設計的基礎溫度差較大，如全部熱水直接用于建筑采暖則造成能源浪費。此項目遠程供熱驅動ORC發電系統的額定功率為4千瓦，區域供熱管網提供800℃～100℃熱水，一部分直接進入建筑采暖系統。另一部分熱水進入ORC系統發電后，水溫降至40℃～50℃后也匯入建筑供暖系統提供低溫熱水。ORC系統提高了區域遠程熱源的利用效率，既滿足建筑物的熱能和也提供了部分清潔電能。

3.3光伏與風力發電

此項目設置了725 m²的太陽能光伏電板，額定功率為138千瓦。設計中沒有為光伏電板專門設置支架，被德國能源效率學校獎評委會評價為“光伏系統在建筑中完美融合而不是被簡單附加。”

北立面有兩個高高豎起的額定功率為3.5千瓦的ф型垂直軸風力發電機，即達里厄（Darrieus）風力發電機。其特點是可低風速啟動，屬于靜音式，占用空間小且安全性較高，抗臺風能力強，不受風向改變的影響，維護較簡單，更容易形成風能發電建筑一體化。風力發電機作為鮮明的外在特征代表了清潔能源應用的理念，在建筑形象和節能教學上具有良好的示范性。

3.4能耗平衡計算

對比了改造前后的能耗數值，可發現改造后熱能消耗顯著下降，這是因為能源策略協同的整體性設計理念和各種措施、技術發揮了良好作用。而年總電能消耗增加的原因不僅因為新校舍的使用面積增加了，更主要是安裝了帶有余熱回收的機械通風系統的用電消耗。綜合看，年單位能耗下降了66.6%，節能效果顯著，證明了更新改造的成功。（見表3）

此項目的能耗平衡計算過程是：首先，將新校舍終端能源消耗總量450MWh根據初級能源系數轉化為初級能源為343.4MWh，這部分在建筑運行中要通過電能的方式平衡。其次，依據電能的初級能源系數反算新校舍為平衡上述初級能源所需要的終端能源為132MWh，即新校舍建筑的電力缺口。第三，經測算各類清潔能源技術發電總量為141.6 MWh，因可直接用于建筑使用因此被視為終端能源。可見，清潔能源發電總量不僅滿足缺口（132MWh）還盈余了9.6MWh，真正實現了“正能耗學校”的更新建設目標。（見表4）

4結論

此項目采用能源策略協同的整體設計理念，通過建筑設計措施和能源平衡技術的協同應用，成功實現了“正能耗學校”的建設目標。在建成后由專業團隊進行數據監測，分析能源數據并定義用戶行為，根據階段數據進行能效評估，總結更新建設經驗。技術數據在專業網站進行可視化表達，吸引了大眾注意力，宣傳節能環保。德國教育建筑每年消耗約2000萬MWh的能源，既有學校增加了地方政府的運營支出。對教育建筑進行能源更新改造，相比之下，只需較少額外投入，便可顯著降低能耗，減輕運營開支。此項目的更新設計經驗對推動這項工作具有顯著作用，對中國教育建筑的能源更新具有重要借鑒意義。