分析 | 北京首个教育类被动房试点建设项目
本文转自《绿色建筑》2019年第1期，作者为：北京经济技术开发区区基建办公室；北京市住宅建筑设计研究院有限公司居住事业部 牛靳靳 赵锐；北京市住宅建筑设计研究院超低能耗建筑研究中心性能化设计咨询 宋昂扬 刘郁林
北京经济技术开发区河西区X88地块幼儿园新建工程项目，位于北京经济技术开发区内，项目占地范围东至四合路，西临四海路，南临兴海一街，北至兴海路。建设内容包括：幼儿活动及辅助用房、办公及辅助用房、生活用房及室外活动场地。
其中幼儿活动及辅助用房包括：活动室、寝室、厕所、盥洗室、衣帽储藏间及音体活动室等；办公及辅助用房包括办公室、晨检室、医务室、隔离室、储藏室等，生活用房包括：厨房、洗衣房等。同步实施的还包括园内景观绿化及活动场地等相关设施、道路工程、室外地下综合管线等室外工程内容。
幼儿园办学规模为21班制（每班30人），学生总计630人，教师42人，保育员21人。本项目用地面积共约8907平方米，总建筑面积为8544.23平方米，其中地上建筑面积约7125.9平方米，地下建筑面积约1418.33平方米。超低能耗示范区域总建筑面积为7531.2平方米，包括所有地上区域和地下的楼梯间、厨房及食堂等区域。
幼儿园布局主要分为南北两楼的幼儿用房和中间服务用房。运动区位于场地东侧，场地西侧为校园主入口，并在场地西北角设有后勤入口，是两类进出幼儿园的人流车流不受干扰，同样也便于人流的快速疏散作为主要的入口集散空间，便于人流快速的疏散。
我国建筑能耗占社会总能耗的比重逐年上升，根据前瞻产业研究院发布的相关报告显示，截止2016年已经达到约三分之一的水平。因此如何降低建筑能耗，成为我国节能减排的重要课题。德国被动式超低能耗建筑标准诞生于上世纪90年代初，是世界领先的建筑节能技术体系。
2010年左右该标准被引进入我国，在其基础上形成了我国自己的超低能耗建筑标准，并兴建了一批示范项目。但我国的超低能耗建筑标准，不论是住建部还是北京市标准，对建筑的用能要求只包含供暖、空调和照明三部分。而本项目做到了对建筑能耗的全方位把控，即包括供暖、空调、照明、热水、新风、电器设备、电梯、炊事等各方面，并通过室内环境和能耗监测平台进行分类计量和用能优化。
本项目采用产业化装配式施工，将装配式施工与超低能耗技术相结合，克服了钢结构在气密性和热桥方面对围护结构产生的不利影响。深入优化围护结构细部节点，最大限度的降低热桥效，并保障气密性指标满足针对被动式建筑的检测指标要求。
本项目采用了地源热泵供暖供冷，太阳能热水，光伏发电三种可再生能源技术，可以有效地减少煤、天然气、电、水等资源的消耗，缓解能源短缺的压力，减少CO2等污染物的排放，实现人、建筑与环境的友好共生。据初步计算，本项目超低能耗建筑相比现行公共建筑65节能标准，在运行期间可减少二氧化碳排放量290吨/年。
本项目使用三维BIM技术进行建筑设计，建筑和结构专业在三维软件中搭建专业模型，保证建筑和结构的统一，同时在三维软件中对部分节点进行优化，借助直观的三维模型可以清晰的表达复杂的节点部位。
图1 建筑BIM模型
图2 结构BIM模型
本项目按照《绿色建筑评价标准》DB11/T825-2015三星级进行建筑设计，部分模拟成果如下：
1. 室外风环境模拟
（1）夏季工况
图3 夏季1.5m高度风速分布
图 4 夏季1.5m高度风速流线
图5 夏季迎风面风压图
图6 夏季背风面风压图
（2）冬季工况
图7 冬季1.5m高度风速分布
图 8 冬季1.5m高度风速流线
图9 冬季1.5m高度风速放大系数分布
图10 冬季迎风面压力图
图11 冬季背风面压力图
（3）过渡季节工况
图12 过渡季节1.5m高度风速分布
图13 过渡季节1.5m高度风速分布矢量图
图14 过渡季节迎风面风压图
图15 过渡季节背风面风压图图
2. 绿色建筑室内光环境与视野综合计算分析
图16 普通层-2采光系数分布图
图17 普通层-2采光系数分布图（内区）
图18 普通层-3采光系数分布图
图19 普通层-3采光系数分布图（内区）
3. 室内自然通风模拟分析
（1）流场
图20 距一层楼面1.2 m高度流场分布
图21 距二层楼面1.2 m高度流场分布
图22 距三层楼面1.2 m高度流场分布
图中可见：该层楼内主要由东侧和南侧风口进入室内，从其他侧风口流出室外，进风口附近区域的气流相对较强，室内大部分区域的气流分布较为均匀，室内整体通风效果较好。
（2）风速
图23 距一层楼面1.2 m高度风速分布
图24 距二层楼面1.2 m高度风速分布
图25 距三层楼面1.2 m高度风速分布
图中可见：东侧和南侧进风口附近区域的风速相对较大，约在2.5m/s之间，室内其他大部分区域的风速相对较小，基本在1.4m/s以下。
建筑室内人体活动区域的风速在1.8 m/s以内，同时可以通过控制外窗的开启状态来调节室内风速，满足非空调情况下室内舒适风速要求。
（3）空气龄
图26 距一层楼面1.2 m高度空气龄分布
图27 距二层楼面1.2 m高度空气龄分布
图28 距三层楼面1.2 m高度空气龄分布
图中可见：除第一层部分区域的空气龄相对较大，超过1800s左右，其他区域的空气龄相对较小，基本在300s以下，整体通风效果较好。
本项目各空间区域两侧风口位置呈对称分布，有利于室内自然通风。
在过渡季主导风向平均风速边界条件下本项目的人体活动区域风速均在1.6m/s以下，同时可通过控制外窗开启来调节室内风速，满足非空调情况下室内舒适风速要求。
在过渡季主导风向平均风速边界条件下本项目的主要功能空间的换气效率均在2 次/h以上，满足在自然通风条件下保证主要功能房间换气次数不低于2 次/h的要求。
在方案设计阶段利用designPH软件建模，对透过各立面的外窗和玻璃幕墙的阳光得热量进行模拟分析，优化外窗和玻璃幕墙的面积及其性能参数，减少了位于不利朝向的外窗面积，并确定外遮阳的具体使用位置。
图29 X88幼儿园designPH模型
外墙地上部分采用加气混凝土砌块，外贴憎水岩棉保温板，由于本项目属于教育建筑，外墙保温统一设计为燃烧性能为A1级的岩棉带，饰面为干挂增强纤维水泥板。内隔墙为加气混凝土砌块。外墙地下部分采用现浇钢筋混凝土墙体。外墙构造做法（从内到外）：内抹灰15mm，加气混凝土砌块200mm，外保温岩棉板300mm，锚栓，玻纤网，外抹灰20mm，增强纤维水泥板。
外墙气密性处理措施：外墙面气密性由15mm内抹灰保障。钢结构部件与楼板和墙面之间的缝隙用气密胶带进行封堵。设备管道穿外墙处预留套管以气密胶带进行封堵。外遮阳穿外墙线管内部打胶，并以气密胶带进行封堵。外墙断热桥措施：外保温固定采用断热桥锚栓；岩棉托架采用不锈钢材质（导热系数比铝材显著降低）；饰面干挂板的连接件做断桥处理。
表1 外墙性能参数表
屋面为正置式屋面，由下至上的各层结构及厚度：内抹灰15mm，现浇混凝土楼板120mm，防水隔汽层，屋面保温挤塑板400mm，双层SBS防水卷材，细石混凝土50mm。断热桥措施：女儿墙采用底部挖空的构造，以降低其产生的线性热桥，且内侧和顶部分别包裹有100mm厚挤塑板和岩棉板；出屋面排气管都包有200mm厚挤塑板；屋顶太阳能集热器基础不在屋顶结构层生根，不破坏屋顶保温层。
表2 屋面性能参数表
首层与地下层相邻的楼板下侧粘贴有150mm厚岩棉板；首层地面的结构板之下铺设150mm厚挤塑板；地下层采暖房间与非采暖房间之间的隔墙外侧粘贴有150mm厚岩棉板。断热桥措施：保温固定采用断热桥锚栓。保温被内墙断开处，以100mm厚岩棉板沿内墙两侧向下延伸一米。保温与外墙交接处，以100mm厚岩棉板沿外墙内侧向下延伸一米。
表3 首层楼板性能参数表
外窗的窗框型材采用铝包木型材，整窗传热系数Uw值不高于0.8W/m2K。玻璃的构造采用三玻两腔low-e充惰性气体暖边玻璃，具体参数要求为玻璃传热系数Ug值不高于0.7W/m2K，玻璃太阳得热系数g值等于0.45，玻璃的可见光透射比τvis不低于0.5。
外门窗应有良好的气密、水密及抗风压性能。依据国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T 7106，其气密性等级不应低于8级、水密性等级不应低于6级。开启扇开启方式为内平开内倒开启。选用气密性等级高的外门窗，外窗框与窗扇间宜采用3道耐久性良好的密封材料密封，每个开启扇至少设两个锁点。
外窗安装方式应采用窗框内表面与结构外表面齐平的外挂安装方式，以减小安装热桥的不利影响。外窗安装时必须严格进行气密性处理，内侧应使用防水隔汽膜，外侧使用防水透汽膜进行密封处理。安装时使用的角钢和木垫块也应在外侧使用防水透汽膜进行密封处理。
外门传热系数Ud值不得高于1.2W/m2K。外门窗应有良好的气密、水密及抗风压性能。依据国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T 7106，其气密性等级不应低于8级、水密性等级不应低于6级。由于外门人流量较大，外门建议采用低槛门的形式。同时其气密性能必须能够满足上述要求。
表4 外窗性能参数表
外门安装方式应采用门框内表面与结构外表面齐平的外挂安装方式，以减小安装热桥的不利影响。外门安装时必须严格进行气密性处理，内侧应使用防水隔汽膜，外侧使用防水透汽膜进行密封处理。安装时使用的角钢和木垫块也应在外侧使用防水透汽膜进行密封处理。
图30 外窗及遮阳大样图
首层各入口全部设置门斗，有保温隔热的作用，防止在打开外门时冷(或热)空气直接侵入室内，利于空调节能。地下层采暖房间和非采暖房间之间的门首先应保障气密性能，依据国家标准《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T 7106，其气密性等级不应低于8级。门安装时必须严格进行气密性处理，其次应有一定的保温性能，传热系数Ud值不得高于1.5W/m2K。
本项目所有的东、西、南向外窗都配备有电动外遮阳设备。由于建筑朝向近乎正南北向，北向外窗夏季受到的阳光辐射小，无须配备遮阳设施。外遮阳设备的形式为金属百叶帘，电动控制，手动操作，无感光自动控制。外遮阳以角钢固定于基墙上。
集中式新风系统分层设置于南北楼的机房里，中间部分和位于地下层餐厅的新风主机则设置于吊顶中。新风量按照30m3/（h*p）设计。新风系统采用全热回收装置，显热回收效率不低于75%，全回收效率不小于70%。送风温度在室外空气温度为-10摄氏度时，不小于16.5摄氏度。设置微静电高效空气净化器，PM2.5过滤效率不低于97%。新风的送风管均设置消声装置，以削弱风扇噪声对儿童活动室的影响。
新风系统送回风组织方式为：儿童活动室、办公室等功能房间只送风不设回风，卫生间、走廊只回风不设送风。新风送入功能房间，通过门缝进入过渡区，最后从卫生间或走廊由新风系统统一排走。超低能耗区域的卫生间不设单独排风扇，排风竖井取消。
新风设备选用带有旁通功能的全热交换机，以降低在过渡季节机械通风的电耗。位于室内的新风取风管和排风管都应有足够的保温，使用橡塑材料保证100mm厚。
表5 新风系统性能参数表
本项目采用土壤源热泵机组作为冷热源，冬季供热，夏季供冷。夏季空调采用风机盘管+新风系统；冬季采暖使用低温地板辐射+风机盘管+新风系统。冬季采用低温地板辐射供暖，经过热泵机组厚的冬季采暖供回水温度为45/35摄氏度。供暖系统为变流量系统，非采暖季需满水保养。设置供热量自动控制装置。循环水泵的耗电热比值和设置供热量控制装置，应符合《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）的要求。
本项目采暖设计热指标为29.2W/m2,供回水温度为45/35摄氏度，采暖负荷约240kW。空调设计冷指标为43W/m2，夏季冷负荷约354kW。
地源热泵系统的夏季制冷性能系数COP经厂家确认后为5.52。《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）4.2.10条规定水冷变频螺杆式机组的性能系数COP不应低于表4.2.10中数值的0.95倍。经查，表4.2.10中螺杆式机组在名义制冷量小于等于528kW时（本项目冷负荷约354kW），性能系数COP在寒冷地区为4.7，其0.95倍为4.465。满足超低能耗指标要求的性能系数应比4.465提高10%以上，即4.9115。因此本项目地源热泵系统满足超低能耗要求。
根据《北京市太阳能热水系统城镇建筑应用管理办法》，本工程为厨房和淋浴等需要热水的区域设置集中太阳能热水系统，提供生活热水，热水供水温度60摄氏度。太阳能集热器选用玻璃真空管型集热器，布置于建筑屋面。太阳光热经集热管内介质传送至单体建筑换热机房内半容积式换热器，与冷水进行热交换，从而制备生活热水。
太阳能热水系统的辅助热源为商用冷凝容积式燃气热水炉，其运行可根据时间和温度自动调节，以保证热水使用温度。生活热水系统的水质要求同生活给水系统，太阳能热水系统工程需同时设计，同时施工，同时使用。热水供水管道系统应设置必要的安全设施。
本工程的照明功率密度设计遵循《托儿所、幼儿园建筑设计规范》JGJ39-2016中关于照明功率密度和照度的要求。室内照明要求使用LED灯，电灯的发光效率不应低于100 lm/W。并有以下自然采光措施：建筑本体朝向符合本地区最佳采光朝向，满足规范及节能指标要求的前提下尽量采用较大面积外窗，提高玻璃的可见光透射比。
电梯采用具有节能拖动及节能控制方式的产品，且电梯应具有休眠功能。水泵、风机等采用高效节能产品，并采用变频控制等节电措施。
能耗监测方面包括对建筑内分功能如照明、空调、插座、动力等进行电量监测，在各层配电箱内安装智能电表；于不同功能回路安装智能电表，进行功能监测；总共预计88台智能电表。对分区内的耗电量进行实时监测、记录整个建筑的能耗情况，也可以分别监测、记录三个区域各楼层能耗情况。同时，可以监测、记录不同区域内冷热源等用电设备的能耗情况。
舒适性监测方面包括对建筑内各房间的环境指标（温度、湿度、PM2.5、CO2）进行监测，预计安装66套环境探测器。对各个房间进行温度、相对湿度、PM2.5浓度、CO2浓度环境的监测，从而实时掌握超低能耗建筑内部的环境指数，同时可以引导管理人员对空调系统进行开关和温度设定等动作，或引导开关窗进行通风等行为。
表6 采暖制冷设备性能参数表
经过综合计算得到设计建筑和参照建筑的供暖需求、供冷需求以及一次能耗计算结果见表7：
表7 供暖需求、供冷需求以及一次能耗计算结果
本项目超低能耗设计标准与《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）的一次能耗相比下降了66.4%，从而能够满足示范项目不少于60%的要求。本项目设计建筑的相对节能率达到88.2%。本项目超低能耗标准相比现行公共建筑65节能标准，在运行期间每年节约一次能源684000kWh，相当于减少碳排放290吨，不仅每年减少电力消耗约100000kWh，并且彻底避免了市政热力的使用。
图31 单位面积一次能源消耗量对比
图32 单位面积终端能源消耗量对比
X88幼儿园作为北京地区第一个教育类被动房试点建设项目，得到了包括经济技术开发区建设局在内的多个政府部门的大力支持，也得到了包括从项目决策阶段、建筑设计阶段、施工建造阶段等各环节相关方的全力配合，得以向社会呈现了一个标杆性的教育类示范项目。
展望未来，低耗、高效、经济、环保、集成与优化，是人与自然、现在与未来之间的利益共享，是可持续发展的建设手段。本项目的顺利建成，为以后北京地区，乃至华北地区，甚至全国地区的教育类被动房项目提供了宝贵的项目经验，也为我国节能减排的政策目标的实施，提供了实际落地的可能性。