X88 幼儿园的性能化设计与运维

2021-12-26果海凤刘郁林王英琦李瑞雪白羽

建筑热能通风空调 2021年11期

果海凤刘郁林王英琦李瑞雪白羽

北京市住宅建筑设计研究院有限公司

0 引言

借鉴德国被动房节能设计标准，我国超低能耗建筑技术标准逐渐形成，并兴建了一批前瞻性的示范项目。X88 幼儿园作为北京第一例投入使用、规模最大的超低能耗幼儿园，同时又是采用钢结构装配式建造技术建造的被动式幼儿园，具有典型的示范意义。X88 幼儿园采用钢结构装配式施工工艺，将装配式施工与超低能耗技术相结合，克服了钢结构体系建筑在气密性和热桥方面对围护结构产生的不利影响。通过被动式围护结构的性能化设计和深入优化围护结构细部节点，最大限度的降低热桥影响，并保障气密性指标满足被动房的要求。已经获得了德国被动房研究所认证及北京市超低能耗建筑示范工程的称号。

与普通幼儿园运维及使用模式不同，被动式幼儿园在运维初期也出现了一些不可预期的问题，比如耗电量高、室内温度过热等。为了验证被动式幼儿园的舒适性和节能性，减少运营费用，又能增加室内舒适度，对幼儿园运营前几个月的舒适性和耗电量进行了记录和研究分析，验证了被动房的节能性，为中国被动房事业提供了“第一个运营的被动式幼儿园”的具有极大参考价值的实践经验。

1 项目概况

X88 幼儿园（图1）位于北京经济技术开发区内，由北京经济技术开发区管委会投资建设。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 m2，总建筑面积为8537.03 m2。地下一层，地上三层。被动房区域总建筑面积7531.2 m2，TFA 建筑面积5834.5 m2。包括所有地上区域和地下的楼梯间、厨房以及食堂等区域。

图1 X88 幼儿园实景图

幼儿园布局主要分为三个区，南区和北区为教室，中区为多功能教室和联系南北区的环形走廊。其中，北侧教学楼（建筑分区1）：地上3 层，地下1 层，布置12 班生活教师、多功能教学教室及行政办公用房、地下一层布置厨房及各类设备用房。中部教学楼（建筑分区2）：地上1 层，布置门厅、晨检医务室、音体活动教室等房间。南侧教学楼（建筑分区3）：地上3 层，布置9 班生活教室及服务办公用房。幼儿园整体设计生动有趣，色彩鲜明，完全呈现了幼儿园建筑的设计特点。

2 性能化设计

2.1 非透明围护结构

外墙地上部分采用加气混凝土砌块，外贴憎水岩棉保温板，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。

屋面为正置式屋面，由下至上的各层结构及厚度：内抹灰15 mm，现浇混凝土楼板120 mm，防水隔汽层，屋面保温挤塑板400 mm，双层SBS 防水卷材，细石混凝土50 mm。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100 mm 厚挤塑板和岩棉板.出屋面排气管都包有200 mm 厚挤塑板。

首层与地下层相邻的楼板下侧粘贴150 mm 厚岩棉板。地下层采暖房间与非采暖房间之间的隔墙外侧粘贴150 mm 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、外墙、结构梁等断开处，以100 mm 厚岩棉板沿内墙两侧向下延伸1 m。

表1 为围护结构被动式性能化设计参数[1]。

表1 围护结构被动式性能化设计参数

2.2 透明围护结构

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/(m·2K)。玻璃的构造采用三玻两腔Low-e 充惰性气体暖边玻璃，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。

同时，本项目首次大面积采用被动房的弧形窗（图2），弧形窗本身制作工艺复杂，普通窗户做成弧形窗构造难度也很大，要实现被动房要求更是难以实现。X88幼儿园大面积采用的弧形窗其传热系数、保温要求和气密性等参数均能满足被动房的要求，这在中国甚至世界上都属特例，为在被动房建筑内实现丰富的外立面效果提供了坚实的实践基础。

图2 弧形窗

本项目所有的东、西、南向外窗都配备有电动外遮阳设备（图3）。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。

图3 外窗遮阳图

2.3 新风系统

X88 幼儿园设置了集中式新风系统，分层设置于南楼、北楼的机房里，每层一台。中间部分和位于地下层餐厅的新风主机则设置于吊顶中。新风量设计标准按照：30 m3/(h·p)。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 ℃时，不小于16.5 ℃。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。

2.4 辅助供暖供冷

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。夏季空调末端为风机盘管+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 ℃。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。

2.5 太阳能生活热

根据中国《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 ℃。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。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。

3 气密性测试

本项目已建成，并于2019 年9 月开园。在投入使用前和投入使用后共进行2 次气密性测试，包括对全楼整体的气密性测试和地下餐厅气密性测试（表2）。

表2 气密性测试统计表

4 PHPP 能耗计算

采用PHPP 计算软件，建立了本项目的DesignPH模型（图4），经过综合计算得到，其供暖需求，供冷需求以及一次能耗计算结果见表3：

表3 供暖需求、供冷需求以及一次能耗计算结果

图4 DesignPH 模型

X88 幼儿园按照德国被动房标准进行设计，经过PHPP 计算可知，完全符合被动房的设计要求和能耗标准。同时，本项目申报中国的超低能耗建筑认证，满足中国的超低能耗建筑设计认证标准。中国的公共建筑目前按照标准《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）进行设计和建造。X88 幼儿园作为满足德国被动房要求的超低能耗建筑，与按照中国《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）进行设计的参照建筑相比，其供暖需求和供冷需求均极大降低，一次能耗下降了66.4%，从而能够满足中国超低能耗示范项目在公建65%节能标准的基础上再降低不少于60%的要求。本项目设计建筑的相对节能率达到了88.2%[2]。

5 初步运维研究

5.1 初期运维分析

X88 幼儿园运维初期，耗电量较高，还有一个重要因素是缺乏专业的物业维护管理。被动房与普通的建筑运维管理不同，幼儿园老师们又并非专业人员，运行初期，必然有一个学习、理解和熟悉使用的过程，幼儿园负责人宜根据使用情况总结适用于本幼儿园的运行方式和后期长期运维策略（表4）。

表4 初期运维诊断

5.2 耗电量分析

幼儿园初期运行电费较高，9 月份约10000 元，10月份约8000 元，11 月份约15000 元，12 月份约12000元。X88 幼儿园为被动房，未接入市政热力，没有采暖费。如果仅比较每月的电费来衡量其是否节能，不太合理，宜把普通幼儿园采暖季需要上交的采暖费和每月其他耗电量加在一起的综合费用，与X88 幼儿园实际耗电量进行对比，其结果如表5：

表5 11 月份运行电费对比

由表5 可知，X88 被动式幼儿园11 月消耗的综合费用低于普通幼儿园，稍高于按德国被动房标准计算的理论值（采暖季和制冷季高于理论值，过渡季节低于理论值），11 月份气温降低，采暖费用增加，其结果也是合理的。折算成全年的平均运行费用，被动式幼儿园的全年运行费用约为13.5 万元/年，而我国正常运行的规模相似的普通幼儿园的全年运行费用约为35.86 万元/年，每年节约运行费用约22.36 万元。

综上可知：被动房=节能建筑。按德国被动房标准建造的X88 幼儿园在保证室内较高舒适度的同时，也保证了较低的能源消耗水平，相对于目前中国的幼儿园建筑，节能效益显著。