夏热冬冷地区被动式低能耗中小学建筑设计策略研究

李婷，吴蔚兰，张柱，周麟，李亚珂，张在喜

（1中机中联工程有限公司，重庆 400039；2重庆道欣建设集团有限公司，重庆 400039）

0 引言

习近平主席在2020年9月22日的联合国大会上郑重宣示：要在2030年之前实现碳排放达峰，力争2060年实现碳中和。主要发达国家在2010年已基本完成碳达峰，并计划在2050年前实现碳中和；由于社会发展阶段和社会经济增长速度的差异，中国实现碳达峰和碳中和的难度比发达国家更大。建筑领域碳排放占全国碳排放量近1/3，其中，建筑运营碳排放约占建筑领域碳排放的20%，建设绿色低碳建筑，进行建筑全生命周期的碳减排将是实现“双碳”目标的重要一环。面对双碳目标，坚持被动优先、主动优化的综合建筑节能技术措施，将是加大建筑领域节能减碳力度的基本途径[1-2]。本文以某中学项目工程实践为例，通过对设计过程中的被动式和主动式设计策略、室内空间环境（通风、采光、室内热湿环境、噪音等）高标准设计方式等进行研究，以期为夏热冬冷地区中小学建筑设计提供参考。

1 项目概况

该学校位于重庆市，规模为92个教学班，规划总建筑面积约10.8万㎡，主教学楼建筑高度23.50m，建设目标为绿色建筑二星级。项目中心圆环布置初中部、高中部、实验楼、行政楼、国际部、艺术楼，学校配备了科学实验室、文物展厅、篮球馆、图书馆、剧场等复杂功能用房（图1）。

图1 航拍鸟瞰图

2 设计要点

2.1 被动式低能耗建筑技术在学校建筑中的应用

该项目以“十分钟校园”这一时空范围为边界，拟采用最具效率的圆形布置主要教学设施，但相比常见的的错列式、斜列式以及自由式，这种建筑布局方式不利于自然通风[3]。为了在满足使用功能需求的同时，尽可能地降低建筑能耗，通过查阅大量的文献和进行室内外风环境模拟计算，建议采用圆环局部敞开、内设天井以及建筑底层架空的形式（图2），将夏季和过渡季节主导风引入学校的内部，形成穿过学校内部建筑的风道，减少围合式圆环形建筑对自然通风的不利影响。

图2 外遮阳和底层架空设计

利用被动式通风技术，有效组织室内外自然通风气流路径，并通过Phoenics软件对室外风环境和室内自然通风进行分析。室外风环境模拟结果表明：在夏季和过渡季节的主导风向下，场地内无明显无风区或蜗旋区域，50%以上的可开启窗内外风压差大于0.5Pa，有利于自然通风，改善室内热环境；在冬季、过渡季10%大风工况下，场地内人行高度处的风速符合舒适要求；冬季典型风速方向下，除第一排建筑外，建筑迎风面和背风面风压差小于5Pa，避免冷风渗透，导致室内环境不舒适，增加供热能耗。室内自然通风模拟得出，教学楼在夏季和过渡季节的通风良好，教室的换气次数不小于4.5次/h，除教室外，其他主要功能房间的换气次数均不小于2次/h，为学校建筑全年提供了健康安全、舒适的室内空气环境，降低了室内热湿环境对空调的依赖，降低了能源消耗。

在规划设计阶段，广泛筛选被动式建筑节能技术，从重庆地区传统民居通风散热设计中汲取经验，将具有良好的自然通风散热、隔热的屋顶，兼顾防晒与纳阳的水平遮阳措施等被动式建筑节能技术与建筑设计融合，尽可能降低建筑能源消耗。主教学楼采用钢结构设计，采用穿孔金属板雨棚自遮阳作为外遮阳，兼顾夏季遮阳和冬季纳阳的遮阳结构，使夏季可最大限度遮挡强烈的阳光，冬季则可利用倾斜遮阳板使阳光充分进入室内，适应了重庆的地域气候特点，同时丰富了外立面造型，实现了技术和艺术的完美融合。同时，将实验农田带到主教学楼直径200m的环形屋顶上，满足学生亲近自然需求的同时，降低了整个建筑的热岛效应。

以“被动优先、主动优化、经济实用”为原则，采用以自然通风为主的原则进行学校的规划布局设计。穿孔金属板雨棚自遮阳和农田屋面等被动式措施，最大程度降低了建筑能源消耗。该项目被动式低能耗建筑技术的应用，不是技术的堆砌，而是以满足功能需求为主，在降低建筑碳排放量的同时，经济适用。

2.2 设计科学的实验室环境

实验室是中学教学、科研的基地，学生流动性大，有毒、有害颗粒物交叉显著，常规暖通设计更多关注于实验设备通风，而对实验室室内环境参数和师生在实验过程中的安全与健康等问题未能给予足够的重视[4]。为了给师生提供安全、健康、舒适、节能的室内环境，通风设计犹为重要，特别应重点考虑室内有毒物残留飘移控制、噪音控制及节能。通过对通风系统型式、换气次数指标、排风净化、噪声、防火材料选择等的合理设计，在满足工艺要求的前提下，解决实验室内大气污染问题的同时，利用自然冷热源，尽可能降低房间换气次数。

针对化学实验室等散发有害或异味气体的实验室，采用局部通风+全室通风的形式。局部通风采用桌面上通风、柜下排风的形式，排风主管道设于所在实验室的下一层，管线布置美观。全室通风采用自然通风形式。桌面式通风柜将工作区域的污染气体以最快的速度吸入，并通过排风机排至屋面，使操作者吸入接触的污染物最小化（图3）。风管采用具有耐腐蚀性能的PVC风管。实验室良好的污染物控制性能保证了师生的身体健康。

图3 实验室桌面排风

通过合理划分通风系统，控制其服务半径，采用变频调速风机和智能组合式废气处理装置，充分发挥变风量的节能作用，可减少活性炭的用量以及固废的产生，减少后期的更换维护费用，节省安装空间，保证室内温湿度、送排风量满足设计要求，达到安全和节能的目的。

2.3 精细化的大空间气流组织设计

报告厅和风雨操场的大空间区域采用旋流风口送风，选型均由专业风口厂家根据设计参数计算确定，精细化设计保证室内热舒适。

报告厅（礼堂）的观众厅及舞台分设全空气系统，可根据需要决定是否开启舞台区域送风，如举行学术报告会开启舞台空调系统，而举行文艺演出时可提前开启舞台区域空调系统降温，正式演出时为避免幕布吹动，关闭舞台空调系统。送风口采用温控旋流风口，根据冬夏季工况和观众区前后排区域风口射程要求，采用电信号调整送风角度，使观众区前后排冷热气流均能送至人员活动区域。

风雨操场分为羽毛球和篮球区域，空调系统采用旋流风口送风，旋流风口安装在篮球区域，单层百叶回风口设于羽毛球区域。送风口避开羽毛球区域，以防止气流影响羽毛球的走向。

2.4 空调系统在降低运行成本的同时，兼顾运行管理简便和热舒适

主动式技术作为被动式建筑技术的一种补充，用以满足极端天气的建筑需求。学校建筑具有空间布局既灵活分散又整体关联、维护管理人员少且管理人员技术相对薄弱、空调系统间歇使用、夏季最热及冬季最冷天气时放假等特点。结合使用要求、各个单体的用途和使用时间等因素，冷热源采用了多联机系统+空气源热泵系统+分体空调系统组成的集中和分散相结合的空调系统。

学生宿舍采用一拖一分体空调，方便使用，同时又可以大幅降低一次投资；剧场、篮球馆等高大空间采用空气源热泵型冷热水机组，利用组合式空调机对空气进行冷、热处理，送风口采用旋流风口，采用精细化设计选型、计算，较好地满足大空间气流组织的要求，使其具有理想的空调舒适性，设计时考虑过渡季全新风运行工况，通过调节新、回风管道上的电动风阀开关比例实现全新风运行，同时，通过调节空调排风机台数或转速，满足室内送排风平衡要求；食堂、教室、琴房、行政办公室、会议室等中小型房间均采用VRF变冷媒流量一拖多空调系统，按楼层或区域设置，方便灵活，可提高空调系统在部分负荷下的运行效率。学校教室的新风均采用直接送入的方式，部分教室使用时，新风负荷由室内空调承担，有效减少空置教室大量新风能耗，同时又能较好地满足卫生要求。食堂、图书馆等由于集中使用，空调新风采用全热交换方式，尽可能降低新风负荷。该项目虽然在设计过程中设计了新风系统，但因投资和运营维护问题，未设计净化装置。在空气污染、疫情反复、落实高质量发展要求等多种因素的影响下，新风净化系统在中小学校园会越来越普及。

3 综合效益

3.1 经济效益

根据实际运行统计数据，全年能耗数据如表1所示。

表1 学校实测全年建筑能耗和单位建筑面积能耗

根据重庆市《公共机构能源消耗定额》（DB 50/T 1080—2021），教育类公共机构的单位建筑面积能耗指标详见表2。

表2 教育类公共机构的单位建筑面积能耗指标

相比该项目竣工验收后开始实施的重庆市《公共机构能源消耗定额》（DB 50/T 1080—2021）给出的中等学校单位建筑面积约束值45kWh/（m2·a），该项目在2019年和2020年的平均能耗指标降低59.2%，基准值降低26.6%，接近引导值。

重庆市《公共机构能源消耗定额》（DB 50/T 1080—2021）于2021年4月20日实施，该学校于2016年设计，2019年竣工投入使用。实际运行结果表明，通过低能耗设计策略，全年节约能耗72.7万kWh，节约电费38万元/年。

3.2 环境效益

根据数据统计，目前火电厂发1kWh电量产生各种污染物的排放量：SO2为7.68×10-3kg，CO2为0.73 kg，NOx为3.38×10-3kg。该项目全年节能减排量：CO2减排量为530.71t；SO2减排量为5.58t；NOx减排量为2.46t。

4 结语

根据中小学高质量发展的要求，科学馆、艺术馆、图书馆、风雨操场、室内运动场等逐渐成为中小学学校建筑的标配。学校建筑的功能越来越复杂，对室内热湿环境的要求也越来越高。在双碳目标下，低碳甚至零碳学校建筑将成为中小学建筑的主流。学校建筑的设计应在满足高品质室内热湿环境的前提下降低能耗，减小对不可再生能源的依赖。

本文结合创新性的建筑造型设计和重庆地方气候特征，介绍了把被动式低能耗建筑技术与学校建筑相结合，在室内提供健康舒适的学习工作环境的同时，使暖通空调系统能耗大幅度减少的典型学校建筑案例，对同类工程设计具有重要参考意义。