既有教育建筑更新设计中能源平衡策略协同应用研究

关键词：既有教育建筑更新；能源策略协同；正能耗学校；能耗平衡；能耗计算

中图分类号：X32 文献标志码：A

前言

当前，中国城市已进入存量更新和增量调整并重时期。既有公共建筑总面积超124亿平方米，其中90%以上是高耗能建筑，单位建筑能耗比同等气候条件发达国家高2～3倍。截止2022年，全国既有校舍面积已超34. 87亿平方米，被作为中国公建能源更新的重点。

国内本领域工作已开展，范征宇等通过软件模拟对比为寒冷地区高校图书馆提供节能布局策略。周亚平等对某小学进行了外围护结构的节能改造并取得了良好效果；王岩等针对寒冷地区大学热水系统进行了太阳能热水系统辅助的实践。综合看，这些研究和实践还刚起步，在建筑设计阶段缺乏系统理论体系支撑和整体协同设计思想。发达国家已在该领域开展了多年研究，2008年德国启动了“节能学校”（EnEff： Schule）计划，分为三个等级，最高等级是“正能耗学校”，即从全年考虑，本地产生的初级能源多用于采暖、通风、饮用水加热、照明和必要的辅助能量所需能源。

文章对德国罗斯托克市“正能耗学校”（Plus energie Schule）进行深入研究，其能源平衡策略的整体性设计理念和具体措施对中国本领域研究与实践有较强的借鉴意义。

1项目评估及更新设计理念

项目由两个相同的建于1960年代的中学校舍合并，将其中一个校舍进行改造。原校舍从能效角度评估存在很多缺陷：首先，分散式布局导致过多交通面积和过大表面积，即建筑体形系数过大。其次，原主楼为砌体结构形式，外墙与屋面均没有设置保温层，窗框等构件存在严重的气密性与保温隔热缺陷。第三，每个教室都是单侧采光，没有遮阳和防眩光措施，室内光环境极度不均匀。第四，采暖系统陈旧，系统整体能效低，造成能源浪费。第五，原校舍为自然通风，缺乏可控的通风系统，造成了自然通风与热损耗之间的矛盾。

针对这些能源缺陷，单一的建筑设计措施或能耗平衡技术都很难实现“正能耗”的更新目标，此项目遵循了能源策略协同的整体性设计理念。在更新设计中以能源平衡为切入点，通过计算建筑需要消耗的能源总量来反推能耗平衡所需要的优质能源总量，整合多种清洁能源并高效地应用。在建筑设计上协同了诸如整体布局、中庭空间、外围护界面、通风设计、采暖系统等具体的措施。建筑设计措施与能源平衡技术相互策动协同，实现了有利的体形系数、形成了气候缓冲区域、更好的气密性、更强的保温隔热能力，回收再利用了建筑余热，建立了能耗高效利用的通风和采暖系统。（见图1）

2策略协同的建筑设计措施

2.1调整总体布局

原体量较小的体育馆和托管中心现状质量已很差，在更新设计中被拆除。此次更新以原主楼为基础进行。

原主楼内走廊及南半部分予以保留并对南外墙进行节能优化。将主楼北半部分拆除并向北平移重建作为中学教学空间；主楼的南北部分之间形成宽敞的走廊空间，提供多样化活动的场所（学校街）。沿原主楼体量向西侧依次拓展出中庭、小学。在德国小学大部分上课时间为上午，西晒不会构成严重不良影响。中庭空间被作为建筑的人口大厅，与学校街联通形成一个高大通透的“T形”公共区域，成为多功能活动区域。

建筑由半围合的分散式布局被更新设计为紧凑的独立式布局。交通面积被极大削减，使用功能更为合理，内部空间更加开阔明亮。更新改造前后，总建筑面积在保持基本不变的情况下，建筑表面积极大减少，建筑体形系数由原来的0.38降为0.21，交通面积和建筑体积在更新后减少，这样会极大降低建筑能耗，而建筑使用面积从约5600平方米却增加至6325平方米，进一步提升了空间利用效率。（见表1）

2.2营造气候缓冲区

中庭和学校街空间具有建筑气候缓冲区的作用。在炎热夏季，开启中庭顶部侧天窗进行通风降温。利用热压通风原理，在室内外温差为3℃的情况下，室外空气交换达到每小时3次以上。在寒冷冬季，阳光射入室内升高该区域室温，同时设有采暖的教学空间中多余热量溢出至该区域也会升高室温。设计模拟了室外温度在-8℃到6℃的一个冬季时段，如果将教室温度在使用时段（9：00-16：00）控制在19℃，夜晚关闭采暖系统时，中庭和学校街空间在白天使用时段的温度也能达到15℃左右，较室外高出约10℃。

2.3优化外围护界面

针对外墙界面，新建部分采用了可再利用的复合胶合木框架结构体系填充高保温性能的预制模块。结构框架内外侧分别有160 mm和80 mm的矿棉保温层，保温层外侧设有防风层保证外墙的密封性。保留部分在原有砖墙外侧增加240 mm厚保温层，也改善了门窗的封闭性。为避免炫光在窗口处设置倾角为31°的钢索张拉式遮阳板，板的上半部分延续立面的木饰板，下半部分为太阳能光伏电板。

针对屋顶界面，在混凝土中嵌入塑料材质的球形空腔材料（Cobiax Decken），可减少混凝土用量和结构自重，有利于保温隔热、隔声降噪。中庭屋顶为印刷有控制光线摄人图案的ETFT（乙烯-四氟乙烯共聚物），冬天气枕充气饱满，气枕上下层遮光图案相互错位，日光可大量进入室内；夏季减少充气而使得气枕上下层遮光图案重叠阻挡部分日光直接进入室内减少热辐射。

在更新改造中建筑各部位的构造由多种材料组合，因此引入了U-wert技术来计算综合导热系数，数值越小说明构件的隔热性能越好。对比更新前后外围护界面各构件的U-wert值，可见热传导性能显著下降，说明建筑能耗也会大幅度下降。（见表2）

2.4机械通风及供暖系统

为规避自然通风带来的热量损耗，除夏季炎热自然通风外，主要采用机械送风的方式。新鲜空气通过送风口被送至每间教室，教室内设有C02浓度传感器以控制必要的进出风量。含有热量的废气从教室靠近中庭一侧墙面顶部百叶窗进入气候缓冲区，再通过热交换器回收热量后集中排出，回收的热量被用于新风预热而得到再利用。

每个房间实际对室温的要求不相同，因此在教室内采用两个供暖系统的组合应用：首先基本热量由墙面踢脚板式热水散热器提供基本热量，可将室温调节至17℃；其次通过天花板辐射提供额外的热量，迅速将室温升至所需温度以满足要求。天花板供暖系统与感应器连接，若检测到房间无人活动系统会自动关闭。

3策略协同的能耗平衡技术

3.1能耗平衡方案

由于该市的远程供热具有有利的初级能源系数（0.08～0.256），因此仍选取区域远程供热作为基本热源。初级能源系数反映了不同能源的质量优劣及转化损耗程度，该系数越低，表示能源转化标准煤的损耗越小。设计采用初级能源系数较低的能源，可降低建筑能耗计算值，从而提高能源的利用效率。

此项目能耗主要用于提供热能与电能，为满足两类能源总量而应用了多种类型的清洁能源以平衡需求，根据能耗平衡方案，区域远程供热系统不仅满足建筑采暖需求，还成为ORC低温余热发电系统的能量来源而生产部分电能。另外风能、太阳能光伏也一并生产电能。三者生产的总电量可以满足建筑使用，多余的电能则反向输入城市电网。（见图2）

3.2 ORC发电系统

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）是以低沸点有机液体为工质的朗肯循环。此项目区域供热管网的热水与设计的基础温度差较大，如全部热水直接用于建筑采暖则造成能源浪费。此项目远程供热驱动ORC发电系统的额定功率为4千瓦，区域供热管网提供800℃～100℃热水，一部分直接进入建筑采暖系统。另一部分热水进入ORC系统发电后，水温降至40℃～50℃后也汇入建筑供暖系统提供低温热水。ORC系统提高了区域远程热源的利用效率，既满足建筑物的热能和也提供了部分清洁电能。

3.3光伏与风力发电

此项目设置了725 m²的太阳能光伏电板，额定功率为138千瓦。设计中没有为光伏电板专门设置支架，被德国能源效率学校奖评委会评价为“光伏系统在建筑中完美融合而不是被简单附加。”

北立面有两个高高竖起的额定功率为3.5千瓦的ф型垂直轴风力发电机，即达里厄（Darrieus）风力发电机。其特点是可低风速启动，属于静音式，占用空间小且安全性较高，抗台风能力强，不受风向改变的影响，维护较简单，更容易形成风能发电建筑一体化。风力发电机作为鲜明的外在特征代表了清洁能源应用的理念，在建筑形象和节能教学上具有良好的示范性。

3.4能耗平衡计算

对比了改造前后的能耗数值，可发现改造后热能消耗显著下降，这是因为能源策略协同的整体性设计理念和各种措施、技术发挥了良好作用。而年总电能消耗增加的原因不仅因为新校舍的使用面积增加了，更主要是安装了带有余热回收的机械通风系统的用电消耗。综合看，年单位能耗下降了66.6%，节能效果显著，证明了更新改造的成功。（见表3）

此项目的能耗平衡计算过程是：首先，将新校舍终端能源消耗总量450MWh根据初级能源系数转化为初级能源为343.4MWh，这部分在建筑运行中要通过电能的方式平衡。其次，依据电能的初级能源系数反算新校舍为平衡上述初级能源所需要的终端能源为132MWh，即新校舍建筑的电力缺口。第三，经测算各类清洁能源技术发电总量为141.6 MWh，因可直接用于建筑使用因此被视为终端能源。可见，清洁能源发电总量不仅满足缺口（132MWh）还盈余了9.6MWh，真正实现了“正能耗学校”的更新建设目标。（见表4）

4结论

此项目采用能源策略协同的整体设计理念，通过建筑设计措施和能源平衡技术的协同应用，成功实现了“正能耗学校”的建设目标。在建成后由专业团队进行数据监测，分析能源数据并定义用户行为，根据阶段数据进行能效评估，总结更新建设经验。技术数据在专业网站进行可视化表达，吸引了大众注意力，宣传节能环保。德国教育建筑每年消耗约2000万MWh的能源，既有学校增加了地方政府的运营支出。对教育建筑进行能源更新改造，相比之下，只需较少额外投入，便可显著降低能耗，减轻运营开支。此项目的更新设计经验对推动这项工作具有显著作用，对中国教育建筑的能源更新具有重要借鉴意义。