某幼兒園超低能耗建筑設(shè)計(jì)探討

徐涵，毛洪山，楊劍峰

（1.江蘇龍騰工程設(shè)計(jì)股份有限公司；2.南京市新型建筑工業(yè)化工程研究中心）

1 引言

2018年，我國(guó)建筑全生命周期碳排放總量是49.3億tCO2，占全國(guó)能源總碳排放量的50%以上，并且還在呈上升趨勢(shì)[1]，因此，在國(guó)家“雙碳”政策的背景下，建筑行業(yè)發(fā)展低碳化、甚至零碳化的技術(shù)路線將成為未來(lái)的趨勢(shì)。本文以某超低能耗幼兒園建筑為案例，對(duì)該建筑的設(shè)計(jì)內(nèi)容和建筑能耗進(jìn)行了詳細(xì)分析探討。

2 工程概況

此幼兒園建筑地上三層，高12.6m。規(guī)劃建設(shè)用地面積約33880.66m2，總建筑面積116914.69m2，其中，地上79230.45m2，地下37684.24m2，總建筑密度30%，綜合容積率2.3，綠地率35%。停車位包括968輛機(jī)動(dòng)車和3084輛非機(jī)動(dòng)車，總戶數(shù)為1266人。

3 超低能耗建筑指標(biāo)

超低能耗建筑對(duì)能耗的要求是通過(guò)被動(dòng)式技術(shù)手段，大幅降低建筑供暖、制冷、照明、生活熱水以及電梯能耗需求，通過(guò)主動(dòng)技術(shù)提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，其建筑綜合能耗應(yīng)較《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015降低50%以上，建筑本體能耗降低20%以上，并充分利用可再生能源。

該幼兒園建筑以《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51350-2019、《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189-2015、《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 346-2014等綠色建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 超低能耗建筑技術(shù)措施

4.1 建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)

首先，對(duì)建筑布局與形體進(jìn)行了優(yōu)化，建筑位于東湄濱水公園、未來(lái)綠谷與潭頭山體育公園之間，四面都是綠色植被，有利于夏季自然通風(fēng)。同時(shí)，優(yōu)化了各立面窗墻比，同時(shí)利用可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)，協(xié)調(diào)自然通風(fēng)、采光與夏季遮陽(yáng)之間的矛盾，使建筑體形系數(shù)為0.27。

其次，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行了優(yōu)化，屋面保溫層采用130mm擠塑聚苯乙烯泡沫板（XPS）（導(dǎo)熱系數(shù)0.030W/(m2?K)，燃燒性能B1級(jí)），屋面平均傳熱系數(shù)為0.25W/（m2?K)）；外墻保溫采用兩種方案，方案一是采用外墻外保溫薄抹灰系統(tǒng)，保溫材料為80mm熱固復(fù)合板外保溫（導(dǎo)熱系數(shù)0.05，燃燒性能A級(jí)）和25mm保溫砂漿內(nèi)保溫，外墻平均傳熱系數(shù)為0.40W/（m2?K）。方案二是采用無(wú)機(jī)輕集料保溫板內(nèi)外復(fù)合保溫系統(tǒng)，保溫材料為55mm珠光砂保溫板外保溫（導(dǎo)熱系數(shù)0.05，燃燒性能A級(jí)）和25mm珠光砂保溫板內(nèi)保溫，外墻平均傳熱系數(shù)為0.40W/（m2?K）；窗選用高性能外窗，其中玻璃采用g值為0.53的玻璃，可見(jiàn)光透射比為0.60，傳熱系數(shù)為1.4W/（m2?K)），外窗氣密性等級(jí)達(dá)到8級(jí)。入戶門選用高性能外門，傳熱系數(shù)為1.4W/（m2?K），外門氣密性等級(jí)達(dá)到8級(jí)；考慮夏熱冬冷地區(qū)夏季遮陽(yáng)、冬季得熱、春秋季自然通風(fēng)及自然采光需求，采用智能調(diào)節(jié)的中置遮陽(yáng)系統(tǒng)。東西南北向外窗均采用中置遮陽(yáng)，實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)。

最后，關(guān)于熱橋處理和氣密性優(yōu)化，外窗洞口采用耐久密封材料密封與結(jié)構(gòu)墻之間的縫隙，室內(nèi)和室外側(cè)分別設(shè)置防水隔汽膜和防水透氣膜，外窗與墻體連接處，采用發(fā)泡劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)縫填充；屋面保溫層與外墻保溫層連續(xù)，室外側(cè)設(shè)置防水層、內(nèi)側(cè)設(shè)置隔汽層。屋面女兒墻部位采用保溫全包裹，屋面采用防潮隔汽層和防水層，延伸至女兒墻。天溝擬采用金屬成品組裝；對(duì)出屋面立管部位，在排氣管外側(cè)和墻體外側(cè)及頂部均包裹40mm硅墨烯保溫層。風(fēng)帽底座與反梁之間鋪設(shè)有隔熱墊塊，隔熱墊塊通過(guò)斷熱橋錨栓與墻體連接。墻體內(nèi)側(cè)的排氣管道鋪設(shè)防水隔汽膜，鋪設(shè)長(zhǎng)度不小于40mm，起到防水效果。

4.2 建筑主動(dòng)式能源設(shè)計(jì)

冷熱源采用土壤源熱泵系統(tǒng)，夏季制冷COPc=5.0，供回水溫度6/12℃，冬季制熱COPh=4.6，供回水溫度45/39℃。新風(fēng)機(jī)組全熱交換效率≥70%，空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)單位風(fēng)量耗功率Ws≤0.24W/(m3·h)，PM2.5凈化效率達(dá)95%以上，每層送風(fēng)管主管設(shè)置消毒裝置，風(fēng)管設(shè)置清洗、消毒的可開(kāi)閉窗口。由于衛(wèi)生間數(shù)量較多，所需新風(fēng)量較大，若不做熱回收處理，將導(dǎo)致建筑能耗增加。衛(wèi)生間做負(fù)壓處理，新風(fēng)量為排風(fēng)量的75%，以保證衛(wèi)生間污濁空氣不外溢至過(guò)道、教學(xué)區(qū)等房間，設(shè)備24h運(yùn)行?；顒?dòng)室、辦公室等房間做正壓處理，新風(fēng)量為排風(fēng)量的120%，以保證室內(nèi)處于微正壓。

生活熱水采用空氣源熱泵系統(tǒng)，具有超大水量、經(jīng)濟(jì)、適用范圍廣、持久恒溫、安全環(huán)保、噪音小、可供多人使用的特點(diǎn)。

照明采用LED高效照明燈具，照明功率密度達(dá)到《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034照明功率密度目標(biāo)值的70%以下，走廊、樓梯間采用感應(yīng)照明控制技術(shù)，具有智能照明控制功能；電梯采用群控，當(dāng)電梯無(wú)外部召喚時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉轎廂照明及風(fēng)扇，并停止。

建筑智能控制包括兩個(gè)部分。①建筑室內(nèi)環(huán)境和能耗監(jiān)測(cè)：分層、分朝向監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境（主要空間設(shè)置溫濕度、CO2濃度等傳感器），數(shù)據(jù)傳至空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)。屋頂設(shè)有室外溫濕度和太陽(yáng)輻照度傳感器，參數(shù)也用于調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)系統(tǒng)。對(duì)用能系統(tǒng)進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，其中對(duì)電梯能耗進(jìn)行單獨(dú)計(jì)量，并且對(duì)供暖空調(diào)、照明配線設(shè)置計(jì)量電表、用于后期的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析。同時(shí)單獨(dú)設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)電量表收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。②建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)：采用全網(wǎng)絡(luò)（TCP/IP）型分布式架構(gòu)，控制范圍包括地源熱泵、風(fēng)機(jī)盤管、空氣源熱泵熱水機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、電梯、燈光控制、泛光照明、自動(dòng)外遮陽(yáng)等。

光伏發(fā)電系統(tǒng)采用分散式屋頂光伏，以花與亭為啟發(fā)，形成標(biāo)準(zhǔn)化的光伏遮陽(yáng)建筑小品。根據(jù)建筑立面和屋頂?shù)奶?yáng)輻射分布分析，優(yōu)化光伏板布置的位置。經(jīng)過(guò)PKPM模擬，建筑用能需求為20.02kWh（/m2?a），包括供暖空調(diào)、照明、電梯、生活熱水等功能；而光伏發(fā)電系統(tǒng)可再生能源發(fā)電量為262.69kWh（/m2?a）。

4.3 建筑能耗模擬

采用PKPM綠建節(jié)能軟件進(jìn)行能耗模擬，主要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)建筑的單位建筑面積熱負(fù)荷累計(jì)值和單位建筑面積冷負(fù)荷累計(jì)值與基準(zhǔn)建筑相比減少了32.05%和68.00%（見(jiàn)表2）。建筑能耗和可再生能源產(chǎn)量見(jiàn)表3。建筑綜合節(jié)能率和建筑本體節(jié)能率分別為51.44%和40.65%，滿足《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)超低能耗建筑的要求（建筑綜合節(jié)能率不小于50%；建筑本體節(jié)能率不小于20%）。

表1 主要參數(shù)設(shè)置

表2 單位建筑面積熱/冷負(fù)荷累計(jì)值與基準(zhǔn)建筑相比

表3 建筑能耗和可再生能源產(chǎn)量

續(xù)表

4.4 增量成本分析

增量成本是指某一特定決策方案（能給將來(lái)帶來(lái)增量利潤(rùn)的方案）引起的全部成本變化。與沉沒(méi)成本相對(duì)應(yīng)，沉沒(méi)成本指已經(jīng)付出且不可收回的成本。在對(duì)某擬建項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)時(shí)，必須從經(jīng)濟(jì)角度鑒別哪些是屬于該項(xiàng)目的增量成本，然后衡量其數(shù)額，從而確定擬建項(xiàng)目的成本總額。該幼兒園建筑的增量成本見(jiàn)表4，總技術(shù)增量為1500元/m2。

表4 建筑增量成本

5 結(jié)語(yǔ)

該幼兒園超低能耗建筑通過(guò)主動(dòng)式與被動(dòng)式技術(shù)結(jié)合，大幅度降低建筑能耗，建筑綜合節(jié)能率和建筑本體節(jié)能率分別為51.44%和40.65%，滿足《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)超低能耗建筑的節(jié)能率要求。另外，采用分散式屋頂光伏充分利用可再生能源，使建筑達(dá)到超低能耗建筑指標(biāo)，為推進(jìn)建筑領(lǐng)域碳減排、協(xié)同推動(dòng)能耗強(qiáng)度和碳排放強(qiáng)度下降貢獻(xiàn)一份力量，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。