北京亦莊X88幼兒園

本文轉(zhuǎn)自《綠色建筑》2019年第1期，作者為：北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)區(qū)基建辦公室；北京市住宅建筑設計研究院有限公司居住事業(yè)部 牛靳靳 趙銳；北京市住宅建筑設計研究院超低能耗建筑研究中心性能化設計咨詢 宋昂揚 劉郁林

北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)河西區(qū)X88地塊幼兒園新建工程項目，位于北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)內(nèi)，項目占地范圍東至四合路，西臨四海路，南臨興海一街，北至興海路。建設內(nèi)容包括：幼兒活動及輔助用房、辦公及輔助用房、生活用房及室外活動場地。

其中幼兒活動及輔助用房包括：活動室、寢室、廁所、盥洗室、衣帽儲藏間及音體活動室等；辦公及輔助用房包括辦公室、晨檢室、醫(yī)務室、隔離室、儲藏室等，生活用房包括：廚房、洗衣房等。同步實施的還包括園內(nèi)景觀綠化及活動場地等相關設施、道路工程、室外地下綜合管線等室外工程內(nèi)容。

幼兒園辦學規(guī)模為21班制（每班30人），學生總計630人，教師42人，保育員21人。本項目用地面積共約8907平方米，總建筑面積為8544.23平方米，其中地上建筑面積約7125.9平方米，地下建筑面積約1418.33平方米。超低能耗示范區(qū)域總建筑面積為7531.2平方米，包括所有地上區(qū)域和地下的樓梯間、廚房及食堂等區(qū)域。

幼兒園布局主要分為南北兩樓的幼兒用房和中間服務用房。運動區(qū)位于場地東側，場地西側為校園主入口，并在場地西北角設有后勤入口，是兩類進出幼兒園的人流車流不受干擾，同樣也便于人流的快速疏散作為主要的入口集散空間，便于人流快速的疏散。

我國建筑能耗占社會總能耗的比重逐年上升，根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的相關報告顯示，截止2016年已經(jīng)達到約三分之一的水平。因此如何降低建筑能耗，成為我國節(jié)能減排的重要課題。德國被動式超低能耗建筑標準誕生于上世紀90年代初，是世界領先的建筑節(jié)能技術體系。

2010年左右該標準被引進入我國，在其基礎上形成了我國自己的超低能耗建筑標準，并興建了一批示范項目。但我國的超低能耗建筑標準，不論是住建部還是北京市標準，對建筑的用能要求只包含供暖、空調(diào)和照明三部分。而本項目做到了對建筑能耗的全方位把控，即包括供暖、空調(diào)、照明、熱水、新風、電器設備、電梯、炊事等各方面，并通過室內(nèi)環(huán)境和能耗監(jiān)測平臺進行分類計量和用能優(yōu)化。

本項目采用產(chǎn)業(yè)化裝配式施工，將裝配式施工與超低能耗技術相結合，克服了鋼結構在氣密性和熱橋方面對圍護結構產(chǎn)生的不利影響。深入優(yōu)化圍護結構細部節(jié)點，最大限度的降低熱橋效，并保障氣密性指標滿足針對被動式建筑的檢測指標要求。

本項目采用了地源熱泵供暖供冷，太陽能熱水，光伏發(fā)電三種可再生能源技術，可以有效地減少煤、天然氣、電、水等資源的消耗，緩解能源短缺的壓力，減少CO2等污染物的排放，實現(xiàn)人、建筑與環(huán)境的友好共生。據(jù)初步計算，本項目超低能耗建筑相比現(xiàn)行公共建筑65節(jié)能標準，在運行期間可減少二氧化碳排放量290噸/年。

本項目使用三維BIM技術進行建筑設計，建筑和結構專業(yè)在三維軟件中搭建專業(yè)模型，保證建筑和結構的統(tǒng)一，同時在三維軟件中對部分節(jié)點進行優(yōu)化，借助直觀的三維模型可以清晰的表達復雜的節(jié)點部位。

圖1 建筑BIM模型

圖2 結構BIM模型

本項目按照《綠色建筑評價標準》DB11/T825-2015三星級進行建筑設計，部分模擬成果如下：

1. 室外風環(huán)境模擬

（1）夏季工況

圖3 夏季1.5m高度風速分布

圖 4 夏季1.5m高度風速流線

圖5 夏季迎風面風壓圖

圖6 夏季背風面風壓圖

（2）冬季工況

圖7 冬季1.5m高度風速分布

圖 8 冬季1.5m高度風速流線

圖9 冬季1.5m高度風速放大系數(shù)分布

圖10 冬季迎風面壓力圖

圖11 冬季背風面壓力圖

（3）過渡季節(jié)工況

圖12 過渡季節(jié)1.5m高度風速分布

圖13 過渡季節(jié)1.5m高度風速分布矢量圖

圖14 過渡季節(jié)迎風面風壓圖

圖15 過渡季節(jié)背風面風壓圖圖

2. 綠色建筑室內(nèi)光環(huán)境與視野綜合計算分析

圖16 普通層-2采光系數(shù)分布圖

圖17 普通層-2采光系數(shù)分布圖（內(nèi)區(qū)）

圖18 普通層-3采光系數(shù)分布圖

圖19 普通層-3采光系數(shù)分布圖（內(nèi)區(qū)）

3. 室內(nèi)自然通風模擬分析

（1）流場

圖20 距一層樓面1.2 m高度流場分布

圖21 距二層樓面1.2 m高度流場分布

圖22 距三層樓面1.2 m高度流場分布

圖中可見：該層樓內(nèi)主要由東側和南側風口進入室內(nèi)，從其他側風口流出室外，進風口附近區(qū)域的氣流相對較強，室內(nèi)大部分區(qū)域的氣流分布較為均勻，室內(nèi)整體通風效果較好。

（2）風速

圖23 距一層樓面1.2 m高度風速分布

圖24 距二層樓面1.2 m高度風速分布

圖25 距三層樓面1.2 m高度風速分布

圖中可見：東側和南側進風口附近區(qū)域的風速相對較大，約在2.5m/s之間，室內(nèi)其他大部分區(qū)域的風速相對較小，基本在1.4m/s以下。

建筑室內(nèi)人體活動區(qū)域的風速在1.8 m/s以內(nèi)，同時可以通過控制外窗的開啟狀態(tài)來調(diào)節(jié)室內(nèi)風速，滿足非空調(diào)情況下室內(nèi)舒適風速要求。

（3）空氣齡

圖26 距一層樓面1.2 m高度空氣齡分布

圖27 距二層樓面1.2 m高度空氣齡分布

圖28 距三層樓面1.2 m高度空氣齡分布

圖中可見：除第一層部分區(qū)域的空氣齡相對較大，超過1800s左右，其他區(qū)域的空氣齡相對較小，基本在300s以下，整體通風效果較好。

本項目各空間區(qū)域兩側風口位置呈對稱分布，有利于室內(nèi)自然通風。

在過渡季主導風向平均風速邊界條件下本項目的人體活動區(qū)域風速均在1.6m/s以下，同時可通過控制外窗開啟來調(diào)節(jié)室內(nèi)風速，滿足非空調(diào)情況下室內(nèi)舒適風速要求。

在過渡季主導風向平均風速邊界條件下本項目的主要功能空間的換氣效率均在2 次/h以上，滿足在自然通風條件下保證主要功能房間換氣次數(shù)不低于2 次/h的要求。

在方案設計階段利用designPH軟件建模，對透過各立面的外窗和玻璃幕墻的陽光得熱量進行模擬分析，優(yōu)化外窗和玻璃幕墻的面積及其性能參數(shù)，減少了位于不利朝向的外窗面積，并確定外遮陽的具體使用位置。

圖29 X88幼兒園designPH模型

外墻地上部分采用加氣混凝土砌塊，外貼憎水巖棉保溫板，由于本項目屬于教育建筑，外墻保溫統(tǒng)一設計為燃燒性能為A1級的巖棉帶，飾面為干掛增強纖維水泥板。內(nèi)隔墻為加氣混凝土砌塊。外墻地下部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體。外墻構造做法（從內(nèi)到外）：內(nèi)抹灰15mm，加氣混凝土砌塊200mm，外保溫巖棉板300mm，錨栓，玻纖網(wǎng)，外抹灰20mm，增強纖維水泥板。

外墻氣密性處理措施：外墻面氣密性由15mm內(nèi)抹灰保障。鋼結構部件與樓板和墻面之間的縫隙用氣密膠帶進行封堵。設備管道穿外墻處預留套管以氣密膠帶進行封堵。外遮陽穿外墻線管內(nèi)部打膠，并以氣密膠帶進行封堵。外墻斷熱橋措施：外保溫固定采用斷熱橋錨栓；巖棉托架采用不銹鋼材質(zhì)（導熱系數(shù)比鋁材顯著降低）；飾面干掛板的連接件做斷橋處理。

表1 外墻性能參數(shù)表

屋面為正置式屋面，由下至上的各層結構及厚度：內(nèi)抹灰15mm，現(xiàn)澆混凝土樓板120mm，防水隔汽層，屋面保溫擠塑板400mm，雙層SBS防水卷材，細石混凝土50mm。斷熱橋措施：女兒墻采用底部挖空的構造，以降低其產(chǎn)生的線性熱橋，且內(nèi)側和頂部分別包裹有100mm厚擠塑板和巖棉板；出屋面排氣管都包有200mm厚擠塑板；屋頂太陽能集熱器基礎不在屋頂結構層生根，不破壞屋頂保溫層。

表2 屋面性能參數(shù)表

首層與地下層相鄰的樓板下側粘貼有150mm厚巖棉板；首層地面的結構板之下鋪設150mm厚擠塑板；地下層采暖房間與非采暖房間之間的隔墻外側粘貼有150mm厚巖棉板。斷熱橋措施：保溫固定采用斷熱橋錨栓。保溫被內(nèi)墻斷開處，以100mm厚巖棉板沿內(nèi)墻兩側向下延伸一米。保溫與外墻交接處，以100mm厚巖棉板沿外墻內(nèi)側向下延伸一米。

表3 首層樓板性能參數(shù)表

外窗的窗框型材采用鋁包木型材，整窗傳熱系數(shù)Uw值不高于0.8W/m2K。玻璃的構造采用三玻兩腔low-e充惰性氣體暖邊玻璃，具體參數(shù)要求為玻璃傳熱系數(shù)Ug值不高于0.7W/m2K，玻璃太陽得熱系數(shù)g值等于0.45，玻璃的可見光透射比τvis不低于0.5。

外門窗應有良好的氣密、水密及抗風壓性能。依據(jù)國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T 7106，其氣密性等級不應低于8級、水密性等級不應低于6級。開啟扇開啟方式為內(nèi)平開內(nèi)倒開啟。選用氣密性等級高的外門窗，外窗框與窗扇間宜采用3道耐久性良好的密封材料密封，每個開啟扇至少設兩個鎖點。

外窗安裝方式應采用窗框內(nèi)表面與結構外表面齊平的外掛安裝方式，以減小安裝熱橋的不利影響。外窗安裝時必須嚴格進行氣密性處理，內(nèi)側應使用防水隔汽膜，外側使用防水透汽膜進行密封處理。安裝時使用的角鋼和木墊塊也應在外側使用防水透汽膜進行密封處理。

外門傳熱系數(shù)Ud值不得高于1.2W/m2K。外門窗應有良好的氣密、水密及抗風壓性能。依據(jù)國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T 7106，其氣密性等級不應低于8級、水密性等級不應低于6級。由于外門人流量較大，外門建議采用低檻門的形式。同時其氣密性能必須能夠滿足上述要求。

表4 外窗性能參數(shù)表

外門安裝方式應采用門框內(nèi)表面與結構外表面齊平的外掛安裝方式，以減小安裝熱橋的不利影響。外門安裝時必須嚴格進行氣密性處理，內(nèi)側應使用防水隔汽膜，外側使用防水透汽膜進行密封處理。安裝時使用的角鋼和木墊塊也應在外側使用防水透汽膜進行密封處理。

圖30 外窗及遮陽大樣圖

首層各入口全部設置門斗，有保溫隔熱的作用，防止在打開外門時冷(或熱)空氣直接侵入室內(nèi)，利于空調(diào)節(jié)能。地下層采暖房間和非采暖房間之間的門首先應保障氣密性能，依據(jù)國家標準《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》GB/T 7106，其氣密性等級不應低于8級。門安裝時必須嚴格進行氣密性處理，其次應有一定的保溫性能，傳熱系數(shù)Ud值不得高于1.5W/m2K。

本項目所有的東、西、南向外窗都配備有電動外遮陽設備。由于建筑朝向近乎正南北向，北向外窗夏季受到的陽光輻射小，無須配備遮陽設施。外遮陽設備的形式為金屬百葉簾，電動控制，手動操作，無感光自動控制。外遮陽以角鋼固定于基墻上。

集中式新風系統(tǒng)分層設置于南北樓的機房里，中間部分和位于地下層餐廳的新風主機則設置于吊頂中。新風量按照30m3/（h*p）設計。新風系統(tǒng)采用全熱回收裝置，顯熱回收效率不低于75%，全回收效率不小于70%。送風溫度在室外空氣溫度為-10攝氏度時，不小于16.5攝氏度。設置微靜電高效空氣凈化器，PM2.5過濾效率不低于97%。新風的送風管均設置消聲裝置，以削弱風扇噪聲對兒童活動室的影響。

新風系統(tǒng)送回風組織方式為：兒童活動室、辦公室等功能房間只送風不設回風，衛(wèi)生間、走廊只回風不設送風。新風送入功能房間，通過門縫進入過渡區(qū)，最后從衛(wèi)生間或走廊由新風系統(tǒng)統(tǒng)一排走。超低能耗區(qū)域的衛(wèi)生間不設單獨排風扇，排風豎井取消。

新風設備選用帶有旁通功能的全熱交換機，以降低在過渡季節(jié)機械通風的電耗。位于室內(nèi)的新風取風管和排風管都應有足夠的保溫，使用橡塑材料保證100mm厚。

表5 新風系統(tǒng)性能參數(shù)表

本項目采用土壤源熱泵機組作為冷熱源，冬季供熱，夏季供冷。夏季空調(diào)采用風機盤管+新風系統(tǒng)；冬季采暖使用低溫地板輻射+風機盤管+新風系統(tǒng)。冬季采用低溫地板輻射供暖，經(jīng)過熱泵機組厚的冬季采暖供回水溫度為45/35攝氏度。供暖系統(tǒng)為變流量系統(tǒng)，非采暖季需滿水保養(yǎng)。設置供熱量自動控制裝置。循環(huán)水泵的耗電熱比值和設置供熱量控制裝置，應符合《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2015）的要求。

本項目采暖設計熱指標為29.2W/m2,供回水溫度為45/35攝氏度，采暖負荷約240kW。空調(diào)設計冷指標為43W/m2，夏季冷負荷約354kW。

地源熱泵系統(tǒng)的夏季制冷性能系數(shù)COP經(jīng)廠家確認后為5.52?！豆步ㄖ?jié)能設計標準》（GB50189-2015）4.2.10條規(guī)定水冷變頻螺桿式機組的性能系數(shù)COP不應低于表4.2.10中數(shù)值的0.95倍。經(jīng)查，表4.2.10中螺桿式機組在名義制冷量小于等于528kW時（本項目冷負荷約354kW），性能系數(shù)COP在寒冷地區(qū)為4.7，其0.95倍為4.465。滿足超低能耗指標要求的性能系數(shù)應比4.465提高10%以上，即4.9115。因此本項目地源熱泵系統(tǒng)滿足超低能耗要求。

根據(jù)《北京市太陽能熱水系統(tǒng)城鎮(zhèn)建筑應用管理辦法》，本工程為廚房和淋浴等需要熱水的區(qū)域設置集中太陽能熱水系統(tǒng)，提供生活熱水，熱水供水溫度60攝氏度。太陽能集熱器選用玻璃真空管型集熱器，布置于建筑屋面。太陽光熱經(jīng)集熱管內(nèi)介質(zhì)傳送至單體建筑換熱機房內(nèi)半容積式換熱器，與冷水進行熱交換，從而制備生活熱水。

太陽能熱水系統(tǒng)的輔助熱源為商用冷凝容積式燃氣熱水爐，其運行可根據(jù)時間和溫度自動調(diào)節(jié)，以保證熱水使用溫度。生活熱水系統(tǒng)的水質(zhì)要求同生活給水系統(tǒng)，太陽能熱水系統(tǒng)工程需同時設計，同時施工，同時使用。熱水供水管道系統(tǒng)應設置必要的安全設施。

本工程的照明功率密度設計遵循《托兒所、幼兒園建筑設計規(guī)范》JGJ39-2016中關于照明功率密度和照度的要求。室內(nèi)照明要求使用LED燈，電燈的發(fā)光效率不應低于100 lm/W。并有以下自然采光措施：建筑本體朝向符合本地區(qū)最佳采光朝向，滿足規(guī)范及節(jié)能指標要求的前提下盡量采用較大面積外窗，提高玻璃的可見光透射比。

電梯采用具有節(jié)能拖動及節(jié)能控制方式的產(chǎn)品，且電梯應具有休眠功能。水泵、風機等采用高效節(jié)能產(chǎn)品，并采用變頻控制等節(jié)電措施。

能耗監(jiān)測方面包括對建筑內(nèi)分功能如照明、空調(diào)、插座、動力等進行電量監(jiān)測，在各層配電箱內(nèi)安裝智能電表；于不同功能回路安裝智能電表，進行功能監(jiān)測；總共預計88臺智能電表。對分區(qū)內(nèi)的耗電量進行實時監(jiān)測、記錄整個建筑的能耗情況，也可以分別監(jiān)測、記錄三個區(qū)域各樓層能耗情況。同時，可以監(jiān)測、記錄不同區(qū)域內(nèi)冷熱源等用電設備的能耗情況。

舒適性監(jiān)測方面包括對建筑內(nèi)各房間的環(huán)境指標（溫度、濕度、PM2.5、CO2）進行監(jiān)測，預計安裝66套環(huán)境探測器。對各個房間進行溫度、相對濕度、PM2.5濃度、CO2濃度環(huán)境的監(jiān)測，從而實時掌握超低能耗建筑內(nèi)部的環(huán)境指數(shù)，同時可以引導管理人員對空調(diào)系統(tǒng)進行開關和溫度設定等動作，或引導開關窗進行通風等行為。

表6 采暖制冷設備性能參數(shù)表

經(jīng)過綜合計算得到設計建筑和參照建筑的供暖需求、供冷需求以及一次能耗計算結果見表7：

表7 供暖需求、供冷需求以及一次能耗計算結果

本項目超低能耗設計標準與《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2015）的一次能耗相比下降了66.4%，從而能夠滿足示范項目不少于60%的要求。本項目設計建筑的相對節(jié)能率達到88.2%。本項目超低能耗標準相比現(xiàn)行公共建筑65節(jié)能標準，在運行期間每年節(jié)約一次能源684000kWh，相當于減少碳排放290噸，不僅每年減少電力消耗約100000kWh，并且徹底避免了市政熱力的使用。

圖31 單位面積一次能源消耗量對比

圖32 單位面積終端能源消耗量對比

X88幼兒園作為北京地區(qū)第一個教育類被動房試點建設項目，得到了包括經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)建設局在內(nèi)的多個政府部門的大力支持，也得到了包括從項目決策階段、建筑設計階段、施工建造階段等各環(huán)節(jié)相關方的全力配合，得以向社會呈現(xiàn)了一個標桿性的教育類示范項目。

展望未來，低耗、高效、經(jīng)濟、環(huán)保、集成與優(yōu)化，是人與自然、現(xiàn)在與未來之間的利益共享，是可持續(xù)發(fā)展的建設手段。本項目的順利建成，為以后北京地區(qū)，乃至華北地區(qū)，甚至全國地區(qū)的教育類被動房項目提供了寶貴的項目經(jīng)驗，也為我國節(jié)能減排的政策目標的實施，提供了實際落地的可能性。