超低能耗小型公共建筑研究——以北京某幼儿园为例

文/中国建筑设计研究院有限公司 周瑞雪 李 梅

1 我国超低能耗建筑现状与发展趋势

我国引入超低能耗建筑已有10余年，通过相关技术应用，使建筑从单纯的能源消耗者变为能源需求的控制者。2010—2021年，我国超低能耗建筑领域实现从政策、技术、产品、管理到工程项目的全方位发展。在发展过程中同样存在一些问题，如传统设计模式难以转变；高能效产品规范化程度不足，系统化水平不高；囿于工人专业素质、施工成本和工期限制，精细化施工尚有难度等。随着越来越多工程项目落地，技术路线逐步明朗，政策和标准逐步完善，市场上适用材料与设备国产化快速发展，全行业及用户市场认知度不断加深，我国正在以中国效率、市场规模及技术创新，成为建筑领域变革的领军者。

2 超低能耗小型公共建筑特征及问题

超低能耗技术的基本要求是“采暖能耗来自于自身”，遵循“五指”原则：①高性能的外围护系统；②低能耗的外窗系统；③无热桥的细部构造；④完整的气密性；⑤高效的热回收新风系统。

公共建筑类型多样，但目前广泛应用的超低能耗技术仅适用于功能稳定的建筑。随着项目落地，问题也逐渐呈现：小型公共建筑体量小，空间灵活，与超低能耗要求的体形控制易产生矛盾；严寒和寒冷地区的小型公共建筑在利用日照、控制得热的布局方面往往被忽略；公共建筑的复杂造型对空间布局、装饰构件和幕墙构造要求较高；为达到低能耗指标采用高品质部品、构件，但施工过程中不重视防水、气密性等细节处理导致实施效果不佳；选用的设备系统未重视地域气候特点，新风与热回收难以高效整合。

3 超低能耗幼儿园设计实践

从近年相关工程实践可看出，我国90%的超低能耗项目位于寒冷地区，以居住建筑为主。截至2020年，全国共发布超低能耗技术、居住和公共建筑类导则/标准9项，居住建筑类导则/标准13项，公共建筑类导则/标准仅1项。选择幼儿园类建筑研究超低能耗技术是由于其既具有小型公共建筑的特点，又作为以供暖能耗为主的居住建筑节能类型出现。基于北京大兴区黄村镇兴华大街幼儿园项目，试探性地将超低能耗居住建筑技术推广至小型公共建筑，进而使相关公共建筑技术得到更好的发展。

3.1 工程概况

北京大兴区黄村镇兴华大街幼儿园项目所处气候分区属于寒冷B区，主要功能是12班幼儿园，建筑面积4097m2，儿童人数为360人，教职工人数为60人，如图1所示。该项目采用超低能耗技术进行设计，建筑能耗指标：年供暖需求为18.64kW·h/m2，年供冷需求29.62kW·h/m2，年供暖、供冷和照明一次能源消耗量62.44kW·h/m2，相对节能率61.35%，换气次数N50≤0.6。

图1 北京大兴区黄村镇兴华大街幼儿园项目效果

3.2 超低能耗技术应用

3.2.1 规划及单体

结合北京地区气候特征，建筑应充分利用日照，为提高冬季南向房间得热，降低夏季东、西房间得热，建筑物宜为南北向布置。平面避免过度凹凸，布局紧凑，保持较小体形系数。窗墙比应经过性能化设计，既要考虑冬季得热，又要考虑夏季隔热、通风和过渡季的通风需求。

3.2.2 外保温与遮阳系统

1）围护结构的保温应连续完整，充分考虑可靠性和耐久性。由于公共建筑往往大面积采用幕墙系统，外保温还应重视防火要求。屋面保温材料应具备较低吸水率和较好的抗压性能。当无地下室或设有非保温地下室时，首层地面应进行保温处理。该项目为钢筋混凝土框架结构，局部采用幕墙，保温材料与幕墙龙骨结合紧密。通过计算框架部分的能耗损失，确定相关构造以避免冷桥。屋面构造大幅降低施工破坏保温系统的几率，模塑聚苯板容重≥30kg/m3，抗压强度≥200kPa。雨水管等管道出外墙洞口处用岩棉填实。该项目关键部品材料做法及设计参数如表1所示，屋面节点构造如图2所示。

图2 屋面节点构造

表1 关键部品材料做法及设计参数

2）遮阳主要考虑夏季空调能耗。幼儿活动空间的外窗处设深远的窗套作为固定遮阳，同时在南侧和东侧的主要空间外设可活动外遮阳。窗套、卷帘与墙体之间的固定件增设隔热垫片避免点热桥。当采用主体出挑结构作为固定遮阳时，也可将保温材料完全包覆遮阳构件以阻止结构性热桥，如图3所示。

图3 外遮阳构造

3.2.3 外门窗系统

传热系数应在0.8～1.0W/（m2·K）；根据北京地区气候条件，以冬季得热为主，控制玻璃太阳得热系数（SHGC）；外门窗应有良好的气密性、水密性和抗风压性能。整体配置综合考虑框料型材、玻璃层数、Low-e膜层、真空层、惰性气体、暖边间隔条、密封构造等措施。

3.2.4 断热桥处理

外墙采用双层保温时，应错缝黏结避免通缝；保温层应采用断热桥锚栓固定；避免在外墙上固定导轨、龙骨、支架等热桥部件；与外墙主体的导热连接件应采用隔热垫块等措施。

屋面保温层应与外墙保温层连续，不得出现结构性热桥；屋面保温层靠近室外一侧应设置防水层，防水层延续到女儿墙顶部盖板内；在屋面结构层保温层下设置隔汽层。

地下室外墙外侧保温层应与地上部分保温层连续，并应采用吸水率低的保温材料；外墙外侧保温层应延伸到地下冻土层以下。

该项目外围护上的固定件与墙体间采用10mm厚高强度聚氨酯垫片；幕墙龙骨穿出保温层的最外沿采用预压膨胀密封带密封；龙骨和固定件避免体量过大，在排布时除考虑结构安全外，还应最大程度减小龙骨和固定点数量。涂料部分墙面采用岩棉板满铺，第1层岩棉随铺随抹灰作为保护层；由于岩棉厚度较大，采用断热桥长锚栓。涂料和饰面砂浆具有良好的透气性。

3.2.5 气密性

气密区连续并包围整个超低能耗区域，选用气密外门窗，选择适用的气密性材料进行节点处理，如气密性薄膜、专用膨胀密封条、气性处理涂料等材料。密实的混凝土墙体无需进行气密性处理，砌块墙体可采用抹灰处理作为气密层。对门洞、窗洞、电气接线盒、管线贯穿处等易发生气密性问题的节点进行处理。

3.2.6 高效新风与热回收系统

新风热回收装置应配备空气净化功能，减小雾霾天气对室内空气质量的影响。新风热回收配置初效、中效平板电子除尘杀菌装置，净化达到要求。新风系统不得产生氮氧化物、臭氧等有害物质，满足GB/T 14295—2019《空气过滤器》的要求。与室外连通的风管上均应设置保温密闭型电动风阀，并应与对应系统联动。卫生间不宜设独立排风道，宜结合新风系统设置。当卫生间必须设置独立排风道时，宜设置启停装置，避免长期运行导致不必要的能源流失。

该项目的活动室、办公室人均新风量按30m3/h设计，选择屋顶式热回收新风机组，为活动区域提供新风。新风机组选用转轮热回收新风机组，热回收效率不低于70%。教室、活动室等人员密集场所设置CO2传感器，联动新风机组变频。为缓解室外PM2.5以下颗粒物对室内空气质量的影响，新风机组均配设初效、中效平板式电子除尘净化杀菌装置，其净化级别应达到F8，臭氧发生浓度应满足《空气过滤器》要求。

3.2.7 冷热源系统

本项目冷热源采用低温空气源热泵机组提供空调冷热水，机组放置于屋顶，夏季空调供回水温度为7～12℃，冬季空调供回水温度为35～45℃。空调水系统为变流量系统，空调系统冷热水均由屋顶空气源热泵机组提供，通过自动转换实现夏季送冷水、冬季送热水。

3.3 技术难点

1）屋面保温系统易在施工过程中积水产生破坏。利用小型公共建筑屋面纵深较小的特点，采用细石混凝土作为找坡层，可有效防止雨水进入保温层。

2）由于幼儿活动要求，外窗采用高窗，开启形式为内开内倒。根据相关功能特点，还可选择推拉门窗以满足超低能耗要求，但目前市面上的被动式外窗较重，幼儿园的外窗仍有待轻量化提升。

3）厨房作为新风热回收系统的难点，同时囿于二次设计、部品采购等限制，往往成为气密性不稳定的环节，可将其设在气密区外。

4）外门窗与主体结构关联的位置是薄弱环节。窗框应尽量与洞口大小一致。框下口设通长隔热垫块或防腐木做支撑，防水透气膜一端贴在型材上包裹隔热垫块，而后粘贴到主体结构上。室外金属窗台板下外保温抹面层（抹面灰浆+双层玻纤网）应包裹保温层顶面，如图4所示。

图4 外窗节点构造

5）无地下室的建筑地面做法为下设挤塑聚苯板，在外墙与地面接触处应将保温向地下延伸一段包围基础；在外门与地坪接触的位置设置聚氨酯垫枕避免热应力集中，同时采用通长金属盖板避免雨水浸泡保温材料；防水材料密闭成环，如图5所示。

图5 外门框节点构造

该项目能耗指标计算结果如下：热负荷21.24W/m2，冷负荷37.42W/m2。采暖期热需求为18.64kW·h/m2，制冷期冷需求为29.62kW·h/m2。该项目节能率可达60%以上换气次数N50≤0.6。

超低能耗小型公共建筑要充分考虑后期的使用和运维，兼顾室内环境数据采集的需要。值得一提的是应避免过度使用产品与技术，超低能耗建筑是以能耗指标结果为评判标准，在达到同样结果的前提下，所用技术越少越好，越适用越好。

4 结语

超低能耗建筑以能耗控制为目标，采用被动式策略降低建筑冷热需求，为人们提供舒适和节能的生活环境。小型公共建筑广泛存在于我国工程建设中，尤其在严寒和寒冷地区，公共建筑为满足使用舒适性的能耗远高于其他区域，研究其超低能耗技术有典型意义。幼儿园作为小型公共建筑的代表，为公共建筑的节能技术提供新的视野。结合实际工程，总结工程实践中发现的问题，通过设定目标、制定策略、技术解决、难点分析，以期为小型公共建筑实现绿色、健康、节能发展提供参考。