X88 幼兒園的性能化設計與運維

果海鳳 劉郁林 王英琦 李瑞雪 白羽

北京市住宅建筑設計研究院有限公司

0 引言

借鑒德國被動房節(jié)能設計標準，我國超低能耗建筑技術標準逐漸形成，并興建了一批前瞻性的示范項目。X88 幼兒園作為北京第一例投入使用、規(guī)模最大的超低能耗幼兒園，同時又是采用鋼結構裝配式建造技術建造的被動式幼兒園，具有典型的示范意義。X88 幼兒園采用鋼結構裝配式施工工藝，將裝配式施工與超低能耗技術相結合，克服了鋼結構體系建筑在氣密性和熱橋方面對圍護結構產(chǎn)生的不利影響。通過被動式圍護結構的性能化設計和深入優(yōu)化圍護結構細部節(jié)點，最大限度的降低熱橋影響，并保障氣密性指標滿足被動房的要求。已經(jīng)獲得了德國被動房研究所認證及北京市超低能耗建筑示范工程的稱號。

與普通幼兒園運維及使用模式不同，被動式幼兒園在運維初期也出現(xiàn)了一些不可預期的問題，比如耗電量高、室內溫度過熱等。為了驗證被動式幼兒園的舒適性和節(jié)能性，減少運營費用，又能增加室內舒適度，對幼兒園運營前幾個月的舒適性和耗電量進行了記錄和研究分析，驗證了被動房的節(jié)能性，為中國被動房事業(yè)提供了“第一個運營的被動式幼兒園”的具有極大參考價值的實踐經(jīng)驗。

1 項目概況

X88 幼兒園（圖1）位于北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)內，由北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)管委會投資建設。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 m2，總建筑面積為8537.03 m2。地下一層，地上三層。被動房區(qū)域總建筑面積7531.2 m2，TFA 建筑面積5834.5 m2。包括所有地上區(qū)域和地下的樓梯間、廚房以及食堂等區(qū)域。

圖1 X88 幼兒園實景圖

幼兒園布局主要分為三個區(qū)，南區(qū)和北區(qū)為教室，中區(qū)為多功能教室和聯(lián)系南北區(qū)的環(huán)形走廊。其中，北側教學樓（建筑分區(qū)1）：地上3 層，地下1 層，布置12 班生活教師、多功能教學教室及行政辦公用房、地下一層布置廚房及各類設備用房。中部教學樓（建筑分區(qū)2）：地上1 層，布置門廳、晨檢醫(yī)務室、音體活動教室等房間。南側教學樓（建筑分區(qū)3）：地上3 層，布置9 班生活教室及服務辦公用房。幼兒園整體設計生動有趣，色彩鮮明，完全呈現(xiàn)了幼兒園建筑的設計特點。

2 性能化設計

2.1 非透明圍護結構

外墻地上部分采用加氣混凝土砌塊，外貼憎水巖棉保溫板，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。

屋面為正置式屋面，由下至上的各層結構及厚度：內抹灰15 mm，現(xiàn)澆混凝土樓板120 mm，防水隔汽層，屋面保溫擠塑板400 mm，雙層SBS 防水卷材，細石混凝土50 mm。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，且內側和頂部分別包裹有100 mm 厚擠塑板和巖棉板.出屋面排氣管都包有200 mm 厚擠塑板。

首層與地下層相鄰的樓板下側粘貼150 mm 厚巖棉板。地下層采暖房間與非采暖房間之間的隔墻外側粘貼150 mm 厚巖棉板。斷熱橋措施：保溫固定采用斷熱橋錨栓。保溫被內墻、外墻、結構梁等斷開處，以100 mm 厚巖棉板沿內墻兩側向下延伸1 m。

表1 為圍護結構被動式性能化設計參數(shù)[1]。

表1 圍護結構被動式性能化設計參數(shù)

2.2 透明圍護結構

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/(m·2K)。玻璃的構造采用三玻兩腔Low-e 充惰性氣體暖邊玻璃，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平開內倒開啟。

同時，本項目首次大面積采用被動房的弧形窗（圖2），弧形窗本身制作工藝復雜，普通窗戶做成弧形窗構造難度也很大，要實現(xiàn)被動房要求更是難以實現(xiàn)。X88幼兒園大面積采用的弧形窗其傳熱系數(shù)、保溫要求和氣密性等參數(shù)均能滿足被動房的要求，這在中國甚至世界上都屬特例，為在被動房建筑內實現(xiàn)豐富的外立面效果提供了堅實的實踐基礎。

圖2 弧形窗

本項目所有的東、西、南向外窗都配備有電動外遮陽設備（圖3）。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。

圖3 外窗遮陽圖

2.3 新風系統(tǒng)

X88 幼兒園設置了集中式新風系統(tǒng)，分層設置于南樓、北樓的機房里，每層一臺。中間部分和位于地下層餐廳的新風主機則設置于吊頂中。新風量設計標準按照：30 m3/(h·p)。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 ℃時，不小于16.5 ℃。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。

2.4 輔助供暖供冷

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。夏季空調末端為風機盤管+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 ℃。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。

2.5 太陽能生活熱

根據(jù)中國《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 ℃。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)集熱管內介質傳送至單體建筑換熱機房內半容積式換熱器，與冷水進行熱交換，從而制備生活熱水。輔助熱源為商用冷凝容積式燃氣熱水爐，其運行可根據(jù)時間和溫度自動調節(jié)，以保證熱水使用溫度。

3 氣密性測試

本項目已建成，并于2019 年9 月開園。在投入使用前和投入使用后共進行2 次氣密性測試，包括對全樓整體的氣密性測試和地下餐廳氣密性測試（表2）。

表2 氣密性測試統(tǒng)計表

4 PHPP 能耗計算

采用PHPP 計算軟件，建立了本項目的DesignPH模型（圖4），經(jīng)過綜合計算得到，其供暖需求，供冷需求以及一次能耗計算結果見表3：

表3 供暖需求、供冷需求以及一次能耗計算結果

圖4 DesignPH 模型

X88 幼兒園按照德國被動房標準進行設計，經(jīng)過PHPP 計算可知，完全符合被動房的設計要求和能耗標準。同時，本項目申報中國的超低能耗建筑認證，滿足中國的超低能耗建筑設計認證標準。中國的公共建筑目前按照標準《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2015）進行設計和建造。X88 幼兒園作為滿足德國被動房要求的超低能耗建筑，與按照中國《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2015）進行設計的參照建筑相比，其供暖需求和供冷需求均極大降低，一次能耗下降了66.4%，從而能夠滿足中國超低能耗示范項目在公建65%節(jié)能標準的基礎上再降低不少于60%的要求。本項目設計建筑的相對節(jié)能率達到了88.2%[2]。

5 初步運維研究

5.1 初期運維分析

X88 幼兒園運維初期，耗電量較高，還有一個重要因素是缺乏專業(yè)的物業(yè)維護管理。被動房與普通的建筑運維管理不同，幼兒園老師們又并非專業(yè)人員，運行初期，必然有一個學習、理解和熟悉使用的過程，幼兒園負責人宜根據(jù)使用情況總結適用于本幼兒園的運行方式和后期長期運維策略（表4）。

表4 初期運維診斷

5.2 耗電量分析

幼兒園初期運行電費較高，9 月份約10000 元，10月份約8000 元，11 月份約15000 元，12 月份約12000元。X88 幼兒園為被動房，未接入市政熱力，沒有采暖費。如果僅比較每月的電費來衡量其是否節(jié)能，不太合理，宜把普通幼兒園采暖季需要上交的采暖費和每月其他耗電量加在一起的綜合費用，與X88 幼兒園實際耗電量進行對比，其結果如表5：

表5 11 月份運行電費對比

由表5 可知，X88 被動式幼兒園11 月消耗的綜合費用低于普通幼兒園，稍高于按德國被動房標準計算的理論值（采暖季和制冷季高于理論值，過渡季節(jié)低于理論值），11 月份氣溫降低，采暖費用增加，其結果也是合理的。折算成全年的平均運行費用，被動式幼兒園的全年運行費用約為13.5 萬元/年，而我國正常運行的規(guī)模相似的普通幼兒園的全年運行費用約為35.86 萬元/年，每年節(jié)約運行費用約22.36 萬元。

綜上可知：被動房=節(jié)能建筑。按德國被動房標準建造的X88 幼兒園在保證室內較高舒適度的同時，也保證了較低的能源消耗水平，相對于目前中國的幼兒園建筑，節(jié)能效益顯著。

6 結論

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。X88 幼兒園的順利建成，為以后北京地區(qū)，乃至中國的教育類被動房項目提供了可以借鑒的寶貴經(jīng)驗，也為我國節(jié)能減排政策目標的實施，提供了實際落地項目和運維管理的可參考經(jīng)驗。