項目解析 | 山東城建學(xué)院實驗實訓(xùn)中心

項目概況

山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院實驗實訓(xùn)中心位于山東省濟南市旅游路東首山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院內(nèi)。用地范圍南北長約134米，東西寬約110米，在整個基地內(nèi)規(guī)劃建設(shè)兩幢實訓(xùn)樓。

該實訓(xùn)樓分為南北兩樓，兩樓之間通過連廊連接，其中，南樓為被動式超低能耗綠色建筑，地上六層，地下一層，建筑高度23.95米，建筑面積21487.89平方米。北樓建筑面積約1萬平方米。設(shè)計單位為中國建筑科學(xué)研究院有限公司和山東同圓設(shè)計集團，被動房技術(shù)咨詢單位是德國能源署和住建部促進中心。項目從技術(shù)探索、示范推廣、產(chǎn)業(yè)推動、政策標(biāo)準(zhǔn)四個方面進行示范和推廣。

被動式建筑方案設(shè)計

被動式建筑設(shè)計應(yīng)打破傳統(tǒng)設(shè)計理念，注重氣候、環(huán)境的引導(dǎo)設(shè)計，一體化設(shè)計原則，以及性能化設(shè)計原則，在最大限度降低能源消耗的前提下，營造舒適的室內(nèi)環(huán)境。

建筑形體選擇

在建筑形體方面，考慮城建學(xué)院校園整體風(fēng)格趨向于規(guī)整、秩序、理性，體塊感強烈，本項目設(shè)計時利用院、廊圍合形成一組建筑，與校園整體形式和諧統(tǒng)一。在建筑形體選擇簡潔，有利于被動式建筑節(jié)點設(shè)計的同時，減小體型系數(shù)，整體建筑風(fēng)格也體現(xiàn)其科技、性能導(dǎo)向的風(fēng)格。

利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境

本項目為學(xué)校建筑，有效利用自然通風(fēng)，改善室內(nèi)外環(huán)境是建筑體型設(shè)計時就加以考慮。

夏季主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)，對新建項目周邊建筑共同建模，計算夏季室外風(fēng)環(huán)境。為將夏季風(fēng)引入中庭，提高南北樓的自然通風(fēng)效果，同時減少西曬影響，在建筑西立面采用透空廊橋改善了中庭的風(fēng)環(huán)境。主要房間均為南北開窗，通過采用中空中庭，減小南北方向建筑進深，注意采用南北對稱的內(nèi)隔斷開啟，營造良好的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境。

夏季室外風(fēng)環(huán)境模擬計算

夏季室內(nèi)自然通風(fēng)模擬計算

自然采光

通過減少建筑進深，增加開敞空間和透明隔斷，增加南北立面開窗，提高室內(nèi)采光系數(shù)。應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計方法，通過模擬計算與形體設(shè)計的交互，實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化。

室內(nèi)自然采光模擬計算

立面形式的選擇

立面形式的選擇是綜合建筑美學(xué)與建筑功能的優(yōu)化考慮?？紤]到被動式超低能耗建筑較厚的保溫厚度，立面選用涂料的方式，以減少熱橋，降低成本，簡化施工。外窗采用細(xì)長豎直形式，在不同朝向選擇了不同的窗墻比，兼顧了自然采光與減少傳熱。在表皮設(shè)計時，設(shè)計初期即考慮熱橋處理。整體立面簡潔、現(xiàn)代、體現(xiàn)出嚴(yán)謹(jǐn)和秩序的校園風(fēng)格。

以能耗目標(biāo)為導(dǎo)向的性能化設(shè)計

通過性能化設(shè)計方法優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，盡可能降低建筑能源需求。性能化設(shè)計方法貫穿了設(shè)計全過程。

外墻保溫性能、屋面保溫性能、外窗保溫性能、外窗太陽光輻射透過性能、新風(fēng)熱回收效率、遮陽裝置的參數(shù)選擇不是孤立的，為了實現(xiàn)被動式超低能耗建筑的能耗目標(biāo)，應(yīng)采用模擬軟件，進行不同組合的模擬計算，結(jié)合項目技術(shù)經(jīng)濟要求，選擇適合項目的參數(shù)集。

參數(shù)選擇與供冷供熱量變化的關(guān)系

被動式超低能耗建筑節(jié)點設(shè)計

被動式超低能耗建筑設(shè)計借鑒德國被動房設(shè)計理念，強調(diào)無熱橋設(shè)計和氣密性設(shè)計原則。就筆者所知，無熱橋設(shè)計原則在建筑熱工規(guī)范中有比較完善的要求，氣密性設(shè)計在我國現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范圖集中涉及的較少。

本項目的建筑節(jié)點設(shè)計借鑒了德方被動房項目設(shè)計經(jīng)驗，從以下幾個方面提出了特殊的節(jié)點設(shè)計要求：

1）外窗安裝時，采用外掛的方式，外保溫壓在窗框上，確保外保溫層與窗框形成連續(xù)的保溫層，實現(xiàn)外窗安裝的無熱橋設(shè)計，在窗洞口設(shè)置窗臺板，保護保溫層。

2）外墻保溫應(yīng)連續(xù)無熱橋，采用斷熱橋錨栓，由于外墻外保溫厚度較厚（EPS 250mm），保溫層外使用涂料處理，并優(yōu)選透氣性能較好的涂料。

3）屋面保溫應(yīng)連續(xù)無熱橋，屋面保溫材料盡量選用高性能的保溫材料，與墻體不同的是，屋面保溫還特別需要注意防水和抗壓性能，保溫層排汽構(gòu)造嚴(yán)格按照屋面技術(shù)規(guī)程設(shè)計，注意在保溫層靠近室內(nèi)側(cè)設(shè)置隔汽層。

4）女兒墻等突出屋面的結(jié)構(gòu)體的保溫應(yīng)與屋面、墻面連續(xù)，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性熱橋，設(shè)置金屬蓋板，以提高其耐久性，金屬蓋板與結(jié)構(gòu)連接部位，采取相關(guān)措施，盡量避免熱橋。

5）地上外墻保溫靠近地面的部分，應(yīng)采用耐腐蝕、防水性能較好的保溫材料；地下室外墻保溫與地上部分保溫連續(xù)，地下室外墻保溫延伸到地下凍土層以下，地下室外墻保溫層內(nèi)部和外部設(shè)置兩道防水層，最外層防水延伸至地面以上500mm。內(nèi)層防水延伸至與室外地面以上300mm；地下室內(nèi)墻保溫從頂板向下設(shè)置，完全覆蓋地下室內(nèi)墻。

6）管線穿外圍護結(jié)構(gòu)處，進行妥善的氣密性封堵，應(yīng)給出完整大樣圖和做法說明，明確氣密性要求。

7）外挑結(jié)構(gòu)盡量與主結(jié)構(gòu)斷開，由完整的保溫層隔絕傳熱，當(dāng)結(jié)構(gòu)承重等條件限制，確實不能完全斷開時，應(yīng)用保溫材料將外挑結(jié)構(gòu)盡量包裹，應(yīng)用熱橋計算軟件計算其影響。

8）在進行節(jié)點大樣圖設(shè)計時，明確氣密層的設(shè)計要求，用紅色粗線在圖紙上標(biāo)注出完整的氣密層；大樣圖紙應(yīng)按照1：10或1：5繪制，在圖紙中標(biāo)注出施工細(xì)節(jié)，確保其可實施性。

被動式超低能耗建筑機電系統(tǒng)

冷熱源

采用風(fēng)冷多聯(lián)機熱泵機組作為主要冷源，采用太陽能吸收式制冷機組與電制冷水冷冷水機組作為新風(fēng)系統(tǒng)的輔助示范冷源。當(dāng)太陽能充足時，優(yōu)先使用太陽能吸收式機組為新風(fēng)系統(tǒng)供冷，當(dāng)太陽能不足時，使用電制冷機組為新風(fēng)系統(tǒng)供冷。當(dāng)負(fù)荷較小時，僅通過新風(fēng)系統(tǒng)向室內(nèi)供冷，當(dāng)負(fù)荷較大時，新風(fēng)系統(tǒng)和多聯(lián)機系統(tǒng)同時向室內(nèi)供冷。

可再生能源利用

為進一步降低建筑能耗，本項目設(shè)置了太陽能光熱利用系統(tǒng)和太陽能光伏應(yīng)用系統(tǒng)。太陽能光熱利用系統(tǒng)采用中溫太陽能真空集熱器，設(shè)置于北側(cè)屋面，出水溫度上限為95℃，真空集熱器收集的太陽能得熱在冬季被用來加熱新風(fēng)，在夏季被用來驅(qū)動吸收式制冷機制取冷水用來冷卻新風(fēng)。除光熱系統(tǒng)外，南側(cè)屋面基本滿布太陽能光伏裝置，其產(chǎn)生的能源供全樓照明和暖通空調(diào)設(shè)備使用。

熱回收新風(fēng)系統(tǒng)

由于實訓(xùn)中心教師使用時間靈活，為避免新風(fēng)系統(tǒng)一開全開，盡量降低新風(fēng)送風(fēng)的距離以減少輸配能耗，采用了分散式的新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，在實訓(xùn)中心東南西北四角分別設(shè)置焓效率>70%的全熱回收新風(fēng)機組。

總結(jié)

山東城建學(xué)院被動式超低能耗實驗實訓(xùn)中心項目是山東省首批被動式超低能耗示范項目中面積最大、功能最復(fù)雜的示范項目。本文對該項目的被動式超低能耗建筑設(shè)計方案進行了技術(shù)總結(jié)。

在進行項目建筑方案設(shè)計時，建筑師與工程師一起，從校園環(huán)境、建筑功能以及當(dāng)?shù)貧夂驐l件和自然資源條件出發(fā)，對建筑物體型選擇、空間布局、立面選擇等多方面進行基于數(shù)值模擬的定量分析，優(yōu)化選擇建筑方案。

在進行與被動式建筑能耗目標(biāo)相關(guān)的建筑熱工性能參數(shù)和其他參數(shù)選擇時，采用性能化設(shè)計方法，以數(shù)據(jù)為指導(dǎo)，以能耗目標(biāo)為約束，結(jié)合經(jīng)濟能力和當(dāng)?shù)禺a(chǎn)品供應(yīng)情況，進行選擇。

借鑒德國經(jīng)驗，強調(diào)無熱橋設(shè)計和建筑氣密性，加強建筑節(jié)點設(shè)計要求，實現(xiàn)更詳細(xì)的被動式建筑節(jié)點設(shè)計。

考慮實訓(xùn)中心使用習(xí)慣，采用分散+集中式系統(tǒng)，利用可再生能源、高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)、對部分負(fù)荷和過渡季的運行從方案設(shè)計就加以考慮，降低運行能耗。

本項目的設(shè)計方案及相關(guān)分析標(biāo)明，在寒冷氣候區(qū)的類似公建項目，通過優(yōu)化建筑方案設(shè)計、加強保溫隔熱氣密性能、利用高效的暖通空調(diào)系統(tǒng)和可再生能源，可以在一定的增量成本之下，接近或達到德國被動房的供冷供熱需求和冷熱負(fù)荷的指標(biāo)要求。

隨著示范項目的進一步開展，項目設(shè)計團隊將持續(xù)關(guān)注項目開展情況，進行進一步技術(shù)總結(jié)。