夏熱冬冷地區被動式低能耗中小學建筑設計策略研究

李婷，吳蔚蘭，張柱，周麟，李亞珂，張在喜

（1中機中聯工程有限公司，重慶 400039；2重慶道欣建設集團有限公司，重慶 400039）

0 引言

習近平主席在2020年9月22日的聯合國大會上鄭重宣示：要在2030年之前實現碳排放達峰，力爭2060年實現碳中和。主要發達國家在2010年已基本完成碳達峰，并計劃在2050年前實現碳中和；由于社會發展階段和社會經濟增長速度的差異，中國實現碳達峰和碳中和的難度比發達國家更大。建筑領域碳排放占全國碳排放量近1/3，其中，建筑運營碳排放約占建筑領域碳排放的20%，建設綠色低碳建筑，進行建筑全生命周期的碳減排將是實現“雙碳”目標的重要一環。面對雙碳目標，堅持被動優先、主動優化的綜合建筑節能技術措施，將是加大建筑領域節能減碳力度的基本途徑[1-2]。本文以某中學項目工程實踐為例，通過對設計過程中的被動式和主動式設計策略、室內空間環境（通風、采光、室內熱濕環境、噪音等）高標準設計方式等進行研究，以期為夏熱冬冷地區中小學建筑設計提供參考。

1 項目概況

該學校位于重慶市，規模為92個教學班，規劃總建筑面積約10.8萬㎡，主教學樓建筑高度23.50m，建設目標為綠色建筑二星級。項目中心圓環布置初中部、高中部、實驗樓、行政樓、國際部、藝術樓，學校配備了科學實驗室、文物展廳、籃球館、圖書館、劇場等復雜功能用房（圖1）。

圖1 航拍鳥瞰圖

2 設計要點

2.1 被動式低能耗建筑技術在學校建筑中的應用

該項目以“十分鐘校園”這一時空范圍為邊界，擬采用最具效率的圓形布置主要教學設施，但相比常見的的錯列式、斜列式以及自由式，這種建筑布局方式不利于自然通風[3]。為了在滿足使用功能需求的同時，盡可能地降低建筑能耗，通過查閱大量的文獻和進行室內外風環境模擬計算，建議采用圓環局部敞開、內設天井以及建筑底層架空的形式（圖2），將夏季和過渡季節主導風引入學校的內部，形成穿過學校內部建筑的風道，減少圍合式圓環形建筑對自然通風的不利影響。

圖2 外遮陽和底層架空設計

利用被動式通風技術，有效組織室內外自然通風氣流路徑，并通過Phoenics軟件對室外風環境和室內自然通風進行分析。室外風環境模擬結果表明：在夏季和過渡季節的主導風向下，場地內無明顯無風區或蝸旋區域，50%以上的可開啟窗內外風壓差大于0.5Pa，有利于自然通風，改善室內熱環境；在冬季、過渡季10%大風工況下，場地內人行高度處的風速符合舒適要求；冬季典型風速方向下，除第一排建筑外，建筑迎風面和背風面風壓差小于5Pa，避免冷風滲透，導致室內環境不舒適，增加供熱能耗。室內自然通風模擬得出，教學樓在夏季和過渡季節的通風良好，教室的換氣次數不小于4.5次/h，除教室外，其他主要功能房間的換氣次數均不小于2次/h，為學校建筑全年提供了健康安全、舒適的室內空氣環境，降低了室內熱濕環境對空調的依賴，降低了能源消耗。

在規劃設計階段，廣泛篩選被動式建筑節能技術，從重慶地區傳統民居通風散熱設計中汲取經驗，將具有良好的自然通風散熱、隔熱的屋頂，兼顧防曬與納陽的水平遮陽措施等被動式建筑節能技術與建筑設計融合，盡可能降低建筑能源消耗。主教學樓采用鋼結構設計，采用穿孔金屬板雨棚自遮陽作為外遮陽，兼顧夏季遮陽和冬季納陽的遮陽結構，使夏季可最大限度遮擋強烈的陽光，冬季則可利用傾斜遮陽板使陽光充分進入室內，適應了重慶的地域氣候特點，同時豐富了外立面造型，實現了技術和藝術的完美融合。同時，將實驗農田帶到主教學樓直徑200m的環形屋頂上，滿足學生親近自然需求的同時，降低了整個建筑的熱島效應。

以“被動優先、主動優化、經濟實用”為原則，采用以自然通風為主的原則進行學校的規劃布局設計。穿孔金屬板雨棚自遮陽和農田屋面等被動式措施，最大程度降低了建筑能源消耗。該項目被動式低能耗建筑技術的應用，不是技術的堆砌，而是以滿足功能需求為主，在降低建筑碳排放量的同時，經濟適用。

2.2 設計科學的實驗室環境

實驗室是中學教學、科研的基地，學生流動性大，有毒、有害顆粒物交叉顯著，常規暖通設計更多關注于實驗設備通風，而對實驗室室內環境參數和師生在實驗過程中的安全與健康等問題未能給予足夠的重視[4]。為了給師生提供安全、健康、舒適、節能的室內環境，通風設計猶為重要，特別應重點考慮室內有毒物殘留飄移控制、噪音控制及節能。通過對通風系統型式、換氣次數指標、排風凈化、噪聲、防火材料選擇等的合理設計，在滿足工藝要求的前提下，解決實驗室內大氣污染問題的同時，利用自然冷熱源，盡可能降低房間換氣次數。

針對化學實驗室等散發有害或異味氣體的實驗室，采用局部通風+全室通風的形式。局部通風采用桌面上通風、柜下排風的形式，排風主管道設于所在實驗室的下一層，管線布置美觀。全室通風采用自然通風形式。桌面式通風柜將工作區域的污染氣體以最快的速度吸入，并通過排風機排至屋面，使操作者吸入接觸的污染物最小化（圖3）。風管采用具有耐腐蝕性能的PVC風管。實驗室良好的污染物控制性能保證了師生的身體健康。

圖3 實驗室桌面排風

通過合理劃分通風系統，控制其服務半徑，采用變頻調速風機和智能組合式廢氣處理裝置，充分發揮變風量的節能作用，可減少活性炭的用量以及固廢的產生，減少后期的更換維護費用，節省安裝空間，保證室內溫濕度、送排風量滿足設計要求，達到安全和節能的目的。

2.3 精細化的大空間氣流組織設計

報告廳和風雨操場的大空間區域采用旋流風口送風，選型均由專業風口廠家根據設計參數計算確定，精細化設計保證室內熱舒適。

報告廳（禮堂）的觀眾廳及舞臺分設全空氣系統，可根據需要決定是否開啟舞臺區域送風，如舉行學術報告會開啟舞臺空調系統，而舉行文藝演出時可提前開啟舞臺區域空調系統降溫，正式演出時為避免幕布吹動，關閉舞臺空調系統。送風口采用溫控旋流風口，根據冬夏季工況和觀眾區前后排區域風口射程要求，采用電信號調整送風角度，使觀眾區前后排冷熱氣流均能送至人員活動區域。

風雨操場分為羽毛球和籃球區域，空調系統采用旋流風口送風，旋流風口安裝在籃球區域，單層百葉回風口設于羽毛球區域。送風口避開羽毛球區域，以防止氣流影響羽毛球的走向。

2.4 空調系統在降低運行成本的同時，兼顧運行管理簡便和熱舒適

主動式技術作為被動式建筑技術的一種補充，用以滿足極端天氣的建筑需求。學校建筑具有空間布局既靈活分散又整體關聯、維護管理人員少且管理人員技術相對薄弱、空調系統間歇使用、夏季最熱及冬季最冷天氣時放假等特點。結合使用要求、各個單體的用途和使用時間等因素，冷熱源采用了多聯機系統+空氣源熱泵系統+分體空調系統組成的集中和分散相結合的空調系統。

學生宿舍采用一拖一分體空調，方便使用，同時又可以大幅降低一次投資；劇場、籃球館等高大空間采用空氣源熱泵型冷熱水機組，利用組合式空調機對空氣進行冷、熱處理，送風口采用旋流風口，采用精細化設計選型、計算，較好地滿足大空間氣流組織的要求，使其具有理想的空調舒適性，設計時考慮過渡季全新風運行工況，通過調節新、回風管道上的電動風閥開關比例實現全新風運行，同時，通過調節空調排風機臺數或轉速，滿足室內送排風平衡要求；食堂、教室、琴房、行政辦公室、會議室等中小型房間均采用VRF變冷媒流量一拖多空調系統，按樓層或區域設置，方便靈活，可提高空調系統在部分負荷下的運行效率。學校教室的新風均采用直接送入的方式，部分教室使用時，新風負荷由室內空調承擔，有效減少空置教室大量新風能耗，同時又能較好地滿足衛生要求。食堂、圖書館等由于集中使用，空調新風采用全熱交換方式，盡可能降低新風負荷。該項目雖然在設計過程中設計了新風系統，但因投資和運營維護問題，未設計凈化裝置。在空氣污染、疫情反復、落實高質量發展要求等多種因素的影響下，新風凈化系統在中小學校園會越來越普及。

3 綜合效益

3.1 經濟效益

根據實際運行統計數據，全年能耗數據如表1所示。

表1 學校實測全年建筑能耗和單位建筑面積能耗

根據重慶市《公共機構能源消耗定額》（DB 50/T 1080—2021），教育類公共機構的單位建筑面積能耗指標詳見表2。

表2 教育類公共機構的單位建筑面積能耗指標

相比該項目竣工驗收后開始實施的重慶市《公共機構能源消耗定額》（DB 50/T 1080—2021）給出的中等學校單位建筑面積約束值45kWh/（m2·a），該項目在2019年和2020年的平均能耗指標降低59.2%，基準值降低26.6%，接近引導值。

重慶市《公共機構能源消耗定額》（DB 50/T 1080—2021）于2021年4月20日實施，該學校于2016年設計，2019年竣工投入使用。實際運行結果表明，通過低能耗設計策略，全年節約能耗72.7萬kWh，節約電費38萬元/年。

3.2 環境效益

根據數據統計，目前火電廠發1kWh電量產生各種污染物的排放量：SO2為7.68×10-3kg，CO2為0.73 kg，NOx為3.38×10-3kg。該項目全年節能減排量：CO2減排量為530.71t；SO2減排量為5.58t；NOx減排量為2.46t。

4 結語

根據中小學高質量發展的要求，科學館、藝術館、圖書館、風雨操場、室內運動場等逐漸成為中小學學校建筑的標配。學校建筑的功能越來越復雜，對室內熱濕環境的要求也越來越高。在雙碳目標下，低碳甚至零碳學校建筑將成為中小學建筑的主流。學校建筑的設計應在滿足高品質室內熱濕環境的前提下降低能耗，減小對不可再生能源的依賴。

本文結合創新性的建筑造型設計和重慶地方氣候特征，介紹了把被動式低能耗建筑技術與學校建筑相結合，在室內提供健康舒適的學習工作環境的同時，使暖通空調系統能耗大幅度減少的典型學校建筑案例，對同類工程設計具有重要參考意義。