既有教育建筑更新設(shè)計(jì)中能源平衡策略協(xié)同應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：既有教育建筑更新；能源策略協(xié)同；正能耗學(xué)校；能耗平衡；能耗計(jì)算

中圖分類號(hào)：X32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

當(dāng)前，中國城市已進(jìn)入存量更新和增量調(diào)整并重時(shí)期。既有公共建筑總面積超124億平方米，其中90%以上是高耗能建筑，單位建筑能耗比同等氣候條件發(fā)達(dá)國家高2～3倍。截止2022年，全國既有校舍面積已超34. 87億平方米，被作為中國公建能源更新的重點(diǎn)。

國內(nèi)本領(lǐng)域工作已開展，范征宇等通過軟件模擬對比為寒冷地區(qū)高校圖書館提供節(jié)能布局策略。周亞平等對某小學(xué)進(jìn)行了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造并取得了良好效果；王巖等針對寒冷地區(qū)大學(xué)熱水系統(tǒng)進(jìn)行了太陽能熱水系統(tǒng)輔助的實(shí)踐。綜合看，這些研究和實(shí)踐還剛起步，在建筑設(shè)計(jì)階段缺乏系統(tǒng)理論體系支撐和整體協(xié)同設(shè)計(jì)思想。發(fā)達(dá)國家已在該領(lǐng)域開展了多年研究，2008年德國啟動(dòng)了“節(jié)能學(xué)校”（EnEff： Schule）計(jì)劃，分為三個(gè)等級(jí)，最高等級(jí)是“正能耗學(xué)校”，即從全年考慮，本地產(chǎn)生的初級(jí)能源多用于采暖、通風(fēng)、飲用水加熱、照明和必要的輔助能量所需能源。

文章對德國羅斯托克市“正能耗學(xué)校”（Plus energie Schule）進(jìn)行深入研究，其能源平衡策略的整體性設(shè)計(jì)理念和具體措施對中國本領(lǐng)域研究與實(shí)踐有較強(qiáng)的借鑒意義。

1項(xiàng)目評(píng)估及更新設(shè)計(jì)理念

項(xiàng)目由兩個(gè)相同的建于1960年代的中學(xué)校舍合并，將其中一個(gè)校舍進(jìn)行改造。原校舍從能效角度評(píng)估存在很多缺陷：首先，分散式布局導(dǎo)致過多交通面積和過大表面積，即建筑體形系數(shù)過大。其次，原主樓為砌體結(jié)構(gòu)形式，外墻與屋面均沒有設(shè)置保溫層，窗框等構(gòu)件存在嚴(yán)重的氣密性與保溫隔熱缺陷。第三，每個(gè)教室都是單側(cè)采光，沒有遮陽和防眩光措施，室內(nèi)光環(huán)境極度不均勻。第四，采暖系統(tǒng)陳舊，系統(tǒng)整體能效低，造成能源浪費(fèi)。第五，原校舍為自然通風(fēng)，缺乏可控的通風(fēng)系統(tǒng)，造成了自然通風(fēng)與熱損耗之間的矛盾。

針對這些能源缺陷，單一的建筑設(shè)計(jì)措施或能耗平衡技術(shù)都很難實(shí)現(xiàn)“正能耗”的更新目標(biāo)，此項(xiàng)目遵循了能源策略協(xié)同的整體性設(shè)計(jì)理念。在更新設(shè)計(jì)中以能源平衡為切入點(diǎn)，通過計(jì)算建筑需要消耗的能源總量來反推能耗平衡所需要的優(yōu)質(zhì)能源總量，整合多種清潔能源并高效地應(yīng)用。在建筑設(shè)計(jì)上協(xié)同了諸如整體布局、中庭空間、外圍護(hù)界面、通風(fēng)設(shè)計(jì)、采暖系統(tǒng)等具體的措施。建筑設(shè)計(jì)措施與能源平衡技術(shù)相互策動(dòng)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了有利的體形系數(shù)、形成了氣候緩沖區(qū)域、更好的氣密性、更強(qiáng)的保溫隔熱能力，回收再利用了建筑余熱，建立了能耗高效利用的通風(fēng)和采暖系統(tǒng)。（見圖1）

2策略協(xié)同的建筑設(shè)計(jì)措施

2.1調(diào)整總體布局

原體量較小的體育館和托管中心現(xiàn)狀質(zhì)量已很差，在更新設(shè)計(jì)中被拆除。此次更新以原主樓為基礎(chǔ)進(jìn)行。

原主樓內(nèi)走廊及南半部分予以保留并對南外墻進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。將主樓北半部分拆除并向北平移重建作為中學(xué)教學(xué)空間；主樓的南北部分之間形成寬敞的走廊空間，提供多樣化活動(dòng)的場所（學(xué)校街）。沿原主樓體量向西側(cè)依次拓展出中庭、小學(xué)。在德國小學(xué)大部分上課時(shí)間為上午，西曬不會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重不良影響。中庭空間被作為建筑的人口大廳，與學(xué)校街聯(lián)通形成一個(gè)高大通透的“T形”公共區(qū)域，成為多功能活動(dòng)區(qū)域。

建筑由半圍合的分散式布局被更新設(shè)計(jì)為緊湊的獨(dú)立式布局。交通面積被極大削減，使用功能更為合理，內(nèi)部空間更加開闊明亮。更新改造前后，總建筑面積在保持基本不變的情況下，建筑表面積極大減少，建筑體形系數(shù)由原來的0.38降為0.21，交通面積和建筑體積在更新后減少，這樣會(huì)極大降低建筑能耗，而建筑使用面積從約5600平方米卻增加至6325平方米，進(jìn)一步提升了空間利用效率。（見表1）

2.2營造氣候緩沖區(qū)

中庭和學(xué)校街空間具有建筑氣候緩沖區(qū)的作用。在炎熱夏季，開啟中庭頂部側(cè)天窗進(jìn)行通風(fēng)降溫。利用熱壓通風(fēng)原理，在室內(nèi)外溫差為3℃的情況下，室外空氣交換達(dá)到每小時(shí)3次以上。在寒冷冬季，陽光射入室內(nèi)升高該區(qū)域室溫，同時(shí)設(shè)有采暖的教學(xué)空間中多余熱量溢出至該區(qū)域也會(huì)升高室溫。設(shè)計(jì)模擬了室外溫度在-8℃到6℃的一個(gè)冬季時(shí)段，如果將教室溫度在使用時(shí)段（9：00-16：00）控制在19℃，夜晚關(guān)閉采暖系統(tǒng)時(shí)，中庭和學(xué)校街空間在白天使用時(shí)段的溫度也能達(dá)到15℃左右，較室外高出約10℃。

2.3優(yōu)化外圍護(hù)界面

針對外墻界面，新建部分采用了可再利用的復(fù)合膠合木框架結(jié)構(gòu)體系填充高保溫性能的預(yù)制模塊。結(jié)構(gòu)框架內(nèi)外側(cè)分別有160 mm和80 mm的礦棉保溫層，保溫層外側(cè)設(shè)有防風(fēng)層保證外墻的密封性。保留部分在原有磚墻外側(cè)增加240 mm厚保溫層，也改善了門窗的封閉性。為避免炫光在窗口處設(shè)置傾角為31°的鋼索張拉式遮陽板，板的上半部分延續(xù)立面的木飾板，下半部分為太陽能光伏電板。

針對屋頂界面，在混凝土中嵌入塑料材質(zhì)的球形空腔材料（Cobiax Decken），可減少混凝土用量和結(jié)構(gòu)自重，有利于保溫隔熱、隔聲降噪。中庭屋頂為印刷有控制光線攝人圖案的ETFT（乙烯-四氟乙烯共聚物），冬天氣枕充氣飽滿，氣枕上下層遮光圖案相互錯(cuò)位，日光可大量進(jìn)入室內(nèi)；夏季減少充氣而使得氣枕上下層遮光圖案重疊阻擋部分日光直接進(jìn)入室內(nèi)減少熱輻射。

在更新改造中建筑各部位的構(gòu)造由多種材料組合，因此引入了U-wert技術(shù)來計(jì)算綜合導(dǎo)熱系數(shù)，數(shù)值越小說明構(gòu)件的隔熱性能越好。對比更新前后外圍護(hù)界面各構(gòu)件的U-wert值，可見熱傳導(dǎo)性能顯著下降，說明建筑能耗也會(huì)大幅度下降。（見表2）

2.4機(jī)械通風(fēng)及供暖系統(tǒng)

為規(guī)避自然通風(fēng)帶來的熱量損耗，除夏季炎熱自然通風(fēng)外，主要采用機(jī)械送風(fēng)的方式。新鮮空氣通過送風(fēng)口被送至每間教室，教室內(nèi)設(shè)有C02濃度傳感器以控制必要的進(jìn)出風(fēng)量。含有熱量的廢氣從教室靠近中庭一側(cè)墻面頂部百葉窗進(jìn)入氣候緩沖區(qū)，再通過熱交換器回收熱量后集中排出，回收的熱量被用于新風(fēng)預(yù)熱而得到再利用。

每個(gè)房間實(shí)際對室溫的要求不相同，因此在教室內(nèi)采用兩個(gè)供暖系統(tǒng)的組合應(yīng)用：首先基本熱量由墻面踢腳板式熱水散熱器提供基本熱量，可將室溫調(diào)節(jié)至17℃；其次通過天花板輻射提供額外的熱量，迅速將室溫升至所需溫度以滿足要求。天花板供暖系統(tǒng)與感應(yīng)器連接，若檢測到房間無人活動(dòng)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

3策略協(xié)同的能耗平衡技術(shù)

3.1能耗平衡方案

由于該市的遠(yuǎn)程供熱具有有利的初級(jí)能源系數(shù)（0.08～0.256），因此仍選取區(qū)域遠(yuǎn)程供熱作為基本熱源。初級(jí)能源系數(shù)反映了不同能源的質(zhì)量優(yōu)劣及轉(zhuǎn)化損耗程度，該系數(shù)越低，表示能源轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)煤的損耗越小。設(shè)計(jì)采用初級(jí)能源系數(shù)較低的能源，可降低建筑能耗計(jì)算值，從而提高能源的利用效率。

此項(xiàng)目能耗主要用于提供熱能與電能，為滿足兩類能源總量而應(yīng)用了多種類型的清潔能源以平衡需求，根據(jù)能耗平衡方案，區(qū)域遠(yuǎn)程供熱系統(tǒng)不僅滿足建筑采暖需求，還成為ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的能量來源而生產(chǎn)部分電能。另外風(fēng)能、太陽能光伏也一并生產(chǎn)電能。三者生產(chǎn)的總電量可以滿足建筑使用，多余的電能則反向輸入城市電網(wǎng)。（見圖2）

3.2 ORC發(fā)電系統(tǒng)

有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，簡稱ORC）是以低沸點(diǎn)有機(jī)液體為工質(zhì)的朗肯循環(huán)。此項(xiàng)目區(qū)域供熱管網(wǎng)的熱水與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)溫度差較大，如全部熱水直接用于建筑采暖則造成能源浪費(fèi)。此項(xiàng)目遠(yuǎn)程供熱驅(qū)動(dòng)ORC發(fā)電系統(tǒng)的額定功率為4千瓦，區(qū)域供熱管網(wǎng)提供800℃～100℃熱水，一部分直接進(jìn)入建筑采暖系統(tǒng)。另一部分熱水進(jìn)入ORC系統(tǒng)發(fā)電后，水溫降至40℃～50℃后也匯入建筑供暖系統(tǒng)提供低溫?zé)崴RC系統(tǒng)提高了區(qū)域遠(yuǎn)程熱源的利用效率，既滿足建筑物的熱能和也提供了部分清潔電能。

3.3光伏與風(fēng)力發(fā)電

此項(xiàng)目設(shè)置了725 m²的太陽能光伏電板，額定功率為138千瓦。設(shè)計(jì)中沒有為光伏電板專門設(shè)置支架，被德國能源效率學(xué)校獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)評(píng)價(jià)為“光伏系統(tǒng)在建筑中完美融合而不是被簡單附加。”

北立面有兩個(gè)高高豎起的額定功率為3.5千瓦的ф型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，即達(dá)里厄（Darrieus）風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其特點(diǎn)是可低風(fēng)速啟動(dòng)，屬于靜音式，占用空間小且安全性較高，抗臺(tái)風(fēng)能力強(qiáng)，不受風(fēng)向改變的影響，維護(hù)較簡單，更容易形成風(fēng)能發(fā)電建筑一體化。風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為鮮明的外在特征代表了清潔能源應(yīng)用的理念，在建筑形象和節(jié)能教學(xué)上具有良好的示范性。

3.4能耗平衡計(jì)算

對比了改造前后的能耗數(shù)值，可發(fā)現(xiàn)改造后熱能消耗顯著下降，這是因?yàn)槟茉床呗詤f(xié)同的整體性設(shè)計(jì)理念和各種措施、技術(shù)發(fā)揮了良好作用。而年總電能消耗增加的原因不僅因?yàn)樾滦Ｉ岬氖褂妹娣e增加了，更主要是安裝了帶有余熱回收的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的用電消耗。綜合看，年單位能耗下降了66.6%，節(jié)能效果顯著，證明了更新改造的成功。（見表3）

此項(xiàng)目的能耗平衡計(jì)算過程是：首先，將新校舍終端能源消耗總量450MWh根據(jù)初級(jí)能源系數(shù)轉(zhuǎn)化為初級(jí)能源為343.4MWh，這部分在建筑運(yùn)行中要通過電能的方式平衡。其次，依據(jù)電能的初級(jí)能源系數(shù)反算新校舍為平衡上述初級(jí)能源所需要的終端能源為132MWh，即新校舍建筑的電力缺口。第三，經(jīng)測算各類清潔能源技術(shù)發(fā)電總量為141.6 MWh，因可直接用于建筑使用因此被視為終端能源。可見，清潔能源發(fā)電總量不僅滿足缺口（132MWh）還盈余了9.6MWh，真正實(shí)現(xiàn)了“正能耗學(xué)校”的更新建設(shè)目標(biāo)。（見表4）

4結(jié)論

此項(xiàng)目采用能源策略協(xié)同的整體設(shè)計(jì)理念，通過建筑設(shè)計(jì)措施和能源平衡技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了“正能耗學(xué)校”的建設(shè)目標(biāo)。在建成后由專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，分析能源數(shù)據(jù)并定義用戶行為，根據(jù)階段數(shù)據(jù)進(jìn)行能效評(píng)估，總結(jié)更新建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。技術(shù)數(shù)據(jù)在專業(yè)網(wǎng)站進(jìn)行可視化表達(dá)，吸引了大眾注意力，宣傳節(jié)能環(huán)保。德國教育建筑每年消耗約2000萬MWh的能源，既有學(xué)校增加了地方政府的運(yùn)營支出。對教育建筑進(jìn)行能源更新改造，相比之下，只需較少額外投入，便可顯著降低能耗，減輕運(yùn)營開支。此項(xiàng)目的更新設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對推動(dòng)這項(xiàng)工作具有顯著作用，對中國教育建筑的能源更新具有重要借鑒意義。