項目解析 | 山東城建學院實驗實訓中心

項目概況

山東城市建設職業(yè)學院實驗實訓中心位于山東省濟南市旅游路東首山東城市建設職業(yè)學院內(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)劃建設兩幢實訓樓。

該實訓樓分為南北兩樓，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。設計單位為中國建筑科學研究院有限公司和山東同圓設計集團，被動房技術咨詢單位是德國能源署和住建部促進中心。項目從技術探索、示范推廣、產(chǎn)業(yè)推動、政策標準四個方面進行示范和推廣。

被動式建筑方案設計

被動式建筑設計應打破傳統(tǒng)設計理念，注重氣候、環(huán)境的引導設計，一體化設計原則，以及性能化設計原則，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，考慮城建學院校園整體風格趨向于規(guī)整、秩序、理性，體塊感強烈，本項目設計時利用院、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)點設計的同時，減小體型系數(shù)，整體建筑風格也體現(xiàn)其科技、性能導向的風格。

利用當?shù)仫L環(huán)境

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

夏季主導風向為西南風，對新建項目周邊建筑共同建模，計算夏季室外風環(huán)境。為將夏季風引入中庭，提高南北樓的自然通風效果，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)通風環(huán)境。

夏季室外風環(huán)境模擬計算

夏季室內(nèi)自然通風模擬計算

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)。應用參數(shù)化設計方法，通過模擬計算與形體設計的交互，實現(xiàn)設計優(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。在表皮設計時，設計初期即考慮熱橋處理。整體立面簡潔、現(xiàn)代、體現(xiàn)出嚴謹和秩序的校園風格。

以能耗目標為導向的性能化設計

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

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，應采用模擬軟件，進行不同組合的模擬計算，結(jié)合項目技術經(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系

被動式超低能耗建筑節(jié)點設計

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

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

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計，在窗洞口設置窗臺板，保護保溫層。

2）外墻保溫應連續(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)造嚴格按照屋面技術規(guī)程設計，注意在保溫層靠近室內(nèi)側(cè)設置隔汽層。

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

5）地上外墻保溫靠近地面的部分，應采用耐腐蝕、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，當結(jié)構(gòu)承重等條件限制，確實不能完全斷開時，應用保溫材料將外挑結(jié)構(gòu)盡量包裹，應用熱橋計算軟件計算其影響。

8）在進行節(jié)點大樣圖設計時，明確氣密層的設計要求，用紅色粗線在圖紙上標注出完整的氣密層；大樣圖紙應按照1：10或1：5繪制，在圖紙中標注出施工細節(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系統(tǒng)的輔助示范冷源。當太陽能充足時，優(yōu)先使用太陽能吸收式機組為新風系統(tǒng)供冷，當太陽能不足時，使用電制冷機組為新風系統(tǒng)供冷。當負荷較小時，僅通過新風系統(tǒng)向室內(nèi)供冷，當負荷較大時，新風系統(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，本項目設置了太陽能光熱利用系統(tǒng)和太陽能光伏應用系統(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，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。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)設備使用。

熱回收新風系統(tǒng)

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

總結(jié)

山東城建學院被動式超低能耗實驗實訓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、功能最復雜的示范項目。本文對該項目的被動式超低能耗建筑設計方案進行了技術總結(jié)。

在進行項目建筑方案設計時，建筑師與工程師一起，從校園環(huán)境、建筑功能以及當?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相關的建筑熱工性能參數(shù)和其他參數(shù)選擇時，采用性能化設計方法，以數(shù)據(jù)為指導，以能耗目標為約束，結(jié)合經(jīng)濟能力和當?shù)禺a(chǎn)品供應情況，進行選擇。

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

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

本項目的設計方案及相關分析標明，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荷的指標要求。

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