威海市中小學(xué)生教育中心二號主題教育館

圖1 威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心

威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心工程由威海市教育局開發(fā)建設(shè)。二號主題教育館是山東省首批11個省級被動式超低能耗綠色建筑試點(diǎn)示范項(xiàng)目之一，同時(shí)于2014年成為中德合作被動式低能耗建筑示范項(xiàng)目。整個項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造時(shí)間是2015年03月至2016年10月。

威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心位于威海市臨港經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，威石路以北，許家屯、王家產(chǎn)和吐羊口之間。場地完全融入在大自然的景觀之中，環(huán)境優(yōu)美，適合教學(xué)活動的開展。總規(guī)劃用地面積101583m²，其中可建設(shè)用地面積66626m²，總建筑面積為31022.65m²。容積率0.45，綠地率50.5%。綜合實(shí)踐教育中心內(nèi)主要是五層和七層的建筑群，設(shè)有科技教育、主題教育、勞動技術(shù)教育、社會實(shí)踐教育、體能拓展等不同版塊。室外部分包括體能拓展區(qū)、野戰(zhàn)訓(xùn)練區(qū)、生態(tài)園等。

項(xiàng)目分兩期進(jìn)行建設(shè)，其中一期26016.42m²已經(jīng)建成。二期工程二號主題教育館按照被動式低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、建造，占地面積1281.43m²，建筑面積5006.23m²，地上四層，建筑高度為20m（高度從室外地面算至檐口）。建筑體型系數(shù)0.23。各朝向窗墻比為：南向0.29，北向0.16，東向0.09，西向0.09。

二號主題教育館為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防烈度7度，耐火等級為二級。

表1列出了威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心二號主題教育館項(xiàng)目的主要參建單位。

表1 威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心二號主題教育館項(xiàng)目主要參建單位

圖2 威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心二號主題教育館

1 建筑節(jié)能規(guī)劃設(shè)計(jì)

威海市建筑氣候分區(qū)屬于寒冷地區(qū)，氣候特點(diǎn)屬于北溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，四季變化和季風(fēng)進(jìn)退都較明顯。與同緯度的內(nèi)陸地區(qū)相比，具有雨水豐富、年溫適中、氣候溫和的特點(diǎn)。威海市大陸度為54.1%，由于瀕臨黃海，受海洋的調(diào)節(jié)作用，表現(xiàn)出春冷、夏涼、秋暖、冬溫，晝夜溫差小、無霜期長、大風(fēng)多和濕度大等海洋性氣候特點(diǎn)。

威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心二號主題教育館建筑總平面規(guī)劃設(shè)計(jì)利于冬季日照利用，同時(shí)減少夏季得熱；建筑的主體南向略呈折線型，主要房間朝向?yàn)槟媳毕蚧蚪咏媳毕?，主要房間避開了冬季主導(dǎo)風(fēng)向（北向、東北向）和夏季最大日射朝向（西向）；過渡季及夏季采用南向可開啟外窗自然進(jìn)風(fēng)，利用中廳排風(fēng)口排風(fēng)，充分考慮了自然通風(fēng)要求。

建筑的體型系數(shù)為0.23，小于《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ14-036-2006規(guī)定的0.30。

2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法

該項(xiàng)目地上四層均屬于被動式低能耗建筑技術(shù)處理范圍。外墻采用200mm厚B1級石墨聚苯板，每層設(shè)置300mm寬巖棉防火隔離帶；屋面采用250mm厚擠塑聚苯板；地面采用100mm厚擠塑聚苯板；室外地坪以下外墻采用200mm厚泡沫玻璃。外墻、屋面、地面、接觸土壤的外墻的傳熱系數(shù)分別達(dá)到了0.15 W/(m²?K)、0.11 W/(m²?K)、0.24 W/(m²?K)、0.23 W/(m²?K)。

外門窗采用塑料型材，透明部分采用三玻兩腔雙Low-E中空充氬氣玻璃，玻璃配置為5Low-E+16Ar+5+16Ar+5Low-E，暖邊間隔條。整窗的傳熱系數(shù)達(dá)到0.80 W/(m2?K)，玻璃的太陽能總透射比g值為0.348。建筑的東向、西向及南向外窗設(shè)置了可自動感應(yīng)調(diào)節(jié)的活動外遮陽卷簾。

中庭上方兩側(cè)（南向和北向）采光天窗為木質(zhì)中懸窗，整窗傳熱系數(shù)達(dá)0.88 W/(m2?K)。采光天窗與消防系統(tǒng)聯(lián)動，作為排煙窗使用。其中南向天窗同樣設(shè)置了可自動感應(yīng)調(diào)節(jié)的活動外遮陽卷簾。

表2、表3給出了二號主題教育館項(xiàng)目外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)。

表2 二號主題教育館項(xiàng)目非透明外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)

表3 二號主題教育館項(xiàng)目透明外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)

3 可再生能源利用

建筑東立面安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng)，共計(jì)安裝44片非晶硅半透明BIPV組件，每片的功率為112W，系統(tǒng)裝機(jī)量為4928W。該系統(tǒng)預(yù)計(jì)年發(fā)電量約為4500kWh。所發(fā)電量并入樓層的低壓配電箱，在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行分配，與市政用電共同為建筑物的用電設(shè)備供電，滿足日常用電需求，包括樓宇照明等等。

該項(xiàng)目的外墻外保溫系統(tǒng)由山東秦恒科技股份有限公司提供，系統(tǒng)供應(yīng)包括保溫材料（石墨聚苯板、巖棉防火隔離帶）、聚合物砂漿（粘結(jié)砂漿、防護(hù)面層砂漿）、耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布、錨栓（敲擊式錨栓、斷熱橋射釘）及配套輔材（門窗連接線、滴水線條、鋁合金鋼護(hù)角、聚氨酯發(fā)泡膠）等一系列產(chǎn)品。

其中石墨聚苯板檢測結(jié)果為：表觀密度19.4kg/m³，壓縮強(qiáng)度109kPa，導(dǎo)熱系數(shù)（平均溫度為25℃時(shí)）0.033W/(m?K)，尺寸穩(wěn)定性（70±2℃，48h，長度方向）0.2%，水蒸氣透過系數(shù)2.3ng/(Pa?m?s)，吸水率1.7%，熔結(jié)性（斷裂彎曲負(fù)荷）27N，垂直于板面方向的抗拉強(qiáng)度0.18MPa，氧指數(shù)30.4%。

巖棉防火隔離帶檢測結(jié)果為：體積密度102kg/m³，酸度系數(shù)1.8，尺寸穩(wěn)定性0.2%，質(zhì)量吸濕率0.6%，導(dǎo)熱系數(shù)（平均溫度25℃時(shí)）0.042 W/(m?K)，垂直抗拉強(qiáng)度170kPa，燃燒性能A級，憎水率99%。

屋面、地面用擠塑聚苯板由濟(jì)寧市利豐源保溫材料有限公司供應(yīng)，其檢測結(jié)果為：導(dǎo)熱系數(shù)（平均溫度為25±2℃時(shí)）0.025 W/(m?K)，壓縮強(qiáng)度206 kPa。

接觸土壤的外墻保溫材料泡沫玻璃由河北中泰天成節(jié)能科技有限公司供應(yīng)，其檢測結(jié)果為：密度156 kg/m³，抗壓強(qiáng)度0.6 MPa，抗折強(qiáng)度0.51 MPa，吸水量0.3 kg/m²，透濕系數(shù)0.006 ng/(Pa?s?m)，導(dǎo)熱系數(shù)（平均溫度25±2℃時(shí)）0.057 W/(m?K)，垂直于板面方向的抗拉強(qiáng)度0.15 MPa，耐堿性0.4 kg/m²。

項(xiàng)目外墻涂料采用真石透氣漆，由威海市泰威涂料有限公司提供。經(jīng)檢測，其水蒸氣透濕率為58.3×10-8 g/(m²?s?Pa)。

項(xiàng)目外門窗型材由維卡塑料（上海）有限公司供應(yīng)，外窗整窗傳熱系數(shù)檢測值達(dá)到0.80W/(m²?K)。外窗三性檢測結(jié)果為：氣密性能正壓5級、負(fù)壓5級，水密性能3級，抗風(fēng)壓性能3級。

外門窗玻璃由北京金晶智慧有限公司提供，玻璃結(jié)構(gòu)為5mm鍍膜玻璃（Optisolar D80_5#）（室外側(cè)）+16Ar（95%氬氣+5%空氣）+5mm白玻+16Ar（95%氬氣+5%空氣）+5mm鍍膜玻璃（#Optilite S1.16_5）（室內(nèi)側(cè)）。經(jīng)檢測，玻璃的可見光透射比為64%，可見光反射比（室外側(cè)）為14%，太陽能總透射比（得熱系數(shù)）為0.348。采用window7計(jì)算，環(huán)境條件為NFRC 100-2010夏季的玻璃U值為0.763 W/(m²?K)，NFRC 100-2010冬季的玻璃U值為0.736 W/(m²?K)。

中庭上方兩側(cè)采光天窗采用威盧克斯GGL木質(zhì)中懸窗。整窗傳熱系數(shù)檢測值達(dá)到0.88 W/(m2?K)，氣密性能正壓8級、負(fù)壓8級，水密性能6級，抗風(fēng)壓性能9級。天窗配置真空中空復(fù)合玻璃，玻璃結(jié)構(gòu)（由內(nèi)至外）為5mm半鋼化+0.15真空層+5mm半鋼化Low-E+10A淺色暖便條沖氬氣+4mm鋼化玻璃，由青島新亨達(dá)真空玻璃技術(shù)有限公司供應(yīng)。

表4給出了威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心二號主題教育館項(xiàng)目所涉及的關(guān)鍵產(chǎn)品和材料的供應(yīng)商。

表4 威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心二號主題教育館關(guān)鍵產(chǎn)品和材料供應(yīng)商

本項(xiàng)目冷熱源為土壤源熱泵系統(tǒng)，夏季提供7/12℃冷水，冬季提供45/50℃熱水，末端采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。展覽館、體驗(yàn)館等各區(qū)域設(shè)置帶有全熱交換器的送、排風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)量按《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）的要求，教室每人24m³/h，辦公室每人30m³/h。新風(fēng)系統(tǒng)熱交換器溫度回收效率不小于75%，最大程度地回收了排風(fēng)能量，達(dá)到節(jié)能的目的。

空調(diào)水系統(tǒng)采用兩管制，采用一次泵末端變流量系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)盤管支管設(shè)電動兩通閥，樓內(nèi)立管采用異程式，每層采用同程式，全熱交換器排風(fēng)段設(shè)置監(jiān)測探頭，監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度、PM2.5濃度，作為新風(fēng)、排風(fēng)啟停的控制依據(jù)。一層大廳設(shè)置地板輻射采暖，夏季關(guān)閉熱力入口閥門。

威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心二號主題教育館運(yùn)營時(shí)間為每年3月15日至6月15日，以及9月15日至12月15日。寒假日期為12月16日至3月14日，共89天；暑假日期為6月16日至9月14日，共91天。夏季上課時(shí)間為：上午8:30至11：30，下午14：00至17：00；冬季上課時(shí)間為：上午8:30至11：30，下午13：30至16：30。

二號主題教育館體驗(yàn)館部分的同時(shí)使用系數(shù)為33%，辦公室部分的同時(shí)使用系數(shù)按100%考慮。室內(nèi)共472人（教師50人，學(xué)生422人），該人數(shù)考慮了體驗(yàn)館33%的同時(shí)使用系數(shù)。

本項(xiàng)目的溫度控制條件為：非寒暑假期間，工作時(shí)間，冬季室內(nèi)控制溫度20℃，夏季室內(nèi)控制溫度26℃；非寒暑假期間，非工作時(shí)間，冬季室內(nèi)控制溫度15℃，夏季室內(nèi)不控制溫度；寒暑假期間，考慮到被動式低能耗建筑自身良好的保溫隔熱性能和熱惰性，冬季、夏季室內(nèi)均不控制溫度。

為考量建筑真正的建筑能效，本項(xiàng)目能耗分析給出了不扣除寒暑假的情況下，建筑的熱需求和冷需求，同時(shí)也根據(jù)實(shí)際運(yùn)營情況給出了扣除寒暑假后的熱需求、冷需求計(jì)算結(jié)果。最終的終端能耗、一次能源需求、CO2排放計(jì)算，是以考慮實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)的扣除寒暑假后的熱需求、冷需求為依據(jù)給出的。

采用逐時(shí)的熱平衡計(jì)算方法進(jìn)行能耗分析，以11月1日至次年4月30日作為采暖計(jì)算期（共計(jì)181天），該項(xiàng)目不扣除寒假的采暖需求為6.65 kWh/(m²?a)，扣除寒假的采暖需求為1.60 kWh/(m²?a)。以7月21日至8月15日作為制冷計(jì)算期（共計(jì)26天），該項(xiàng)目不扣除暑假的制冷需求為3.13kWh/(m²?a)，扣除暑假的制冷需求為0kWh/(m²?a)。

將采暖、制冷、通風(fēng)、照明、電器設(shè)備五部分能耗全部考慮在內(nèi)（本項(xiàng)目無生活熱水設(shè)施），該項(xiàng)目的終端能源需求、總一次能源需求、CO2排放量分別為9.58 kWh/(m²?a)、28.74 kWh/(m²?a)和9.55 kg/(m²?a)。

表5 二號主題教育館能源需求技術(shù)指標(biāo)（扣除寒暑假）

注：寒假日期是6月16日-9月14日，制冷日期全部處于暑假期間，故沒有冷需求。

表6 二號主題教育館采暖期能量得失平衡（扣除寒暑假）

圖3 采暖需求構(gòu)成分析圖

表7 二號主題教育館一次能源需求指標(biāo)及CO2排放分析結(jié)果（扣除寒暑假）

2016年9月28日，德國能源署和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心對威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心二號主題教育館項(xiàng)目的施工質(zhì)量進(jìn)行了全面的檢查。認(rèn)為施工整體質(zhì)量很好，滿足中德合作高能效—被動式低能耗建筑的質(zhì)量要求。

建筑氣密性檢測由山東省建筑科學(xué)研究院實(shí)施，測試針對整棟建筑進(jìn)行，計(jì)算換氣體積為23602.175m³。正壓測試結(jié)果n+50為0.13h^-1，負(fù)壓測試結(jié)果n-50為0.13h^-1，均值n±50為0.13h^-1，符合被動式低能耗建筑對于建筑氣密性的要求n±50≤0.6h^-1。

2016年10月12日，在第十五屆中國國際住宅產(chǎn)業(yè)暨建筑工業(yè)化產(chǎn)品與設(shè)備博覽會上，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心文林峰副主任和德國能源署Nicole Pillen女士共同向項(xiàng)目建設(shè)單位威海市教育局頒發(fā)了威海市中小學(xué)生綜合實(shí)踐教育中心二號主題教育館的中德合作高能效建筑—被動式低能耗建筑質(zhì)量標(biāo)識。

圖4 中德合作高能效建筑—被動式低能耗建筑質(zhì)量標(biāo)識

本項(xiàng)目為我國首個被動式低能耗學(xué)校建筑的項(xiàng)目，對于探索我國學(xué)校建筑類型的能耗、建立適用于學(xué)校建筑的能耗指標(biāo)體系具有重要意義。從本項(xiàng)目的能耗分析結(jié)果來看，其總一次能源需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于被動式低能耗建筑通常所謂的120 kWh/(m²?a)。

這一方面取決于威海地區(qū)的氣候條件并不十分嚴(yán)酷，其冬季室外最低逐時(shí)溫度為-3.7℃，夏季室外最高逐時(shí)溫度為29.8℃；另一方面則是由學(xué)校建筑的使用特點(diǎn)決定的，一是由于寒暑期放假，建筑在每年最冷/熱的季節(jié)無運(yùn)營能耗，二是學(xué)校，特別是中小學(xué)，用電設(shè)備較少。

以上這些特點(diǎn)決定了學(xué)校建筑較低的總一次能源需求。當(dāng)然，除了理論分析以外，我們要在本項(xiàng)目，以及已經(jīng)建成的其他同類型建筑，如北戴河團(tuán)林實(shí)驗(yàn)學(xué)校、北戴河新區(qū)大蒲河小學(xué)等項(xiàng)目上，做好能耗監(jiān)測工作，以期獲得第一手實(shí)測數(shù)據(jù)，完善我國不同建筑類型的被動式低能耗建筑的能耗指標(biāo)體系，切忌出現(xiàn)能耗指標(biāo)“一刀切”的現(xiàn)象。

本項(xiàng)目采用土壤源熱泵作為夏季冷源，末端采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)控制建筑物夏季的室內(nèi)舒適度。該種做法應(yīng)該說是較為保守的方案。

在北方沿海一帶，如威海、大連等地，夏季溫度并不太高，或者出現(xiàn)高溫的時(shí)間較為短暫，而夜間較為涼爽，通風(fēng)情況良好，當(dāng)?shù)卮蟛糠志用癫]有使用空調(diào)的生活習(xí)慣。

當(dāng)在該類地區(qū)建設(shè)被動式低能耗建筑時(shí)，由于建筑本身的熱工性能、隔熱性能較好，再輔之以夜間通風(fēng)等自然制冷手段，或許可實(shí)現(xiàn)夏季不采用任何主動式制冷手段的效果?；氐奖卷?xiàng)目的后續(xù)工作，依然是要做好室內(nèi)環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控工作，實(shí)測制冷期內(nèi)室內(nèi)溫度、外墻內(nèi)壁溫度、制冷設(shè)備啟動情況等，為本地區(qū)后續(xù)高能效建筑項(xiàng)目提供實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。