幼兒園建筑低碳設計探討

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1引言

《京都議定書》簽訂以后，氣候變化已成為全球范圍內的重點議題，減少溫室氣體的排放以應對氣候變暖成為世界范圍內的共識，各大經濟體均提出“碳減排”、“碳中和”的目標，如美國、日本和歐盟均承諾2050年達到碳中和。2020年9月，中國也做出承諾——力爭于2030年前達到二氧化碳排放峰值，并努力爭取2060年前實現碳中和。2018年，我國建筑全壽命周期碳排放總量是CO249.3億t，占全國能源總碳排放量的50%以上，并且還在呈上升趨勢[1]，因此，在國家“雙碳政策”的背景下，建筑行業發展低碳化、甚至零碳化的技術路線將成為未來的趨勢。本文以南京市南部新城新建零碳幼兒園為案例，初步探討建筑全壽命周期內夏熱冬冷地區公共建筑低碳化設計的技術路線。

2工程概況

本項目位于江蘇省南京市秦淮區，東北兩側緊鄰規劃住宅用地，規劃用地面積約4071.31m2，綠地面積1425.27m2，總建筑面積3121.56m2，容積率0.63，綠地率35.01%，其中1#單體為框架結構，地上3層，主要功能為活動單元、專用教室、教師辦公室等，地下1層主要功能為廚房、設備用房等后勤輔助用房；2#單體采用木結構形式，地上1層為多功能活動室，地下1層為設備用房。該項目設計原則一是選擇綠色建材和裝修材料，通過合理朝向和空間布局盡可能最大化利用自然通風和自然采光；二是盡量使用可再生能源。通過“被動式+主動式”設計，降低能源需求大約20%。

3機電系統節能設計

3.1空調系統

首先，本項目緊鄰高端住宅G107地塊項目，該住宅項目設置集中空調系統，冷熱源采用土壤源熱泵系統，考慮到本項目相比G107項目體量較小，經過與住宅項目開發商協商，幼兒園空調末端接入G107地塊的地源熱泵大系統，幼兒園地塊內不再單獨設置冷熱源。G107地塊項目設置了1020口地源井，采用雙U型地埋管換熱器，有效深度120m，通過1臺螺桿式地源熱泵機組向住宅新風系統和幼兒園空調末端供冷和供熱。冬季，熱泵機組從巖土體中吸收熱量，向建筑物供暖，供回水溫度45/39℃；夏季，熱泵機組從室內吸收熱量并轉移釋放到巖土體中，實現建筑物空調制冷，供回水溫度6/12℃，在保證舒適室內環境的同時能盡量減少空調系統運行能耗和碳排放。其次，新風系統采用帶除霾功能（PM2.5去除率≥95%）的全熱回收新風機組，熱回收效率在65%以上，在有效降低建筑物新風負荷的同時保證健康的室內環境要求。

3.2水電系統

首先，采用了“光儲直柔”技術的太陽能光伏系統。各照明場所照明功率密度值按國標《建筑照明設計標準》（GB50034—2013）和《江蘇省綠色建筑設計標準》（DGJ32/J173-2014）中規定的目標值執行，各照明場所選用高效燈具，開敞式不低于75%，辦公等大面積照明場所燈具效率不低于70%，功率因數不小于0.9。照明系統采取節能延時開關控制、定時控制、照度調節等節能控制措施。其次，設置中水回用系統，進一步提高非傳統水源利用率，降低碳排放。

3.3可再生能源系統

本項目應用的可再生能源主要有地源熱泵、太陽能生活熱水以及光伏發電；生活熱水全部來自太陽能，其供能量不計入生活熱水耗能量。2#單體（多功能活動室）設計了光儲直流光伏發電系統，屋頂安裝了容量為15kWp固定式多晶硅光伏發電系統，并配合建設一套化學儲能單元，24kWh磷酸鐵鋰電池。當光照充足時，該系統可供活動室全部建筑用電、儲能系統充電，余電供北側樓（1#單體）使用；光照不足時，由儲能系統給多功能活動室供電。同時建設一套電源配電系統，用于對分布式電源和負荷進行組網運行，實現對各個就地支路的測量與控制，整個系統運行模式通過設置可自動轉換，光伏發電自發自用，與電網并網不上網。根據測算，該光伏發電系統理論年發電量約1.64萬kWh（折合成減少的碳排放量約CO213275.8kg/a）。

3.4控制系統

設置智慧建筑管理平臺，集成能耗監測、水質監測、室內外空氣質量監測、水暖電設備控制等功能，保證建筑機電系統的節能低碳運行。

4被動式建筑設計

4.1朝向和空間布局

本項目兩棟單體基本建筑功能分區如圖1所示，1#單體坐北朝南，保證了幼兒園室外活動場地和活動單元房有充足的光照，2#多功能活動室設置在南側，且與1#單體保持12.20m的間距，既保證了多功能活動室的采光，又避免了對1#單體東側活動單元房的遮擋。1#單體為三層建筑，體型扁平，為解決內區的采光、自然通風問題，在建筑東西兩側采用了中庭設計，夏季和過渡季節，可以利用“煙囪”效應，通過中庭垂直通道實現自然通風，改善室內微氣候，減少夏季大廳空調開啟時間。屋頂的天窗系統采用的是太陽能動力窗技術，智能開關由太陽能供電，實現年能源消耗低于25kWh/（m2.a），而且剩余的能量負荷能通過擋光板抵消殆盡。

4.2圍護結構熱工設計

對于夏熱冬冷地區而言，圍護結構保溫性能對建筑物整體能耗的影響不如寒冷和嚴寒地區。根據文獻[2]，對于夏熱冬冷地區建筑物，加強外墻保溫利于降低冬季空調熱負荷，但會增加空調季的制冷能耗，并且當外墻保溫性能達到一定值后，再加強保溫性能對于建筑空調負荷的影響就比較小了，因此，外墻保溫性能存在一個經濟上限值。

4.3外墻開窗和遮陽設計

夏熱冬冷地區的建筑，外墻可開窗面積越大，越利于自然采光和通風，但同時也會帶來建筑能耗的增加，因此需要進行合理的窗墻面積比計算來保證既充分利用自然采光和通風，又避免建筑能耗損失。同時，再輔助合理的遮陽措施可以有效降低夏季建筑物輻射得熱。本項目兩個單體各方向外窗窗墻面積比均遠小于《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）要求的限值，外墻開窗和遮陽設計詳見表1。

4.4木結構設計

2#單體（多功能活動室）采用以膠合木（膠合層壓木材，簡稱GLT）為主的木結構設計，建筑高度為6.10m，屬于單層建筑。相比傳統建筑，采用木材為主要建材的建筑利于減少建造階段的碳排放，根據相關研究，建造階段單位建筑面積鋼結構、混凝土和木結構（落葉松）建材的二氧化碳排放量分別為CO2396kg/m2、CO2259kg/m2、CO210.6kg/m2[3]，木結構建筑碳排放量遠低于傳統建筑，且木材原料為自然生產，其生長過程對于人類環境而言具有二氧化碳匯聚和固定的能力，這是其他傳統建材無法比擬的，木材是“唯一真正天然和可再生的建筑材料”。本項目所采用的膠合木是一種優質、美觀、可降解的工程復合材料，廣泛應用于橋梁、建筑等工程領域。得益于木結構設計，2#單體建材生產階段單位平方建筑面積碳排放量僅200KgCO2/m2，遠小于傳統建筑。綜上，本項目建筑主要建材生產階段碳排放總量Cm=1476270kgCO2。此外，為了配合2#單體的木結構裝修效果，空調機房設置于地下室，并在多功能活動室四周布置僅高出地面1.5m左右的送回風豎井，采用下部送風、下部回風的空調氣流組織形式，通過控制出風口風速，使氣流在浮升力的作用下以類似層流的方式置換室內氣體。該送風方式可以直接將新鮮空氣送入低位人員活動區，形成分層空調的效果，與傳統的混合通風相比，該送風形式可為多功能活動室提供較高的環境質量（熱舒適性與空氣品質）和能量利用效率[4]。

5結語

幼兒園建筑由于其規模小、能耗低、運營管理易控，易于實現和操作零碳建筑技術，在推廣零碳建筑方面具有先天優勢。建材生產階段使用了低碳木材（2#單體為木結構設計），建筑使用階段對可再生能源（地源熱泵、太陽能熱水、光伏發電）的應用，以及本項目作為幼兒園建筑的使用特點——寒暑假期使得建筑在全年使用過程中避開了高能耗的時段。所以相比傳統公建類項目，本項目通過“被動式+主動式”低碳設計，充分降低了建筑碳排放，并達成2#單體零碳屋的設計目標，為推進建筑領域碳減排、協同推動能耗強度和碳排放強度下降貢獻一份力量，助力實現“雙碳”目標。

參考文獻

[1]中國建筑能耗研究報告2020[J].建筑節能(中英文)，2021，49（2）：1-6.

[2]吳敏莉.夏熱冬冷地區居住建筑墻體保溫節能特性研究[D].浙江：浙江大學，2014.

[3]曾杰，俞海勇，張德東，楊輝，蔡維森.木結構材料與其他建筑結構材料的碳排放對比[J].木材工業，2018，32（1）：28-32.

[4]譚洪衛，村田敏夫.劇場空間置換空調系統的應用研究之一：地上側送風方式[J].暖通空調，2003（3）：21-23.

作者:徐正宏 楊劍峰 徐涵 單位:江蘇龍騰工程設計股份有限公司 南京市新型建筑工業化工程研究中心