幼儿园建筑低碳设计探讨

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1引言

《京都议定书》签订以后，气候变化已成为全球范围内的重点议题，减少温室气体的排放以应对气候变暖成为世界范围内的共识，各大经济体均提出“碳减排”、“碳中和”的目标，如美国、日本和欧盟均承诺2050年达到碳中和。2020年9月，中国也做出承诺——力争于2030年前达到二氧化碳排放峰值，并努力争取2060年前实现碳中和。2018年，我国建筑全寿命周期碳排放总量是CO249.3亿t，占全国能源总碳排放量的50%以上，并且还在呈上升趋势[1]，因此，在国家“双碳政策”的背景下，建筑行业发展低碳化、甚至零碳化的技术路线将成为未来的趋势。本文以南京市南部新城新建零碳幼儿园为案例，初步探讨建筑全寿命周期内夏热冬冷地区公共建筑低碳化设计的技术路线。

2工程概况

本项目位于江苏省南京市秦淮区，东北两侧紧邻规划住宅用地，规划用地面积约4071.31m2，绿地面积1425.27m2，总建筑面积3121.56m2，容积率0.63，绿地率35.01%，其中1#单体为框架结构，地上3层，主要功能为活动单元、专用教室、教师办公室等，地下1层主要功能为厨房、设备用房等后勤辅助用房；2#单体采用木结构形式，地上1层为多功能活动室，地下1层为设备用房。该项目设计原则一是选择绿色建材和装修材料，通过合理朝向和空间布局尽可能最大化利用自然通风和自然采光；二是尽量使用可再生能源。通过“被动式+主动式”设计，降低能源需求大约20%。

3机电系统节能设计

3.1空调系统

首先，本项目紧邻高端住宅G107地块项目，该住宅项目设置集中空调系统，冷热源采用土壤源热泵系统，考虑到本项目相比G107项目体量较小，经过与住宅项目开发商协商，幼儿园空调末端接入G107地块的地源热泵大系统，幼儿园地块内不再单独设置冷热源。G107地块项目设置了1020口地源井，采用双U型地埋管换热器，有效深度120m，通过1台螺杆式地源热泵机组向住宅新风系统和幼儿园空调末端供冷和供热。冬季，热泵机组从岩土体中吸收热量，向建筑物供暖，供回水温度45/39℃；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到岩土体中，实现建筑物空调制冷，供回水温度6/12℃，在保证舒适室内环境的同时能尽量减少空调系统运行能耗和碳排放。其次，新风系统采用带除霾功能（PM2.5去除率≥95%）的全热回收新风机组，热回收效率在65%以上，在有效降低建筑物新风负荷的同时保证健康的室内环境要求。

3.2水电系统

首先，采用了“光储直柔”技术的太阳能光伏系统。各照明场所照明功率密度值按国标《建筑照明设计标准》（GB50034—2013）和《江苏省绿色建筑设计标准》（DGJ32/J173-2014）中规定的目标值执行，各照明场所选用高效灯具，开敞式不低于75%，办公等大面积照明场所灯具效率不低于70%，功率因数不小于0.9。照明系统采取节能延时开关控制、定时控制、照度调节等节能控制措施。其次，设置中水回用系统，进一步提高非传统水源利用率，降低碳排放。

3.3可再生能源系统

本项目应用的可再生能源主要有地源热泵、太阳能生活热水以及光伏发电；生活热水全部来自太阳能，其供能量不计入生活热水耗能量。2#单体（多功能活动室）设计了光储直流光伏发电系统，屋顶安装了容量为15kWp固定式多晶硅光伏发电系统，并配合建设一套化学储能单元，24kWh磷酸铁锂电池。当光照充足时，该系统可供活动室全部建筑用电、储能系统充电，余电供北侧楼（1#单体）使用；光照不足时，由储能系统给多功能活动室供电。同时建设一套电源配电系统，用于对分布式电源和负荷进行组网运行，实现对各个就地支路的测量与控制，整个系统运行模式通过设置可自动转换，光伏发电自发自用，与电网并网不上网。根据测算，该光伏发电系统理论年发电量约1.64万kWh（折合成减少的碳排放量约CO213275.8kg/a）。

3.4控制系统

设置智慧建筑管理平台，集成能耗监测、水质监测、室内外空气质量监测、水暖电设备控制等功能，保证建筑机电系统的节能低碳运行。

4被动式建筑设计

4.1朝向和空间布局

本项目两栋单体基本建筑功能分区如图1所示，1#单体坐北朝南，保证了幼儿园室外活动场地和活动单元房有充足的光照，2#多功能活动室设置在南侧，且与1#单体保持12.20m的间距，既保证了多功能活动室的采光，又避免了对1#单体东侧活动单元房的遮挡。1#单体为三层建筑，体型扁平，为解决内区的采光、自然通风问题，在建筑东西两侧采用了中庭设计，夏季和过渡季节，可以利用“烟囱”效应，通过中庭垂直通道实现自然通风，改善室内微气候，减少夏季大厅空调开启时间。屋顶的天窗系统采用的是太阳能动力窗技术，智能开关由太阳能供电，实现年能源消耗低于25kWh/（m2.a），而且剩余的能量负荷能通过挡光板抵消殆尽。

4.2围护结构热工设计

对于夏热冬冷地区而言，围护结构保温性能对建筑物整体能耗的影响不如寒冷和严寒地区。根据文献[2]，对于夏热冬冷地区建筑物，加强外墙保温利于降低冬季空调热负荷，但会增加空调季的制冷能耗，并且当外墙保温性能达到一定值后，再加强保温性能对于建筑空调负荷的影响就比较小了，因此，外墙保温性能存在一个经济上限值。

4.3外墙开窗和遮阳设计

夏热冬冷地区的建筑，外墙可开窗面积越大，越利于自然采光和通风，但同时也会带来建筑能耗的增加，因此需要进行合理的窗墙面积比计算来保证既充分利用自然采光和通风，又避免建筑能耗损失。同时，再辅助合理的遮阳措施可以有效降低夏季建筑物辐射得热。本项目两个单体各方向外窗窗墙面积比均远小于《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）要求的限值，外墙开窗和遮阳设计详见表1。

4.4木结构设计

2#单体（多功能活动室）采用以胶合木（胶合层压木材，简称GLT）为主的木结构设计，建筑高度为6.10m，属于单层建筑。相比传统建筑，采用木材为主要建材的建筑利于减少建造阶段的碳排放，根据相关研究，建造阶段单位建筑面积钢结构、混凝土和木结构（落叶松）建材的二氧化碳排放量分别为CO2396kg/m2、CO2259kg/m2、CO210.6kg/m2[3]，木结构建筑碳排放量远低于传统建筑，且木材原料为自然生产，其生长过程对于人类环境而言具有二氧化碳汇聚和固定的能力，这是其他传统建材无法比拟的，木材是“唯一真正天然和可再生的建筑材料”。本项目所采用的胶合木是一种优质、美观、可降解的工程复合材料，广泛应用于桥梁、建筑等工程领域。得益于木结构设计，2#单体建材生产阶段单位平方建筑面积碳排放量仅200KgCO2/m2，远小于传统建筑。综上，本项目建筑主要建材生产阶段碳排放总量Cm=1476270kgCO2。此外，为了配合2#单体的木结构装修效果，空调机房设置于地下室，并在多功能活动室四周布置仅高出地面1.5m左右的送回风竖井，采用下部送风、下部回风的空调气流组织形式，通过控制出风口风速，使气流在浮升力的作用下以类似层流的方式置换室内气体。该送风方式可以直接将新鲜空气送入低位人员活动区，形成分层空调的效果，与传统的混合通风相比，该送风形式可为多功能活动室提供较高的环境质量（热舒适性与空气品质）和能量利用效率[4]。

5结语

幼儿园建筑由于其规模小、能耗低、运营管理易控，易于实现和操作零碳建筑技术，在推广零碳建筑方面具有先天优势。建材生产阶段使用了低碳木材（2#单体为木结构设计），建筑使用阶段对可再生能源（地源热泵、太阳能热水、光伏发电）的应用，以及本项目作为幼儿园建筑的使用特点——寒暑假期使得建筑在全年使用过程中避开了高能耗的时段。所以相比传统公建类项目，本项目通过“被动式+主动式”低碳设计，充分降低了建筑碳排放，并达成2#单体零碳屋的设计目标，为推进建筑领域碳减排、协同推动能耗强度和碳排放强度下降贡献一份力量，助力实现“双碳”目标。

参考文献

[1]中国建筑能耗研究报告2020[J].建筑节能(中英文)，2021，49（2）：1-6.

[2]吴敏莉.夏热冬冷地区居住建筑墙体保温节能特性研究[D].浙江：浙江大学，2014.

[3]曾杰，俞海勇，张德东，杨辉，蔡维森.木结构材料与其他建筑结构材料的碳排放对比[J].木材工业，2018，32（1）：28-32.

[4]谭洪卫，村田敏夫.剧场空间置换空调系统的应用研究之一：地上侧送风方式[J].暖通空调，2003（3）：21-23.

作者:徐正宏 杨剑峰 徐涵 单位:江苏龙腾工程设计股份有限公司 南京市新型建筑工业化工程研究中心