小编： 以德国北部地区能源学校项目为例，探索在寒冷地区气候环境下建设近零能耗且具有良好室内环境品质与功能排布的智能化教育建筑的可持续改造设计策略和技术方法。对学校主楼的建
建筑物占全球一次能源使用总量的30%～40%，建筑行业在减少一次能源使用和减少CO2排放方面具有巨大潜力，例如减少了供暖需求，提高了能源供应链效率，并更多地使用了可再生资源作为材料和燃料[1]。作为当今世界第一能源消费大国，我国在建筑领域的能源消耗总量正持续上升，因此建筑可持续设计理念的发展势在必行[2]。我国北方地区由于气候寒冷，供暖周期长，能源消耗量大。2019年，我国北方地区冬季供暖能耗约占全国建筑能耗的20.12%[3]，节能问题十分突出。同时，该地区存有大量本世纪初建造的中小型公共建筑[4]，虽然建筑整体功能结构相对完好，但其保温隔热能力与室内环境质量普遍不达标，受供暖的影响室内温度往往波动巨大，同时受建筑热桥与空调问题的影响，室内结露与干燥问题频发。
根据Torcellini等人的定义[5]，一次能源净支出可以达到平衡或达到正盈余的建筑物被称为近零能耗建筑。当前，我国多数研究普遍认可运营阶段的能耗开支在建筑整个生命周期中的能耗占比巨大，而对生产阶段与回收阶段的关注不足，根据Thormark的最新研究发现，在低能耗建筑中，生产阶段能源消耗占整个生命周期一次能源使用量的45%，其能耗占比甚至超过了运营阶段[6]。这说明仅专注于优化运营阶段的节能设计可能会导致其他生命周期阶段的潜在折衷，促使其生产阶段能耗大幅上升最终反而增大了整体的能源使用量。因此，应系统化地关注建筑物的所有生命周期阶段，以及从自然资源到最终能源服务的整个能源链，评估设计方法与技术市场，以减少建筑物的一次能源使用。
路透社哈根(Reutershagen)高中能源学校项目(以下简称能源高中)位于德国北部梅克伦堡州罗斯托克(Rostock)市，由维斯马应用技术大学(HochschuleWismar)联合多个能源研究机构共同设计完成，是德国3个建筑节能示范项目之一。能源高中以可持续理念为设计准则，以德国前沿节能技术体系为依托，从方案设计、建造施工、运营管理3个重要环节调控建筑性能，实现对即有建筑的环境体验与能源效率升级，以达到建筑生产和消耗的一次能源平衡目标。项目地区气候条件与我国寒冷地区极为相似，由于是教育类建筑，改造设计需要减少建筑整体能源消耗的同时还必须满足室内使用舒适度的较高要求。2006年-2016年，建筑的改造过程共分为5个阶段。期间对建筑进行了多次测试与审查，来评估预期的设计目标是否可以顺利达成，并结合技术支持的建议与甲方变化的需求进行了多次调整，其整体的设计与建造过程充分体现了建筑设计与技术更新的融合，可为我国寒冷地区既有建筑的可持续改造设计与实践提供蓝本。
1方案设计
能源高中原主楼位于校园南侧，分别与体育馆和花圃通过1层廊道相连接，共3层，建筑面积4697m2。新的改造方案将主楼向北侧扩建，拆除了连廊，新建筑共4层，地下1层，地上3层，总建筑面积6998m2(见图1、2)。翻新方案主要以实现节能减排与提升空间舒适度为目标，通过与方案设计相集成化节能技术和可持续的能源管控措施加以实现。
在建筑设计阶段，通过对主楼原有结构进行评估，并结合运营成本与生产成本的综合测算，对建筑设计形式的各项参数进行优化选择。通过对交通空间与采光形式的设计，使建筑在冬季可以获得最大程度的太阳辐射得热，同时增加了室内空间的自然采光能力;在建筑形体方面，新建筑的体形系数维持在0.25的较低水平，减少了建筑外表面的热散失情况;在建筑外围护结构的形式设计上，充分考虑与光伏系统相集成，通过对朝向的细微调整，使太阳能利用效率最大化。 图1路透社哈根高中主楼外观 下载原图 Fig.1MainbuildingexteriorofReutersHagenHighSchool 图2改造设计方案 下载原图 Fig.2Transformationdesignplan 图片来源:维斯马应用技术大学建筑+能源+灯光规划研究所，由作者翻译并绘制
2可持续设计策略与节能技术做法
能源高中采用主动式与被动式技术相结合的可持续设计理念，其中对德国多种最新的施工技术做法和智能控制系统进行尝试与实践，提高建筑的可再生资源利用占比，降低建筑全生命周期中对资源的消耗，并为使用者提供一个满足功能要求，且健康、舒适的工作及生活空间，同时研究在更新后的技术体系下建筑的运行效果是否达到了能源设计预期。
2.1围护结构优化设计
2.1.1围护结构外保温设计
罗斯托克市位于德国北部地区，与我国寒冷地区气候环境相似，冬季漫长，建筑采暖能耗巨大，因此围护结构的保温隔热性能是建筑节能设计的重点。能源高中采用了德国多种最新的预制隔热建材和工程技术做法，以优化围护结构的保温、热桥和气密性构造，同时利用光伏系统集成化设计与计算机管控体系，使建筑围护结构对环境变化的反馈更加智能化。
主楼的围护结构设计根据建筑物的物理要求对不同朝向的外立面采用了不同的设计方法，南立面外墙夏季太阳辐射得热较高，因此重点考虑光伏与隔热设计;而采光要求较高的北立面则设计了面积较大的开窗尺寸，同时结合高强度的立面隔热设计使北立面整体U值达标;西部和东部的外墙也配备了额外的保温构造做法。外墙保温均采用了预制真空隔热板材;屋顶保温采用憎水岩棉板;地下室在原有结构基础上向外拓宽并外贴挤塑乙烯板进行保温设计(见图3)。建筑外门和外窗均采用了3层Low-E玻璃，且气密性符合被动房标准(在室内外压差50Pa情况下，建筑整体换气次数少于0.6次)。表1列举了围护结构各部分U值在改造前后的数值变化，从中可看出改造后的建筑在围护结构隔热能力方面的巨大提高。 图3南侧围护结构更新做法详图 下载原图 Fig.3Detailsoftheupdatemethodofthesouthenvelope 图片来源:维斯马应用技术大学建筑+能源+灯光规划研究所，由作者翻译并绘制
2.1.2新型技术尝试
能源学校在结构更新方面采取了多种创新设计，使用了新型的预制原生木架结构，这种做法在减少结构荷载的同时可以提高建筑物的可循环资源使用效率，促进建筑在整个生命周期中达到一次能源平衡的设计预期。此外，预制的原木外墙板构造具有极佳的可分离性，从而确保了材料的可回收性(见图4(a));在楼板的施工中采用了德国特有的Cobiax技术(见图(4b))，这是一种由可循环塑料制成的空心顶棚系统，作为部分预制天花板中的钢筋混凝土置换体。其具体做法是将一种总厚度为26cm和30cm的预制空心球体安置于钢筋模板上，施工后的整体楼板依然具有与实心楼板相同的承载能力。Cobiax技术可以减轻结构重量并大大提高经济性和资源利用效率，减少了制造大型混凝土组件时的生产消耗和建筑整体的一次能源需求，是一种全新的技术尝试;结构保温层采用了德国最新的预制真空隔热板材，具有极强的隔热能力(见图4(c))，在中庭空间的设计中采用了气压支撑的屋顶和外墙结构，立面采用ETFE膜体，其整体结构荷载极低，在降低中庭围护结构热传递的同时增大了对太阳辐射热的采集能力，使这一区域形成了一个连接建筑室内外的气候缓冲地带(见图4(d))。 表1改造前后各部分围护结构U值对比 Table1ComparisonofUvalueofeachpartoftheenvelopestructurebeforeandaftertransformation 下载原表 图4新型材料与构造做法 下载原图 Fig.4Newmaterialsandconstructionpractices
2.2室内热环境和光环境设计
为了提高建筑热环境和光环境的舒适度，能源学校几乎所有的交通空间都采用了通高设计，并在屋顶设置了可机械开关的天窗，大量引入自然光。天窗面积达到585m2占屋顶面积的19.1%，天窗结合结构设计与屋顶平面成40°～45°倾角，在增大有效自然光采集效率的同时减少了室内眩光影响，且均设有电动开启窗扇和外遮阳构件并连接到建筑的管控系统中，用以智能化地调控室内光热环境。在夏季，开启的天窗与侧向长窗可以促进自然通风情况，同时通高的交通空间有助于形成烟囱效应，使室内变得更加凉爽;在冬季，通过天窗可以采集大量的太阳辐射热，在交通空间形成温室气候区，结合建筑内部的热空气运动设计，提高房间温度，减少采暖能耗。
利用Honeybee对能源学校教室内的室内天然采光能力进行分析，依据UDI(UsefulDaylightIlluminance)评价标准，评估室内天然采光在全年时间内是否处于300～2000lx这个范围内的有效自然光参数。结果表明，能源学校1层功能区域自然光有效照度为72.2%,1层北侧标准教室工作面上自然光有效照度为70.9%,1层南侧标准教室工作面上自然光有效照度为87.4%(见图5)，建筑自然采光能力极佳，且室内光环境良好，有效地减少了人工照明能耗开支。由于建筑交通空间采用通高中庭设计，屋顶开有大量天窗，结合实际使用效果来看，在阳光充足的7月至9月间，建筑白天的运营基本上不需要使用人工光源，与普通的教育建筑相比大大降低了照明能耗。 图5首层建筑功能区域自然采光能力分布 下载原图 Fig.5Distributionofnaturallightingcapacityinthefunctionalareaofthefirstfloor
2.3能源优化设计策略
能源高中在能源优化利用方面大胆地使用了德国多种最新的设计策略和技术方法，并从结果上来看，这些全新的尝试大大提高了建筑的能源使用效率。
2.3.1能源设计概念
该项目能源概念针对的是基于一次能源提出解决方案，最开始设计了大量使用热太阳能的概念，但基于周边市政环境，采取集中供暖更加经济高效，因此在一次能源供暖方面对太阳能的过大投入是不合适的。在重新设计和调研后，没有实施大规模的太阳能发热系统，而是倾向于使用集成光伏系统，用于热能发电的区域也都被光伏系统的元件所取代(见图6(a))。在供热方面，建筑采用热水供暖，其能源供应通过罗斯托克市的区域集中供暖来实现。由于当地气候环境特点，在夏季并没有设计主动式的制冷措施。
关于电能的供应方案，除了使用与建筑物集成的光伏发电系统外，还设计使用了两个微型风力涡轮机(见图6(b))和一个ORC系统(见图6(c))。ORC系统的原型是一种特殊的热组合发电系统设计概念，即利用热水管网的温度差发电。系统使用了专门针对低温差异的循环动力涡轮机，其工作原理为热水被冷却到50℃时其一部分热量被传递到运动的流体中，之后在被加压至沸腾的流体通过热交换器冷凝，并通过热泵返回至主热交换器，期间所产生的冷凝物在40℃的温度下将提供稳定的热量使冷凝器的风扇产生25℃的热空气。该措施预计可以产生50kW的热输出和3～4kW的电功率，被使用在学校的内部空气供应系统中。该设施是世界上独一无二的创新技术，作为该项目节能设计的一部分进行实验性质的科学研究，以便将来在学校建设中得到应用。该能源概念通过招标和调试阶段，但项目后期由于所涉公司破产，对部分内容进行了修改后实施。
2.3.2供暖设计
能源高中供暖设计与常规设计区别很大，主要分为两部分(见图7(a)):(1)房间基本供暖是通过安装在墙壁上靠近地面区域的踢脚辐射板来实现的，它通过辐射热为教室供热，并且在房间不使用时可以将房间室内温度保持在恒定的17℃。与此同时踢脚供热系统可以对墙壁进行预热，这对提升室内舒适度具有积极的作用;(2)使用悬挂于天花板上的加热片，在房间被使用的时候这些加热片会被打开，并将房间快速加热到20℃。通过主动按钮和调控系统双重控制，在达到舒适室内温度后，天花板加热器将自动关闭。这两种加热方式，在使用的时候可以形成很好的互补效应，踢脚线地板辐射的热量消除了天花板辐射的盲区，使教室0.1～1.1m的区域内始终处于舒适温度。
在整体上，建筑每个功能房间都通过预先调节的送风系统进行预热，这可以保证建筑内部整体热环境不会出现巨大的温度波动;对交通区域没有设计主动加热系统，而是在内围护结构上设计了热气流运动通道，利用自然的光热辐射和功能区域循环排出的热空气，使这一区域达到舒适温度。 图6能源优化设计 下载原图 Fig.6Energyoptimizationdesign 图7建筑主动式节能设计 下载原图 Fig.7Activeenergy-savingbuildingdesign
2.3.3混合送风系统与热泵技术
教育类建筑对通风要求很高，而长时间的自然通风往往会对室内环境的其他指标带来负面影响，例如冬天的干冷空气会使室内热量流失和舒适度下降。因此设计安装受调节的机械通风系统可确保减少热损失并节约能源成本。能源高中采用了一种混合送风系统(见图7(b))，对自然通风与机械通风进行智能调配，从而减少了建筑通风带来的能耗。具体做法采用带有传感器的窗口控制装置，在教室窗户开启时，则机械通风系统会自动关闭，以避免重复通风，结合地道新风设计，调节空气温度。同时对室内热空气进行回收利用，机组的使用热回收效率可达到76%。
在地下室设有相变蓄热水箱，结合热泵系统(土壤热源和空气热源)作为冷热源，用以储存热能并辅助建筑的能源供给，提高了建筑能源循环效率和可持续能源使用率。
2.3.4可再生能源利用
光伏系统在满足建筑电能使用需求和实现一次能源盈利方面发挥了决定性的作用。能源学校屋顶的光伏组件与屋顶结构相集成，其倾角设计可以很大程度增加光伏组件的日照接收率从而提高其太阳能的接收能力;位于南立面上的另一个光伏系统采用半透明的光伏元件，并以30°的角度安装在所有楼层教室窗户外的上部，它们除了产生能量外，还可以为教室遮阳。
为了积极利用风能，建筑配备了两台小型风力发电机，总体输出功率为7kW，并将其支撑结构与建筑外挂逃生楼梯相集成，通过对其高度尺寸的设计，保证其桅杆和风力涡轮机产生的阴影以及操作产生的噪声污染极小，且不会对建筑的使用环境造成影响。
2.4智能调控系统
能源学校设有大量的测试元件，其建筑室内环境情况和能源消耗情况均由智能控制系统(见图7(c))进行实时测算，同时针对监测结果，利用机械控制设备调整包括供暖、通风、采光、照明和循环等所有系统的运行状态，以达到能源的最高效利用。
建筑室内环境的监控主要针对温度和空气质量，空气质量的主要监测指标为CO2浓度(由于其直接影响学生的听课质量)。当空气质量达到标准时，智能调控系统会关闭新风系统;当室内温度达到舒适标准时，暖风交换、热泵和空调机组等不必要的加热系统会被逐一临时关闭，以降低建筑不必要的能源浪费。
3测试研究
能源高中项目于2008年2月启动至2015年10月正式竣工并投入使用，测试研究于2011年7月开始直至2018年3月结束，测试共分为3个阶段，通过维斯马应用科技大学(HochschuleWismar)、科隆大学(UniversityofCologne)和斯图加特大学(UniversitiyofStuttgart)的多个能源研究所的研究人员对建筑建造过程中和建成后的结构状况、室内环境和能耗情况进行了系统的监测研究。
3.1构造气密性与热桥监测
通过2017年1月对建筑外围护结构的热成像测试结果显示，建筑窗框区域有室内温暖空气逸出的现象，且泄漏多发生在玻璃的锚固区域内，因此推断门窗的特殊木构架窗框做法存在一定的气密性风险;同时在底层的外门上也发现了类似的现象(见图8)。但结合全方位的热成像测试表明，建筑整体上的气密性与热桥情况良好且达到了设计预期。 图8围护结构热成像结果 下载原图 Fig.8Thermalimagingresultsoftheenvelope 图片来源:维斯马应用技术大学建筑+能源+灯光规划研究所，由作者翻译并绘制
3.2室内环境测试
结合当地气候环境与建筑使用特点，夏季的测试日期选取在暑假之前的一个月，即7月的第1周，期间教室在使用时间内的室内外温度、湿度的基本情况如图9(a)所示。在仅靠自然通风和机械通风的降温措施下，室内温度可以维持在25～27℃之间，且室内湿度总体稳定在40%～50%的区间内，较为舒适。CO2浓度峰值为800ppm，大多数时间维持在600ppm以下，空气质量良好(见图9(b))。
冬季的测试日期选取在寒假之后的半个月，即3月的第1周，期间教室在使用时间内的室内外温度、湿度的变化情况如图9(c)所示。这段时间内的室外温度基本在0℃左右，为全年最冷的一段时间。在集中供暖与空调供暖辅助的措施下，室内温度基本保持在22.5～24.5℃之间。且室内湿度总体稳定在34%～37%的区间内，会带来轻微的干燥感，考虑增设加湿系统。CO2浓度峰值为1600ppm，大多数时间维持在800～1600ppm之间，浓度较高，需要调节循环系统增加换气率(见图9(d))。冬季夜间与寒假期间建筑会进入到低耗能模式，通过智能系统使供暖系统进行间歇式加热，且当室外温度高于2℃的时候供暖系统将停止加热，由于建筑符合被动房屋的高绝热标准，建筑在低能耗模式下室内温度依然可以保持在17～19℃之间(见图9(e))。 图9室内环境检测结果 下载原图 Fig.9Indoorenvironmenttestresults
3.3建筑能耗测试
测试系统检测了从2016年的8月开始至2017年7月的能耗数据，一整年电能消耗共计404484.4kW·h，光伏电量产出为160254.2kW·h占总用电量的39.6%，风能电量产出为4200kW·h低于预期值，仅占总用电量的1.0%。建筑最终总能源消耗为99.4kW·h/(m2·a)，基于德国2011年与2017年能源转换标准系数计算，一次能源总消耗量为61.4kW·h/(m2·a)，一次能源生产量为64.1kW·h/(m2·a)，一次能源正盈余为2.7kW·h/(m2a)，与2011年设计的15.4kW·h/(m2·a)的目标有一定差距，主要由于2017年与2011年相比能源转换系数发生了较大变化和后期增加了一系列新型技术做法提高了用电量，但是整体上建筑依然维持了一次能源正向平衡，同时对比改造之前建筑总能源消耗下降了76.3%，可以证明整体节能改造效果极佳(见表2)。 表2改造前后建筑能耗情况对比 Table2Comparisonofbuildingenergyconsumptionbeforeandafterretrofitting 下载原表
4结论与展望
通过对罗斯托克市能源高中可持续改造设计实践的研究，证明寒冷地区教育类建筑可以在满足室内使用与舒适度需求的同时，实现一次能源平衡的目标，达到近零能耗理念，其可持续改造设计策略和技术体系具有可推广的应用价值。能源学校项目作为典型的既有建筑改造案例，在采用多种新兴技术的同时，其可持续改造策略的制定上充分结合了技术市场供给成本的考量，没有过于追求超低的能耗数字，更有利于被社会层面的开发商所接受。我国目前的寒冷地区既有建筑改造，应根据自身使用情况、气候环境和建筑市场环境进行综合考量，借鉴德国可持续设计策略和技术体系时，结合我国市场供应链和气候特征，灵活地筛选与改进，不应墨守成规地照搬照抄，更不应仅停留在当前成熟陈旧的技术体系中而不敢创新，只有不断地尝试与探索，才能总结出适合我国国情和未来发展趋势的设计方法。
当前网址：http://www.paperaa.com/newss/13068.html
