威海市中小学生教育中心二号主题教育馆

图1 威海市中小学生综合实践教育中心

威海市中小学生综合实践教育中心工程由威海市教育局开发建设。二号主题教育馆是山东省首批11个省级被动式超低能耗绿色建筑试点示范项目之一，同时于2014年成为中德合作被动式低能耗建筑示范项目。整个项目的设计、建造时间是2015年03月至2016年10月。

威海市中小学生综合实践教育中心位于威海市临港经济技术开发区，威石路以北，许家屯、王家产和吐羊口之间。场地完全融入在大自然的景观之中，环境优美，适合教学活动的开展。总规划用地面积101583m²，其中可建设用地面积66626m²，总建筑面积为31022.65m²。容积率0.45，绿地率50.5%。综合实践教育中心内主要是五层和七层的建筑群，设有科技教育、主题教育、劳动技术教育、社会实践教育、体能拓展等不同版块。室外部分包括体能拓展区、野战训练区、生态园等。

项目分两期进行建设，其中一期26016.42m²已经建成。二期工程二号主题教育馆按照被动式低能耗建筑标准设计、建造，占地面积1281.43m²，建筑面积5006.23m²，地上四层，建筑高度为20m（高度从室外地面算至檐口）。建筑体型系数0.23。各朝向窗墙比为：南向0.29，北向0.16，东向0.09，西向0.09。

二号主题教育馆为钢筋混凝土框架结构，主体结构设计使用年限50年，结构安全等级二级，抗震设防烈度7度，耐火等级为二级。

表1列出了威海市中小学生综合实践教育中心二号主题教育馆项目的主要参建单位。

表1 威海市中小学生综合实践教育中心二号主题教育馆项目主要参建单位

图2 威海市中小学生综合实践教育中心二号主题教育馆

1 建筑节能规划设计

威海市建筑气候分区属于寒冷地区，气候特点属于北温带季风型大陆性气候，四季变化和季风进退都较明显。与同纬度的内陆地区相比，具有雨水丰富、年温适中、气候温和的特点。威海市大陆度为54.1%，由于濒临黄海，受海洋的调节作用，表现出春冷、夏凉、秋暖、冬温，昼夜温差小、无霜期长、大风多和湿度大等海洋性气候特点。

威海市中小学生综合实践教育中心二号主题教育馆建筑总平面规划设计利于冬季日照利用，同时减少夏季得热；建筑的主体南向略呈折线型，主要房间朝向为南北向或接近南北向，主要房间避开了冬季主导风向（北向、东北向）和夏季最大日射朝向（西向）；过渡季及夏季采用南向可开启外窗自然进风，利用中厅排风口排风，充分考虑了自然通风要求。

建筑的体型系数为0.23，小于《公共建筑节能设计标准》DBJ14-036-2006规定的0.30。

2 外围护结构做法

该项目地上四层均属于被动式低能耗建筑技术处理范围。外墙采用200mm厚B1级石墨聚苯板，每层设置300mm宽岩棉防火隔离带；屋面采用250mm厚挤塑聚苯板；地面采用100mm厚挤塑聚苯板；室外地坪以下外墙采用200mm厚泡沫玻璃。外墙、屋面、地面、接触土壤的外墙的传热系数分别达到了0.15 W/(m²∙K)、0.11 W/(m²∙K)、0.24 W/(m²∙K)、0.23 W/(m²∙K)。

外门窗采用塑料型材，透明部分采用三玻两腔双Low-E中空充氩气玻璃，玻璃配置为5Low-E+16Ar+5+16Ar+5Low-E，暖边间隔条。整窗的传热系数达到0.80 W/(m2∙K)，玻璃的太阳能总透射比g值为0.348。建筑的东向、西向及南向外窗设置了可自动感应调节的活动外遮阳卷帘。

中庭上方两侧（南向和北向）采光天窗为木质中悬窗，整窗传热系数达0.88 W/(m2∙K)。采光天窗与消防系统联动，作为排烟窗使用。其中南向天窗同样设置了可自动感应调节的活动外遮阳卷帘。

表2、表3给出了二号主题教育馆项目外围护结构的主要技术参数。

表2 二号主题教育馆项目非透明外围护结构的主要技术参数

表3 二号主题教育馆项目透明外围护结构的主要技术参数

3 可再生能源利用

建筑东立面安装了光伏发电系统，共计安装44片非晶硅半透明BIPV组件，每片的功率为112W，系统装机量为4928W。该系统预计年发电量约为4500kWh。所发电量并入楼层的低压配电箱，在系统内进行分配，与市政用电共同为建筑物的用电设备供电，满足日常用电需求，包括楼宇照明等等。

该项目的外墙外保温系统由山东秦恒科技股份有限公司提供，系统供应包括保温材料（石墨聚苯板、岩棉防火隔离带）、聚合物砂浆（粘结砂浆、防护面层砂浆）、耐碱玻璃纤维网格布、锚栓（敲击式锚栓、断热桥射钉）及配套辅材（门窗连接线、滴水线条、铝合金钢护角、聚氨酯发泡胶）等一系列产品。

其中石墨聚苯板检测结果为：表观密度19.4kg/m³，压缩强度109kPa，导热系数（平均温度为25℃时）0.033W/(m∙K)，尺寸稳定性（70±2℃，48h，长度方向）0.2%，水蒸气透过系数2.3ng/(Pa∙m∙s)，吸水率1.7%，熔结性（断裂弯曲负荷）27N，垂直于板面方向的抗拉强度0.18MPa，氧指数30.4%。

岩棉防火隔离带检测结果为：体积密度102kg/m³，酸度系数1.8，尺寸稳定性0.2%，质量吸湿率0.6%，导热系数（平均温度25℃时）0.042 W/(m∙K)，垂直抗拉强度170kPa，燃烧性能A级，憎水率99%。

屋面、地面用挤塑聚苯板由济宁市利丰源保温材料有限公司供应，其检测结果为：导热系数（平均温度为25±2℃时）0.025 W/(m∙K)，压缩强度206 kPa。

接触土壤的外墙保温材料泡沫玻璃由河北中泰天成节能科技有限公司供应，其检测结果为：密度156 kg/m³，抗压强度0.6 MPa，抗折强度0.51 MPa，吸水量0.3 kg/m²，透湿系数0.006 ng/(Pa∙s∙m)，导热系数（平均温度25±2℃时）0.057 W/(m∙K)，垂直于板面方向的抗拉强度0.15 MPa，耐碱性0.4 kg/m²。

项目外墙涂料采用真石透气漆，由威海市泰威涂料有限公司提供。经检测，其水蒸气透湿率为58.3×10-8 g/(m²∙s∙Pa)。

项目外门窗型材由维卡塑料（上海）有限公司供应，外窗整窗传热系数检测值达到0.80W/(m²∙K)。外窗三性检测结果为：气密性能正压5级、负压5级，水密性能3级，抗风压性能3级。

外门窗玻璃由北京金晶智慧有限公司提供，玻璃结构为5mm镀膜玻璃（Optisolar D80_5#）（室外侧）+16Ar（95%氩气+5%空气）+5mm白玻+16Ar（95%氩气+5%空气）+5mm镀膜玻璃（#Optilite S1.16_5）（室内侧）。经检测，玻璃的可见光透射比为64%，可见光反射比（室外侧）为14%，太阳能总透射比（得热系数）为0.348。采用window7计算，环境条件为NFRC 100-2010夏季的玻璃U值为0.763 W/(m²∙K)，NFRC 100-2010冬季的玻璃U值为0.736 W/(m²∙K)。

中庭上方两侧采光天窗采用威卢克斯GGL木质中悬窗。整窗传热系数检测值达到0.88 W/(m2∙K)，气密性能正压8级、负压8级，水密性能6级，抗风压性能9级。天窗配置真空中空复合玻璃，玻璃结构（由内至外）为5mm半钢化+0.15真空层+5mm半钢化Low-E+10A浅色暖便条冲氩气+4mm钢化玻璃，由青岛新亨达真空玻璃技术有限公司供应。

表4给出了威海市中小学生综合实践教育中心二号主题教育馆项目所涉及的关键产品和材料的供应商。

表4 威海市中小学生综合实践教育中心二号主题教育馆关键产品和材料供应商

本项目冷热源为土壤源热泵系统，夏季提供7/12℃冷水，冬季提供45/50℃热水，末端采用风机盘管系统。展览馆、体验馆等各区域设置带有全热交换器的送、排风系统，新风量按《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）的要求，教室每人24m³/h，办公室每人30m³/h。新风系统热交换器温度回收效率不小于75%，最大程度地回收了排风能量，达到节能的目的。

空调水系统采用两管制，采用一次泵末端变流量系统，风机盘管支管设电动两通阀，楼内立管采用异程式，每层采用同程式，全热交换器排风段设置监测探头，监测室内温度、湿度、CO2浓度、PM2.5浓度，作为新风、排风启停的控制依据。一层大厅设置地板辐射采暖，夏季关闭热力入口阀门。

威海市中小学生综合实践教育中心二号主题教育馆运营时间为每年3月15日至6月15日，以及9月15日至12月15日。寒假日期为12月16日至3月14日，共89天；暑假日期为6月16日至9月14日，共91天。夏季上课时间为：上午8:30至11：30，下午14：00至17：00；冬季上课时间为：上午8:30至11：30，下午13：30至16：30。

二号主题教育馆体验馆部分的同时使用系数为33%，办公室部分的同时使用系数按100%考虑。室内共472人（教师50人，学生422人），该人数考虑了体验馆33%的同时使用系数。

本项目的温度控制条件为：非寒暑假期间，工作时间，冬季室内控制温度20℃，夏季室内控制温度26℃；非寒暑假期间，非工作时间，冬季室内控制温度15℃，夏季室内不控制温度；寒暑假期间，考虑到被动式低能耗建筑自身良好的保温隔热性能和热惰性，冬季、夏季室内均不控制温度。

为考量建筑真正的建筑能效，本项目能耗分析给出了不扣除寒暑假的情况下，建筑的热需求和冷需求，同时也根据实际运营情况给出了扣除寒暑假后的热需求、冷需求计算结果。最终的终端能耗、一次能源需求、CO2排放计算，是以考虑实际运营状态的扣除寒暑假后的热需求、冷需求为依据给出的。

采用逐时的热平衡计算方法进行能耗分析，以11月1日至次年4月30日作为采暖计算期（共计181天），该项目不扣除寒假的采暖需求为6.65 kWh/(m²∙a)，扣除寒假的采暖需求为1.60 kWh/(m²∙a)。以7月21日至8月15日作为制冷计算期（共计26天），该项目不扣除暑假的制冷需求为3.13kWh/(m²∙a)，扣除暑假的制冷需求为0kWh/(m²∙a)。

将采暖、制冷、通风、照明、电器设备五部分能耗全部考虑在内（本项目无生活热水设施），该项目的终端能源需求、总一次能源需求、CO2排放量分别为9.58 kWh/(m²∙a)、28.74 kWh/(m²∙a)和9.55 kg/(m²∙a)。

表5 二号主题教育馆能源需求技术指标（扣除寒暑假）

注：寒假日期是6月16日-9月14日，制冷日期全部处于暑假期间，故没有冷需求。

表6 二号主题教育馆采暖期能量得失平衡（扣除寒暑假）

图3 采暖需求构成分析图

表7 二号主题教育馆一次能源需求指标及CO2排放分析结果（扣除寒暑假）

2016年9月28日，德国能源署和住房城乡建设部科技与产业化发展中心对威海市中小学生综合实践教育中心二号主题教育馆项目的施工质量进行了全面的检查。认为施工整体质量很好，满足中德合作高能效—被动式低能耗建筑的质量要求。

建筑气密性检测由山东省建筑科学研究院实施，测试针对整栋建筑进行，计算换气体积为23602.175m³。正压测试结果n+50为0.13h^-1，负压测试结果n-50为0.13h^-1，均值n±50为0.13h^-1，符合被动式低能耗建筑对于建筑气密性的要求n±50≤0.6h^-1。

2016年10月12日，在第十五届中国国际住宅产业暨建筑工业化产品与设备博览会上，住房和城乡建设部科技与产业化发展中心文林峰副主任和德国能源署Nicole Pillen女士共同向项目建设单位威海市教育局颁发了威海市中小学生综合实践教育中心二号主题教育馆的中德合作高能效建筑—被动式低能耗建筑质量标识。

图4 中德合作高能效建筑—被动式低能耗建筑质量标识

本项目为我国首个被动式低能耗学校建筑的项目，对于探索我国学校建筑类型的能耗、建立适用于学校建筑的能耗指标体系具有重要意义。从本项目的能耗分析结果来看，其总一次能源需求远远低于被动式低能耗建筑通常所谓的120 kWh/(m²∙a)。

这一方面取决于威海地区的气候条件并不十分严酷，其冬季室外最低逐时温度为-3.7℃，夏季室外最高逐时温度为29.8℃；另一方面则是由学校建筑的使用特点决定的，一是由于寒暑期放假，建筑在每年最冷/热的季节无运营能耗，二是学校，特别是中小学，用电设备较少。

以上这些特点决定了学校建筑较低的总一次能源需求。当然，除了理论分析以外，我们要在本项目，以及已经建成的其他同类型建筑，如北戴河团林实验学校、北戴河新区大蒲河小学等项目上，做好能耗监测工作，以期获得第一手实测数据，完善我国不同建筑类型的被动式低能耗建筑的能耗指标体系，切忌出现能耗指标“一刀切”的现象。

本项目采用土壤源热泵作为夏季冷源，末端采用风机盘管系统控制建筑物夏季的室内舒适度。该种做法应该说是较为保守的方案。

在北方沿海一带，如威海、大连等地，夏季温度并不太高，或者出现高温的时间较为短暂，而夜间较为凉爽，通风情况良好，当地大部分居民并没有使用空调的生活习惯。

当在该类地区建设被动式低能耗建筑时，由于建筑本身的热工性能、隔热性能较好，再辅之以夜间通风等自然制冷手段，或许可实现夏季不采用任何主动式制冷手段的效果。回到本项目的后续工作，依然是要做好室内环境和设备监控工作，实测制冷期内室内温度、外墙内壁温度、制冷设备启动情况等，为本地区后续高能效建筑项目提供实际经验和基础数据。