从奥运村微能耗幼儿园到一师附小.pdf

1 从奥运村微能耗幼儿园到 一师附小 从奥运村微能耗幼儿园到 一师附小 绿色低碳教育建筑设计探讨绿色低碳教育建筑设计探讨 蔡放 郑洋 吴俊 北京天鸿圆方建筑设计有限责任公司 北京 72261658 7 摘要 从对奥运村微能耗幼儿园绿色建筑设计引发的思考入手 重点介绍在 一师附小 项 目运用的绿色建筑设计理念和设计原则 并通过对两个项目的比较 探讨在绿色低碳教育建 筑设计中得到的启示 关键词 绿色 低碳 设计 教育建筑 奥运村微能耗幼儿园和北京第一师范学校附属小学 以下简称 一师附小 是我公司不同时期绿色设计理念集中体现的代表性教育类建筑项目 并且它们在 2007年和2009年都获得了精瑞科学技术奖绿色生态建筑的金奖 但两个项目在设 计理念和设计原则上却有着很大区别 一师附小 项目方案展开设计时 奥运 村微能耗幼儿园刚刚进入调试阶段 我们对幼儿园的设计进行了仔细总结 在此 基础上开展了 一师附小 的绿色低碳设计 1 奥运村微能耗幼儿园项目简介 2008年北京奥运村成为全球首个LEED ND的金奖得主 奥运村微能耗幼儿 园 更是这顶皇冠上最耀眼的一颗明珠 微能耗幼儿园是北京市科委中美合作课 题 奥运村 三大理念 展示中心 也是中美科技协议中 绿色奥运 的落实 项目 它在赛时为运动员接待中心 赛后转换为社区幼儿园 图1 图2 图1 奥运村微能耗幼儿园赛时照片 图2 奥运村微能耗幼儿园赛后照片 2 作为北京 2008 奥运会所倡导的 绿色奥运 科技奥运 人文奥运 三大理 念的展示中心 奥运村微能耗幼儿园在绿色设计上采用了诸多绿色技术 经测算 项目达到可再生能源贡献率达 67 4 常规能耗为 50 节能建筑 的 1 7 北京 市科委也因此给出了 项目整体处于国际水平 能源系统国际领先 的鉴定结论 但同时 因为项目采用了多项具有示范作用的绿色技术 造成了 系统复杂 造 价比较昂贵 部分产品影响建筑效果 等遗憾 图 3 图 4 图 3 奥运村微能耗幼儿园室外现状 图 4 奥运村微能耗幼儿园室内现状 2 一师附小 项目背景简介 一师附小 是崇文区重点小学 以 快乐教育 办学理念而闻名 新建校 舍项目用地约为2万平米 是旧城改造用地 总建筑面积2 4万平米 为普通36 班小学 校方期望新校舍设计能够高度体现其办学特色 区政府领导也希望将其 打造成崇文区乃至北京市最好的学校 通过对项目情况分析 发现在该项目实施面临的诸多限制条件中最为关键的 两点是用地和资金 项目用地周边为己有居民住宅 用地范围及容积率控制严格 此外本工程的建安费受到严格限制 如何在局促的用地范围内 局促的造价限制 下 满足学校多功能的要求 并将对周围居民的影响减到最小 是对设计的巨大 挑战 面对以上挑战 我们提出了以 绿色 快乐 为主题的设计理念 学校是人 类精神的殿堂 在校园的设计中传达学校 快乐教育 的办学理念 是对校园文 化很好传播与诠释的方式 同时我们希望通过精心设计 打造低造价的绿色节能 建筑 不仅能让孩子们在舒适的环境中成长 并且从小培养孩子的环保意识 其 社会效益是非常深远的 图 5 3 图 5 东南角鸟瞰图 3 绿色 快乐 设计理念具体解析 以下从 软绿色 节地 节能 节材 节水五个方面 对此项目采用的 绿 色 快乐 设计理念进行解析 3 1 软绿色 规划 建筑 空间和细部 结合校园文化展开特色设计 将规划设计 建筑设计 空间设计 细节设计 与 快乐教育 融合 体现精神层面的 软绿色 3 3 1 1 1 1 规划布局规划布局 分区分区 项目规划时充分考虑功能需求 将校园分为四个区域 做到动静分区 便于 管理 同时将主要教学空间分为低 中 高段三个教学楼 便于根据不同年龄段 儿童心理 生理特点设置特色活动空间及配套硬件设施 图6 4 图 6 功能分区图 3 3 1 2 1 2 规划布局规划布局 日照日照 设计时运用日照分析软件对整体规划进行模拟 并在模拟结果的指导下对规 划进行调整 使得校区内外日照条件不仅满足规范要求 而且实现现有规划布局 对用地的利用达到最优 图7 图8 如果操场设置在用地西侧 可建设18米高 建筑范围小 无法满足建设规模要求 如果操场在用地东侧 可建设18米高建筑 范围大 利于提高用地利用率 所以采用了 东侧 方案 图7 操场在西侧日照模拟示意 图8 操场在东侧日照模拟示意 3 3 1 3 1 3 规划布局规划布局 室外风环境室外风环境 设计中运用室外风环境模拟软件PHOENICS对整体规划进行模拟 并在模 拟结果的指导下对规划进行调整 最终经过优化后 园区内的室外风环境气 候良好 令人感觉舒适 经计算 园区内1 5m高范围内的风速 5m s 满足 文献错误 未找到引用源 错误 未找到引用源 错误 未找到引用源 错误 未找到引用源 中对室外风环境的要求 5 图9 图10 图 9 水平面风速度分布图 图 10 水平面风压分布图 3 1 43 1 4 建筑风格建筑风格 考虑项目位于天坛保护区内 建筑风格要与周边整体的建筑风格相协 调 因此立面主体采用砖红色外墙 局部用灰色搭配 屋面采用仿坡屋顶造 型 局部室外楼梯间部分使用色彩亮丽的涂料装饰 立面风格既体现教育建 筑的文化特性 又展现了现代建筑简洁明快的特征 图11 图12 图11 沿街透视图 图12 内景透视图 3 1 5 3 1 5 特色空间特色空间 在教学空间的设计上 考虑到低年龄段儿童心理特点 设计了开敞的读 书活动空间 图书馆设立自由读书区 在综合楼每层设置家居化的接待沟通 空间 综合楼顶层设置航模展室 无线电展室 机器人展室 并结合屋顶室 外活动空间 建造培养儿童创造力的乐园 这些空间设计充分体现了一师 附小 快乐教育 的理念 使孩子们处处感受到学习的快乐 图13 6 图13 教学单元模块 3 1 63 1 6 空间环境空间环境 自然通风自然通风 为了使主要建筑空间拥有良好的室内环境 设计中利用CONTAM软件对建 筑内的自然通风进行模拟 在模拟结果的指导下对局部通风不好的空间进行 布局调整 并通过在地下空间设置采光通风天井 有效引导室内自然通风 经过优化后 建筑物内各个功能房间的气流组织合理 通风效果良好 通过自然通风 可以减少50 的空调开启时间 图14 图14 自然通风效果分析 3 1 73 1 7 细部设计细部设计 在室内装修的细节设计上 充分考虑儿童的需求 给散热器加上防护罩 地 面采用弹性的石塑地面 所有建筑空间阳角采用倒圆角或软包 洁具选择符合孩 9月1日 9月15日8 00 17 00时间段需开启空调和不需开启空调时间 0 20 40 60 80 100 西北风一层 北风一层 西北风地下一层 北风地下一层 静风地下一层 需开启空调不需开启空调 7 子尺度的节水洁具等 给儿童安全呵护 3 2 节地 充分利用土地资源 项目用地周围为居民住宅 用地范围及容积率限制严格 同时 为了满足学 校多功能的要求 必须将一半的功能空间设置在地下 为使这些地下空间同样拥 有良好的条件 将南 北教学楼围合的空间设计成下沉花园 既解决了地下房间 的采光 通风问题 又为孩子们提供了自由活动 尽情玩耍的天地 图15 图15 怡人的下沉花园 设计中还充分利用操场下部空间 合理布置风雨操场 地下车库 设备机房 等功能 并利用天井解决这些空间的采光和通风问题 图16 图16 操场下部空间的利用 3 3 节能 被动节能优先及能源系统优化 在节能设计上 坚持被动节能优先原则 利用高效围护结构与外遮阳系统减 少建筑能耗 并利用适当的绿色技术及产品达到采用绿色能源与教育展示的目 地下车库 风雨操场 设备机房 操场 8 的 3 3 1 3 3 1 被动节能优先被动节能优先 高效围护结构高效围护结构 设计的外围护结构传热系数均优于国家标准要求 通过高效围护结构可 在很少增加造价的情况下 达到减少建筑能耗的目的 表一 外围护结构传热系数与标准系数比较 对比项目 外墙 内墙 屋面 外窗 透明 非透明 种植土 架空屋 面 传热系数 W m2 K 本工程 0 58 1 5 1 9 0 46 0 49 2 3 居住标准限 值错误 未找错误 未找 到引用源 到引用源 0 6 1 5 2 8 0 6 2 8 公建标准限 值 S 0 3 错错 误 未找到引误 未找到引 用源 用源 0 6 1 5 2 7 0 55 2 3 3 3 2 3 3 2 被动节能优先被动节能优先 遮阳设计遮阳设计 设计选用了屋顶装饰构架遮阳 南立面窗上口水平外遮阳 Lwo E玻璃自遮 阳 遮阳天棚等 还利用屋顶太阳能光伏发电板及太阳能集热板兼顾屋顶遮阳功 能 图17 图17 遮阳的利用 9 3 3 33 3 3 能源系统优化能源系统优化 在能源系统设计上优先使用高效的能源设备 并选用一些技术成熟 具 有示范教育意义的绿色产品 达到利用可再生能源 培养儿童环保意识的目 的 表二 选用的能源系统的绿色技术及产品 序 号 绿色技术项目 应用 达到的目的 1 太阳能生活热水 为住宿 风雨操场 食堂 等处提供热水 利用清洁能源 节能环保 2 冷凝锅炉 太阳能热水系统的辅助能 源和采暖热源 燃烧效率高 噪音小 低排放 3 风力发电 产生电能带动展厅内模型 具有示范 教育意义 4 太阳能光伏发电 产生电能带动 LED 电子显 示屏 显示每日发电量 将利用的绿色能源作量化的 显示设计 对学生起到很直观 的教育作用 5 光纤照明 在引入太阳光的照射下 绿色植物可正常生长 具有绿色能源利用的展示作 用 6 光导管照明 在晴天或阴天的白天中可 代替正常照明 节能环保 并具有示范效应 7 太阳能路灯 储蓄太阳能用于夜间发 电 代替景观庭院灯 节能环保 并具有示范效应 3 4 节材 结构设计优化 在结构设计中采用多项优化手段 如将不同抗震设防分类等级功能空间之间 用结构缝分开 区别对待 根据不同建筑空间不同的埋深需要 设计不同的基础 形式 基础地梁 采用弹性地基梁计算模型 礼堂采用钢结构网架 使用过的钢 结构可回收利用 体育馆采用预应力梁板结构 减小基础埋深等 通过采用以上 优化手段为甲方节省大量造价 3 5 节水 绿色景观水景设计 雨水处理坚持以渗为主的原则 在下沉广场设置雨水收集池 收集雨水作为 10 绿化用水 节约水资源 同时在下沉庭院设立了一个展示性的生态科普小水景 营造动植物生存的小环境 孩子可以通过自己动手栽培水生植物达到学习 认知 的目的 4 绿色低碳成果分析 为了检验项目绿色设计所取得的节能 减少碳排放的效果 进行了初步的能 耗模拟分析 结构优化设计分析 减排结果分析 结果如下 4 1 能耗模拟分析结果 为了评价前面所述的高效围护结构和遮阳设施的节能效果 采用全年能耗模 拟软件DeST对宿舍楼进行冬季采暖能耗模拟 结果表明 宿舍楼采暖季总能耗为 6 3 kg标准煤 节能幅度达到了74 9 远远超过了北京市65 的节能要求 图 18 图19 图18 DeST模拟一层平面图 图19 宿舍楼采暖季单位面积逐时热负荷 4 2 结构优化设计结果 通过对北京市同类学校进行调研 得到同类学校的含钢量基本在150 180kg 由于在此项目的结构设计中采用了多项先进技术 将本工程的含钢量控制在 120kg 节省投资300万元以上 表三 结构优化后达到的节材及节约造价效果 设计手段设计手段 达到的节材及节约造价效果达到的节材及节约造价效果 将不同抗震设防分类等级功能空间之 间用结构缝分开 区别对待 按重点设防类进行设计比按标准设防类设计 钢筋用量总体增大 10 左右 根据不同建筑各部分间不同的埋深需 要 设计不同的基础形式 各部分间用 节省混凝土用量 400 立米 钢筋含量约 53 吨 节省造价约 12 万元 0 0 5 0 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 热负荷 W m2 采暖季单位面积逐时热负荷 11 独立柱基过度调节 基础地梁 采用弹性地基梁计算模型 减小地梁截面尺寸及配筋 30 4 3 减排初步分析结果 对设计中的一部分节能减排因素进行量化计算 不同能源种类单位能耗的 CO2排放指标参照文献错误 未找到引用源 错误 未找到引用源 结果如下 表四 减排结果量化表 实现手段 减少的碳排放量 高效围护结构 节省宿舍楼采暖能耗 14 475 吨 年 7 5 公斤 平米 年 与 65 节能相比 结构优化 减少含钢量 1500 吨 能源系统优化 使用太阳能热水 冷凝锅炉 55 73 吨 年 5 5 结语 结语 奥运村微能耗幼儿园和 一师附小 两所建筑虽均为绿色教育建筑 均达 到高品质 高舒适度要求 但由于项目背景和目标不同 造价限制不同 采用了 不同的设计理念和设计原则 通过对这两个教育建筑设计的分析 得到以下两点 启示 1 教育建筑就是要以 教育 为本 结合校园文化进行特色设计 体现精 神层面的 软绿色 并且教育建筑