宿舍与食堂建筑的被动式低能耗技术方案

1 引言

经历将近十年的推动和发展，被动式低能耗建筑已经成为一种实现建筑领域能源需求侧管理的重要手段。在对能源节约和建筑品质的双重关注下，被动式低能耗建筑正面临规模化、区域化发展的趋势。以片区 / 城区为尺度实施高能效水平建设，一方面可实现被动式低能耗建筑节能效益的扩大化，另一方面更可通过不同类型和功能被动式低能耗建筑的混合，不同用能峰值时刻的参差，实现区域整体负荷的平准化，从而进一步抑制区域的供能要求，形成所谓的紧凑型城市 / 城区。那么，在高能效片区 / 城区的发展之初，探索并确立不同类型建筑的高能效建设技术路线、用能标准及负荷特性指标，就成为城区需求侧能源规划和实施一切以区域为对象的能源产、储、消系统平衡设计的基础性工作。

本文以文安东都环保产业园内的综合楼 A 栋为例，介绍了宿舍和食堂建筑的被动式低能耗技术方案。鉴于该项目与目前技术路线已经相对较为成熟的被动式低能耗居住建筑相比具有一定的特殊性，本文详述了项目在精细化的外窗设计、热桥处理措施、宿舍区域通风处理、公共厨房区域通风处理等方面的技术手段，并对比了不同计算方法下建筑的负荷和能耗指标，旨在为宿舍类建筑，尤其是带有大型厨房的公共建筑的高能效建设提供技术经验。

2 项目概况

图 1 项目全景图

文安东都环保产业园地处北京、天津、保定三地之间的中心位置，园区贯彻以人为本、环保健康、可持续发展的设计理念，以满足人们对现代工作生活环境的舒适性、健康性、安全性需求。园区内的综合楼 A 栋为园区的职工宿舍和食堂，确立的建筑能效目标为达到被动式低能耗建筑水平。通过建筑设计和设备系统设计两方面的技术手段，实现双控目标和提升室内舒适度的双控目标。

产业园综合楼 A 栋建筑布局呈 L 型，如图 1 红色区域所示，建筑东侧与中间及右侧的装配式建筑相邻。A 栋总建筑面积 3607.12m²，建筑高度 15.9m，地上 3 层，无地下室。首层为员工食堂、厨房和便利店，二层、三层为员工宿舍。

3 项目技术方案

3.1 优越的建筑气密性

本项目地上三层均为对室内舒适度具有控制要求的正常使用空间，以整栋建筑作为一个气密区进行处理。经建筑整体气密性测试，该建筑负压状态下 n_-50 为0.27h^-1，正压状态下 n₊₅₀ 为 0.29h^-1，气密性最终测试结果 n_±50 为 0.28h^-1。通过实施建筑整体的气密性设计，规避了非预期气流渗透造成的不必要的通风热损失，同时避免了由于冷气渗入而形成的室内局部温度下降等影响居住质量和舒适度的情况。

3.2 高效的非透明外围护结构

本项目采用现浇钢筋混凝土框架结构，蒸压加气混凝土砌块作为填充墙体，砌块容重大于 500kg/m³。外围护结构采用外保温系统，确保外围护结构具有均衡的保温性、隔热性、热惰性、蓄热性、透气性和气密性，同时兼顾系统性、相容性、耐久性。外围护结构的保温措施、传热系数、热惰性指标等详见表 1。

表 1 非透明外围护结构保温措施

3.3 高性能的外门窗系统

本项目采用玻璃钢型材外窗，整窗（不包括安装热桥）传热系数 K 值为 0.9 W/(m²·K)。不同朝向、不同功能房间的外窗采用了不同配置的玻璃和遮阳措施，体现了精细化设计的理念。东、南、西向主要功能房间（宿舍、活动室、食堂、餐厅、便利店、办公室）外窗均设置电动外遮阳百叶帘。因此，采用较高太阳能总透射比的玻璃，玻璃配置为 5mmLow-E+15Ar+4mm+15Ar+5mmLow-E，太阳能总透射比 0.495；东、南、西向非主要功能房间（卫生间、晾衣间、楼梯间、走廊、新风机房）外窗未设置活动外遮阳，而是采用涂膜玻璃技术，玻璃配置为 5mmLow-E+15Ar+4mm+15Ar+5mmLow-E+涂膜，太阳能总透射比 0.385；北向外窗不采用活动外遮阳和涂膜玻璃，玻璃配置为 5mmLow-E+15Ar+4mm +15Ar+5mmLow-E，太阳能总透射比 0.495，使北向外窗在冬季更多地获得太阳辐射得热。

3.4 无热桥设计

执行无热桥设计原则，一方面是截流能量，另一方面也是在处理围护结构室内表面温度过低的薄弱环节，以防止室内结露发霉，提高室内温度均衡性。因此，某种程度上无热桥设计理念之于提升室内舒适度的影响还要更甚于其对建筑能效的影响。本项目的无热桥设计，除被动式低能耗建筑常见的典型建筑节点断热桥构造外，值得特别说明的有以下几个方面。

3.4.1 独立基础

图 2 基础断热桥设计

本项目基础形式为独立基础，若不采取断热桥措施，每一基础均形成一个点状热桥，如图 2（a）、图 2（b）所示。为规避热桥影响，采用 XPS 包覆基础，直至放大柱脚顶部，如图 2（c）、图 2（d）所示。基础柱与地梁连接处，保温沿地梁两侧向外延伸 1m。由于地梁与放大柱脚之间形成楔形区域，难以实施保温填塞施工，故在地梁下方（与放大柱脚之间）浇筑防水混凝土，以削弱热桥效应，如图 2（e）、图 2（f）所示。

3.4.2 首层地面

对于无地下室的被动式低能耗建筑，首层地面应作为被动区底板满铺保温层，其位置置于地梁以上。对于室内外交接处的地梁，应用保温材料将其完全包覆。通常易被忽略的是室内隔墙以及首层楼梯底部的断热桥处理。本项目地梁、室内隔墙以及楼梯底部的构造做法如图 3~ 图 6 所示。

图 3 室内外交接处地梁断热桥设计

图 4 室内地梁断热桥设计

图 5 首层室内隔墙断热桥设计

图 6 首层楼梯梁断热桥设计

3.4.3 独立支撑雨篷

通常轻钢结构雨篷的断热桥做法是在钢梁与主体结构固定处设置隔热垫片。本项目设置六个雨篷，共 12个雨篷固定点。采用上述断热桥方式，经有限元分析，每个固定点的单点热传导系数 x 为 0.31 W/K。工程实践中，通常由于实际钢结构比设计更为复杂（增加支撑、增大截面）、钢梁穿出位置保温板切割尺寸过大而形成空洞等原因，造成雨篷固定点热桥效应更为明显。

为规避雨篷热桥，本项目采用独立支撑式雨篷，利用钢柱支撑钢梁，从而使雨篷钢梁与墙体完全脱开，保证了墙体保温的连续性，如图 7 所示。本项目也是国内首个采取了独立支撑式雨篷构造的项目。

图 7 独立支撑雨篷

3.5 通风系统

上述技术措施均为针对建筑本体的建筑高能效实现路径，更进一步的，就是在优越的建筑本体基础上，优化暖通空调系统和能源供应方案，使最简化的设备系统在建筑中充分发挥作用，减少对主动式机械采暖和制冷设备的依赖。

本项目二三层是较为密集的宿舍，一层是厨房和食堂，两个区域的通风系统都有别于普通的被动式低能耗居住建筑和公共建筑。宿舍区域优化的气流组织设计，厨房和食堂区域精细化的风量控制，都是本项目的设计重点。

3.5.1 宿舍区通风系统设计方案

本项目二三层宿舍区设有单人间、双人间、三人间，以及活动室、晾衣间、储藏室等。其中双人间和三人间设有公共盥洗室和卫生间，单人间设有室内单人盥洗室和卫生间。

宿舍区通风系统为半集中式通风系统设计方案，每层设置四台带有高效全热回收装置的通风系统，其中三台用于宿舍通风，一台用于活动室通风。

宿舍部分通风系统的送风口设置于每间宿舍室内，回风口设置于晾衣间、公共盥洗室和卫生间，以及单人宿舍的卫生间内，宿舍门下留 20mm 缝隙通风，走廊作为空气溢流区；每层的多间活动室集中布置，自成一个区域，共用一套通风系统，每间活动室内同时设置通风系统的送风和回风，通风系统送风连接到风机盘管的进气侧，经风机盘管处理后送入室内，负责处理冷、热负荷，并对室内 CO ₂ 进行稀释；储藏室也设计有送风和回风，保证储藏室长期处于空气流通状态，避免空气留滞产生异味和霉菌。

通风系统在送风和回风总管上设置消音器，并在进入宿舍的新风管段采用复合消音软管，保证宿舍噪声等级控制在 25dB(A) 以内。

3.5.2 宿舍区通风系统气流组织设计

对于被动式低能耗公共建筑而言，通风系统设计的重点和难点在于精细化的风量设计和气流组织设计。被动式低能耗建筑的气流组织设计与传统建筑的一大区别为，以建筑一定区域为整体对象考虑送回风设计，而非在单个房间同时设置送回风口。采用该种方式，将不同功能房间对送风量和排风量的要求联系在一起，实现气流在建筑一定区域内的整体流通，以达到减小风量，降低通风能耗，同时降低施工成本（减少风管、风口、消音器）的目的。

在上述设计理念下，如何规划气流组织区域，以最小风量同时满足不同功能房间的送、排风量要求以及卫生要求，同时保证通风系统的送排风质量流量平衡（偏差不超过 10%，以实现热交换机芯的理论热交换效率），就成为每个项目的设计重点。在某些情况下，为实现以上设计要求，还涉及到调整建筑平面布局、调整房间面积（即换气体积）的问题。

表 2 宿舍区域通风系统设计风量

本项目各功能房间按以下标准设计通风量：宿舍及活动室 30m³/(h·p)，公共盥洗室和卫生间 10 次 /h，单人间内卫生间 20m³/h，淋浴间 40m³/h，晾衣间 5 次 /h。根据通风系统的质量流量平衡原则，选择的通风系统设计风量及其负担的送排风区域见表 2。以二层为例，宿舍区域的通风系统气流组织设计如图 8 所示。

图 8 宿舍区域通风系统设计示意图

3.5.3 宿舍区通风系统设备性能及运行

通风系统具有风量调节功能，可根据室内情况按高中低三档调节风量大小。热回收装置采用全热回收芯材，为确保在卫生间设置集中回风的气流组织方案的可行性，通风系统严格控制内部漏风率＜ 3%，外部漏风率＜ 3%。本项目通风设备的主要性能参数，见表 3。

室外进风、排风口设防雨百叶和防虫网；进风口位置设置一道初效过滤器，新风进入热交换器前设置一道高效过滤器，避免长期使用过程中微小颗粒物在热交换芯表面聚集，从而降低热交换效率；回风进入热交换器前至少设置一道初效过滤器，若室内吸烟情况严重，则应考虑在回风侧设置高效过滤器。

表 3 通风设备主要性能参数

本项目通风系统运行模式为系统常开，机组自带时段控制功能，可在建筑内人员较少时段低速运行，亦可就地手动控制或集中控制。在运营过程中，根据当地空气质量每 3-6 个月更换一次通风机组过滤器，且定期清洗热交换机芯。

3.6 厨房技术方案

3.6.1 厨房设计技术要点

被动式低能耗建筑中的厨房设计，一直是设计的重点和难点，特别是当建筑中含有大型公共厨房时，尤其要控制建筑能耗、厨房排油烟和室内舒适度之间的协调和平衡。

在被动式低能耗建筑中的公共厨房设计过程中，通常存在以下两个现实问题，给技术决策和设计进度带来负面影响：

一是在设计阶段，大量项目都无法确定厨房中的设备类型和型号，甚至在项目竣工后，由于运营方的不确定性，厨房的设备采购和深化设计仍无法进行。而被动式低能耗建筑不仅需要对厨房设备的能效性和散热性能进行控制，更需要根据厨房的设备布置和平面布局，以及设备的类型和功率，进行通风风量和排油烟风量的核算，以便完成通风系统的深化设计；

二是对于大型公共厨房的排油烟设备，我国目前比较普遍的做法还是较为粗放的风量核算和设计，采用过高的排油烟风量来保证效果，难以与被动式低能耗建筑精细化的风量设计要求相匹配。长远来看，排油烟设备的技术更新是高能效厨房设计的必由之路，现阶段可采取根据标准规定尽量减小设计排风量，同时采用变频风机基于使用情况灵活调整的方式，达到尽量降低厨房能耗、提升室内舒适度的目的。

具体而言，厨房设计的技术要点包括以下内容：

（1）明确厨房中应用的设备及其位置，根据厨房平面布局，利用高效排油烟设备、灶台靠墙放置等技术措施，尽可能提高油烟抓捕效率，减小排风量；

（2）灶台或蒸锅等油烟、蒸汽排放量大的设备上方均需安装排油烟机，风罩罩面尽可能接近灶台面，两者距离 ≤1m；风罩平面尺寸大于灶台平面尺寸 100mm以上；排油烟机需带有油烟过滤以及除油功能；

（3）排油烟机与补风风机联动，避免厨房内部 负 压 过 大； 根 据 补 风 量 计 算 补 风 口 孔 径（ 通 常≥200mm）；补风口安装保温气密阀；对补风设计温度调节措施，计算确定用于补风温度调节的热泵机组参数；

（4）与餐厅相通的门选择可自动关闭的门，以减少厨房对建筑内其他空间的影响；由于灶台位置会产生大量油烟和蒸汽，且灶台上方排油烟机工作时极易形成负压，因此灶台应尽量远离厨房与餐厅的隔墙；

（5）采用能效等级较高的冰箱、蒸饭柜、电磁炉等设备。烤箱内侧配备热反射涂层，烤箱门为三层玻璃，且其他面需有至少 40mm 厚保温层。

根据以上设计原则，本项目在设计阶段明确了厨房的全部设备，完成了厨房的深化设计，并将灶台优化至楼梯间隔墙位置。厨房的平面布局如图 9、图 10 所示，总体上分为准备区（包括更衣室、休息室、粗加工、洗消间的整体区域）、操作区（包括红案间、面点间）和库房区，准备区与北侧的食堂相临，库房区处于建筑的最南侧。

3.6.2 厨房通风设计

本项目厨房区域的通风设计方案，包括全面通风和局部通风两部分。当厨房处于非烹饪时间时，按照被动式低能耗建筑的负压区考虑，采用带有高效热回收装置的通风系统进行全面通风；当厨房处于烹饪时间时，厨房红案间及 / 或面点间的排油烟风机及其补风机开启，实行局部通风，并联动关闭红案间及 / 或面点间的全面通风回风口处的电动密闭风阀；当烹饪结束后，排油烟风机及其补风机关闭，联动开启红案间及 / 或面点间的全面通风回风风阀，由补风直排模式切换为新风热交换模式。

（1）全面通风设计方案

厨房全面通风采用全热交换通风系统，设备风量1000m³/h，性能参数见表 3。

在非烹饪时段，室外空气经过热交换后送入厨房的主要活动房间；以准备区、红案间、面点间和库房作为负压区进行回风；考虑厨房排风带有异味的可能性较高，经过热交换后的排风通过排风竖井从屋顶排出。厨房全面通风系统平面设计如图 9 所示，各区域的设计风量见表 4。

图 9 厨房全面通风系统设计方案

表 4 厨房全面通风系统设计风量

在烹饪时段，当红案间及 / 或面点间的排油烟风机及其补风机开启时，自动关闭红案间及 / 或面点间的全面通风回风口处的电动密闭风阀，多余的排风量改为由厨房其他功能房间的风口排出。库房排风设置定风量阀，保证库房的排风量不受干扰。

送风管道上的多联机全新风处理机组，负责对热交换后的新风进行进一步的温度调节。冬季全面通风室外新风经加热处理至 20℃以上后送入室内；夏季新风处理至 24-26℃送入室内。过渡季时采用旁通管道直接将新风送入室内。为避免厨房油烟对通风机组造成损伤，在回风口处设置油烟过滤网，定期清洗或更换。

（2）局部通风设计方案

厨房操作区的局部通风方案为，在烹饪时段，红案间和面点间排油烟设备启动，经油烟净化装置处理后通过排风竖井从屋顶集中排放。排油烟设备与局部补风风机联动，当排油烟设备启动时，穿外窗而出的补风管路密闭电动风阀打开，室外空气通过补风管道进入带有补风入口的排油烟设备，从而实现补风。厨房局部通风系统设计如图 10 所示。

图 10 厨房局部通风系统设计方案

厨房操作区的局部通风设计，重点在于精细化的排风量核算。在保证排油烟效果的前提下，采用合理布置厨房设备、使用高抓捕效率的排油烟系统等措施，尽量降低排风量，从而降低补风量及其引起的能耗，是实现高能效厨房的关键。

本项目的厨房局部排风量设计，参考了以下三个方面的技术标准：

（a）根据《全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调·动力》[1]，职工餐厅厨房换气次数为 25-35 次 /h，中餐厨房换气次数为 40-60 次 /h。面点间换气体积 =15m²×4.05m=61m³；红案间换气体积 =38m²×4.05m=154m³；按中餐厨房 50 次 /h 换气次数考虑，排风量为 10750 m³/h。

（b）根据《饮食建筑设计标准》JGJ 64[2]，厨房排油烟设备的局部排风量为：

L=1000×P×H

式中，L为局部排风量，m³/h；P为排风罩口周长（靠墙边长不计），m；H 为罩口距灶面距离，m。根据本项目排风风罩的尺寸及靠墙布置情况，排风量为 14100 m³/h，大致相当于 65 次 /h 换气次数。

（c）根据德国标准 VDI 2052[3] 以及厨房设备表，计算排油烟设备的局部排风量为 5600 m³/h，大致相当于 26 次 /h 换气次数，详见表 5。计算中采用的热诱导气流折减系数为 0.63，设备同时使用系数为 0.8，排除因子为 1.3。

表 5 厨房局部通风系统排风量计算（VDI 2052）

综合考虑以上技术标准要求，确定本项目厨房排油烟系统风量为 6000-15000 m3/h。排油烟及补风风机均采用变频控制，根据使用需求调节排风及补风风量。运行时尽量采用低档风量，同时对厨房进行监测，包括厨房温湿度、风机运行时长及运行档位。

4 项目能效分析

4.1 能效分析参数

为考量建筑的能效水平，对建筑整体进行能耗分析，包括该建筑地上 1-3 层以及屋面层。考虑宿舍区每日运营时间为 00:00-24:00，餐厅区每日运营时间为 06:00-08:00、11:00-13:00、17:00-19:00；采暖期为 11 月 4日至次年 4 月 5 日，制冷期为 6 月 1 日至 9 月 30 日；建筑内总人数为 299 人，男女各 50%；根据项目最终照明和电气设备采购清单，平均照明功率密度 2.63 W/m²，电器设备功率密度 4.44 W/m²；建筑室内散热参数详见表 6。

4.2 能效分析结果

本项目能效分析结果见表 7，建筑的制冷负荷 / 需求相对较高，全天最大冷负荷出现在中午 12 时，主要来源于外窗辐射得热、通风得热、人体和设备散热。

表 7 同时给出了 PHPP 的计算结果，由于本文和PHPP 计算所采用的建筑面积不同，因此比较两种计算方法下整栋建筑的负荷 / 能耗结果更有意义。从负荷 /需求的计算结果对比看，两种方法得到的采暖负荷和需求基本相当，制冷需求也较为接近；从一次能源需求的对比来看，两种方法的主要差异体现在生活热水的能源需求上，该差异来源于日用水量（本文取 20000L/d，PHPP 取 19L/person/d ×104person=1976L/d）以及热水温升（本文取 10℃升至 60℃，PHPP 取 14.2℃升至60℃）的不同。除生活热水以外，两种方法对于其他项目一次能源需求的计算结果基本相近，能够较为一致地反映建筑的能耗情况。

表 6 室内散热参数

表 7 建筑能效分析结果

5 结论与展望

本文以文安东都环保产业园内的综合楼A栋为例，详述了宿舍和食堂建筑完整的被动式低能耗技术方案，旨在集成目前阶段的认知和经验，以微知著，为相近项目提供讨论和完善之基础。

本文所述案例，建筑造型或内部装饰并无突出之处，但是在提升建筑的气密性、保温性和热惰性，改善门窗系统的热工性能和遮阳性能，降低或消除建筑细部节点的热桥效应，完善室内气流组织和通风系统设计，以及控制噪声等方面，都做出了充分且细致的考虑，特别是在独立基础处理、独立支撑雨篷设计等细节做出了首次尝试。这体现了建设理念的转变，即由对建筑外在的关注转为对建筑内在细节的关注，更多地强调建筑本体性能的提升和建筑室内舒适环境的营造。在能源紧张和气候变化的全球化背景下，面对各种不同类型的建筑乃至区域的高能效建设，用科学务实的眼光分析问题，避免盲目，并采取适应环境的正确合理的技术解决方式，将是我们的持续性工作。

参考文献

[1] 全国民用建筑工程设计技术措施—暖通空调·动力，中国计划出版社，北京：2009

[2] 中华人民共和国行业标准 . 饮食建筑设计标准 . JGJ 64-2017

[3] VDI 2052 Part 1. Air conditioning - Kitchens (VDI Ventilation Code of Practice). 2017

致谢

本项目于 2018 年 7 月启动，2019 年 11 月完成建设，是中德两国技术人员的共同工作成果。除本文作者外，尚应感谢德国能源署揣雨女士、杨扬博士，被动房研究所陈守恭博士、刘亚博先生，以及北京建筑技术发展有限责任公司武艳丽女士的技术支持，同时感谢本项目的建设单位北京建工新型建材有限责任公司、设计单位北京市建筑工程设计有限责任公司、施工单位北京市第三建筑工程有限公司的共同努力。

作者

北京康居认证中心  马伊硕 曹恒瑞

德国能源署（dena）  石特凡·席尔默

被动房研究所（PHI）  考夫曼·伯特霍尔德

北京市建筑工程设计有限责任公司  白一页

北京新城绿源科技发展有限公司  梁征