工程概况

北京大学附属北京大学附属小学新建教学楼、宿舍楼及地下车库工程已于2007年9月投入使用，设计以绿色、节能、自然和科技为原则。分别采用了双层墙外保温、内外遮阳、类呼吸式双层窗、诱导式通风、置换式通风、地下通风降温预热系统、太阳能利用和热回收等技术，同时结合校园良好的自然条件进行了多方位和适宜节能技术措施的探讨。

建筑特点：不完全符合绿色建筑标准，采用适宜技术。


学校新建筑细节

设计与技术运用

设计过程与目标

北京大学附属小学校园新建筑工程的设计起始于2001年6月。设计之初就明确了科学研究与工程设计密切结合，绿色自然和技术适宜的设计指导原则。在设计方案修改完善过程中还专门委托清华大学建筑学院科学技术系进行了节能技术专项研究，该系提出了《北大附小新建教学楼热环境控制方案》的研究报告（以下简称《环控报告》）。这些技术措施的确定过程也是研究与设计的交互完善过程。对最终在设计中采用的节能技术措施的研究贯穿了从建筑方案比选、初步设计、施工图设计和施工建造的全过程。

校园内大量的名木古树和身处具有深厚文化氛围的北大燕东园是启发设计者进行节能技术探讨的主要动因之一。每个建筑所采用的节能技术措施均是建筑自身的特点、环境和当地气候条件三者综合平衡的结果，经多方综合分析，设计者提出了以下设计目标。

设计目标 —— 一个最自然的建筑

标准的确定

采用有效的通风、隔热、遮阳等自然技术措施确保炎热夏季不使用空调时教室室温低于29℃；根据人体热舒适标准，人体夏季穿着轻薄服装（服装热阻0.4clo），活动状态为静坐，当室内温度为29℃，相对湿度为71％，风速为0.15m/s时，PMV为1.06，是人体热感觉可接受范围的上限值。

确保冬季室内在不利用开窗换气的条件下CO2浓度低于1.5‰，并有较好的自然通风。

确保冬季采暖条件下的室内温度高于18℃。

设计分析

主要矛盾分析：北大附小校园新建筑的热环境控制，分冬、夏两季分别考虑。冬季供暖的热源采用现有位于校园南侧的北京大学集中供热中心的热源。因冬季在室外温度较低的情况下开窗通风，一是会使部分热量损耗；二是可能造成临窗孩子上课时产生不舒适感。因此冬季热环境的控制主要是确保室外较寒冷，外窗不开启且学生较集中的情况下教室内足够的新风量。

相对于冬季供暖，夏季教学楼供冷方案的设计则是本设计的主要矛盾。

空调方式分析：夏季房间降温的传统方法多为安装分体式空调器或采用集中空调系统送风。分体式房间空调器虽然可以提供良好的室内热环境，却并不能保证室内空气质量，且初投资、维护更新费用和运行费用均高；集中送风空调虽然可以保证好的空气与室内环境质量，但初投资和运行费用比房间空调器更高，并要求配有专业的运行维护人员。

使用特点分析：考虑到一年中北京地区最热的月份是7月和8月，而这两个月由于小学暑期放假，各个教室并不使用。因此夏季需要空调供冷的时间在5月底至7月初，建筑物具有空调时间较短、供冷期间室外气温不太高的特点。

综合考虑上述因素，本方案的设计采用外围护结构的隔热保温、遮阳、诱导式热压通风与地下风道通风相结合的技术，以获得舒适的室内热环境和良好的室内空气质量，同时达到节省运行能耗的目的。

双层墙外保温技术

在优化围护结构设计时，《环控报告》以《民用建筑节能设计标准》（采暖居住建筑部分）（JGJ 26-95）作为设计的标准（注：当时公共建筑节能设计标准还未实施），并根据各房间使用功能及户型结构，对建筑物各种内扰及通风的参数进行设置，然后利用DeST建筑热环境模拟分析软件，对各设计方案进行热环境模拟计算。模拟结果表明在内墙加贴内保温材料能使整个建筑的平均能耗降低大约14%左右，同时由于保温材料的蓄热作用，还能适当降低建筑夏季的空调最大负荷。

施工图设计中为更好地加强保温隔热效果，将报告建议的50mm厚聚苯板改为挤塑聚苯板，并将双层墙体内侧墙的内保温改为双层墙体的内墙外保温。工程建造过程中还将双层墙体的外墙由原来的FC板改为50mm后的挤塑聚苯保温板，以减少双层墙间空气腔内排出热空气与室外空气的换热。

内外遮阳设计

遮阳是建筑中普遍采用的古老而传统的技术手段。《环控报告》计算模拟发现，遮阳对减少进入房间的，太阳辐射及降低夏季房间，基础室温是非常有效的。
考虑到建筑立面的美观及双层墙本身的厚度达900mm，在夏季时已经能遮挡大部分直射阳光，报告建议可以直接利用墙本身的厚度作为窗户的外遮阳，不需要再设置外遮阳百页。另外由于百叶窗帘具有较好的遮阳和透光性能，适合于光环境要求较高的场合，因而建议使用百叶窗帘作为教室的内遮阳。
工程设计考虑到外窗改用了双层窗，故仍在窗外加设了外遮阳格栅。
2006年8月1日中午12点时外遮阳效果。图中可以看出阳光仅能照射到外窗的底部不足三分之一处，外遮阳效果非常明显。

工程设计中采纳了报告的建议在教室与宿舍中均采用了百叶窗帘内遮阳。
因燕东园现状均为灰砖坡顶建筑，工程设计中教学楼结合屋面太阳能集热板设计了大面积的坡屋面，使较大体量的教学楼有机融合于小尺度的燕东园环境中。同时也起到了很好的遮阳效果。斜坡屋顶下丰富变化的开敞空间也是孩子们观景游戏的最佳场所。
报告厅屋面上因有较多的半地下厨房送排风设备，故在设计中加高了女儿墙，并在屋面上设计了混凝土倾斜遮阳格栅，一是可以很好的为屋面遮阳；二是很有效的将风机噪音反射到远离教学楼方向的高空；三是起到屋顶美化作用。

外循环式保温通风双层窗

双层（或多层）外围护结构是当今建筑节能中所普遍采用的一项节能技术。尤其是双层（或多层）玻璃幕墙结构在高档办公建筑中应用更加普遍，这项技术也被人们普遍的称为“可呼吸式幕墙”。它主要是针对过去玻璃幕墙建筑能耗高、不宜开窗通风、无遮阳措施和室内空气品质过于人工化而产生演变出来的。它的通常做法是利用双层玻璃墙的围护结构，中间留出宽度不等的空气腔并设置可调节的遮阳百页以达到节能通风效果。根据通风换气的方式不同，有内循环式和外循环式之分。但不管哪种方式其原理基本是相同的。在冬季双层玻璃墙之间形成一个阳光温室，有利于建筑保温节能；在夏季利用通排风技术将双层玻璃墙之间由于百页遮阳所产生的热空气排走，达到隔热降温的目的。
《环控报告》中综合保温性能、材料特性及建造成本、隔声性能等因素建议采用双层双玻塑钢推拉窗。
工程设计者认为双层玻璃幕墙作为一个有效的节能措施建造成本较高，中国的小学不可能投入较大资金来支持该项技术的实施。塑钢窗虽然造价较低，保温性能较好，但却存在着耐久性差、易变形和不易降解等缺点；另外推拉窗也有密闭性较差的问题。经过与建设方的磋商，教室和宿舍采用了双层断桥铝合金窗的方案，外层窗为断桥铝合金6mm厚单玻，内层窗为断桥铝合金中空玻璃（6+12+6）mm，两层窗间距约300mm，中间设穿孔铝合金遮阳百页。内侧窗分格设计中考虑到方便手工操作遮阳百页，故在两侧设计了较大的竖向开启扇，外侧窗设计中为使室内视野开阔并减少热空气传至空气腔中，仅在窗子右上角和左下角设置了两个600mm×600mm的开启窗，以满足过渡季节室内的通风要求。
双层窗的设计是一个经过改进的更切合学校实际情况的类双层呼吸式幕墙结构，它具有了呼吸式幕墙的优点，但造价更低（约合450元/m2人民币）、构造简洁、施工简便、易操作和日常维护管理。且与诱导式通风墙和地下风道的预热制冷系统有很好的协调作用。
此外结合儿童的使用特点，在安全的基础上教室和宿舍的窗台均设计为650mm高，以达到室内外视觉感受的连贯性和亲切感。

诱导式通风技术

通过自然通风降温而满足人体的舒适度要求是建筑中最自然而古老的技术，尤其是世界各地的传统乡土民居建筑中都有普遍的应用。“大树底下好乘凉”是对自然界中遮阳与通风结合的最佳写照。
采用自然通风方式的最终目的是部分或者全部取代目前传统的空调制冷系统。自然通风可以在不消耗可再生能源的情况下降低室内温度，带走潮热气体，达到人体热舒适；同时利于减少能耗，降低污染，并提供清洁新鲜的自然新风，有利于人的生理和心理健康。
《环控报告》建议主教学楼的南侧教室和南教学楼新建教室采用诱导式排风系统，通过烟囱和太阳集热器尽可能吸收太阳辐射，加热流过其中的空气，扩大与室外空气的温差，形成并强化热压拔风作用，进而对房间内的空气产生有效的抽拔作用，从而保证教室内能形成稳定的气流组织。
工程设计中在教学楼南侧顶部结合坡屋面布置了排风塔和太阳集热器。南向教室的排风通过南侧空心夹层墙流入南侧的太阳集热器，进而进入排风塔排出室外。由于诱导式通风系统较依赖于室外气象条件，并且提供的拔风动力较小，为了确保排风效果，同时安装了机械排风系统（在塔内加装排风机）。当太阳辐射较弱或者地道送风系统处于中、高档送风时，启动机械排风系统。当太阳辐射较强并且地道送风系统为低档送风时，不开风机，依靠热压自然通风。风机开启时，下方隔栅百叶自动关闭。在诱导通风情况下，为避免风压作用对塔内排风的影响，在塔内出风口外围增设一圈玻璃挡风圈（避风风帽），室外风吹过风帽时，可以保证排风口基本上处于负压区内，从而进一步增加系统的排风能力。


地下风道降温预热系统——自然通风降温系统

地下土壤在地下8-10米深的位置温度有相对的稳定性，我们很多人都有在炎夏去地下室时凉爽的感觉。我国在上世纪70年代左右建有很多利用地下人防在夏天给建筑送冷风的建筑，清华大学第三教室楼至今仍在利用这项技术给教室降温。有人预测地下土壤的冷和热作为能源将会仅次于太阳能，成为非常重要的可再生能源普遍存在。
北大附小地处燕东园，校园内有北京大学地下人防的出口。另有北京大学集中供热系统的地下管沟。原设计中设想能利用这两个冷源为教室提供冷量，但由于各种因素此设想未能实现。工程中只能采取在附小校园内再新建地下混凝土风道的方案。

因钢筋混凝土管导热性好，成本较低和有成品直接利用的优点，故地下风道采用了预制钢筋混凝土管的方案。《环控报告》根据北京地区土壤温度随深度的变化情况及建筑物逐时动态负荷分析，认为4m深处土壤温度年波动幅度已经比较小。
因而建议预制混凝土埋管中心深度应大于4m，当夏季室内温度控制在29℃时，钢筋混凝土预制管共需4根，长度大于290m时，可以满足为教室提供冷量的要求。工程设计中考虑到地道建成后的维护，方便维修人员的进入，因此选用了内径为1.2m的混凝土管道。埋管布置方案为上下层各布置两根风管，中心间距为2.4m。这样可使流经管道的空气和管道周围的土壤有充分的热交换。在下层的两根埋管中，引出一根供接建教学楼，其余三根供主教学楼。
地下风道在冬季可作为地道预热系统，一方面将室外的低温空气引入地道，使地道的温度降低以保证地道在夏季的冷却能力；另一方面通过地道预热室外空气，给教室提供经过加热的新鲜自然风，以有效的改善冬季不开窗时教室的空气品质。
夏季地下风道可作为建筑的降温系统。风道因冬季的使用已蓄存了较多的冷量，室外热空气从进风口吸入，在运行过程中与土壤中的冷量发生热交换而变冷，通过风机被输配至教室中，从而为教室降温。

通风系统设计

通风系统设计主要包括诱导式排风系统设计（前章已有论述）、机械送排风系统设计、室内通风气流组织设计等几个部分。
通风系统的送风部分全部采用机械送风方式， 在教学楼地下室分别设有风机房。机房内设置风机，静压箱，消声器、初效过滤器等。风机作了减震处理。由风机负责将地道风送入室内，保证室内处于微正压（5Pa）状态；在主教学楼的南侧教室和接建教学楼教室同时设计诱导式排风系统和机械排风系统，主教学楼的北侧教室部分由于地理位置以及建筑结构特点，不宜采用诱导式排风系统，故只采用了机械排风系统。
对于主教学楼来说，风机将地道内空气抽送至地下层内的静压箱（静压箱相当于一个大型风道）。静压箱与位于教室内墙的送风竖井相连，送风竖井将地道风送至各房间，通过送风口送至室内。室内空气通过外墙上的排风口排至空心双层墙排风道内，再通过顶层屋顶的诱导式排风和机械排风系统将空气排出室外。

置换式通风设计

1 下送上排的置换通风设计
所谓置换通风，是指一般在室内形成类似活塞流的流型，新鲜的冷空气由房间底部以极低的速度（0.03～0.2m/s）送入，送风温度与室温接近，送风温差为2～4℃。送入的新鲜空气因密度大而向水一样弥漫了整个房间的底部，当遇到热源时，靠室内发热体的热力作用以自然对流的形式使室内的余湿余热和污染物质向上慢慢升起，移动到房间的顶部，脱离人的停留区，最后将余湿余热推向天花板，由设置在天花板上或房间顶部的排风口排出。
本教学楼最初考虑采用目前常用的置换通风方式，从房间下部低速送风，房间顶部排风，并利用诱导式通风的辅助，让人体等发热源产生的污染物只停留在房间顶部，人体高度区域保持清洁环境。置换通风系统使室内温度和污染物浓度呈层状分布，热源引起的热对流气流使室内在垂直方向上产生温度梯度和浓度梯度。
2 上送上排的置换通风
理论上，采用位于地面的置换风口，在出风速度小于0.2m/s时，不会给人带来吹风感。但是由于当教室使用时，课桌可能会贴近风口摆放，会有一些小学生静坐时腿部距离风口很近，对小学生的健康有不利影响。为了使房间具有较高的通风效率，又满足人员舒适度要求，《环控报告》改进了下送上排的置换通风方式，改为上送上排。即将置换风口置于房间的侧墙中部，距地面1.5m高处，新鲜的冷空气从风口送出后，由于密度差的作用下沉至房间底部，同时在下沉过程中，由于气流的扩散掺混，风速逐渐衰减，温度逐渐回升，至人员活动区域时，已经满足人员舒适度的要求。下沉至房间底部的空气遇到热源时，靠室内发热体的热力作用以自然对流的形式使室内的余湿余热和污染物质向上慢慢升起，移动到房间的顶部，脱离人的停留区，最后将余湿余热推向天花板，由设置在天花板上或房间顶部的排风口排出。这种通风方式为由热压驱动引起的自然对流，本质上来说，还是一种置换通风方式。
这种通风形式能形成良好的室内气流组织分布。气流流经人员活动区域，升温后从教室上方排出，对冷量利用的比较充分。教室在人员主要活动区域（0.7m高的位置）的温度在24℃左右，风速在0.2m/s左右，达到人体热舒适的标准。因此，工程设计中采用这种上送上回的置换通风方式。

热回收技术

厨房设计中部分采用了热回收技术。
为学生提供午餐的厨房处于报告厅下部的半地下室位置，为避免夏季厨房气味对上部报告厅的影响，建筑设计中将厨房设计为全封密方式，即厨房窗户全为固定窗，窗户只采光不通风。而厨房通风换气排烟均采用机械方式。
在冬季室外温度较低情况下，如过多地短时间内室内吸入大量冷空气会使工作人员产生不舒适感，故在厨房的排风换气系统中采用了热回收技术，方法是采用“筒中筒”结构，即在垂直排风道中将排出热空气的管道设在排风井中央，并与混凝土风道外侧墙壁保持一段距离，而产生空气腔，从室外吸入的冷空气通过空气腔下行与上行排出的空气发生热交换而升温，从而达到节约能耗的目的。
其他方式的太阳能利用技术措施

1）教室与宿舍 北侧的室内暖廊。
2）设置屋顶太阳能热水器，供应住宿学生淋浴热水。
3）在教学楼和宿舍楼屋顶预留阳光、植物温室。
4）阳光绿色大厅。
5）报告厅南侧阳光休息廊。
6）教室内走廊的自然光。
建筑与树木的交响

现代都市人栖居的最高理想是生活在绿树环绕之中。北大附小因身处北大燕东园中，具有得天独厚的优势，校园内共有名木古树240余株。建筑设计中最大的挑战主要是如何让建筑与大树有机结合。大树为建筑提供最大的视觉景观，并起到遮阳、降温的效果。同时对大树的保护也有效的传承了北大古典优雅的校园文化。工程设计中从设计方案初步设计和施工图设计到施工放线，建造过程均不遗余力的坚持了无条件保护大树的原则。最终取得了令人满意的效果。

不足与遗憾

工程设计和建造中有诸多不足与遗憾。

1）窗户设计中对自然通风，在过渡季节的重要性认识不够，外窗开启扇过小。

2）某些风机运行中噪音过大。

3）教室读书声通过内墙风道传播对上下相邻教室产生影响难以弥补。

4）建造过程中对某些树木的保护力度不够。

测评

北大附小的生态节能技术措施设计仅仅是一个初浅的尝试，所以还需要对工程建成后的建筑室内外工况给予一个全程的测试，分析和评价；用实际测量数据来评价建筑的节能效果才是最重要的。