我国寒冷地区高校学生公寓生态设计与实践 以山东建筑大学生态学生公寓为例

［２］ 太阳能采暖的问题。太阳墙系统的总供风
万 ｍ２， 是之前新中国成立５０年间建设总量 的 １ 倍以上。 然而，通过对我国寒冷地区
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高校调查发现，学生公寓目前还普遍存在 着能耗高、室内空气品质较差和室内舒适 性较差等问题。为了探索如何有效解决这 些问题，我们结合山东建筑大学新校区学 生公寓的建设，与加拿大可持续发展中心 合作， 兴建了生态学生公寓科技示范楼。 该 工程采用了生态建筑的设计理念和多项节 能技术， 投入使用两年来， 达到了节能、 环 保、舒适、健康的目标，２００５ 年被建设部 授予建筑节能科技示范工程（图 １、２）。 一、建筑节能的总体策略 １． 建筑设计 生态公寓建筑面积２３００ｍ２， 长２２ｍ， 进 深 １８ｍ，高 ２１ｍ，共 ６ 层，７２ 个房间，均 为４人间。 该部分通过楼梯间与东部普通公 寓相连接。外墙平直，体形系数为 ０．２６。 内廊式布局，北向房间的卫生间布置 于房间北侧，作为温度阻尼区阻挡冬季北 风的侵袭， 有利于房间保温 南向房间的卫 ； 生间于房间内侧沿走廊布置，南向外窗的 尺寸得以扩大，便于冬季室内能够接受足 够的太阳辐射热（图 ３）。 ２． 围护结构 采用砖混结构， 使用黄河淤泥多孔砖、 外墙外保温。 西向、 北向外墙在 ３７０ｍｍ 厚 多孔砖基础上敷设 ５０ｍｍ 厚挤塑板。南外 墙窗下墙部分采用 ３ ７ ０ ｍ ｍ 厚多孔砖加 ２０ｍｍ厚水泥珍珠岩保温砂浆， 安装了太阳 墙板的窗间墙部分外挂２５ｍｍ厚挤塑板。 楼 梯间墙增加了 ４０ｍｍ厚憎水树脂膨胀珍珠 岩。屋顶保温层采用 ５０ｍｍ 厚聚苯乙烯泡 沫板。 外窗全部采用平开式真空节能窗。 ３． 供暖形式
空腔内空气，热空气上升，从顶部风口流 出；在压力作用下各层走廊内空气流入烟 囱，房间内空气通过开向走廊的通风窗流 入走廊， 如此加强了室内的自然通风， 有利 于降温（图 ７）。冬季， 走廊开向通风烟囱的 下悬窗关闭， 烟囱对室内不再产生影响。 ３． 太阳能热水 公寓屋顶上安装了太阳能热水系统， 采用 ３０ 组集热单元串并联结构， 每组由４０ 支 ４７×１５００的横向真空管组成， 四季接受
形布局， 结合太阳能烟囱， 有较广的通风覆 盖面， 通风直接、 流畅， 室内涡流区小。 另 外， 对于北向房间来说， 冬季太阳墙系统为 其提供了预热新风 夏季， ； 将太阳墙系统风 机的温度控制器设定在较低温度，当室外 气温低于设定温度时风机运转，把室外凉 爽空气送入室内， 能够加快通风降温。 南向 房间采用ＶＦＬＣ涓流通风器过滤控制新风。 通风器安装在窗框上， 有３个开度， 用绳索 手动控制， 可为房间提供持续的适量新风， 满足卫生要求。 ２． 卫生间背景排风 卫生间的排风道按房间位置分为南北 两组，每组用横向风管在屋面上把各个出 风口连接起来， 最终连到一个功率在１．５～ ２．２ｋｗ 之间的 ２ 级变速风机上。室内的排 风口装有可调节开口大小的格栅。平时格 栅开口较小， 室外风机低速运行， 为房间提 供背景排风。卫生间有人使用时开启排风 开关， 格栅开口变大， 风机高速运行， 将卫 生间中的异味抽走，有效降低卫生间对室 内空气的污染。排风开关由延时控制器控 制， 可根据需要设定延迟时间， 防止使用者 忘记关闭开关造成能源浪费。 四、 有效性分析 １． 计算机通风模拟 使用ＡＩＲＰＡＫ软件对东端南北向房间 夏季工况进行了对流通风模拟。设定的自 然条件为济南最热月平均室外气温 ２７．５℃ 和室外较低风速 １．５ｍ／ｓ；室内状况是房间 门和卫生间门关闭，外窗和对走廊的通风 窗完全打开 活动状况是四人静坐， ； 均使用 计算机。 模拟显示室内穿堂风效果较好， 近 人位置风速适宜， 空气龄在１０～２０秒之间， 空气新鲜。 ２． 热工性能实测 （１）为期一个月的最冷月测试 ２００４ 年 １２ 月 ２１ 日 －２００５ 年 １ 月 ３０ 日， 在全年最冷月中对室内外温度、围护结构
和换气次数是居室健康环境的必要条件。 对于具有集中供暖的学生公寓来说，ＣＯ ２ 浓度是室内空气质量的重要参数。 ２００５ 年 １ 月，使用 ＣＯ２ 测试仪对生态 公寓房间进行了测试，测试房间均为四人 间， 测试时间为２４小时， 测试结果如图１２。 普通公寓居住的是本科生，白天课程安排 较多， 晚上大多数有晚自习， 因此房间ＣＯ２ 浓度值变化很大， 出现了早、 晚几个高 中、 峰，而且全天 ＣＯ２ 的平均浓度高于国家标 准１０００ｐｐｍ。 生态公寓居住的是研究生， 日 常课时较少， 室内人数变化不大， 所以ＣＯ２ 的浓度值变化较平缓，且低于 １０００ｐｐｍ。 通过以上分析可以看出，生态公寓通 风设计对于实现良好的室内空气质量必不 可少，而且太阳墙系统可以在这方面发挥 更大的作用。太阳墙系统非常适合于人员 密度较大、 需要良好通风的空间。 ４．经济性能评价 通过实测和计算可以得出，良好的围 护结构使生态公寓耗煤量指标为１９８０年标 准的 ３０．７％，即达到节能 ６８．９％。经模拟 计算和实测数据校核，采暖季可获取太阳 能转化成热能 ５０ＧＪ， 加上这部分得热， 生 态公寓耗热量指标为 ９．２３，耗煤量指标为 ４．５０，节能 ７５．８％。生态公寓与普通公寓 相比， 因为采用了多项生态技术措施， 初投 资增加了 １２％。但是生活热水的提供和通 风设施的设置提高了生活水平和环境质量， 光伏发电的投入也能逐渐回收，而且在采 暖和热水两个方面，ＣＯ２ 排放量每年可减 少约１８０吨。 另外， 部分高新技术国产化后， 初投资会大大降低，投资回收期也将大为 缩短，经济效益还会有大幅提高。■
在示范楼的南面，采用高效精确追踪 式太阳能光伏发电系统，能够精确跟踪太 阳运动，使光伏电池板始终垂直于太阳光 线，效率比固定式高出近 １ 倍（图 ９）。装机 容量 １５００Ｗ， 晴好天气每天可发电１２ｋｗｈ 左右， 并设有蓄电设施， 为生态公寓提供风 机动力、 走廊照明及室外环境照明。 三、室内环境控制策略 １． 对流通风及新风系统 房间向走廊开有通风窗，位于分户门 上方，尺寸为 ９００ × ３００ｍｍ，安全性能比 门上亮子好。通风窗与房间外窗形成穿堂
的热流密度和太阳墙系统进行了不间断测 试。 按照围护结构实测热流密度进行计算， 求得传热系数见表１。 通过对太阳墙系统长期逐时检测可以 看出， 冬季日出前、 日落后， 太阳墙内空气 温度比室外环境温度平均高７℃左右， 有效 改善了围护结构的外环境，大大降低墙体 传热损失 日出后， ； 太阳墙内空气温度迅速 升高， 很快达到送风温度， ９时～１６时太阳 辐射高值期内，太阳墙系统能够把室外空 气温度提高 ３０℃左右，采暖效果显著；１５ 时以后， 虽然气温仍在上升， 送风温度却开 始迅速下降，可见冬季太阳墙送风温度与 辐射强度关系密切， 与环境温度关系较小。 （２）为期一天的太阳墙系统典型测试 为了较好的说明太阳墙系统送风温度 与太阳辐射等自然条件的关系， ２００５ 年１ 月 ２８ 日对太阳墙系统进行了全面测试（图 １０）。可以证明， 太阳墙系统适于太阳辐射 充足的地区使用。同其他被动式太阳能系 统一样，太阳墙采暖在白天可以发挥很大 作用，在围护结构有良好的热工性能的情 况下， 取暖效果非常明显。 （３）为期一周的过渡季节测试 初春作为过渡季节，刚刚停止供暖后 室内比室外温度低， 较寒冷， 这时太阳墙和 良好的围护结构可以发挥较大作用。２００５ 年 ３ 月 ２０ 日～３１ 日， 对生态单元的北向房 间和普通公寓相同位置的北向房间行了温 度测试（图 １１）。停止供暖后各房间室温都 有不同程度的下降，但由于生态公寓围护
近年来， 我国高校办学规模不断扩大，大学生公寓３８００多万ｍ ， 改造１０００
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方式：南向房间采用被动式直接受益窗采 暖， 北向房间采用太阳墙系统 常规能源作 ； 补充， 房间配备低温辐射地板采暖系统， 设 有计量表和温控阀， 实现了有控制有计量。 将温控阀设置在室内舒适温度 １８℃， 先充 分利用太阳提供的热能，如室内达不到设 定温度， 温控阀自动打开， 由常规采暖系统 补上所需热量， 达到节约能源的目的。 ４． 中水系统 卫生间冲刷用水采用学校统一处理的 中水。 二、太阳能综合利用策略 １． 太阳能采暖 南向房间采用了比值为 ０．３９的窗墙面 积比， 以直接受益窗的形式引入太阳热能， 白天可获得采暖负荷的 ２５～３５％。北向房 间采用加拿大技术太阳墙系统采暖（图 ４）。 建筑南向墙面利用窗间墙和女儿墙的位置 安装了 １５７ｍ２ 的深棕色太阳墙板。太阳墙 加热的空气通过风机和管道输送到各层走 廊和北向房间，有效解决了北向房间利用
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结构热工性能较好， 降温较少， 而且当日照 充足时， 在太阳墙系统作用下室温升高， 并 能维持相对较高的温度。普通房间的室温 则只受室外温度影响，随着环境温度的变 化而升降，且比生态公寓室温低３～４℃。 ３．室内 ＣＯ２ 浓度的测定 良好的室内空气质量、合理的新风量
１０ 太阳墙系统室内送风温度与室外 气温比较（２００５ 年 １ 月 ２８日） １１ 过渡季节生态公寓与普通公 寓室内温度比较（２００５ 年３ 月２０ 日至 ３１ 日） １２ 采暖季生态公寓与普通公寓室内二氧 化碳浓度比较
８ 屋面上的太阳能热水系统
９ 公寓南侧的太阳能站
５．５ｍ。充足的高度是足够热压的保证，而 且宽高比接近 １：１０，通风量最大，通风效
［３］ 果最好。 夏季，烟囱吸收太阳光热，加热
日照稳定，可满足规范要求每天每个房间 连续 ４５ 分钟提供 １２０ 升热水（图 ８）。 实行定 时供水， 供水前数分钟打开水泵， 将管网中 的凉水打回蓄热水箱，保证使用时流出的 都是热水，水温为 ５０～６０℃。系统可独立 运行，也可以辅以电能。１０ 吨的蓄热水箱 放置于 ７ 层水箱间内， 有利于保温和检修。 采用智能控制系统控制和平衡各房间 的用水量，热水的使用由每个房间的热水 控制器控制。使用时在控制器上输入密码 打开电磁阀即可，水温水量可通过混水阀 调节， 密码需向公寓管理部门购买。 ４． 光伏发电
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作者单位：山东建筑大学（ 济南，２ ５ ０ １ ０ １ ） 收稿日期：２００６－１０－０９
采用常规能源与太阳能相结合的供暖
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绿色建筑 GREEN BUILDING