高等學(xué)校校園建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

王晶

（深圳市華匯設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518040）

1 總體布局及建筑設(shè)計(jì)

1.1 氣候條件特點(diǎn)

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)，我市屬夏熱冬暖地區(qū)，該地區(qū)為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，其特征表現(xiàn)為夏季漫長(zhǎng)、冬季寒冷時(shí)間很短，甚至幾乎沒有冬季，長(zhǎng)年氣溫高而且濕度大，氣溫的年溫差和日溫差都小。太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，雨量充沛。由于這些氣候特點(diǎn)，該地區(qū)建筑物的能耗主要是夏季用于制冷降溫的能耗;建筑節(jié)能技術(shù)的熱工設(shè)計(jì)，涉及防熱、除濕和過渡季節(jié)的自然通風(fēng)等內(nèi)容，以夏季防熱節(jié)能為主，冬季保溫基本不考慮。

1.2 總體布局

該建筑物的主要朝向呈南北向布局，東南面和南北面各有一條校園主干道，東北面設(shè)有一條湖濱路與校園主干道形成環(huán)狀路網(wǎng)。

為了能讓建筑充分延伸以獲得有利的陽(yáng)光通風(fēng)以及寬廣的視野，結(jié)合教學(xué)樓辦公建筑功能特點(diǎn)，總平面布置上(圖1)，主要用房均坐北朝南，考慮到有些教室、實(shí)驗(yàn)室相對(duì)獨(dú)立性的要求，分為二幢建筑，1#樓主要由專用繪圖教室、系圖書室、多媒體教室、美術(shù)教室、行政辦公教研室等組成，2#樓布置各專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和專用繪圖教室，1#、2#樓之間采用連廊連系圍合出較大的生態(tài)庭院，既保證各實(shí)驗(yàn)室與專用教室保持最便捷的聯(lián)系，又能保持相對(duì)獨(dú)立、互不干擾。在建筑的東西兩側(cè)留出大片空地種植常綠喬木，以遮擋不利的日光照射。

1.3 建筑設(shè)計(jì)

1.3.1 良好的自然通風(fēng)條件

結(jié)合我市氣候特點(diǎn)，在總平面規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)建筑的朝向、間距、體形等根據(jù)場(chǎng)地自然條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，1#、2#樓教學(xué)用房均坐北朝南布置行政辦公部分與福州地區(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)向垂直(圖2)，因而建筑獲得較好的自然通風(fēng)效果，改善了室內(nèi)熱環(huán)境。

1.3.2 熱緩沖共享中庭

建筑大樓是對(duì)師生進(jìn)行管理和為之服務(wù)的場(chǎng)所，因此，在功能上需要開敞空間以提供開放而高效的服務(wù)，需要營(yíng)造和諧的教學(xué)氣氛。1#樓3 大功能單元(專用繪圖教室、美術(shù)教室、行政辦公教研室)呈三角形布置，圍合成高達(dá)11m 共享中庭(圖3)，適應(yīng)該建筑大樓的特殊要求，保證該專業(yè)學(xué)生交流學(xué)習(xí)的大空間要求。事實(shí)上一個(gè)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)并采取合理技術(shù)措施的中庭，在建筑的運(yùn)行和管理過程中能夠充分發(fā)揮生態(tài)效能，從建筑的生命周期來看，可以大大降低能耗費(fèi)用。因此，在建筑設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)氣候這一主要因素，從中庭的平面、剖面、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、自然采光通風(fēng)等方面進(jìn)行全方位的考慮，使中庭具有良好的微氣候及人工生態(tài)環(huán)境的公共空間，與建筑的其他部分及外部環(huán)境一起成為一個(gè)有機(jī)的整體以達(dá)到節(jié)約能源與資源的目的。

(1)對(duì)中庭屋頂玻璃的控制與選擇

由于中庭頂部圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用大面積的玻璃，玻璃熱阻小，透射系數(shù)大，夏季太陽(yáng)輻射熱強(qiáng)烈，沒有遮陽(yáng)設(shè)施的中庭，會(huì)造成使用中的光污染和熱舒適程度下降，因此在滿足采光要求下，中庭屋頂透明部分面積與屋面面積的比控制在20%的范圍之內(nèi)，以滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，減少中庭受室外環(huán)境的影響程度。其次中庭屋頂玻璃遮陽(yáng)采用選擇性透光遮陽(yáng)——夾膠鋼化低反射中空玻璃，避免陽(yáng)光直射帶來過多的熱量。

(2)中庭的自然通風(fēng)

自然通風(fēng)是當(dāng)今生態(tài)建筑所普遍采用的一項(xiàng)較成熟且經(jīng)濟(jì)的節(jié)能技術(shù)措施，可以在減少消耗不可再生能源的情況下降低室內(nèi)溫度，帶走潮濕氣體，達(dá)到人體熱舒適的效果，同時(shí)可以提供新鮮、清潔的自然空氣，有利于人的生理和心理健康。常見的自然通風(fēng)方式是風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)。風(fēng)壓通風(fēng)的前提條件是建筑有較理想的外部風(fēng)環(huán)境，室內(nèi)與室外或室內(nèi)兩個(gè)空間之間存在壓力差;而熱壓通風(fēng)原理，即平常所講的“煙囪效應(yīng)”。中庭內(nèi)部在“溫室效應(yīng)”的作用下，產(chǎn)生垂直方向上的溫度差，進(jìn)而帶來熱壓力差，形成熱壓通風(fēng);另一方面，走廊通道上的風(fēng)流動(dòng)將增加吸風(fēng)效應(yīng)，與溫室效應(yīng)產(chǎn)生的空氣浮力相結(jié)合，使得中庭相當(dāng)于一個(gè)拔風(fēng)井，形成良好自然通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)室外溫度很高的夏季，可將熱空氣預(yù)先降溫，再送入中庭底部。所以在建筑周圍布置了綠化帶和水體，在中庭入口處增加一道門廳緩沖區(qū)，降低從室外進(jìn)入的熱空氣溫度。這樣，中庭底部空氣溫度與頂部溫度形成熱壓差，增強(qiáng)了中庭的通風(fēng)能力。

在各層均開設(shè)可開啟通風(fēng)窗(圖4)，在中庭頂部側(cè)面設(shè)有排氣口(圖5)，不論在風(fēng)壓或熱壓作用下都能起到抽風(fēng)作用，實(shí)現(xiàn)“煙囪效應(yīng)”(圖6)，促進(jìn)室內(nèi)良好的自然通風(fēng)，為中庭帶來新鮮的冷空氣，對(duì)內(nèi)部空間起到熱緩沖的作用。

1.3.3 多功能屋頂

屋頂一直是建筑節(jié)能必須考慮的一大要素。因?qū)Ｓ美L圖教室部分層數(shù)為6 層比美術(shù)教室和行政辦公、教研室部分層數(shù)多。因此行政辦公、教研室部分屋頂也是相當(dāng)重要的第五立面。利用辦公教研室斜屋頂建設(shè)室外講演、交流場(chǎng)所，增加了建筑功能，更豐富了建筑的形體變化。同時(shí)在斜屋面大臺(tái)階兩側(cè)和美術(shù)教室屋頂設(shè)置花池，形成立體綠化，從而達(dá)到物理節(jié)能的效果。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)墻和開窗結(jié)合立面形態(tài)的虛實(shí)變化進(jìn)行了合理布置，在需要開窗的場(chǎng)合，結(jié)合內(nèi)部功能和立面造型運(yùn)用了固定和可移動(dòng)外遮陽(yáng)百葉、可開啟百葉窗、low-e 低輻射玻璃等多種具有不同針對(duì)性的技術(shù)來滿足節(jié)能要求。

2.1 建筑遮陽(yáng)

為了改善建筑的室內(nèi)熱環(huán)境，采用遮陽(yáng)技術(shù)無疑是一項(xiàng)重要的技術(shù)手段，它不但可以防止眩光，還可以在夏季阻擋直射光透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，防止陽(yáng)光過分照射造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度過高;在冬季又能使陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)，提升溫度，減少空調(diào)的能量消耗。由于大面積玻璃窗由玻璃和金屬結(jié)構(gòu)組成，而玻璃表面換熱性強(qiáng)，熱透射率高，故對(duì)室內(nèi)熱條件有極大的影響。在夏季，陽(yáng)光透過玻璃射入室內(nèi)，是造成室內(nèi)過熱的主要原因。特別在南方炎熱地區(qū)，如果人體受到陽(yáng)光的直接照射，將會(huì)感到炎熱難受，因此在外窗上設(shè)置遮陽(yáng)系統(tǒng)，可以減少陽(yáng)光的直接照射，從而避免室內(nèi)過熱，是炎熱地區(qū)建筑防熱的主要措施之一。鋁合金門窗的保溫隔熱性能受許多因素的影響，其中影響最大的指標(biāo)就是遮陽(yáng)系數(shù)。遮陽(yáng)系數(shù)是透過有遮陽(yáng)措施的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和沒有遮陽(yáng)措施的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)輻射熱量的比值。遮陽(yáng)系數(shù)愈小，透過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)輻射熱就愈小，隔熱效果愈好。由此可見遮陽(yáng)對(duì)遮擋太陽(yáng)輻射熱的效果是相當(dāng)大的。

在低緯度的夏熱冬暖地區(qū)太陽(yáng)高度角大，對(duì)于南窗來說，水平遮陽(yáng)可以達(dá)到很好的遮陽(yáng)效果，所以教學(xué)樓采用南廊設(shè)計(jì)方案，為了立面的效果，教學(xué)樓北面雖然設(shè)計(jì)了大片落地窗，但在北面大片落地窗內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)了1m高襯墻，同時(shí)在窗外側(cè)設(shè)有滑軌式可移動(dòng)的百頁(yè)，靈活移動(dòng)的百葉可進(jìn)行不同組合設(shè)計(jì)，使建筑在達(dá)到高效遮陽(yáng)目的的同時(shí)，避免了大量統(tǒng)一形式百葉的使用帶來的呆板感。這樣不僅適應(yīng)了建筑功能要求，而且合理地減小了窗墻比。西南朝向的素描教室外窗采用水平百頁(yè)外遮陽(yáng)方案設(shè)計(jì)，能遮擋太陽(yáng)高度角較高的西南方向太陽(yáng)輻射，遮陽(yáng)百頁(yè)葉片寬 300mm、厚 25mm、間距300mm，傾角的確定兼顧了遮擋夏季日曬以及漫反射采光的需求。為了避免自身的熱傳遞效應(yīng)，所有百葉系統(tǒng)都被固定在由混凝土制成的立面框架上。這些框架形成了斑駁的陰影，也豐富了建筑形體的細(xì)部層次。

2.2 墻體

夏熱冬暖地區(qū)氣候炎熱，夏季最熱月平均溫度20～29℃，冬季最冷月平均溫度大于10℃

除少數(shù)天氣較寒冷外，基本可以不用采暖，我市獨(dú)特的氣候特點(diǎn)，決定了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以防熱、遮陽(yáng)為主。依靠常規(guī)墻體材料來達(dá)到隔熱節(jié)能的效果是不可能的，因此，必須采用具有保溫隔熱特性的加氣混凝土砌塊材料作為外墻體材料。

2.2.1 外墻砌體部分構(gòu)造設(shè)計(jì)

25 mm 石灰水泥砂漿+190mm 厚加氣混凝土砌塊+20mm 水泥砂漿+面層

傳熱系數(shù)K=1.15W/(m2·K)

2.2.2 外墻鋼筋混凝土墻體部分構(gòu)造設(shè)計(jì)

25 mm 石灰水泥砂漿+混凝土墻體 (取最不利的梁厚250mm 為準(zhǔn))+25mm 厚聚苯顆粒保溫砂漿+5mm 厚聚合物抗裂砂漿+5mm 厚面磚

經(jīng)計(jì)算，總熱阻R0=Ri+∑Rk+Re=1/hi+∑δk/λkak+1/he=0.693（m2·K）/W

傳 熱 系 數(shù) K=1/R0=1/0.693=1.443W/(m2·K)

滿足規(guī)范要求:K≤1.5W/(m2·K)

2.3 建筑外窗

與墻體比較，窗戶是輕質(zhì)薄壁構(gòu)件，是建筑保溫、隔熱、隔聲的薄弱環(huán)節(jié)。夏季通過窗戶的太陽(yáng)輻射熱將增加室內(nèi)空調(diào)能耗。因此窗戶是建筑，節(jié)能的關(guān)鍵部位是節(jié)能技術(shù)的重點(diǎn)。保溫性能，和隔熱性能是窗戶十分重要的熱工性能。窗戶保溫性能是衡量阻隔室內(nèi)外溫差傳熱的能力，用傳熱系數(shù)K 來表征，窗戶隔熱性能是衡量隔離太陽(yáng)輻射熱進(jìn)入室內(nèi)的能力，一般用遮陽(yáng)系數(shù)SC 來表征。這些節(jié)能參數(shù)具體反映在外窗的傳熱特性和氣密性。

經(jīng)過計(jì)算建筑窗墻面積比:東面為 0～0.330，面為 0～0.370，南面為 0.325～0.453，北面為 0.506～0.523，均小于 0.7，滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

外窗的選型:因窗墻面積比較大，熱損失是個(gè)較為突出的問題。為了獲得良好的景觀視野和滿足充足的采光需求，增強(qiáng)立面視覺效果，這樣就使透明的圍護(hù)結(jié)構(gòu)占據(jù)了外墻面的很大一部分，而這些透明的窗戶也經(jīng)常是建筑的冷橋所在。目前廣泛應(yīng)用的節(jié)能玻璃，除中空玻璃外，還使用Low-e 中空玻璃，這種玻璃對(duì)可見光保持較高的透過率，而對(duì)紅外長(zhǎng)波段透過率卻很小，幾乎為零。此外，由于Low-e 玻璃表面具有很低的長(zhǎng)波輻射率，可以大大增加玻璃表面輻射換熱的熱阻從而具有良好的保溫性能。但這種窗造價(jià)較高故應(yīng)有選擇性的采用。本工程的窗墻比均在0.300～0.523，外窗熱工性能應(yīng)滿足:K≤3.0～3.5W/(m2·K)，遮陽(yáng)系數(shù) SC≤0.35(東、南、西向)/0.55(北向)，北向窗選用塑鋼窗Low-e中空玻璃，其傳熱系數(shù) K≤2.5～2.0W/(m2·K)、遮陽(yáng)系數(shù)SC≤0.55～0.40，滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中K=3.0W/(m2·K)、遮陽(yáng)系數(shù)SC≤0.55的要求，外窗的氣密性不低于GB 7107-2002《建筑外窗氣密性能分級(jí)及檢測(cè)方法》規(guī)定的4 級(jí)要求。

2.4 建筑物的屋頂

受陽(yáng)光照射的建筑物屋頂，表面溫度比其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)高得多，對(duì)室內(nèi)溫度影響很大，頂層房屋冬冷夏熱現(xiàn)象十分明顯。因此，應(yīng)對(duì)屋面進(jìn)行保溫隔熱:構(gòu)造設(shè)計(jì)(從下至上):

25 mm 石灰水泥砂漿+110mm 鋼筋混凝土板+20mm 水泥砂漿找平層+防水材料+30m厚擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板+40mm 厚鋼筋網(wǎng)細(xì)石混凝土+屋面面層

各材料導(dǎo)熱系數(shù) λ/W ·m-2 ·K-1，蓄熱系數(shù)S/W ·m-2 ·K-1

傳熱系數(shù) K=0.88W/(m2·K)

熱惰性指標(biāo) D=2.66

滿足規(guī)范要求:K≤0.90W/(m2·K)

當(dāng)然，還可從建筑設(shè)計(jì)角度考慮在屋面設(shè)置蓄水池和屋面定時(shí)噴灑水系統(tǒng)使屋面降溫，也將對(duì)夏季屋面的隔熱降溫起到很好的作用。

3 建筑通風(fēng)與設(shè)備節(jié)能設(shè)計(jì)

鑒于建筑系館的規(guī)模及使用特點(diǎn)，設(shè)備工程師提出采用高效的變冷媒流量的空調(diào)系統(tǒng)(VRV 空調(diào)系統(tǒng))，這類機(jī)組的主要優(yōu)點(diǎn)是:各房間有獨(dú)立的空氣調(diào)節(jié)控制手段，可使每個(gè)房間(除中庭空間外)得到各自滿意的舒適溫度;變頻控制節(jié)約能源，其能效比遠(yuǎn)大于常規(guī)空調(diào)機(jī)組及房間空調(diào)器。

由于VRV 空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)放置在屋面上，室內(nèi)無需設(shè)置冷熱源機(jī)房，節(jié)省了建筑面積，使建筑布局更加靈活，其室內(nèi)氟利昂管線尺寸也小于排水系統(tǒng)，更小于送風(fēng)系統(tǒng)，因此，對(duì)層高的要求較低。在節(jié)約造價(jià)的同時(shí)使建筑造型更加舒展。通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，強(qiáng)調(diào)結(jié)合建筑形態(tài)以自然通風(fēng)為主，獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)和局部排風(fēng)系統(tǒng)為輔。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑系館的建筑設(shè)計(jì)是一次運(yùn)用“綠色形態(tài)”理念進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的嘗試，初步探討了夏熱冬暖地區(qū)教學(xué)辦公建筑充分發(fā)揮自然采光、通風(fēng)保溫隔熱等優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)策略。由于全都采用常規(guī)的建筑材料和建造技術(shù)，整體造價(jià)相對(duì)低廉，所以，必須承認(rèn)該建筑在生態(tài)節(jié)能技術(shù)方面還相對(duì)初級(jí)，因工程造價(jià)方面的因素，許多更先進(jìn)的節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)如雙層通風(fēng)玻璃幕墻、帶空氣間層的雙層砌塊墻、太陽(yáng)能、風(fēng)能可再生能源應(yīng)用技術(shù)等沒有在本工程中得到應(yīng)用。

[1]路明.高校校園建筑節(jié)能設(shè)計(jì)探討[J].山西建筑，2009-01-10.

[2]指導(dǎo)高校校園建筑節(jié)能工作[J].建設(shè)科技，2010-01-25.