低碳理念下的建筑物理熱環(huán)境教學(xué)

楊晟 楊內(nèi)州 周光偉

摘要：建筑物理是建筑學(xué)專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，而其中熱環(huán)境的教學(xué)是體現(xiàn)建筑節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)，因此必須加強(qiáng)與現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展和社會(huì)需求相結(jié)合。文章嘗試在建筑物理熱環(huán)境的課堂傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中引入建筑低碳設(shè)計(jì)方法，重視低碳技術(shù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的低碳節(jié)能意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)建筑物理熱環(huán)境相關(guān)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與功能的完美結(jié)合。

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能設(shè)計(jì)；低碳設(shè)計(jì)；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：TU201.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1005-2909（2012）05-0086-04

建筑物理是建筑學(xué)專業(yè)的一門必修專業(yè)課程，涉及建筑物理熱、聲、光。該課程內(nèi)容是為了促使學(xué)生更好地理解并運(yùn)用建筑物理知識(shí)設(shè)計(jì)出良好的建筑環(huán)境，其中，熱環(huán)境內(nèi)容的學(xué)習(xí)和融合對(duì)于建筑設(shè)計(jì)尤為重要。關(guān)于建筑采暖和制冷所需能耗的節(jié)能減排已是當(dāng)今建筑發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)，對(duì)于習(xí)慣形象思維的建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生而言，建筑物理課程內(nèi)容中的理論計(jì)算偏多、公式枯燥，較難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而開展直觀化的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)又受制于課時(shí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件等限制[1]。鑒于此，在總結(jié)傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，積極探索適應(yīng)建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生的建筑物理課程創(chuàng)新教學(xué)方法[2]，將低碳化發(fā)展在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最新技術(shù)應(yīng)用和理論穿插在傳統(tǒng)熱環(huán)境教學(xué)中進(jìn)行講解和示范非常必要。

目前，黃險(xiǎn)峰[3]引入建筑節(jié)能相關(guān)理念和教學(xué)方法從建筑物理的課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了探索，介紹了節(jié)能內(nèi)容的一般性概念，沒有對(duì)具體的節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用措施及相關(guān)理論聯(lián)系實(shí)踐的案例進(jìn)行詳細(xì)分析。低碳設(shè)計(jì)的實(shí)踐應(yīng)用是目前建筑物理熱環(huán)境教學(xué)的空白。

引入建筑低碳設(shè)計(jì)內(nèi)容，可讓學(xué)生在掌握傳統(tǒng)建筑物理課程相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合低碳案例講解學(xué)會(huì)在具體設(shè)計(jì)中運(yùn)用技術(shù)手段解決建筑節(jié)能問題。在教學(xué)中，以建筑物理教材內(nèi)容為基礎(chǔ)，以節(jié)能、低碳為目標(biāo)，采用借助典型設(shè)計(jì)范例與具體的建筑物理知識(shí)相結(jié)合的教學(xué)手段，深入淺出地指導(dǎo)學(xué)生在具體的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)低碳設(shè)計(jì)理念。

一、低碳設(shè)計(jì)內(nèi)容引入建筑物理熱環(huán)境教學(xué)

上海世博會(huì)中的倫敦零碳館位于世博園區(qū)城市最佳實(shí)踐區(qū)，是向全世界展示建筑設(shè)計(jì)和技術(shù)層面節(jié)能減排設(shè)計(jì)的最佳案例之一，是低碳技術(shù)在常規(guī)建筑中應(yīng)用的杰出代表[4]。該建筑方案的原型來自全球第一個(gè)零CO2排放的社區(qū)——英國(guó)貝丁頓社區(qū)，并結(jié)合了上海當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?，采取了適應(yīng)性的設(shè)計(jì)策略，全面展示了基于中國(guó)氣候和經(jīng)濟(jì)條件下的低碳乃至零碳的實(shí)踐和成果。倫敦零碳館中所使用的一些節(jié)能減排的重要技術(shù)多數(shù)能融入建筑物理熱環(huán)境課程內(nèi)容的講解中，是低碳設(shè)計(jì)的典型范例，能給學(xué)生以生動(dòng)可信的真實(shí)體驗(yàn)和感悟。

（一）建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)與低碳相結(jié)合

傳統(tǒng)熱環(huán)境教學(xué)內(nèi)容中，人體熱舒適和建筑氣候在知識(shí)結(jié)構(gòu)中起著承前啟后的作用。建筑氣候是建筑設(shè)計(jì)必須考慮的重要方面，而人體熱舒適是學(xué)習(xí)建筑物理環(huán)境最終期望達(dá)到的目的。如何結(jié)合氣候分析進(jìn)行建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)，使建筑滿足人體熱舒適要求，體現(xiàn)當(dāng)?shù)貧夂蛱厣?，盡量把自然氣候因素考慮和利用起來，如太陽(yáng)輻射的引入或遮擋，季節(jié)性主導(dǎo)風(fēng)的引風(fēng)或擋風(fēng)，季節(jié)性地加濕或除濕等都能大大降低建筑使用能耗，體現(xiàn)節(jié)能減排的設(shè)計(jì)策略，因此也是建筑師普遍關(guān)心的問題。在國(guó)外，建筑師們廣泛應(yīng)用生物氣候圖法（圖1）作為建筑氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略的分析方法，這一知識(shí)內(nèi)容可作為建筑物理課程的補(bǔ)充內(nèi)容加以借鑒，并可與零碳館的主要技術(shù)相印證。

生物氣候圖法的核心在于“視建筑為生物”，對(duì)建筑所在地區(qū)的具體氣候規(guī)律與建筑自身功能對(duì)照進(jìn)行具體分析。首要分析當(dāng)?shù)氐臏囟?、濕度、太?yáng)輻射、風(fēng)速等氣候要素，而后通過生物氣候圖等方法確定該建筑在該地區(qū)的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略。例如：通過研究上海12個(gè)月份的氣候并在生物氣候圖中作圖可以看出：6—9月基本屬于熱季，其氣候狀態(tài)點(diǎn)大多在“自然通風(fēng)”區(qū)的高濕度范圍，這表明氣候潮濕炎熱，設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮遮陽(yáng)和自然通風(fēng)。由圖中分析僅靠除濕即可將氣候狀態(tài)點(diǎn)拉近到熱舒適區(qū)，由此可以看出：在這一地區(qū)，除濕比制冷更重要且是能耗較小的調(diào)節(jié)溫度的手段。

在上海零碳館中，為減少建筑的暖通能耗，采用太陽(yáng)能熱水驅(qū)動(dòng)的溶液除濕系統(tǒng)給通過風(fēng)帽引入室內(nèi)的新鮮空氣進(jìn)行降溫除濕。這一溶液除濕系統(tǒng)利用空氣和易吸濕的鹽溶液接觸，使空氣中的水蒸氣吸附于鹽溶液中從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的除濕。溶液對(duì)空氣除濕后自身會(huì)變稀，需要再生，零碳館中則利用位于南向墻的太陽(yáng)能收集熱水系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)溶液再生。這一技術(shù)措施結(jié)合了當(dāng)?shù)丶竟?jié)變化和特點(diǎn)，通過除濕提高室內(nèi)環(huán)境帶給訪客熱舒適度，比采用傳統(tǒng)的蒸發(fā)制冷方式調(diào)節(jié)室溫所需能耗大幅降低，從而使整個(gè)建筑全方位地凸顯環(huán)保性和節(jié)能性。氣候適應(yīng)性建筑設(shè)計(jì)策略結(jié)合專業(yè)人員的技術(shù)支持，是體現(xiàn)建筑師節(jié)能減排設(shè)計(jì)和綠色建筑理念的良好手段，在中國(guó)應(yīng)大力推廣應(yīng)用，以減少建筑物的運(yùn)行能耗，甚至設(shè)計(jì)建造出屬于自己的零能耗建筑。

（二）建筑通風(fēng)與低碳設(shè)計(jì)相結(jié)合

熱環(huán)境教學(xué)一般強(qiáng)調(diào)利用風(fēng)壓作用進(jìn)行通風(fēng)。如按照當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)玫瑰圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理地布置朝向、間距、房屋布局，以此來組織室內(nèi)穿堂風(fēng)和被動(dòng)式的通風(fēng)，這一設(shè)計(jì)往往忽略了主動(dòng)式通風(fēng)和熱壓通風(fēng)的應(yīng)用。巧妙吸引風(fēng)壓、回收和排走顯熱與潛熱、利用太陽(yáng)能進(jìn)行熱壓通風(fēng)，以及進(jìn)行室內(nèi)采暖除濕，是提高建筑內(nèi)部的熱舒適和節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

零碳館中采用風(fēng)動(dòng)儲(chǔ)能保溫除濕雙向通風(fēng)帽系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)式通風(fēng)，以此保持室內(nèi)空氣正常溫濕度。這22個(gè)風(fēng)帽會(huì)通過外界的自主風(fēng)力尋向裝置確定建筑周邊風(fēng)力的主要方向，從而通過計(jì)算機(jī)控制主導(dǎo)風(fēng)向，主動(dòng)地吸引外界風(fēng)力流動(dòng)，并且進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)管的高度差充分利用了室內(nèi)局部溫度差所帶來的熱壓驅(qū)動(dòng)效果，將室外風(fēng)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為室內(nèi)建筑通風(fēng)的動(dòng)力，從而免去了傳統(tǒng)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的能耗（圖2）。這些風(fēng)帽下部配套安有溶液除濕、加濕體系，使引入的新鮮空氣能夠零能耗零污染地實(shí)現(xiàn)降溫、除濕或加濕處理，確保室內(nèi)溫濕度達(dá)到適宜標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)外界風(fēng)力不足時(shí)，可以啟動(dòng)由光電板收集能量所驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)。館內(nèi)所采用的這套通風(fēng)方式使得其能耗降低為常規(guī)系統(tǒng)的1/5，大大地降低了通風(fēng)和散熱成本。充分利用通風(fēng)原理并以極少熱損耗即可獲得良好通風(fēng)性的技術(shù)手段，綜合了課堂中關(guān)于組織好自然通風(fēng)的教學(xué)內(nèi)容，值得學(xué)生好好揣摩并學(xué)以致用。

（三）建筑保溫隔熱內(nèi)容融合低碳設(shè)計(jì)理念

在熱環(huán)境課堂教學(xué)的保溫隔熱內(nèi)容環(huán)節(jié)，主要教學(xué)目的是使學(xué)生深入理解建筑師在設(shè)計(jì)中如何處理保溫和隔熱問題的思路，使學(xué)生掌握室內(nèi)溫度控制的基本方法，在此基礎(chǔ)上靈活運(yùn)用。如在建筑保溫內(nèi)容的教學(xué)中，需要學(xué)生著重理解確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的保溫性能和熱阻，且盡量考慮外保溫設(shè)計(jì)，以避免潮濕、防止壁內(nèi)產(chǎn)生冷凝。這一點(diǎn)，在零碳館中應(yīng)用突出。要保持零碳館室內(nèi)舒適的溫度和氣候，光有風(fēng)帽通風(fēng)系統(tǒng)和溶液除濕系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還必須有保溫節(jié)能較好的外殼。傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中關(guān)于保溫設(shè)計(jì)，一般要求外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足最小總熱阻即可，但零碳館中對(duì)此方面的考慮和應(yīng)用遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其采用的外墻構(gòu)造為13 mm抹灰層+140 mm混凝土砌塊+300 mmXPS+外墻面材料+13 mm抹灰層，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普通建筑使用的保溫材料厚度，其墻體保溫U值達(dá)到了0.11～0.3W/m2·K。除此之外，與墻面同樣重要的窗戶也無(wú)例外。全部窗戶均設(shè)計(jì)采用low-e中空玻璃，可有效阻止室內(nèi)熱量泄向室外。窗框則利用絕熱的熱斷橋?qū)⑼獠亢蛢?nèi)部框架隔開。通過這些處理既阻隔了夏季熱量的進(jìn)入，在冬季又能夠保持室內(nèi)空間舒適的溫暖，建筑能耗大為降低。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的建筑設(shè)計(jì)主流中，一般認(rèn)為保溫材料剛好滿足熱阻標(biāo)準(zhǔn)要求即可，教學(xué)過程中以往學(xué)生也對(duì)此不夠重視，結(jié)果導(dǎo)致在實(shí)際設(shè)計(jì)中大多建筑師僅使用不超過60 mm的保溫材料，節(jié)省了成本，但造成了建筑使用周期內(nèi)的采暖能耗居高不下。通過對(duì)零碳館這一中國(guó)矚目的第一棟零CO2公共建筑的實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用介紹，大大加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的印象，強(qiáng)化了他們的節(jié)能思路和設(shè)計(jì)習(xí)慣。

又如：在建筑隔熱內(nèi)容的教學(xué)中，控制太陽(yáng)輻射，降低室外綜合溫度，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力，是需要學(xué)生掌握的最重要的防熱方法。特別是在南方地區(qū)，遮陽(yáng)設(shè)計(jì)非常重要。在介紹遮陽(yáng)板內(nèi)容時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?、氣候、季?jié)和建筑朝向等進(jìn)行遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，主要目的是通過合理計(jì)算遮陽(yáng)構(gòu)件的尺寸，確定相應(yīng)的構(gòu)造，使遮陽(yáng)板能在夏季防止直射陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)，又能在冬季不妨礙陽(yáng)光的進(jìn)入，從而既提高室內(nèi)熱舒適，又節(jié)能降耗。從零碳館的設(shè)計(jì)中可以看出這些理論方法的實(shí)際應(yīng)用（圖3），其主要窗口朝南，可以通過南向窗戶上懸掛的遮陽(yáng)裝置控制建筑被陽(yáng)光照射。經(jīng)過計(jì)算優(yōu)化，遮陽(yáng)裝置設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是遮陽(yáng)板外挑深度為3.6 m，投射系數(shù)為0.74，陽(yáng)光間深度為1.2 m，恰好可以阻擋夏季的烈日，避免室內(nèi)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，同時(shí)，冬季又可以利用入射角度較低的太陽(yáng)光射入玻璃陽(yáng)光房進(jìn)行被動(dòng)式采暖。

除此之外，在隔熱措施介紹中一般會(huì)穿插國(guó)內(nèi)外生態(tài)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)方法。如在露臺(tái)種植花卉或草皮形成種植隔熱屋頂以改善下層建筑的熱環(huán)境；用玻璃罩覆蓋構(gòu)成日光室以在冬季對(duì)鄰近房間進(jìn)行采暖；利用先進(jìn)的光電玻璃幕墻和墻體太陽(yáng)能集熱器提高室內(nèi)熱舒適等。這些措施均在零碳館的設(shè)計(jì)中有所體現(xiàn)。如在零碳館的北面屋頂設(shè)置了部分屋頂綠化（如圖2），通過過濾膜、植被層、腐質(zhì)土、蓄排水盤、保濕毯、隔根膜、樓頂版和防水層等組成屋頂綠化，在烈日下，具有遮熱、斷熱與冷卻的作用。由于植物的蒸騰作用，還會(huì)帶走室內(nèi)的部分熱量，起到良好的降溫效果。零碳館還使用了回收骨料的混凝土結(jié)構(gòu)充當(dāng)蓄熱體以此來增加建筑主體蓄熱能力，混凝土砌塊厚100 mm，密度>1400 kg/m3。當(dāng)房間溫度升高時(shí)，墻面和樓板自動(dòng)吸熱；而當(dāng)溫度降低時(shí)，墻面放熱，還可通過窗戶的啟閉進(jìn)行補(bǔ)充。此外，零碳館的外墻面采用了SiO2納米材料涂層，當(dāng)室外熱輻射進(jìn)入納米涂層時(shí)，大量特定波段的非可見光能量被反射出去，使室內(nèi)外環(huán)境造成溫差，達(dá)到冬暖夏涼的效果。東側(cè)幕墻則使用薄膜電池作為建筑和照明能源同時(shí)減少直射陽(yáng)光產(chǎn)生的炫光。由此將種種與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容息息相關(guān)而又有所引申的低碳設(shè)計(jì)概念進(jìn)行介紹，深入淺出地引出各種隔熱技術(shù)，展開學(xué)生探討，啟發(fā)學(xué)生興趣，從而提出他們對(duì)自己建筑設(shè)計(jì)大作業(yè)或課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案。

二、結(jié)語(yǔ)

由于可持續(xù)發(fā)展社會(huì)和降低建筑能耗的需求現(xiàn)狀，低碳建筑、綠色建筑將在未來備受推崇，建筑物理也應(yīng)在傳統(tǒng)理論基礎(chǔ)上結(jié)合新的技術(shù)應(yīng)用，與時(shí)俱進(jìn)滿足更高要求。在建筑物理傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中融入低碳設(shè)計(jì)理念，打破傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)與建筑技術(shù)課程界限，是一種切實(shí)可行的建筑低碳設(shè)計(jì)教學(xué)創(chuàng)新模式，在實(shí)踐教學(xué)過程中極大地激發(fā)了學(xué)生探索知識(shí)的欲望，有利于學(xué)生在具體設(shè)計(jì)中體現(xiàn)低碳節(jié)能理念，是建筑物理教學(xué)的一次有益嘗試和探索。在今后的教學(xué)實(shí)踐中，還可引入先進(jìn)有效的實(shí)驗(yàn)手段，進(jìn)行建筑低碳節(jié)能方案計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)等，為建筑的低碳設(shè)計(jì)提供有力的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]董海榮，祁少明.建筑物理課程實(shí)踐性教學(xué)改革探討[J].高等建筑教育，2008（1）：108-111.

[2]孫嶠.建筑物理課程教學(xué)模式的改革與探索[J].高等建筑教育，2009（6）：63-65.

[3]黃險(xiǎn)峰.在建筑物理課程教學(xué)中引入建筑節(jié)能內(nèi)容的嘗試[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版，2007，29（S）：24-25.

[4]陳碩.世博會(huì)倫敦案例零碳館——應(yīng)對(duì)氣候變化的城市策略[J].南方建筑，2010（5）：38-41.

Introduction of low carbon design content into the thermal environment

teaching of architecture physics

YANG Sheng， YANG Neizhou， ZHOU Guangwei

（Civil Engineering and Architecture Department， Xiamen University of Technology， Xiamen 361024， Fujian Province， P. R. China）

Abstract： Architectural physics is a required fundamental course of architecture specialty. Its thermal environment content also is the significant theory basis of building energy conservation and emission reduction， which should be tightly combined with the modern technology development and the social demand. We introduced the low carbon design methods of buildings into the traditional classroom teaching content of architectural thermal environment， which focused on the application of low carbon technology in designing and developed the low carbon energy saving consciousness of students to cultivate students applying knowledge to practical designing and achieve a perfect combination of design and function. We put forward a feasible teaching method of low carbon design in construction.

Keywords：architectural physics； low carbon design； teaching method

（編輯梁遠(yuǎn)華）