微氣候因素下的校園綜合體節(jié)能設(shè)計(jì)探討
——以石家莊鐵道大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)樓為例

， ，

(1．石家莊鐵道大學(xué) 基建處，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043)

我國的高校園區(qū)大規(guī)模建設(shè)已近20 a,形成了低容低密、風(fēng)景優(yōu)美的現(xiàn)代大型校園規(guī)劃模式。在實(shí)際應(yīng)用調(diào)研中有很多問題也凸顯出來，尤其處于寒冷地區(qū)的高校，校園用地空間過大,使得教學(xué)、食宿和科研等很多行為與過去相比都發(fā)生了很大變化，同時(shí)對(duì)校園微氣候和建筑節(jié)能也有很大的影響[1-2]。

校園綜合體是指將兩種及以上不同類型的校園建筑功能組合為一體。在一定區(qū)域范圍內(nèi)來說，這種圍合型的高容低密校園綜合體，對(duì)于校園規(guī)劃和景觀空間，會(huì)帶來很大的物理環(huán)境影響，即建筑空間的微氣候變化。反之，根據(jù)建筑周邊的環(huán)境模擬和氣候特征，來微調(diào)建筑綜合體的組合形態(tài)，也會(huì)對(duì)建筑節(jié)能產(chǎn)生很大的作用，這兩者之間有著相互影響、相互依賴的關(guān)系[3-4]。以石家莊鐵道大學(xué)的基礎(chǔ)教學(xué)樓設(shè)計(jì)實(shí)踐為例，運(yùn)用分層分析、模擬分析和實(shí)測數(shù)據(jù)的方法，以微氣候因素與建筑形體、內(nèi)部空間、細(xì)部設(shè)計(jì)等相互影響關(guān)系，對(duì)校園綜合體的建筑形態(tài)和節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化嘗試，以期對(duì)以后的校園綜合體設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值 ，如圖1。

圖1 分層式校園綜合體節(jié)能路線

1 校園綜合體項(xiàng)目概況

圖2 基礎(chǔ)教學(xué)樓效果圖

石家莊鐵道大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)樓項(xiàng)目(見圖2)，位于石家莊市(屬暖溫帶季風(fēng)氣候，四季變化明顯。夏季最多風(fēng)向及其頻率為南，冬季最多風(fēng)向及其頻率為北東北，過渡季最多風(fēng)向及其頻率為南東南。)石家莊鐵道大學(xué)校園內(nèi)，周邊環(huán)境狀況良好，建筑總面積4.92萬m2，分為地下2層(設(shè)備用房和地下車庫)，地上19層，地上1～6層為公共教室，7～18層為各(基礎(chǔ)學(xué)科)學(xué)院辦公、科研、實(shí)驗(yàn)用房，19層為校史館，屬于教學(xué)、辦公、科研、實(shí)驗(yàn)等功能組合為一體的高層綜合體建筑。該建筑綜合體獲得國家綠色建筑二星級(jí)運(yùn)行標(biāo)識(shí)認(rèn)定。

2 基于微氣候因素的校園綜合體節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 綜合體的建筑形態(tài)與室外微氣候設(shè)計(jì)

綜合體的建筑形態(tài)與周邊的風(fēng)環(huán)境對(duì)于建筑節(jié)能具有很大的調(diào)節(jié)作用。合理的群體組合和單體造型，可以優(yōu)化建筑場地內(nèi)的風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境，是評(píng)定 “綠色建筑”標(biāo)識(shí)的重要方面[5-6]。

石家莊鐵道大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)樓項(xiàng)目，位于冬季季風(fēng)顯著的寒冷地區(qū)，建筑周圍微氣候環(huán)境對(duì)室內(nèi)環(huán)境和建筑節(jié)能影響大。建筑項(xiàng)目由教學(xué)為主的南部多層裙房和辦公為主的北部高層兩部分組成，中間部分有中庭聯(lián)結(jié)，形成“工”字形的平面布局。

圖3 項(xiàng)目1.5 m高度速度矢量圖(冬季/平均風(fēng)速)

項(xiàng)目建筑采取“南低北高”的總體造型——建筑豎向南側(cè)低矮北側(cè)高大，建筑有“開”有“合”。南部裙樓低矮可減緩對(duì)北部高層采光的影響，此外，建筑“工”字形平面布局，且留有南側(cè)風(fēng)口，利于夏季和過渡季自然通風(fēng)；北部高層可阻擋冬季北向季風(fēng)?；赑hoenics軟件，該策略下項(xiàng)目冬季(氣流邊界條件：風(fēng)速為2.0 m/s，風(fēng)向?yàn)镹NE)室外1.5 m高度風(fēng)環(huán)境如圖3所示，周圍人行區(qū)整體風(fēng)速在0.23～2.48 m/s之間，風(fēng)速放大系數(shù)為1.88，建筑周圍風(fēng)環(huán)境良好。

2.2 適應(yīng)微氣候的內(nèi)部空間環(huán)境分析

校園綜合體是一組建筑的組合，其微氣候環(huán)境與內(nèi)部空間的布局密切相關(guān)。夏季建筑節(jié)能要重點(diǎn)考慮隔熱、通風(fēng)與降溫，盡量阻止太陽熱及輻射熱進(jìn)入室內(nèi)；冬季建筑節(jié)能則要充分利用日照、太陽能采暖，并避免凜冽冬季風(fēng)入侵室內(nèi)。在建筑內(nèi)部空間設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。

2.2.1 建筑平面中的微氣候利用

合理有序的室內(nèi)功能布局，可以形成通順的穿堂風(fēng)格局。項(xiàng)目采取“南高北低”的整體造型使得建筑前后風(fēng)壓差加大，促進(jìn)室內(nèi)的空氣更新。在室內(nèi)，南北教室大空間的門窗盡量加大面積，對(duì)稱布局，便于氣流暢通；中間連廊采取天井聯(lián)通，加強(qiáng)上下熱壓通風(fēng)，形成了自然和人工“天人合一”的通風(fēng)系統(tǒng)。

圖4 距首層樓面1 m高度流場分布

經(jīng)過室內(nèi)夏季風(fēng)環(huán)境模擬分析(氣流邊界條件：風(fēng)速為2.6 m/s，風(fēng)向?yàn)镾)，如圖4所示，首層流場分布均勻，位于南側(cè)和北側(cè)的各教室自然通風(fēng)均勻，各層均能形成良好的穿堂風(fēng)，形成舒適的室內(nèi)環(huán)境。同時(shí)，考慮到風(fēng)速的風(fēng)頻系數(shù)，基礎(chǔ)教學(xué)樓項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了夏季各層模擬分析區(qū)域的通風(fēng)換氣次數(shù)均在3次/h以上，滿足在自然通風(fēng)條件下主要功能房間換氣次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求，各個(gè)典型層的通風(fēng)量及換氣次數(shù)詳見表1。

本次測試布置的測點(diǎn)較多,本文以礦用車最常用的速度20 km/h時(shí)座椅座墊處的振動(dòng)情況為例.其時(shí)域數(shù)據(jù)如圖6所示,座椅處在3軸向的振動(dòng)信號(hào)受到了干擾,需要將其進(jìn)行降噪處理.

為降低建筑能耗，在滿足使用功能要求的同時(shí)，盡可能減少建筑整體凹凸，降低體形系數(shù)。

表1 各層區(qū)域的通風(fēng)換氣次數(shù)值

2.2.2 結(jié)合室內(nèi)小天井空間的微氣候設(shè)計(jì)

圖5 連廊室內(nèi)天井的氣流分布

南北建筑之間的連廊空間，結(jié)合局部天井設(shè)計(jì)，形成了變化的視覺空間。同時(shí)局部的天井設(shè)計(jì)，在單一的南北同層空間的通風(fēng)基礎(chǔ)上，又增加了豎向空間的熱壓升力，利用復(fù)合的微“壓”建筑空間來優(yōu)化自然通風(fēng)系統(tǒng)，形成建筑節(jié)能的最大效能(見圖5)。

2.2.3 建筑地下空間的微氣候環(huán)境

建筑地下空間的通風(fēng)和采光是項(xiàng)目一大難題，也是建筑節(jié)能需解決的重要問題?；A(chǔ)教學(xué)樓綜合體設(shè)置地下兩層車庫空間(后改為活動(dòng)中心)，在光環(huán)境方面也進(jìn)行了考慮，其沿建筑四周設(shè)有窄條的采光天井，在提高地下空間自然通風(fēng)的同時(shí)，也可以引進(jìn)自然光。

圖6 地下1層功能空間采光效果圖

根據(jù)Ecotect采光模擬結(jié)果(如圖6)，可知此設(shè)計(jì)改善了地下2層162.88 m2室內(nèi)自然采光效果；改善了地下1層312.69 m2室內(nèi)自然采光效果。

綜上，通過一系列內(nèi)部空間布局優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)建筑自然通風(fēng)，減少人工照明，降低校園綜合體建筑能耗。

2.3 基于微氣候的綜合體細(xì)部節(jié)能設(shè)計(jì)

細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)會(huì)影響建筑的光環(huán)境、熱工狀況等諸多方面，與建筑節(jié)能有很大的關(guān)系，尤其建筑外墻、屋頂?shù)牟牧线x擇以及室內(nèi)的照明布局，對(duì)優(yōu)化建筑的微氣候環(huán)境非常重要。

(1) 教學(xué)綜合體項(xiàng)目在墻體材料、窗戶的選擇、保溫材料的選用以及新技術(shù)的采用上都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)(見表2)。項(xiàng)目的主要構(gòu)造層次為：

①墻體。外墻使用外墻外保溫技術(shù)，結(jié)合保溫裝飾工業(yè)一體化技術(shù)，即保溫一體板(仿石材面層)，它具有良好的耐候性、保色性、抗污性,硬度與花崗巖相當(dāng)，可以對(duì)建筑物提供有效保護(hù)。

②屋頂。防水采用聚乙烯薄膜結(jié)合高聚物改性瀝青防水卷材，保溫采用85 mm 厚聚苯板，具有很強(qiáng)的保溫防火性能。

③外窗。斷橋鋁合金框+中空(6+12+6)玻璃窗，有良好的采光性，也兼顧了窗戶的保溫隔熱，隔音，防紫外線，減少對(duì)周圍的“光污染”現(xiàn)象。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)

項(xiàng)目外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件熱工性能(見表3)指標(biāo)優(yōu)于《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2005)要求。表3中外窗各向設(shè)計(jì)建筑熱工參數(shù)SC為0.50。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對(duì)比 W/(m2·K)

(2) 建筑材料的色彩、光滑程度，對(duì)室外的微氣候環(huán)境具有不同的敏感性。在建筑綜合體設(shè)計(jì)中，樓群密布，高低不同，建筑自身和建筑之間的光線反射，可以改善建筑室內(nèi)的光、熱環(huán)境。

在基礎(chǔ)教學(xué)樓主樓的設(shè)計(jì)中，考慮了建筑自身色彩的影響。綜合體自身采用淺黃色的保溫一體板(仿石材面層)，建筑的上人屋頂部分，鋪裝淺色面磚，不上人屋面采取鋁箔飾面的柔性防水。同時(shí)，建筑裙樓的室內(nèi)地面采用淺色面磚鋪地，有效加大了建筑室內(nèi)進(jìn)深方向的自然光照的均勻程度。

通過以上設(shè)計(jì)措施，建筑表面的太陽能輻射吸熱系數(shù)為0.5(普通磚面為0.75)，避免夏季室內(nèi)溫度過高。同時(shí)，建筑高層部分光滑且淺色的飾面對(duì)陽光的反射，也有效改善了南側(cè)裙樓北向房間室內(nèi)的光環(huán)境，縮短了室內(nèi)的人工照明時(shí)間。

(3) 建筑室內(nèi)的照明環(huán)境設(shè)計(jì)，對(duì)節(jié)能有很大的關(guān)系。項(xiàng)目照明功率密度設(shè)計(jì)是按照《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034—2013[7]進(jìn)行布置設(shè)計(jì)的,可是經(jīng)過綜合體項(xiàng)目的全年能耗數(shù)據(jù)運(yùn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目照明、插座能耗約占整個(gè)教學(xué)樓耗電的33.33%，能耗比例較高，室內(nèi)照明環(huán)境具有較大的節(jié)能潛力。

在教學(xué)樓后期實(shí)際設(shè)置中，結(jié)合白天的樓內(nèi)自然光照和工作性質(zhì)情況,在滿足照明質(zhì)量的情況下調(diào)整照明功率密度，采取了降低和控制非作業(yè)區(qū)域照度的布置策略：對(duì)教室部分照明系統(tǒng)在自然采光滿足的區(qū)域設(shè)置定時(shí)和光電控制設(shè)施，在自然采光不足的區(qū)域通過照度控制器和傳感器實(shí)現(xiàn)本地自控，同時(shí)在建筑整體上采取分層分區(qū)分時(shí)段的照明控制，最大限度優(yōu)化建筑照明。對(duì)優(yōu)化后教室照明功率密度進(jìn)行實(shí)測，實(shí)測值為6.6 W/m2，低于照明標(biāo)準(zhǔn)中目標(biāo)值8.0 W/m2的要求。

3 基于微氣候因素優(yōu)化的校園綜合體能耗模擬

表4 設(shè)計(jì)建筑與參照建筑全年總能耗及單位面積能耗量匯總表

4 結(jié)語

在遵循地域氣候與自然地理的條件下，石家莊鐵道大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)樓綜合體從項(xiàng)目自身特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合微氣候因素進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)可行的節(jié)能設(shè)計(jì)。經(jīng)過軟件模擬，可以實(shí)現(xiàn)校園綜合體的室內(nèi)外空間優(yōu)化布局，可以實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，滿足綠色建筑的室內(nèi)環(huán)境要求。建筑供冷能耗節(jié)能率達(dá)16.21%，供熱能耗節(jié)能率達(dá)8.55%，節(jié)省照明能耗12.21%，建筑整體節(jié)能率達(dá)到60.53%。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]崔愷,于海為,柴培根.校園綜合體——北京工業(yè)大學(xué)第四教學(xué)樓組團(tuán)設(shè)計(jì)[J].建筑學(xué)報(bào)，2015(11): 68-69.

[2]魏廣龍,張園,付桂茹.“綠道”理論對(duì)城鎮(zhèn)居住區(qū)綠化設(shè)計(jì)的啟示[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2014,8(4):88-91.

[3]劉秋勤.集合與整合—高校老校區(qū)校園綜合體設(shè)計(jì)研究[D]. 昆明:昆明理工大學(xué),2014.

[4]楊柳.建筑氣候?qū)W[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[5]彭鵬,范家美,鄭紅彬. 中心城小型廣場建設(shè)探討[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版,2016,10(2):92-97.

[6]住建部.GB/T 50378—2014綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[7]住建部.GB50034—2013 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.