夏熱冬暖地區(qū)被動式建筑設計策略

李東和，劉甦，孔亞暐

（山東建筑大學建筑城規(guī)學院，山東濟南250101）

夏熱冬暖地區(qū)被動式建筑設計策略

李東和，劉甦*，孔亞暐

（山東建筑大學建筑城規(guī)學院，山東濟南250101）

能源問題逐漸影響著人類的生活和發(fā)展，能源危機已成為制約現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展的突出瓶頸和全球可持續(xù)發(fā)展中面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一。被動式建筑設計的發(fā)展，是建筑節(jié)能的重要手段之一。隨著被動式建筑的發(fā)展，夏熱冬暖地區(qū)的被動式設計成為推廣建設被動式建筑的重點難點。因此，充分考慮氣候環(huán)境因素，分析影響被動式設計的地域性，探索夏熱冬暖地區(qū)氣候因素影響下的被動式建筑設計策略，不僅對我國被動式建筑的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義，而且也是建筑師面臨的艱巨任務。文章總結(jié)了被動式建筑與設計的概念，闡述了國內(nèi)外被動式建筑設計進展及概況，分析了夏熱冬暖地區(qū)被動式建筑設計的困境，針對夏熱冬暖地區(qū)氣候特征，提出了相應的被動式建筑設計的方法與對策。

被動式建筑；夏熱冬暖地區(qū)；設計策略

0 引言

隨著城市和社會經(jīng)濟的發(fā)展，能源消耗日益嚴重，能源危機已成為制約現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展的突出瓶頸和全球各國可持續(xù)發(fā)展要面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一。建筑能耗是社會總能耗的一個重要組成部分，所以建筑節(jié)能對于緩解能源資源供應問題、解決經(jīng)濟社會發(fā)展的矛盾，加快循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，有著非常重要的作用［1］。因此，建筑節(jié)能已成為社會經(jīng)濟發(fā)展的全球共識和時代主題。

現(xiàn)代建筑通常采用很多主動式技術(shù)來給予人們舒適的生活環(huán)境，主動式技術(shù)是通過機械耗能來創(chuàng)造舒適的建筑環(huán)境，其建筑能耗較高；而被動式建筑是利用自然氣候資源，通過建筑物自身的各種方式來收集和儲存能量，形成建筑物與周圍環(huán)境之間的生態(tài)循環(huán)的系統(tǒng)，以非機械設備手段實現(xiàn)降低建筑能耗的節(jié)能技術(shù)。具體指在建筑規(guī)劃設計中通過對建筑朝向的合理布置、遮陽的設置、建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱技術(shù)、有利于自然通風的建筑設計等實現(xiàn)建筑需要的采暖、空調(diào)、通風等能耗的降低。其核心是以低技術(shù)、低成本、降低建筑自身對于能源的需求的方式，達到即節(jié)約能源、降低耗能又創(chuàng)造舒適環(huán)境的雙重目的［2］。因此，被動式建筑因其更為綠色環(huán)保，更有利于人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，將會成為建筑節(jié)能積極倡導的方向［1-2，5］。而隨著綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展理念的不斷普及，被動式建筑成為應對能源危機、氣候變化以及人們追求高品質(zhì)生活質(zhì)量而選擇的重要的建筑設計形式［3-4，6］。

我國建筑節(jié)能技術(shù)最早起源于嚴寒及寒冷地區(qū)，目前其他熱工設計的分區(qū)及建筑節(jié)能技術(shù)主要是借鑒嚴寒和寒冷地區(qū)的做法。夏熱冬暖地區(qū)被動式建筑的設計剛剛起步，其氣候特點與嚴寒、寒冷地區(qū)有較大的差異。因此，充分考慮氣候環(huán)境因素，分析影響被動式設計的地域性，探索夏熱冬暖地區(qū)氣候因素影響下的被動式建筑設計策略，不僅對我國被動式建筑的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義，也是中國建筑師面臨的艱巨任務［7-9］。

文章總結(jié)了被動式建筑與設計的概念，闡述了國內(nèi)外被動式建筑設計進展及概況，分析了夏熱冬暖地區(qū)被動式建筑設計的困境，針對夏熱冬暖地區(qū)氣候特征，從體形系數(shù)、建筑間距、建筑朝向、建筑通風、建筑采光、建筑圍護結(jié)構(gòu)、建筑遮陽、太陽能系統(tǒng)、水資源利用九個方面提出了被動式建筑設計方法與對策。

1 被動式建筑設計概述

1.1 被動式建筑概念

被動式房屋（或被動式建筑）起源于德國，1988年，阿達姆森和菲斯特首先提出“被動式房屋（被動式建筑）”的概念。被動式建筑是指建筑采用密封結(jié)構(gòu)，建筑材料上選用保溫建筑構(gòu)件，建筑不需要傳統(tǒng)的暖氣和空氣系統(tǒng)，即將自然通風、自然采光、太陽能輻射和室內(nèi)非供暖熱源得熱等各種被動式節(jié)能手段與建筑圍護結(jié)構(gòu)高效節(jié)能技術(shù)相結(jié)合建造而成的、四季均能保持人體舒適溫度的極低能耗建筑，代表了一種健康、舒適、低能耗的生活力式和建筑標準［3，10-11］。這種建筑在顯著提高室內(nèi)環(huán)境舒適性的同時可大幅度減少建筑使用能耗最大限度地降低對主動式機械采暖和制冷系統(tǒng)的依賴。被動式建筑是建筑節(jié)能和建筑設計發(fā)展的必然趨勢［12］。

1.2 被動式建筑設計概念

1994年，Narenda首次明確提出“被動式建筑設計”這一概念［11］。被動式建筑設計就是建筑師在盡量不使用的主動設備和能源下，通過對地區(qū)自然環(huán)境狀況（日照、氣候、地質(zhì)、風向、植被等）分析，依靠建筑師對建筑布局、建筑形體、建筑結(jié)構(gòu)、建筑技術(shù)、建筑材料的設計，以適應當?shù)氐淖匀画h(huán)境理特點，不但為人們創(chuàng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境，還可以節(jié)約建筑的能耗。合適的建筑被動式設計在給予人們舒適的室內(nèi)環(huán)境同時還可以減少建筑的能源消耗?，F(xiàn)代的主動設備應該是建筑被動式技術(shù)的補充，用來彌補建筑被動式技術(shù)的不足。

1.3 國內(nèi)外被動式建筑設計概況

1.3.1 國外概況

德國是最早流行被動式建筑的國家，1990年位于德國中南部城市達姆施塔特市城區(qū)的一幢普通的三層高居住建筑作為世界第一幢標準的被動式建筑建成，1991年經(jīng)過節(jié)能改造以后投入使用［3，10］。1996年德國成立了被動式節(jié)能屋研究所，目的是規(guī)范被動式建筑的標準和規(guī)范。1996午，被動房屋協(xié)會（Passivhaus-Institute）在達姆施塔特成立，致力于推廣和規(guī)范被動式房屋的標準，此后有越來越多的被動式房屋落成，并在世界范圍內(nèi)推廣被動式建筑建造技術(shù)［3］。

隨著時間的發(fā)展，德國在被動式建筑技術(shù)上形成了比較完善的體系。通過政府和人民的共同努力，德國的很多建筑都是參照被動房的標準設計的，使得德國在建筑方面的使用能耗減少了不少。目前，已經(jīng)有60000多棟的房屋按照被動房標準建造，其中有約30000棟建筑獲得了被動房的認證，主要以住宅建筑為主，也有辦公、學校、酒店等類型的建筑［13］。

到目前為止，德國的被動式建筑涵蓋了各種各樣類型的建筑，并且技術(shù)都已經(jīng)達到了很成熟的地步。歐盟也出臺了最新規(guī)定，到2020年以后，所有新建建筑都必須達到被動式標準，這也預示著被動式建筑在德國的全面普及。德國被動式建筑是被動式超低能耗建筑理念的先導者，在世界范圍內(nèi)正被廣泛借鑒和應用。

德國的被動式建筑標準不但是世界的領先的標準，而且其他國家的被動式思想也受到德國被動式建筑思想的影響。有的國家直接使用德國的被動式建筑標準，如英國等；有的國家根據(jù)自己國家的環(huán)境情況在德國被動式建筑標準上制作符合本國的被動式建筑標準如意大利國；還有的國家只是接受德國的被動式思想，在自己國家內(nèi)完善被動式建筑理念，形成自己的被動式建筑理念，典型代表是美國。

瑞典是從上世紀九十年代初開始推廣超低能耗建筑，瑞典的被動式建筑同樣達到較高的標準，特別是在圍護結(jié)構(gòu)方面，除了使用最新的施工和構(gòu)造技術(shù)之外，對防止結(jié)構(gòu)性熱橋方面做得也較好［14］。

被動式低能耗建筑是能夠達到更高節(jié)能率的被動式建筑，被動式低能耗建筑是歐美發(fā)達國家建筑節(jié)能的發(fā)展方向和現(xiàn)有節(jié)能標準的重要補充，它是目前歐美建筑節(jié)能研發(fā)和應用的重要領域。研究和建設被動式低能耗建筑幾乎成為各國進一步挖掘建筑節(jié)能潛力的有效途徑。歐美主要國家已經(jīng)或正在制定適應本國國情的被動式低能耗建筑技術(shù)體系。

1.3.2 國內(nèi)概況

為了降低建筑能耗，努力實現(xiàn)城市綠色低碳發(fā)展，我國于20世紀70年代開始了對北方嚴寒和寒冷地區(qū)的被動式太陽能采暖建筑的研究，在廣泛調(diào)研并借鑒國外經(jīng)驗的基礎上，1977年我國首座被動式采暖太陽房在在甘肅民勤縣建成。20世紀80年代起，在我國北方的農(nóng)村地區(qū)又建成了將近10萬m2被動式太陽能采暖示范建筑。2005年，由清華大學江億院士主持設計建造的我國首座超低能耗樓在清華大學校園內(nèi)落成［3］。自2009年起，在中國住建部建筑節(jié)能與科技司的指導下，住建部的科技與產(chǎn)業(yè)化促進中心與德國能源署在我國推進了被動耗能建筑的建設，拉開了我國被動超低能耗建筑發(fā)展的序幕。2010年上海世博會的”漢堡之家”成為我國首個獲得認證的被動式超低能耗建筑［3］。2013年，中德合作“被動式一低能耗住宅”示范項目：秦皇島在“水一方小區(qū)”C區(qū)順利通過驗收，這標志著我國第一座被動式民用居住建筑正式建成［10］。2014年，在我國夏熱冬冷地區(qū)設計并建造的第一所被動房項目“布魯克’，被動房在朗詩長興研發(fā)基地內(nèi)建成，該項目為降低我國夏熱冬冷地區(qū)的空調(diào)能耗以及解決該地區(qū)冬季采暖問題做出了積極的探索［14］。

1.4 夏熱冬暖地區(qū)被動式建筑設計的困境

在世界界能源危機的大背景下，隨著我國建筑節(jié)能等級的提高，被動式建筑技術(shù)不斷優(yōu)化，國內(nèi)市場的迫切需求，被動式建筑在未來幾年內(nèi)，將在我國的居住建筑及公共建筑中被大量推廣采用，以整體建設的態(tài)勢走入人們的生活。

被動式建筑設計以其低技術(shù)化、低成本性，通過建筑設計在總平面、平面、立剖面以及細部節(jié)點上的設計，合理利用建筑朝向，合理布置、自然通風、建筑遮陽、建筑保溫隔熱等設計方法，來達到有效的降低建筑使用能耗的目的［2］。

然而，由于夏熱冬暖地區(qū)受氣候特點的制約，該地區(qū)建筑物冬季室內(nèi)基本不需要采暖，但夏季有制冷要求，而且主要依靠空調(diào)進行室內(nèi)降溫，能源消耗大［15］，據(jù)相關統(tǒng)計表明，夏熱冬暖地區(qū)空調(diào)能耗約占夏季用電量的一半。目前在寒冷地區(qū)己經(jīng)開始了被動式建筑的設計建設，但我國夏熱冬暖地區(qū)被動式建筑的設計剛剛起步，為此，研究探索夏熱冬暖地區(qū)被動式建筑的設計策略和建設任務已迫在眉睫。

2 夏熱冬暖地區(qū)被動式建筑設計策略

2.1 夏熱冬暖地區(qū)氣候特征

我國夏熱冬暖地區(qū)區(qū)域劃分情況見圖1［16］。我國共分為5大氣候類型區(qū)，其中夏熱冬暖地區(qū)位于我國南部，在北緯27°以南，東經(jīng)97°以東，包含海南、廣東、廣西、福建、云南小部分以及香港、澳門與臺灣等地區(qū)［3，6］。

此區(qū)域長夏無冬，氣溫年較差和日較差均?。凰募境睗?，夏季尤為突出；降雨量居全國首位，沿海地區(qū)多暴雨和臺風；日照較小，太陽高度角小，太陽輻射強烈；經(jīng)常與濕熱、瘴氣、強光、多雨聯(lián)系起來［18］。因此，夏熱冬暖地區(qū)的建筑物都必須足夏季通風和防曬的要求，一般不考慮冬季保溫［6］。

圖1 夏熱冬暖地區(qū)區(qū)域劃分圖

夏熱冬暖地區(qū)：重點防止夏季太陽輻射，圍護結(jié)構(gòu)滿足隔熱保溫要求，同時在其外表面采取淺色粉刷或者光滑飾面裝飾；屋頂隔熱應考慮通風屋頂、蓄水屋頂、植被屋頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)形式；設計有效的遮陽萬式；設計連續(xù)通風改善室內(nèi)熱環(huán)境［7］。

被動式建筑設計應以自然氣候特征為基礎。針對夏熱冬暖地區(qū)的氣候特點，在建筑設計階段，應結(jié)合建筑所在區(qū)域的氣象特征全面分析對建筑能耗有顯著影響的各項參數(shù)。如室外氣候、太陽輻射強度、風速風向等［19］。

2.2 夏熱冬暖地區(qū)被動式建筑設計方法與對策

建筑的被動式設計就是研究運用建筑設計的而非人工環(huán)境控制（主動式）的方法與技術(shù)創(chuàng)建室內(nèi)熱舒適，采用合理的建筑設計方法如太陽能采暖、自然通風等被動式技術(shù)，充分利用這部分技術(shù)的自然冷/熱量，大幅減少建筑設備能耗，實現(xiàn)建筑節(jié)能；同時也是研究建筑與室外氣候、室內(nèi)微氣候相互作用的科學［20］。

2.2.1 體形系數(shù)

夏熱冬暖地區(qū)的氣候特殊，對于建筑的夏季通風要求更為高，而對冬季保溫的要求比較低，所以該地區(qū)對體形系數(shù)要求不大。同時建筑可以通過高低錯落，體塊穿插的方式豐富建筑形體，使得建筑可以自身形成一定陰影，減少太陽輻射，所以夏熱冬暖地區(qū)的建筑的形體可以較為復雜。

2.2.2 建筑間距

建筑間距的應綜合建筑日照標準、建筑布局等各種因素，以建筑節(jié)能為基本原則來確定。日照標準由日照時間和日照質(zhì)量來衡量。在夏季，要求能夠避免強輻射的陽光。在冬季，要求能夠得到充分的陽光直射。

2.2.3 建筑朝向

建筑朝向?qū)ㄖ?nèi)部的影響非常大，合適的朝向可以使得建筑能耗下降，并讓人們在室內(nèi)感到更加舒適。夏熱冬暖地區(qū)在北回歸線附近，東南風比較盛行，而建筑對夏季通風需求比較高；所以該地區(qū)建筑應盡量避免東西兩方向的日曬。結(jié)合風向和日照兩大影響因素可推出夏熱冬暖地區(qū)建筑的最佳朝向是南北向。

2.2.4 建筑通風

在夏熱冬暖地區(qū)，為了加強建筑中的自然通風，建筑整個形體可以更開敞且在建筑周圍設置綠化進行導風。該地區(qū)建筑經(jīng)常通過底層架空，設置開敞走廊的方式增加建筑通風能力，南方傳統(tǒng)騎樓是該方法的典型。建筑中可以采用中庭、天井等技術(shù)組織建筑內(nèi)通風。最后，由于該地區(qū)是暴雨和臺風多發(fā)的地區(qū)，建筑的通風措施也應考慮控制建筑內(nèi)的風速。除此之外，建筑外窗的位置和開啟方式也對室內(nèi)自然通風起到?jīng)Q定性作用［21］。

2.2.5 建筑采光

建筑中最大的采光構(gòu)件就是窗戶，因此，窗戶對室內(nèi)采光的影響是非常大的。由于夏熱冬暖地區(qū)太陽輻射比較大，因此建筑需要通過窗戶來控制陽光的進入?；谠摾砟睿源说貐^(qū)的建筑應多采用側(cè)窗，少用天窗。且建筑的窗戶周圍應設置遮陽設施。如果需要采用天窗，天窗面積不應大于屋頂面積的20%［22］。

2.2.6 建筑圍護結(jié)構(gòu)

圍護結(jié)構(gòu)是建筑重要的組成部分，也是被動式建筑設計的重點，好的維護結(jié)構(gòu)可以防止室外不利因素對室內(nèi)的影響。維護結(jié)構(gòu)包括外墻、屋頂、門窗等。因此氣候不同，對圍護結(jié)構(gòu)的要求也不同。

（1）外墻

外墻在圍護結(jié)構(gòu)中占的面積最大，因而外墻節(jié)能技術(shù)對建筑整體節(jié)能有很大的影響。在夏熱冬暖地區(qū)，需要控制墻體對室內(nèi)的熱輻射。因此加氣混凝土砌塊、混凝土空心砌塊等導熱能力弱而熱惰性強的材料適合該地區(qū)的外墻處理。建筑外墻的表面應采用太陽輻射吸收能力弱的的淺色光滑材料［6］。

（2）屋面

在夏熱冬暖地區(qū)，建筑頂層房間的能耗受屋面隔熱影響非常大。屋面節(jié)能效果的好壞，對于減少空調(diào)耗能，改善室內(nèi)熱環(huán)境有很大影響，也有助于提高抵抗夏季室外熱作用的能力。種植屋面是比較常見的屋面隔熱措施。

種植屋面是現(xiàn)在建筑設計的主流方向。種植屋面通過對屋頂?shù)木G化，不但解決了屋頂?shù)母魺?，而且屋頂種植對夏季隔熱有顯著效果，其熱惰性好，保溫效果良好，同時，屋頂種植可明顯降低建筑物四周環(huán)境溫度，調(diào)節(jié)城市氣候；屋頂種植為了降低造價，減少屋面負荷，不宜選擇對覆土厚度要求較高的植物［23］。但是屋頂種植自重大，對結(jié)構(gòu)要求高，造價也偏高且綠化屋頂需要長期澆灌和維護，對屋面防水有一定破壞。

（3）門窗

窗日設置遮陽對于改善夏熱冬暖地區(qū)住宅的熱環(huán)境，減少太陽輻射熱進入室內(nèi)，降低空調(diào)能耗效果顯著，是實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要手段之一［6］。

門窗在建筑圍護結(jié)構(gòu)中傳熱是最大的，其熱損失占建筑的總熱損失的40%以上。在夏熱冬暖地區(qū)，建筑外窗應采用傳熱系數(shù)低、遮陽系數(shù)小的玻璃，減小外窗的輻射傳熱。而建筑的門窗面積越大，能耗越高，但是由于門窗是重要的采光和通風構(gòu)件，所以不能過于小，因此，在夏熱冬暖地區(qū)濕熱的氣候下，需要需要大面積的開窗來獲得自然通風，又要避免過多的太陽輻射熱進入室內(nèi)。該地區(qū)公建的窗墻面積比不應大于0.85［24］。同時，《綠建標準》要求公共建筑外窗可開啟面積不小于外窗總面積的30%［25］。

2.2.7 建筑遮陽

夏熱冬暖地區(qū)由于太陽的輻射比較強烈，日照時間長，而建筑遮陽可以阻斷直射陽光進入室內(nèi)太陽輻射的熱是導致室內(nèi)熱，防止陽光暴曬。因此該地區(qū)對建筑遮陽的要求比較高。

在夏熱冬暖地區(qū)，建筑師進行設計時，應根據(jù)窗戶的朝向選擇不同的遮陽類型。南向的窗戶適合采用水平式遮陽，遮擋上方投射下來的陽光；北向的窗口適合采用垂直式遮陽，阻擋從側(cè)面斜射過來光，東南和西南向的窗口適合采用綜合式遮陽，其遮陽效果比較均勻；東西向窗口適合采用擋板式遮陽，遮擋正方直射窗口的陽光。

2.2.8 太陽能系統(tǒng)

夏熱冬暖地區(qū)氣候日照的主要特征就是太陽輻射強、太陽能資源充足，因此太陽能技術(shù)在此有著很大的發(fā)展空間。太陽能技術(shù)的應用中，就是通過太陽能設施，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能或者熱能，直接用于建筑的能源供給上，如太陽能集熱或太陽能光伏發(fā)電都是采用此原理。

太陽能集熱系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，生產(chǎn)出熱水等物質(zhì)，用于生活用水等。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。這些裝置優(yōu)先考慮放置在建筑的屋項或者南向無遮擋的外墻上，不僅可以充分利用太陽能，減少其他能源消耗，而且可以遮擋太陽輻射，起到一舉兩得的效果［9］。

2.2.9 水資源利用

夏熱冬暖地區(qū)雨量充沛，暴雨較多，但是該地區(qū)屬于多雨缺水地區(qū)。因此雨水收集系統(tǒng)應適合這種多雨少水的情況。雨水的收集可以通過屋頂和周圍的場地來收集。而雨水收集要注意實行雨污分流，減少雨水受污染的機率，盡可能合理的利用雨水資源［26］。雨水的回收利用可以減少淡水資源的使用，節(jié)約淡水資源。回收的雨水不僅可以用來澆灌花園草地，經(jīng)過處理后還可以用于沖洗某些地方［4］。

3 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水準的提高，建筑能耗總量也在不斷增加，節(jié)能問題逐漸被大家所重視，被動式建筑作為優(yōu)秀的節(jié)能建筑典范，其理念被越來越多的人所接受。在被動式設計中，通風和遮陽是夏熱冬暖地區(qū)必須要關注的方面。建筑師應通過對建筑朝向、建筑間距、建筑形體、通風、采光、及維護構(gòu)件的處理等方面的處理，盡可能依靠被動式的方式，達到即節(jié)省能源又能創(chuàng)造人類舒適的生活與工作空間環(huán)境的雙重目標。

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Passive building design strategy in hot summer and warm w inter area

Li Donghe，Liu su*，Kong Yawei
（School of Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The energy problem gradually affects human life and development，the energy crisis has become a the bottleneck restricting the development of modern social economy and the global sustainable development in the face of one of the most serious challenges.The development of the passive building design is one of the importantmeans of building energy efficiency.Along with the development of the passive construction，passive building design in hot summer and warm winter area become the key point of promoting the passive construction.It is not only of important practical significance for the developmentof Chinese passive construction butalso the difficult task for architects to fully consider the climate factors，analyze the passive design and regionality，and explore the passive building design strategy under the influence of hot summer and warm winter climate factors. The article summarizes the concept of passive architecture and design，expounds the passive building design progress and general situation both athome and abroad，analyzes the passive building design in hot summer and warm winter area，according to the climate characteristics of hot summer and warm winter area，and puts forward the corresponding passive architectural design methods and countermeasures.

passive construction；hot summer and warm winter area；design strategy

TU111.4

A

1673-7644（2017）01-0055-05

2016-12-11

李東和（1991-），男（滿族），在讀碩士，主要從事建筑設計綠色建筑、節(jié)能建筑等方面的研究.E-mail：874704882＠qq.com

*：劉甦（1961-），男，教授，學士，主要從事建筑設計、綠色建筑等方面的研究.E-mail：liusu＠sdjzu.edu.cn