長沙氣候區(qū)校園綠色建筑技術(shù)適應(yīng)性研究
——以湖南大學(xué)建筑物理實(shí)驗(yàn)室為例＊

鄧廣 梁祗豪 陳玉昆 劉宏成 晏益力

1992年聯(lián)合國環(huán)境發(fā)展大會(huì)提出綠色建筑的概念，歷經(jīng)了幾十年的演變，已成為當(dāng)今建筑發(fā)展的主流思想[1]。校園建筑作為城市中量大面廣的重要建筑類型之一[2]，帶有特殊屬性，將其作為綠色建筑發(fā)展試點(diǎn)，具有很好的示范作用。在綠色生態(tài)建設(shè)浪潮的帶動(dòng)下，全國各地為深入開展綠色校園建筑研究，根據(jù)學(xué)校建設(shè)的特點(diǎn)，積極制定了綠色校園評(píng)估準(zhǔn)則。目前綠色校園建設(shè)尚處于萌芽時(shí)期[3]。

1 長沙地區(qū)氣候特征現(xiàn)狀

長沙作為新一線城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，具備開發(fā)綠色建筑的潛質(zhì)，但是目前綠色建筑技術(shù)的推進(jìn)相對(duì)遲緩，一方面由于政策的支持力量薄弱并且實(shí)踐項(xiàng)目數(shù)量較少，另一方面也尚未形成系統(tǒng)的研究體系。本文從長沙地區(qū)的氣候特點(diǎn)著手，通過物理實(shí)驗(yàn)室主/被動(dòng)式的應(yīng)用，分析該氣候區(qū)所適應(yīng)的綠色建筑技術(shù)，并總結(jié)其運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，為促進(jìn)長沙等南方濕熱地區(qū)在綠色建筑領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。

湖南省位于我國夏熱冬冷地區(qū)，為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，其特征為雨量充沛、四季分明，最高月月均降水量達(dá)到189mm。筆者將長沙近10年年均氣候指標(biāo)整理歸納，如表1所示。一方面，其豐富的降水條件適宜廣泛使用雨水回收利用和各類型節(jié)水技術(shù)，利于實(shí)施多種綠色建筑技術(shù)；另一方面，降水量大意味著較高的防水需求，傳統(tǒng)的材料防水效果并不理想，房屋滲漏水是一大問題。此外，長沙近10年1月月均溫度僅5℃，而7月月均溫度達(dá)到29℃，且每月的日均溫度也相差6～7℃，晝夜溫差大，導(dǎo)致墻面易產(chǎn)生冷凝水，為提升舒適度，減少室內(nèi)溫差，保溫措施尤為重要。根據(jù)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心1981—2010年數(shù)據(jù)顯示，長沙7月月均濕度高達(dá)75%，一年的悶熱階段高達(dá)5.7個(gè)月，建筑樓地面易受潮。

2 綠色建筑技術(shù)集成方法在建筑物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案中的應(yīng)用

綠色建筑技術(shù)集成優(yōu)化組織模式應(yīng)該體現(xiàn)模塊化的特征，使各種技術(shù)手段可以在兼容性強(qiáng)、有共同或相似技術(shù)接口的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。長沙氣候區(qū)的氣候條件優(yōu)越，根據(jù)校園環(huán)境氣候特性，可采取多種綠色建筑技術(shù)手段，滿足多樣性的集成方法特點(diǎn)[4]。建筑物理實(shí)驗(yàn)室可以作為很好的綠色校園建設(shè)案例。

表1 長沙地區(qū)近10 年溫度、濕度、降水量氣候整理歸納

2.1 被動(dòng)式綠色建筑技術(shù)的集成與創(chuàng)新

湖南大學(xué)建筑物理實(shí)驗(yàn)室位于建筑學(xué)院專業(yè)教室西北角，是對(duì)既有建筑的綠建改造項(xiàng)目，具有節(jié)地意義（圖1）。其主要功能包括建筑物理教室、各類實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生活動(dòng)及工作室，旨在創(chuàng)造一個(gè)綠色生態(tài)、節(jié)能環(huán)保的實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)學(xué)生科研實(shí)踐的動(dòng)手能力。通過設(shè)計(jì)手段實(shí)現(xiàn)防潮、隔熱、采光、通風(fēng)，既有實(shí)用性又具有示范意義。

受長沙地區(qū)降雨量大、空氣潮濕的影響，原物理實(shí)驗(yàn)室存在屋面漏雨、地面返潮嚴(yán)重的問題。此外，原有建筑屋頂采光口未考慮周邊建筑物影響，被相鄰教學(xué)樓遮擋，導(dǎo)致室內(nèi)光線昏暗。由此，對(duì)建筑物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一系列改造設(shè)計(jì)。

2.1.1 通風(fēng)設(shè)計(jì)

自然通風(fēng)系統(tǒng)能有效降低溫濕度且不損耗常規(guī)能源，同時(shí)帶來清新的室內(nèi)空氣，從而改善室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量[5]。長沙地區(qū)夏季炎熱，濕度較大，而教室人流密集，對(duì)通風(fēng)需求更高。實(shí)驗(yàn)室根據(jù)長沙地區(qū)氣候特征從建筑造型、室內(nèi)空間、地勢(shì)景觀等方面，結(jié)合被動(dòng)式設(shè)計(jì)更好地促進(jìn)自然風(fēng)的流動(dòng)。

（1）與建筑造型結(jié)合

建筑物理實(shí)驗(yàn)室南面是地勢(shì)較高的小坡地和教學(xué)中樓，阻擋了來自南方的夏季風(fēng)，建筑為加強(qiáng)空氣流通，在屋頂北側(cè)開側(cè)高窗，通過形體的塑造引導(dǎo)自然風(fēng)進(jìn)入內(nèi)部，且與一層通風(fēng)窗口形成對(duì)流，加強(qiáng)空氣流通。

（2）與室內(nèi)空間結(jié)合

建筑物理實(shí)驗(yàn)室一層158.4m2，其中有67.2m2的中通空間，有利于一、二層之間的空氣流通，從而改善室內(nèi)空氣。同時(shí)增加室內(nèi)外空氣循環(huán)，形成連續(xù)流暢的氣流通道。一層活動(dòng)百葉遮陽隔斷，可開啟和關(guān)閉，隱私性強(qiáng)。

（3）與地勢(shì)、景觀結(jié)合

在景觀設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮熱壓通風(fēng)作用[6]，如在建筑物理實(shí)驗(yàn)室南面，利用地勢(shì)設(shè)計(jì)成坡地，同時(shí)保留基地南北兩側(cè)草坪，通過配置綠植，降低周邊溫度而達(dá)到加大室內(nèi)外溫差的效果，利于自然風(fēng)更好地進(jìn)入室內(nèi)，加強(qiáng)通風(fēng)。

2.1.2 采光設(shè)計(jì)

在建筑設(shè)計(jì)中，最大化利用自然光照明，減少來自傳統(tǒng)人工照明的能耗，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。自然照明還具有照度均勻、無眩暈、持續(xù)性好等特點(diǎn)[6]。建筑物理實(shí)驗(yàn)室北、南、西三面開窗，且在屋頂開設(shè)3扇方形天窗，補(bǔ)充室內(nèi)光源（圖2,3）。

2.1.3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)

基于長沙地區(qū)夏熱冬冷、降水量大的氣候特點(diǎn)，結(jié)合原物理實(shí)驗(yàn)室存在的問題，技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了一系列適應(yīng)性技術(shù)改造方案。擬達(dá)到節(jié)能75%的低能耗改造目標(biāo)（圖4,5）。

（1）墻體適應(yīng)性設(shè)計(jì)

為適應(yīng)長沙的氣候環(huán)境，需做出相應(yīng)的技術(shù)措施提升建筑的保溫隔熱性能。墻體作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是占比最大的一部分，對(duì)建筑物耗能的影響很大，外墻保溫的改造是實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的重要方式。設(shè)計(jì)采用外保溫系統(tǒng)與垂直綠化來提升建筑的保溫隔熱性能，防止外墻內(nèi)表面出現(xiàn)結(jié)露，同時(shí)為呼應(yīng)周邊教學(xué)中樓的建筑色彩，使用仿紅色清水磚外墻裝飾保溫一體化墻板（導(dǎo)熱系數(shù)為0.141W/m2·K）。外保溫做法有效保護(hù)建筑本身結(jié)構(gòu)，且建筑受到熱橋的影響也大大減少，有效解決墻體發(fā)霉現(xiàn)象，節(jié)能且美觀。

1 建筑物理實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)改造圖

2 建筑物理實(shí)驗(yàn)室自然通風(fēng)狀態(tài)

3 建筑物理實(shí)驗(yàn)室立面圖

4 建筑物理實(shí)驗(yàn)室技術(shù)集成路線

（2）門窗適應(yīng)性設(shè)計(jì)

受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件限制，我國采用的相當(dāng)一部分外門窗保溫隔熱性能較差、隔音效果不理想。建筑物理實(shí)驗(yàn)室一、二層平開窗采用氣密性強(qiáng)的三玻兩腔中空玻璃（導(dǎo)熱系數(shù)為2.1W/m2·K），南北兩側(cè)各設(shè)6扇長2400mm，高1200mm的窗戶，南向窗口被教學(xué)中樓遮擋，無太陽直射，西側(cè)可通過周邊綠植遮陽，北向光照適宜，這對(duì)提高室內(nèi)保溫隔熱、隔音性能起到很大幫助，符合被動(dòng)房需求。北面設(shè)有電動(dòng)可開啟高側(cè)窗，過渡季節(jié)開窗加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)，可降低高濕度環(huán)境對(duì)室內(nèi)的影響，提高環(huán)境舒適度。西向窗口采用可活動(dòng)外遮陽，長沙夏季炎熱，根據(jù)需要，可將遮陽百葉閉合，隔絕室外陽光照射，減緩室內(nèi)氣溫提升，最多可節(jié)省45%的空調(diào)耗能。

（3）屋頂適應(yīng)性設(shè)計(jì)

長沙地區(qū)多雨，對(duì)建筑防水要求較高，根據(jù)這一氣候特征，建筑物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)剖屋頂形式，避免雨水堆積，利于排水，屋面采用CPM復(fù)合保溫種植模塊，由200mm厚擠塑聚苯板保溫層和種植模塊組成（導(dǎo)熱系數(shù)為0.144W/m2·K）。

種植模塊系統(tǒng)由單元尺寸500mm×500mm的模塊拼接而成，質(zhì)量輕，自重僅約70kg/m2，包括一體成型的骨架，側(cè)邊設(shè)有由高密度聚已烯塑料支撐的加強(qiáng)筋，該骨架具有容置，由下到上依次設(shè)有保溫層和種植層，通過加強(qiáng)柱及加強(qiáng)板分隔成高、低種植單元，且高種植單元的底板高度低于加強(qiáng)板高度，在與底板相鄰的加強(qiáng)板上開有排水凹槽。如此，屋面復(fù)合保溫種植模塊將保溫隔熱與種植基質(zhì)集合在一起，模塊間設(shè)置卡扣，便于安裝，植被可自然生長，易維護(hù)，且不需要增加灌溉系統(tǒng)，使用壽命長，不僅能減輕屋頂荷載，而且節(jié)能、節(jié)材、保溫隔熱效果好，符合標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化生產(chǎn)要求[7]（圖6,7）。

屋面系統(tǒng)綜合造價(jià)低，CPM復(fù)合保溫種植模塊系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠有效提高屋頂保溫隔熱性能，加強(qiáng)建筑對(duì)夏熱冬冷氣候的適應(yīng)性，提升室內(nèi)熱環(huán)境舒適度，同時(shí)美化屋頂環(huán)境、增加校園綠化率，使得綜合效益提高（圖8）。

（4）樓地面適應(yīng)性設(shè)計(jì)

長沙空氣濕度大，地下潮氣上升使建筑室內(nèi)水氣超標(biāo)，腐蝕墻面、地板等室內(nèi)物品，影響人體對(duì)環(huán)境的熱舒適性。建筑物理實(shí)驗(yàn)室采用架空防潮地面，有效阻隔地下潮氣上升。實(shí)驗(yàn)室南北兩側(cè)室外排水采用植草溝形式，可匯集、運(yùn)輸和排放徑流雨水。

2.2 主動(dòng)式綠色建筑技術(shù)的集成應(yīng)用

2.2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)主機(jī)的全自動(dòng)化運(yùn)行，控制系統(tǒng)各個(gè)部分的運(yùn)行速度及效率，使中央空調(diào)空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行跟隨外界環(huán)境及用戶需求而變化。

長沙夏季高溫，空調(diào)耗能量大，因此實(shí)驗(yàn)室采用主、被動(dòng)式結(jié)合的方式降溫，通過智能控制系統(tǒng)開啟頂部天窗以排除室內(nèi)熱氣流，輔以中央空調(diào)以達(dá)到降溫目的。冬季則關(guān)閉天窗，使室內(nèi)熱空氣循環(huán)，利用建筑卓越的保溫性能達(dá)到升溫的效果。被動(dòng)式為主，主動(dòng)式為輔的控溫方式，有效減少空調(diào)系統(tǒng)全年能耗。同時(shí)，新風(fēng)系統(tǒng)使得室內(nèi)污染降低，提高了環(huán)境品質(zhì)（圖9）。

5 建筑物理實(shí)驗(yàn)室綠色建筑技術(shù)集成

6 建筑物理實(shí)驗(yàn)室CPM 復(fù)合保溫種植單元結(jié)構(gòu)圖

7 建筑物理實(shí)驗(yàn)室CPM 復(fù)合保溫種植單元剖面圖

2.2.2 智能照明控制系統(tǒng)

長沙陰天較多，因此照明用電是建筑能源適應(yīng)的重要部分，通過將一些功率較大的燈具更換為LED節(jié)能燈，可以在一定程度上降低照明耗電量。智能照明控制系統(tǒng)在確保燈具能夠正常工作的條件下，給燈具輸出最佳照明功率，使照明分布更柔和均勻，又可大幅度節(jié)能省電。經(jīng)測(cè)試，智能照明節(jié)能系統(tǒng)節(jié)電率可達(dá)20%～40%。

2.3 模擬測(cè)試

2.3.1 采光測(cè)試

原方案屋頂側(cè)高窗雖朝向南面，然而被南向教學(xué)中樓遮擋，室內(nèi)采光效果差，加上二層北向隔墻通頂，一層無法受到來自北向的光線，自然采光不滿足《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013）。改造后側(cè)高窗改為北向，頂天窗設(shè)在南向，二層隔墻取消，改為開放式空間，取消遮擋，視野開闊。經(jīng)模擬測(cè)試，兩層實(shí)驗(yàn)室空間不僅滿足采光要求，而且光線更加均勻舒適。

2.3.2 通風(fēng)測(cè)試

經(jīng)模擬測(cè)試，主要功能房間換氣次數(shù)大于2次/h的面積比例為94.3%，通風(fēng)狀況良好，空氣較為新鮮，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。建筑內(nèi)部風(fēng)速大部分處于0.43～1.50之間，處于人體舒適范圍。且建筑受相鄰教學(xué)中樓的圍擋較為嚴(yán)重，測(cè)試發(fā)現(xiàn)增加通風(fēng)口對(duì)室內(nèi)風(fēng)速影響不大，因此現(xiàn)有的室內(nèi)通風(fēng)基本滿足要求，如需優(yōu)化，可通過智能中央空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)式調(diào)節(jié)（圖10）。

3 結(jié)語

湖南大學(xué)建筑物理實(shí)驗(yàn)室改造項(xiàng)目的成功實(shí)踐，不僅體現(xiàn)了綠色校園建筑對(duì)氣候的適應(yīng)性，有助于校園可持續(xù)性發(fā)展，同時(shí)具備強(qiáng)有力的推廣作用，為推動(dòng)綠色建筑的發(fā)展貢獻(xiàn)了一份力量。然而，校園建筑由不同建筑類型樣式集合構(gòu)成，本文僅選取長沙地區(qū)某一高校的一種建筑類型作為案例，分析結(jié)果具有偶然性，對(duì)校園綠色建筑適應(yīng)性研究僅做參考，后續(xù)研究可以增加實(shí)例的數(shù)量和類型。

8 建筑物理實(shí)驗(yàn)室CPM 復(fù)合保溫種植模塊屋面

9 夏、冬季室內(nèi)氣溫循環(huán)狀態(tài)

10 建筑物理實(shí)驗(yàn)室改造后通風(fēng)模擬圖

圖片來源

1作者自攝

2,3,5,8,9作者自繪

4,6,7,10 湖南大學(xué)設(shè)計(jì)院既有建筑改造研究中心提供

表格來源

1作者自繪

項(xiàng)目信息

項(xiàng)目名稱：湖南大學(xué)建筑物理實(shí)驗(yàn)室綠色建筑技術(shù)改造

業(yè)主：湖南大學(xué)

建設(shè)地點(diǎn)：湖南省長沙市岳麓區(qū)

建筑設(shè)計(jì)：湖南大學(xué)設(shè)計(jì)院既有建筑改造研究中心

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：劉宏成

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：陽小華(建筑)；鄧廣（結(jié)構(gòu)）；金津（設(shè)備）；武斌、賀建軍（能耗監(jiān)測(cè)）

總建筑面積：249.6m2

設(shè)計(jì)時(shí)間：2019—2020

建成時(shí)間：2021.06

攝影：梁祗豪