嚴寒地區(qū)高校教學建筑綠色改造策略研究
——以東北大學大成教學樓為例

張慧

（東北大學江河建筑學院）

1 研究背景

當前我國既有建筑存量大、能耗高、壽命短、問題突出[1]。如果不實施改造，將會浪費更多的資源，同時影響使用效果，高校建筑亦是如此。2020年，教育部學校規(guī)劃建設發(fā)展中心組織編寫形成《高校既有校園綠色規(guī)劃建設指南》，結合我國綠色校園發(fā)展的目標要求和實際情況，提出既有校園綠色化改造評估內容清單，流程與內容，要求做到基礎調研，綠色評估，系統(tǒng)優(yōu)化，規(guī)劃實施。這對高校教學建筑改造，尤其是嚴寒地區(qū)高校教學建筑改造提出了更加具體的要求。但目前相關研究大多在理論層面與局部改造策略上較為深入，對于整體綠色改造體系、路線尚不完善，缺乏整體設計考慮。

2 項目概況與問題分析

2.1 項目概況

大成教學樓位于沈陽市東北大學南湖校區(qū)，由校友捐贈，東北大學設計研究院設計，沈陽雙星建設集團完成建設，距今已使用二十年有余。

建筑布局采用階梯教室與普通教室南北并行布置的策略，北側六層，南側四層。條形中庭的東西兩側布置連接南北走廊的剪刀梯，與其相鄰的是衛(wèi)生間與設備間等黑房間。中庭頂部是三塊弧形天窗與相應機械通風設備。立面設計上充分考慮嚴寒地區(qū)的保溫性能，采用窄條形小開窗，并考慮到遮陽效果，使窗間墻突出，契合校園整體風格。

2.2 沈陽氣候特點

沈陽位于我國第I氣候區(qū)，屬暖溫帶半濕潤季風性氣候。春溫回升快，日照足，風力強盛，相對濕度低，降水變率大，蒸發(fā)量大，空氣干燥；夏熱，多陰雨，空氣濕潤；秋短，降溫快。四季氣候分明，年平均氣溫變化較大，各氣象要素變化較為明顯。

2.3 問題闡述與分析

從外環(huán)境來看，建筑位于校園東南角，周邊曠地較多。北側與采礦館之間有一片綠地，西側為人群活動較多的籃球場，南側為宿舍后勤區(qū)，人群活動較少，東側為采礦冶金實驗室，建筑較為低矮。此外西北側的高層綜合樓也會對建筑外環(huán)境造成影響。

通過現(xiàn)場踏勘與問卷訪談，我們發(fā)現(xiàn)以下四點是使用者普遍認為存在的問題：①室內冬季陰冷，夏季悶熱，依靠大量機械通風；②天窗材質形成藍綠色光線，視覺與心理體驗不佳；③教室采光與通風較差，影響教學體驗；④室內缺乏交流研討場所，相應需求無法滿足。

通過斯維爾軟件模擬分析，我們另外發(fā)現(xiàn)以下改造切入點：①受北側曠地影響，在冬季主導風向作用下，北側主入口風速較大，體感不佳；②北側入口缺乏門斗等保溫措施，導致冷風直接滲入，影響一層熱舒適指標；③建筑西側與北側均為曠地，且位于高層建筑角部，冬季防風較為薄弱；④中庭頂部直射光較強，底部由于高寬比較大，采光效果并未有明顯改善，整體采光不均；⑤底層空間冬季熱舒適水平未能達標，影響教學環(huán)境；⑥內廊式教室靠近中庭一側的界面封閉，并未從中庭天窗得到采光改善；⑦南側教室進深較大，采光不均，內側照度低；⑧北側教室由于立面凹凸變化得光率不高，全陰天模擬室內照度不能滿足要求；⑨兩類教室均為一側開窗，不能形成內部通風路線，尤其在冬季，依靠機械通風，室內空氣較差；⑩受建筑西側籃球場影響，在使用時間段內，受到噪聲干擾較大。

中庭天窗面積較大，弧形形式未能滿足節(jié)能要求。

3 整體優(yōu)化路線與改造策略

3.1 技術路線

以中庭底部昏暗，光線分布不均的問題為出發(fā)點，將中庭黑房間置換為核心筒結構，改善采光通風的同時兼具生態(tài)調節(jié)，雨水調蓄等功能，以此帶動如天窗，陽光房，研討模塊等策略的改進或增設。希望在節(jié)能，采光，通風，熱舒適與促進人群交流等不同層面進行整體把控，形成“光的相遇”與“人的相遇”的相互映襯（見圖1）。

圖1 改造前后模型對比

3.2 光策略

中庭采光筒設計：不透光反光板主要集中于光筒上部，起到聚光和導光的作用；透明玻璃板主要集中在光筒下部，將上部匯聚下來的光發(fā)散出去，解決建筑底層陰暗的問題。

中庭天窗形式與材質優(yōu)化：將弧形天窗改為鋸齒形，材質采用聚碳酸酯板和Low_e玻璃。夏季太陽高度角較高時可避免陽光直射，冬季太陽高度角較低時又可以充分利用太陽光。

中庭界面材質改變：改善反射率與視覺效果，從而優(yōu)化中庭整體光環(huán)境。

教室立面反光板：改善南側采光不均以及北側采光不足的問題，同時教室內側界面增加高窗，引入中庭光線，使教室內照度達到標準要求。

教室界面材質優(yōu)化：使室內光線更加均勻，避免眩光。

3.3 風策略

中庭通風筒設計：利用熱壓加風壓作用引導和加強自然通風。太陽輻射到采光筒表皮，加熱兩側風筒內空氣，產(chǎn)生熱壓差，熱空氣上升從南側出風口排出，形成空氣循環(huán)流通。

教室增加側高窗：教室靠近中庭一側墻體設置高窗，中庭一側風速大，教室內側風速小，形成壓力差，從而形成由迎風面流向背風面的空氣流動。

底層門斗設計：根據(jù)冬季主導風向在北側主入口設置避風門斗，規(guī)避冷風滲入，改善入口及底層人體舒適度。

3.4 聲策略

教室隔聲構造優(yōu)化：在教室內部設置槽木吸音板墻面及穿孔石膏吸音板吊頂?shù)?，利用孔隙共振原理和吸聲材料?yōu)化教室聲環(huán)境。

室外聲屏障設計：利用植物聲屏障降低道路沿線交通噪聲污染，并采用喬灌草復合種植結構以充分發(fā)揮林帶降噪效果。

3.5 熱策略

中庭雨水調蓄：核心筒結構底部增設雨水調蓄模塊，通過滲水材料和構造收集的雨水可以用于植被澆灌，沖廁等，也可以用作景觀水體的補充水源。

中庭生態(tài)倉：核心筒結構每層設置生態(tài)倉，利用植被和土壤傳熱系數(shù)較低的特點，對夏季隔熱和冬季保溫起到積極影響。同時，中庭的內部綠化對室內微氣候的調節(jié)也有積極作用。

底層特隆布墻：在南側一層外墻處設置特隆布墻，白天吸收太陽輻射熱，夜間利用煙囪效應通風[2]。

室外生態(tài)環(huán)境優(yōu)化：建筑外圍栽種植被遮擋風沙，調節(jié)風速，保持空氣溫濕度，同時凈化空氣，起到遮陽，降噪的作用；增加室外水體，調節(jié)建筑環(huán)境的溫濕度以及通風，改善局部微氣候；室外應用滲水磚，改善公共環(huán)境熱，濕環(huán)境，同時起到防塵降噪的作用。

3.6 節(jié)能策略

外墻保溫構造優(yōu)化：采用工業(yè)化生產(chǎn)的保溫裝飾復合板，以聚氨酯泡沫塑料或EPS板、XPS板為保溫層，表面涂以仿瓷、仿天然石材的鋁板或氟碳材料、面磚等，構成保溫裝飾一體化外墻外保溫技術[3]。

外墻門窗構造優(yōu)化：除門斗避風設計之外，利用扇和框之間的縫隙密封膠條，提高氣密性；采用斷熱鋁合金保溫門窗，改善窗框保溫；采用中空Low_e玻璃，改善保溫性能。

天窗形式與材質優(yōu)化：鋸齒狀天窗垂直面采用Low_e玻璃，具有優(yōu)異的隔熱效果和良好的透光性，注重熱量控制和內部陽光投射舒適平衡；斜面采用聚碳酸酯板，冬季保溫隔熱，夏季防紫外線，阻止熱氣侵入。

4 改造效果模擬預測

為了避免改造效果不理想，造成資源浪費，采用計算機模擬分析技術，綜合以上綠色改造措施，對改造效果進行模擬預測，以判斷改造實施效果[4]。模擬分析采用DALI、SEDU、VENT、BECS、ITES系列軟件（見圖2）。

圖2 改造前后模擬分析對比

5 結語

本文以東北大學大成教學樓改造為例，結合所在地的氣候特征、項目現(xiàn)狀及主要問題，研究分析了適合嚴寒地區(qū)高校教學建筑綠色改造的技術路線。采用計算機分析技術，模擬預測了實施綜合技術改造措施后可能達到的效果，驗證了方案的合理性，也為進一步開展嚴寒地區(qū)高校教學建筑綠色改造工作與改造方案評估提供了切實可行的優(yōu)化路線[5]。