寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑低能耗設(shè)計(jì)研究

摘 要：“雙碳”目標(biāo)下，高校教學(xué)建筑低能耗設(shè)計(jì)意義重大?；诖?，總結(jié)現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)高校教學(xué)建筑低能耗設(shè)計(jì)的幾種措施，對(duì)其做法、原理和效果進(jìn)行闡述，以期對(duì)未來(lái)寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑低能耗設(shè)計(jì)提供理論支持。適宜的建筑規(guī)劃與單體設(shè)計(jì)，以及先進(jìn)材料與技術(shù)的合理利用可有效降低建筑能耗，從而實(shí)現(xiàn)寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑低能耗的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；高校校園；教學(xué)建筑；低能耗

2022年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》，明確了綠色建筑和節(jié)能目標(biāo)。截至2020年，我國(guó)公共建筑面積140億平方米，校園建筑占比近16％。可見(jiàn)，校園建筑是公共建筑的重要類型。然而，通過(guò)對(duì)各類型公共建筑逐年竣工面積的統(tǒng)計(jì)，辦公、商場(chǎng)及酒店類建筑在2016年后竣工面積持續(xù)下降，而醫(yī)院、學(xué)校的竣工面積呈上升趨勢(shì)。另外，通過(guò)將學(xué)校建筑的人均面積與其他國(guó)家進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)我國(guó)學(xué)校建筑的人均面積與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大差距，學(xué)校建筑依舊是今后公共建筑的發(fā)展重點(diǎn)[1]。我國(guó)幅員遼闊，高校數(shù)量龐大。截至2018年，高校建筑中教學(xué)建筑能耗占比超過(guò)80％，成為高校開(kāi)展節(jié)能工作的重中之重。另外，高校教學(xué)建筑多為6層建筑，體形系數(shù)較大且形態(tài)規(guī)整。

高校作為公共建筑的一個(gè)重要組成部分，既是人口密集區(qū)也是能源消耗大戶。高校冬季或夏季單位建筑面積能耗約為100千瓦時(shí)，遠(yuǎn)高于全國(guó)居民水平，生均能耗和水耗分別是全國(guó)人均的4倍和2倍[2]。為解決寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑高能耗問(wèn)題，必須合理規(guī)劃設(shè)計(jì)策略，研究符合地域特征的低能耗設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)校園教學(xué)建筑可持續(xù)發(fā)展。

本文以寒冷地區(qū)高校為研究對(duì)象，基于低能耗設(shè)計(jì)目標(biāo)，從建筑規(guī)劃、單體設(shè)計(jì)、材料選擇以及可再生能源技術(shù)方面對(duì)高校教學(xué)建筑設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，旨在為寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑低能耗設(shè)計(jì)提供一些方法和思路。

一、寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑低能耗設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）建筑布局

合理規(guī)劃建筑布局是寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在規(guī)劃過(guò)程中，需要考慮教學(xué)建筑與其他功能區(qū)域的相互銜接，以形成便捷的交通網(wǎng)絡(luò)和良好的空間流線。石媛等人的研究指出，建筑布局對(duì)建筑能耗的影響巨大，合理布局不僅有利于降低能耗，而且對(duì)于提高建筑效率和舒適性具有重要作用[3]。在低能耗設(shè)計(jì)層面，建筑布局應(yīng)綜合考慮陽(yáng)光照射和風(fēng)向等因素，最大限度地利用自然資源，創(chuàng)造舒適的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境。此外，底層自由風(fēng)場(chǎng)有助于增強(qiáng)通風(fēng)能力，解決防曬、通風(fēng)、防潮和防雨等問(wèn)題。陳光等人在進(jìn)行廣州地區(qū)底層架空對(duì)教育建筑組團(tuán)室外熱環(huán)境影響的研究中認(rèn)為，架空層下的熱環(huán)境明顯改善[4]。這種設(shè)計(jì)理念為建筑帶來(lái)了更加豐富的視覺(jué)體驗(yàn)，使人們?cè)诳臻g中流動(dòng)，感受不同的氛圍和情緒。同時(shí)，建筑內(nèi)部的自然通風(fēng)效果進(jìn)一步得到提升，空氣對(duì)流也極大地改善了建筑室內(nèi)的物理環(huán)境，提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)。

（二）綠化景觀

在寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，綠化景觀的設(shè)計(jì)是必須考慮的。金哲潮等人在城市辦公建筑景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中指出，采用生態(tài)景觀設(shè)計(jì)方法可提升寒冷地區(qū)高校校園環(huán)境質(zhì)量，為師生創(chuàng)造一個(gè)舒適、美麗的學(xué)習(xí)和生活空間，同時(shí)引入合適的樹(shù)木和植物，可以起到防風(fēng)、保溫等作用[5]。陳卓倫認(rèn)為，綠化體系對(duì)濕熱地區(qū)建筑組團(tuán)室外熱環(huán)境有顯著影響。喬木水體搭配比喬木草地搭配效果更佳，降溫效果約0.5℃[6]。合理控制綠化景觀可調(diào)整微氣候，并為師生提供舒適的休閑社交場(chǎng)所，營(yíng)造積極向上、充滿活力的校園文化氛圍。

（三）地形利用

寒冷地區(qū)的地形對(duì)高校教學(xué)建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)有著重要的影響，合理利用地形可以創(chuàng)造豐富的景觀層次。同時(shí)，寒冷地區(qū)的地形也可以用于雪的堆積和分流，以減輕對(duì)建筑的影響。陳華晉等人在建筑被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)研究中指出，通過(guò)合理利用地形，可以改善校園的微氣候環(huán)境，能夠更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的舒適性和可持續(xù)性[7]。通過(guò)合理利用地形來(lái)改善校園的微氣候環(huán)境，進(jìn)一步提高高校校園的綜合效益。

二、寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑低能耗設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能

墻體作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，其保溫性能對(duì)節(jié)能的影響不可忽視。在教學(xué)建筑單體設(shè)計(jì)中，外墻保溫是一項(xiàng)重要考慮因素。劉向偉等人在夏熱冬冷地區(qū)建筑設(shè)計(jì)研究中認(rèn)為，采用高效保溫材料可顯著減少建筑能量流失，從而提升室內(nèi)舒適度和能源效率[8]。在寒冷地區(qū)，選用合適的保溫材料如聚苯板、巖棉板并設(shè)置適當(dāng)厚度的保溫層，可大幅提高建筑保溫性能，減少能量損耗。此外，建筑物的頂部屋面全年受到陽(yáng)光熱輻射，是建筑物中受熱最多、最集中的區(qū)域。和曉艷的研究結(jié)果顯示，屋頂綠化技術(shù)可降低周圍環(huán)境溫度0.5—4℃，每降低1℃可減少6％的空調(diào)容量需求[9]。張鵬等人在湖南農(nóng)村住宅節(jié)能改造中發(fā)現(xiàn)，雙層鋁板通風(fēng)坡屋面能顯著提高屋頂?shù)母魺嵝阅埽行Х瓷潢?yáng)光和散發(fā)熱能，相比傳統(tǒng)屋頂具有更佳的隔熱效果[10]。合理選擇保溫材料和屋頂形式，可大幅降低建筑能耗，為高校校園可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

（二）自然采光

合理的采光設(shè)計(jì)是寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑的重要設(shè)計(jì)原則之一，合理設(shè)置窗戶可以最大程度地利用自然光，減少對(duì)人工照明的依賴。林波榮等人在建筑節(jié)能優(yōu)化方法研究中，著重探討了自然采光在建筑空間利用中的重要性，特別是公共建筑[11]。在寒冷地區(qū)的采光設(shè)計(jì)中，需要考慮日照時(shí)間和角度，以確保室內(nèi)光線的均勻分布和充足度。通過(guò)合理控制窗戶的數(shù)量及尺寸參數(shù)，可以充分提升自然光的利用效率及室內(nèi)環(huán)境的舒適度，同時(shí)提高使用者的學(xué)習(xí)和工作效率。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮建筑所處地區(qū)的日照情況，以確保光線的充足性和均勻分布，這些措施有助于節(jié)約能源并提高建筑的可持續(xù)性。

（三）空調(diào)系統(tǒng)

在寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑設(shè)計(jì)中，選擇適宜的空調(diào)系統(tǒng)至關(guān)重要。合理的空調(diào)系統(tǒng)可為師生提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，降低能源消耗。崔瑩等人在公共建筑碳排放特征及分析模型研究中圍繞建筑使用階段的碳排放進(jìn)行研究，針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)等方面存在的能源浪費(fèi)問(wèn)題分析了與其相關(guān)的綠色建筑節(jié)能應(yīng)對(duì)方法，提出了綜合性、科學(xué)性以及合理性的公共建筑綠色節(jié)能設(shè)計(jì)方案[12]。合理的暖通空調(diào)系統(tǒng)可以滿足不同季節(jié)和天氣條件下的需求，提供穩(wěn)定的室內(nèi)溫度和空氣質(zhì)量。

（四）自然通風(fēng)

在寒冷地區(qū)的高校教學(xué)建筑中，合理的通風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)于保持室內(nèi)空氣的新鮮和舒適是必不可少的。在高校校園教學(xué)建筑中，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)綜合考慮自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)的優(yōu)勢(shì)。程征等人在體育館設(shè)計(jì)研究中認(rèn)為自然通風(fēng)是必要的，為師生提供新鮮空氣和改善熱舒適度[13]。自然通風(fēng)更健康、環(huán)保、節(jié)能，通過(guò)窗戶、通風(fēng)口設(shè)置實(shí)現(xiàn)氣流循環(huán)。機(jī)械通風(fēng)可采用風(fēng)機(jī)、排風(fēng)扇等設(shè)備。智能控制系統(tǒng)可根據(jù)空氣質(zhì)量和溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，提供舒適環(huán)境。在高校教學(xué)建筑設(shè)計(jì)中，綜合考慮自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)優(yōu)勢(shì)，可改善空氣質(zhì)量，創(chuàng)造舒適的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境，同時(shí)降低能源消耗。

三、先進(jìn)材料與技術(shù)

（一）先進(jìn)材料

近20年來(lái)，建筑材料隨著科技進(jìn)步快速發(fā)展，涌現(xiàn)眾多新型材料。在低能耗設(shè)計(jì)中，外層界面材料對(duì)建筑遮陽(yáng)隔熱至關(guān)重要。新型輕型復(fù)合隔熱材料用于屋面和實(shí)體墻，對(duì)高校教學(xué)建筑設(shè)計(jì)的影響較??；而新型隔熱遮陽(yáng)玻璃材料對(duì)建筑外觀造型的影響較大，并對(duì)設(shè)計(jì)和熱工性能產(chǎn)生重要影響。谷燕成等人對(duì)建筑節(jié)能保溫材料的研究顯示，新型節(jié)能玻璃如熱反射玻璃、吸熱玻璃、中空玻璃、低輻射玻璃等，在降低建筑能耗方面發(fā)揮著重要作用[14]。這些玻璃能夠增強(qiáng)對(duì)室外可見(jiàn)光和長(zhǎng)波輻射的反射，提高建筑的保溫隔熱性能，減少室內(nèi)外熱量傳遞，從而降低采暖和空調(diào)制冷費(fèi)用。

（二）地源熱泵

地源熱泵是一種適用于寒冷地區(qū)高校教學(xué)建筑的供暖技術(shù)，主要利用地下熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)熱交換。陳少杰等人在寒冷地區(qū)空氣源熱泵采暖技術(shù)應(yīng)用研究中指出，在能源與環(huán)境的雙重壓力下，建筑急需清潔高效的供暖方式[15]。地源熱泵系統(tǒng)利用地下熱能實(shí)現(xiàn)熱交換，滿足建筑采暖和熱水需求。通過(guò)合理設(shè)計(jì)管路和熱交換器，具有穩(wěn)定性的地下熱能可實(shí)現(xiàn)高效能源利用和節(jié)能效果，提供舒適的室內(nèi)溫度。這一技術(shù)減少了對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，降低了能耗，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)供暖，對(duì)高校教學(xué)建筑達(dá)到節(jié)能目標(biāo)至關(guān)重要。

（三）光電技術(shù)

太陽(yáng)能是一種清潔、可再生能源，逐漸在寒冷地區(qū)的高校教學(xué)建筑中得到應(yīng)用。甄蒙等人在東北嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅節(jié)能設(shè)計(jì)研究中發(fā)現(xiàn)，為提高室內(nèi)舒適度，應(yīng)充分利用自然資源，采取設(shè)計(jì)策略降低采暖能耗[16]。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，滿足部分能源需求，如照明等。合理設(shè)計(jì)光伏陣列位置和傾角，最大程度吸收太陽(yáng)能，結(jié)合儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)全天候能源供應(yīng)。這種方式能夠有效減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，降低能源消耗，為節(jié)能減碳目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。在不同場(chǎng)景中，太陽(yáng)能利用具有巨大的節(jié)能潛力。

（四）風(fēng)力發(fā)電

在寒冷地區(qū)的高校教學(xué)建筑中，風(fēng)能也能夠提供穩(wěn)定的能源。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和電力儲(chǔ)存設(shè)備組成，能夠?qū)L(fēng)能有效地轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來(lái)，以供應(yīng)建筑所需。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)組和合理布局，可以最大程度地利用風(fēng)能資源，實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)能源供應(yīng)。朱江濤等人針對(duì)寒冷地區(qū)公共建筑低能耗技術(shù)研究顯示，應(yīng)重點(diǎn)探索太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能等可再生能源在建筑中的應(yīng)用，充分利用自然資源實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用[17]。

（五）智能化設(shè)計(jì)

建筑環(huán)境控制技術(shù)包括影響建筑環(huán)境的各類技術(shù)，通常分為被動(dòng)式氣候調(diào)節(jié)和主動(dòng)式空調(diào)調(diào)節(jié)兩類。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)化和人工智能的快速發(fā)展，使建筑能夠感知室內(nèi)外環(huán)境，分析數(shù)據(jù)，通過(guò)控制窗戶、遮陽(yáng)板等，實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)環(huán)境的自動(dòng)智能調(diào)控，達(dá)到健康、節(jié)能、高效的目標(biāo)，創(chuàng)造出更加舒適、人性化的生活空間。魏力愷等人基于建筑智能設(shè)計(jì)需要的整體考慮，提出不僅要優(yōu)化設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行，還應(yīng)將其與空間、材料、施工等全面融合，在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行集成，以滿足高性能、高感性的人性化需求，創(chuàng)造出更優(yōu)質(zhì)的建筑環(huán)境[18]。

四、結(jié)語(yǔ)

寒冷地區(qū)高校建筑的高能耗問(wèn)題尤為突出，尤其是在冬季，大大增加了建筑在能源和材料方面的損耗。為了在寒冷地區(qū)的高校教學(xué)建筑中更好地融入綠色建筑理念并實(shí)現(xiàn)低能耗設(shè)計(jì)，需要全面考慮建筑的生命周期，結(jié)合未來(lái)發(fā)展需求以及社會(huì)、環(huán)境和氣候等特性，充分分析項(xiàng)目情況。設(shè)計(jì)方案應(yīng)主要采用被動(dòng)式、生態(tài)和低碳設(shè)計(jì)技術(shù)，并將主動(dòng)式設(shè)計(jì)作為補(bǔ)充措施。在考慮校園總體規(guī)劃的同時(shí)，必須結(jié)合教學(xué)建筑單體設(shè)計(jì)以及先進(jìn)材料與技術(shù)，以使校園環(huán)境自然舒適、安全友好，提高校園建筑的整體效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯恩哲.《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2022（公共建筑專題）》發(fā)行[J].建筑節(jié)能（中英文），2022（4）：146.

[2]譚洪衛(wèi)，徐鈺琳，胡承益，等.全球氣候變化應(yīng)對(duì)與我國(guó)高校校園建筑節(jié)能監(jiān)管[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2010（1）：36-40.

[3]石媛.寒冷地區(qū)三甲醫(yī)院能耗分布與建筑布局節(jié)能設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2020.

[4]陳光.廣州地區(qū)底層架空對(duì)教育建筑組團(tuán)室外熱環(huán)境影響[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[5]金哲潮.城市辦公建筑景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的探討[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[6]陳卓倫.綠化體系對(duì)濕熱地區(qū)建筑組團(tuán)室外熱環(huán)境影響研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[7]陳華晉，李寶駿，董志峰.淺談建筑被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)[J].建筑節(jié)能，2007（3）：29-31.

[8]劉向偉.夏熱冬冷地區(qū)建筑墻體熱、空氣、濕耦合遷移特性研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2015.

[9]和曉艷.屋頂綠化的相關(guān)技術(shù)研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2013.

[10]張鵬，翟端強(qiáng).雙層鋁板通風(fēng)坡屋頂在湖南農(nóng)村住宅節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].建筑節(jié)能，2017（10）：100-101，131.

[11]林波榮，李紫微.面向設(shè)計(jì)初期的建筑節(jié)能優(yōu)化方法[J].科學(xué)通報(bào)，2016（1）：113-121.

[12]崔瑩.公共建筑碳排放特征及分析模型研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2018.

[13]程征.基于自然通風(fēng)模擬的體育館設(shè)計(jì)策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.

[14]谷燕成，陳思諾，黃恩興.建筑節(jié)能保溫材料的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].建筑節(jié)能，2016（6）：34-38.

[15]陳少杰.空氣源熱泵采暖技術(shù)在寒冷地區(qū)的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2017.

[16]甄蒙.東北嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅節(jié)能設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[17]朱江濤.寒冷地區(qū)公共建筑的低能耗技術(shù)研究[D].石家莊：河北工業(yè)大學(xué)，2010.

[18]魏力愷，張備，許蓁.建筑智能設(shè)計(jì)：從思維到建造[J].建筑學(xué)報(bào)，2017（5）：6-12.

作者簡(jiǎn)介：

劉傲霜，河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院碩士研究生。研究方向：建筑設(shè)計(jì)及其理論。

李坤明，博士，河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向：建筑設(shè)計(jì)及其理論。