建筑設(shè)計中被動式節(jié)能的探討

【摘要】本文將對建筑設(shè)計中的被動式節(jié)能設(shè)計進行探討，由于高校建筑形式多樣，用途較為廣泛，以高校建筑為例具有較強的代表性，文章采用了大量案例，對被動式節(jié)能進行了圖文并茂的解析，有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】建筑設(shè)計；被動式節(jié)能；高校建筑

一、自然采光策略

建筑內(nèi)部空間的自然采光主要分為頂部自然采光和側(cè)向反射自然采光兩種方式。

頂部自然采光策略在高校的圖書館、體育館、餐廳等公共類建筑中可廣泛采用。如上海海事大學圖書館，首層大廳和頂層多功能閱覽室均采用了頂部自然采光方式（圖1），很好地解決了因建筑進深過大而導致室內(nèi)自然采光不均勻的問題。又如上海交通大學閔行校區(qū)體育館，整個比賽場地的屋頂采用PTFE膜材，白天，通過自然采光即可滿足比賽場的使用要求，晚上，燈光打開照射在膜材上形成反射，不僅滿足賽場使用要求，而且為建筑提供了內(nèi)透式泛光照明，同時減少了建筑泛光照明所需的設(shè)備投資和使用能耗（圖2，圖3）。

雖然通過頂部自然采光能為建筑內(nèi)部提供高品質(zhì)的自然光線，但相應地會耗費一定的空調(diào)能耗，所以頂部自然采光常常配合自動遮陽系統(tǒng)，或采用小面積Low-E玻璃采光，又或在屋頂運用齒狀結(jié)構(gòu)（圖4），避免日常大面積直射入室內(nèi)。

關(guān)于側(cè)向反射自然采光設(shè)計方法，在以往的校園建筑中，雖有不經(jīng)意的使用，但沒有被很好地發(fā)現(xiàn)其采光功能，大多被簡單地用作遮陽措施。側(cè)向反射自然采光效果與反射板寬度有關(guān)。如美國洛杉磯城市學院圖書館、加州大學洛杉磯分校、內(nèi)華達大學拉斯維加斯分校等高校建筑都采用這一方式來改善建筑內(nèi)自然采光的效果，從而達到節(jié)能要求（圖5）。

二、自然通風策略

要達到較好的自然通風效果，建筑首先應朝向夏季主導風向布置。在上海，夏季的主導風向是東南風，上海海事大學二級學院的教學樓、圖書館和行政辦公樓等建筑朝向均為東南向（圖6），創(chuàng)造了建筑內(nèi)良好的自然通風條件。建筑內(nèi)部的氣流組織可分為橫向的貫串式和豎向的下進上出式兩種方式。

高校建筑一般以板式建筑為主，以內(nèi)走道或外走道布局，內(nèi)走道兩邊的墻體可開設(shè)高窗，在建筑內(nèi)形成橫向貫串氣流，達到自然通風的效果。豎向下進上出式氣流組織主要根據(jù)熱空氣上升的原理，一般在建筑底層開設(shè)進氣口，頂層設(shè)出氣口，使空氣在建筑內(nèi)形成豎向氣流，達到自然通風效果。如上海交通大學閔行校區(qū)體育館的設(shè)計，在比賽大廳一層的4個角部開設(shè)了4扇直通室外的大門，在二層環(huán)形休息廊外側(cè)設(shè)置了氣動下懸式玻璃窗，窗扇直接倒向室外，使建筑內(nèi)的熱空氣可以順暢地排向窗外，從而達到自然通風的效果。

三、外遮陽策略

水平遮陽是根據(jù)太陽高度角的變化達到遮陽效果的措施。遮陽板一種是水平挑出建筑，遮陽效果與其寬度有關(guān) ；另一種是平行遮擋在建筑窗前，對于層高較高或采光窗開得很大的建筑，此種方式非常有效，但需精心設(shè)計遮陽板，使之與建筑立面相協(xié)調(diào)并滿足使用功能要求。如上海交通大學閔行校區(qū)體育館二層觀眾休息廊的外遮陽板不僅有遮陽作用，更成為建筑造型的一部分，遮陽板采用漸變式穿孔鋁板，高處遮陽板穿孔率低，可更有效地遮擋日光，下部穿孔率高，不影響室內(nèi)人們的視線通透性，這一種設(shè)計同時解決了遮陽板的日常清潔難題，板上的開孔有助于雨水沖刷灰塵（圖7）。

豎向遮陽是根據(jù)太陽的方位角變化來達到遮陽效果的措施。如上海海事大學商船學院樓的豎向構(gòu)件隨著弧形墻面展開，形成很強的韻律感，不僅具有很好的遮陽效果，而且增添了建筑的美感（圖8）。比較豎向遮陽和水平遮陽 ：在緯度低的地方，水平遮陽效果較好 ；緯度越高的地方，豎向遮陽效果更理想 ；另外豎向遮陽對室內(nèi)日照采光影響較小，而水平遮陽特別是陰天時，對室內(nèi)自然采光的影響更明顯。

四、反射熱量策略

反射熱量是一種克服熱導效應的技術(shù)措施。校園建筑一般成組團布置，建筑的外墻和屋頂都是吸熱體，如不考慮反射熱量，建筑長時間吸熱且散熱不及時，會形成組團內(nèi)的熱島效應，從而加大建筑室內(nèi)的能源負荷。所以，在夏季比較炎熱的地區(qū)，建筑的外墻可采用淺色，有利于反射熱量。

五、多類型、多功能組合設(shè)計策略

高校建筑具有多種使用功能，如教學功能、圖書館功能、生活功能、活動功能等。這些功能在使用時間方面有很多共同點 ：教學功能、圖書館功能和活動功能的使用時間一般占據(jù)了除晚上休息時間外的所有時間 ；另外，生活功能中餐飲、購物的使用時間也與以上功能的使用時間同步。由于目前高校學生有一定程度的自主選課權(quán)，時間自由度較大，因此即便是白天，圖書館、餐廳、宿舍也有很多學生在使用，學生也會在上述功能建筑中找到可供自學的空間。所以，學生在校園中處處可以學習，高校建筑的各種使用功能具有了一個共同特征—為學生和老師提供學習和教學場所。

因此，將這些不同功能的建筑組合設(shè)計，對使用者不但不會產(chǎn)生負面影響，還會帶來很大的便利。更重要的是，這將為建筑的節(jié)能提供有利條件 ：多功能組合設(shè)計使所需的室外交通空間減少，建筑內(nèi)的公共活動空間可以共享，減少了建筑的用地面積，從而有效節(jié)約了土地資源 ；另外，組合設(shè)計后建筑外墻面比各自獨立設(shè)計時減少很多，設(shè)備管線（如電纜、水管等）也大大縮短，一些公共服務配套空間（如廁所、安保、設(shè)備機房以及公共交通空間等）可以共享，建筑總面積比各自獨立設(shè)計時也有很大減少，從而大大降低土建及基本設(shè)備的投資。由于土建投資的大大降低為需較大初期投入的主動式節(jié)能技術(shù)（如地源熱泵、光伏發(fā)電等）應用提供了一定程度的資金保證。

結(jié)語

通過上述多種被動式節(jié)能設(shè)計策略的應用，在不增加很大的初期建設(shè)投資和運營維護費用的條件下，使建筑變得更綠色，這不僅是每個設(shè)計師的心愿，也是廣大社會民眾共同的愿望。

參考文獻：

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[3] 中國建筑文化中心. 世界綠色建筑： 熱環(huán)境解決方案[M].南京： 江蘇人民出版社，2012.