綠色生態(tài)校園的建筑設(shè)計(jì)研究

王　淼

(成都木原建筑設(shè)計(jì)院，四川成都 610000)

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綠色生態(tài)校園的建筑設(shè)計(jì)研究

王淼

(成都木原建筑設(shè)計(jì)院，四川成都 610000)

【摘要】在校園中，教學(xué)建筑是教育環(huán)境的主體，它占據(jù)了校園中絕大比重的面積。所以作為教育事業(yè)的核心物質(zhì)載體，應(yīng)該以空間舒適與健康環(huán)保作為構(gòu)建原則。尤其是在倡導(dǎo)綠色環(huán)保以及科學(xué)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到一定水平的今天，為師生打造一個(gè)利于學(xué)習(xí)效率與身心健康的綠色生態(tài)校園環(huán)境則更為關(guān)鍵和現(xiàn)實(shí)。鑒于綠色節(jié)能環(huán)保等現(xiàn)代理念為校園設(shè)計(jì)低能耗、擁有自然通風(fēng)的教學(xué)建筑就是論文將要討論的主要課題。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)建筑；綠色;生態(tài)校園；節(jié)能；自然通風(fēng)；設(shè)計(jì)

就目前我國學(xué)校的現(xiàn)狀來看，綠色設(shè)計(jì)理念和對體驗(yàn)的要求都較為薄弱匱乏，而且大部分教學(xué)建筑取暖所采用的都是燃煤和火力發(fā)電這樣的不可再生能源。它們不但能耗較大而且會(huì)對校園內(nèi)外生態(tài)產(chǎn)生一定環(huán)境污染。如果為校園融入新的綠色生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)概念，則會(huì)緩解這些現(xiàn)實(shí)問題。

1綠色生態(tài)教學(xué)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)策略

對綠色生態(tài)校園的建設(shè)其主要針對對象就是教學(xué)建筑，而對教學(xué)建筑的主要環(huán)保設(shè)計(jì)理念則要從低能耗開始。

1.1節(jié)能型建筑圍護(hù)技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圍護(hù)技術(shù)主要針對教學(xué)建筑的墻體和門窗展開，它的核心作用就是隔熱、御寒、通風(fēng)。目前較為優(yōu)秀的節(jié)能型建筑圍護(hù)技術(shù)系統(tǒng)主要有以下幾種設(shè)計(jì)理念。

1.1.1保溫隔熱墻體設(shè)計(jì)

首先是對建筑外墻體的保溫隔熱設(shè)計(jì)，它更適用于一些北方寒冷地區(qū)的校園建筑。而且從整體技術(shù)來看，它的夏季保溫能力也值得認(rèn)可，可以抵御一定室外熱量的傳入。針對這種墻體設(shè)計(jì)的主要要點(diǎn)就在于對保溫材料、構(gòu)造方式以及保溫層放置位置的選擇。一般來說，建筑外墻的保溫隔熱層會(huì)根據(jù)其放置位置的不同而分別設(shè)置外置保溫層。中間保溫層以及內(nèi)置保溫層，如果是建筑較高部位，其厚度也會(huì)相應(yīng)增加。在現(xiàn)實(shí)中外置保溫層更為常見，它利用了更優(yōu)秀的小導(dǎo)熱系數(shù)材料，從建筑最外部直接提升了墻體的熱阻，而且其成本最低，因而被大多數(shù)校園建筑設(shè)計(jì)所采納。

1.1.2“呼吸墻”的設(shè)計(jì)

“呼吸墻”的特點(diǎn)就是能隔熱和通風(fēng)，也被叫做雙層皮外墻。它是一種玻璃墻。雙層皮外墻中的外層所采用的多為抗沖擊性能較高的安全玻璃，而內(nèi)部的空氣夾層則設(shè)置了遮陽百葉窗，它有調(diào)節(jié)室內(nèi)太陽紫外線輻射的作用。到了冬季，這種“呼吸墻”能夠最大限度降低室內(nèi)熱量的散失，這是由于它的幕墻內(nèi)層部分采用了具有強(qiáng)大熱阻能力的中空玻璃。而為了體現(xiàn)呼吸墻的“呼吸”特性，幕墻外層還專門設(shè)計(jì)了通風(fēng)口，可以在夏季打開通風(fēng)，并借助氣流熱壓的通風(fēng)原理來為幕墻內(nèi)外層形成空氣源，在達(dá)到通風(fēng)效果的同時(shí)也帶走了大量的太陽輻射熱能，為室內(nèi)人工降溫(圖1)。雖然這種外墻設(shè)計(jì)成本很高，但是對于建筑長期使用來說，不但可以降低空調(diào)的使用量，降低能耗，也能保證室內(nèi)人的健康，所以為校園建筑設(shè)計(jì)使用呼吸墻應(yīng)該是具有長遠(yuǎn)利益的[1]。

圖1　雙層幕墻“呼吸墻”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.1.3防曬墻的設(shè)計(jì)

建筑外墻除了保溫隔熱還能防曬。某些校園的教學(xué)建筑會(huì)為墻體外部增加防曬墻，它一般設(shè)置在建筑的東西兩側(cè)，針對太陽一天的運(yùn)行軌跡來為室內(nèi)房間防曬。它的主要設(shè)計(jì)原理是為東西兩側(cè)墻體增加防曬層，提升建筑外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)對太陽輻射的抵御性能。在建筑外墻與防曬墻之間的空隙，一些受到室外太陽輻射而溫度上升的空氣會(huì)與室內(nèi)空氣形成對流，將建筑墻外的熱量陸續(xù)帶走，就達(dá)到了外墻防曬的效果。

1.2節(jié)能門窗設(shè)計(jì)

門窗是建筑的關(guān)鍵部分。從生態(tài)環(huán)保角度講，建筑生態(tài)環(huán)境的提升應(yīng)該從對門窗的通風(fēng)采光作用打開思路。室內(nèi)雖然有墻體保溫，但是頻繁的開窗開門還是會(huì)造成一定的熱損失。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于門窗的不封閉結(jié)構(gòu)特性所造成的熱損失可以達(dá)到建筑熱損失總量的46 %，從節(jié)能角度講，這也和玻璃門窗框的熱阻值小有關(guān)。所以為了控制門窗熱損失，提升建筑節(jié)能效果，目前的設(shè)計(jì)方案主要有以下4種。

1.2.1控制和降低門窗開放面積

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》主要針對我國北方寒冷地區(qū)。南向窗墻的面積不應(yīng)該超過0.35，而北向窗則不應(yīng)該超過0.25，東西向窗不超過0.3。這里所指的墻與窗之比是指整窗面積與房間立面單元面積之間的比值。

1.2.2提升玻璃的保溫性

多層玻璃和中空玻璃都能利用玻璃間所存在的空氣間層來形成高熱阻力，進(jìn)而為建筑提升保溫性。如果安裝Low-E低輻射玻璃就會(huì)為建筑降低紅外長波熱輻射熱量50 %～70 %，而如果可以將Low-E低輻射玻璃與普通玻璃形成雙層中空結(jié)構(gòu)，還可以保持室內(nèi)日照程度。在冬季，它可以將日照的長波熱輻射反射回室內(nèi)；而在夏季，它又能阻擋室外長波熱輻射進(jìn)入室內(nèi)，為室內(nèi)帶來冬暖夏涼的效果。

1.2.3提高熱阻值

為了提高外窗熱阻值，一般會(huì)選擇經(jīng)過了斷橋處理的金屬或塑料窗框，這些窗框?qū)嵝孕。軌蚺浜隙鄬硬ＡТ暗闹锌臻g層來提升建筑的保溫特性。

1.2.4提升外窗氣密性

外窗氣密性提升也能夠降低室內(nèi)的熱損，它考慮到了外窗窗框、窗扇之間縫隙所帶來的冷空氣滲透，所以一般在這兩處設(shè)置減壓槽，可以一定程度降低空氣渦流，降低冷風(fēng)的滲透率，保證室內(nèi)溫度。

1.3屋頂生態(tài)設(shè)計(jì)

屋頂是校內(nèi)建筑長期接觸太陽直接輻射的建筑結(jié)構(gòu)，它對建筑頂層教室的熱環(huán)境影響巨大。所以屋頂?shù)谋馗魺嵩O(shè)計(jì)也要考慮。在屋頂設(shè)置種植屋面是較好的綠色環(huán)保方案。

種植屋面的主要材料是土壤。土壤具有較好的熱惰性，可以為建筑頂層房間形成保溫隔熱效果。另外，屋頂植被是能夠吸收大量太陽光形成光合作用的，所以這種對建筑屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)對建筑內(nèi)外環(huán)境來說既能美化生態(tài)又能改善環(huán)境。在設(shè)計(jì)方面，可以制作鋼筋混凝土屋面面板來作為溫控板，并觀測它的溫度變化，保證它能在冬夏兩季都具有較穩(wěn)定的保溫隔熱性能。而在綠色植物選擇上則最好選擇一些對輻射吸收能力較強(qiáng)且喜光的植物，比如蘆薈、一葉蘭、龜背竹、石榴、米蘭等等，關(guān)于植物的選擇也要根據(jù)所在地區(qū)不同而定。種植屋面結(jié)構(gòu)示意見圖2。

另外，也可以為建筑屋頂設(shè)計(jì)蓄水隔熱屋面。水不但能夠蒸發(fā)來抵御太陽直接照射所產(chǎn)生的熱量，水面對陽光的反射也能降低陽光輻射。而到了冬季，蓄水隔熱屋面還能起到保溫的作用。一般來說，蓄水隔熱屋面的水層適宜深度應(yīng)該在150～250 mm范圍內(nèi)[2]。

2綠色生態(tài)教學(xué)建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)策略

自然通風(fēng)較比機(jī)械通風(fēng)更能令人感覺舒適，而且在過渡季節(jié)，自然通風(fēng)節(jié)能效果最為突出。教學(xué)建筑是人員密集的場所，空氣質(zhì)量較差，如果擁有好的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)，則可以改善建筑內(nèi)空氣品質(zhì)，平衡室內(nèi)熱環(huán)境，為學(xué)生提供較為健康的學(xué)習(xí)環(huán)境。目前教學(xué)建筑所存在的問題就是室內(nèi)空氣與室外新風(fēng)交換不足，沒有達(dá)到良好的自然通風(fēng)效果，甚至在依靠空調(diào)、換氣扇等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)，無法確保建筑內(nèi)的空氣品質(zhì)。

2.1基于建筑群體布局的自然通風(fēng)效果分析

群體建筑如果想取得較好的自然通風(fēng)效果，應(yīng)該采用斜列式或錯(cuò)列式的平面布局。這兩種方式可以將自然風(fēng)從斜向?qū)虢ㄖ后w內(nèi)部，保證建筑群體內(nèi)有一定程度的空氣流動(dòng)，形成自然通風(fēng)循環(huán)。另外，對群體建筑實(shí)施自由排列布局也可以為自然通風(fēng)帶來一定效果。比如不同高度的建筑物之間相互作用會(huì)帶來較大的空氣湍流，從而增加風(fēng)速。風(fēng)速一旦擴(kuò)大就會(huì)增大建筑的迎風(fēng)面風(fēng)壓。所以高度不同且自由排列的建筑也有利于整體自然通風(fēng)效果。舉例來說，3棟高20 m、長15 m、寬40 m的教學(xué)建筑前后間距保持在30 m，它的風(fēng)速矢量距離地面就應(yīng)該在1.5～3 m范圍內(nèi)。這種群體式建筑組合可以將自然風(fēng)引入它們所組成的圍合結(jié)構(gòu)，形成建筑區(qū)內(nèi)的通風(fēng)環(huán)境，促進(jìn)各個(gè)建筑內(nèi)外部的自然通風(fēng)作用。

2.2基于建筑單體結(jié)構(gòu)的自然通風(fēng)效果分析

如果從建筑單體來看，教學(xué)建筑在平面類型上基本分為單廊式、內(nèi)廊式和中庭式。本文主要介紹自然通風(fēng)效果最好的單廊式。單廊式的建筑進(jìn)深布局不宜設(shè)計(jì)過大，這是因?yàn)檫M(jìn)深過大可能會(huì)影響建筑的內(nèi)部各個(gè)房間無法形成穿堂風(fēng)，導(dǎo)致通風(fēng)流的閉塞。所以為了達(dá)到最好的室內(nèi)通風(fēng)效果，應(yīng)該在建筑設(shè)計(jì)時(shí)就注意門窗的開合和所處的高度。

2.2.1窗口的高度

教學(xué)建筑中的窗口高度設(shè)計(jì)應(yīng)該以自然通風(fēng)效果為基準(zhǔn)，而且出于學(xué)生安全考慮，可以將窗洞口位置設(shè)計(jì)偏高一些，這樣也符合窗口越高風(fēng)速越大的原則，從而形成較為有利的建筑內(nèi)外通風(fēng)環(huán)境。較為常規(guī)的窗洞口高度設(shè)計(jì)約為0.9～1.1 m。而對整個(gè)建筑來說，進(jìn)深一般設(shè)置在8～10 m，層高4 m，進(jìn)風(fēng)口保持在高2.1～2.8 m，寬8 m，出風(fēng)口高1.2～1.5 m，寬8 m，窗臺高1.8～2 m較為適宜。

2.2.2門窗的開合方式

門窗的開合方式對自然通風(fēng)的組織性具有很大影響。教學(xué)建筑建議采用平開窗和旋轉(zhuǎn)窗這兩種方式更好。它們與傳統(tǒng)的推拉窗相比，能更加精細(xì)化的調(diào)整窗扇的開啟角度，從而根據(jù)風(fēng)向引風(fēng)入室，具有良好的導(dǎo)風(fēng)特性。懸窗與平開窗也是本文建議使用的類型，它們的可開啟面積更大，可以更有利增加建筑的通風(fēng)口面積。所以總體來說校園教學(xué)建筑采用可開啟門窗更加合理。

3某校教學(xué)建筑中庭的通風(fēng)改善設(shè)計(jì)方案

3.1存在的問題

為了更好證明自然通風(fēng)對于教學(xué)建筑的重要性和可行性，本文以某校的校園教學(xué)建筑中庭通風(fēng)改善作為設(shè)計(jì)案例，簡要對其設(shè)計(jì)進(jìn)行解讀。

首先，該校教學(xué)建筑中庭的設(shè)計(jì)主要是結(jié)合了教學(xué)樓內(nèi)教室的自然通風(fēng)現(xiàn)狀展開。在建筑北向的教室進(jìn)深為8 m，寬度為1 m，此次改善是希望通過教室內(nèi)側(cè)的外墻開窗來間接獲取中庭的自然通風(fēng)，將中庭與教室的自然通風(fēng)渠道連接起來，形成整體設(shè)計(jì)。目前的自然通風(fēng)問題有以下兩點(diǎn)。第一，中庭頂部的天窗是封閉的不可開啟設(shè)計(jì)，這讓中庭無法利用風(fēng)壓、熱壓通風(fēng)原理為教室組織有效流通氣流；第二，教室內(nèi)側(cè)墻體也沒有設(shè)置可開啟的通風(fēng)窗口與門頭梁子，無法利用室外有效氣流為教室形成穿堂風(fēng)，同時(shí)它也降低了建筑中庭內(nèi)部的空氣流通效果。

3.2改善方案

首先，將中庭頂部的玻璃天窗改為可開啟式，保證室外風(fēng)能夠從教學(xué)建筑南側(cè)吹入建筑內(nèi)，同時(shí)確保建筑內(nèi)的1～3層窗戶能受到風(fēng)壓作用從而為室內(nèi)引入大量室外風(fēng)。當(dāng)室外風(fēng)大量進(jìn)入建筑后就會(huì)為建筑空間形成向上的收縮空氣流，為建筑內(nèi)部北向形成負(fù)壓區(qū)，與中庭形成空氣對流，這就改善了北向教室的室內(nèi)通風(fēng)狀況。

另外，根據(jù)風(fēng)壓、熱壓的同時(shí)作用情況，也可以了解教室內(nèi)的自然通風(fēng)情況。圖3模擬了教室內(nèi)的風(fēng)壓熱壓對教室的作用狀況，可見室內(nèi)的整體空氣流通狀況比較順暢，而且室外風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)也沒有發(fā)生較快的衰減。室外自然風(fēng)也能在中庭可開啟天窗的組織運(yùn)作下，結(jié)合教室門窗實(shí)現(xiàn)教學(xué)建筑內(nèi)外的自然通風(fēng)作用[3]。

圖3　教室自然通風(fēng)優(yōu)化后中庭的自然通風(fēng)效果模擬圖

4結(jié)束語

本文通過建筑保溫隔熱節(jié)能和自然通風(fēng)作用改善兩方面探討了目前綠色生態(tài)校園教學(xué)建筑的設(shè)計(jì)方案，事實(shí)證明想要構(gòu)建綠色生態(tài)校園建筑的根本還是要靈活適應(yīng)本地氣候環(huán)境，形成有針對性的設(shè)計(jì)對策。目前我國各地區(qū)校園的綠色生態(tài)設(shè)計(jì)意識還未全面普及，學(xué)校應(yīng)該根據(jù)自身?xiàng)l件和所在地區(qū)，因地制宜的建設(shè)適合于自己的綠色生態(tài)環(huán)境，為改善校園學(xué)習(xí)生活環(huán)境，也為推動(dòng)地方建筑水平的快速提高。

參考文獻(xiàn)

[1]張娟.教學(xué)用房綠色節(jié)能建筑設(shè)計(jì)[J/OL].城市建設(shè)理論研究,2013(11).

[2]曹燕華.綠色校園建筑節(jié)能設(shè)計(jì)——以復(fù)旦大學(xué)江灣校區(qū)新建環(huán)境科學(xué)樓為 例[D].復(fù)旦大學(xué),2013:5-11.

[3]賀棟.鄭州地區(qū)教學(xué)建筑綠色節(jié)能設(shè)計(jì)研究[D].鄭州大學(xué),2012：18-44.

[作者簡介]王淼(1970～),男，本科，工程師，一級注冊建筑師，從事建筑設(shè)計(jì)工作。

【中圖分類號】TU244

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-11-02