上海高校農科創新建筑節能設計初探

支琴 陸曉

上海交通大學

0 引言

當前，我國農業科技發展步入了新階段，在組織形式、科研平臺、人才團隊等方面進行了超前調整和系統布局，打破了原有部門、區域、學科界限，通過有效整合科技資源，建立協同創新機制，推動產學研、農科教緊密結合[1-3]。高等學校作為農業科技創新和相關人才培養的主體，承擔著科技創新和知識創新的重任[4]：一方面，高校是緊密對接國家重大戰略，站在世界科技前沿的核心力量；另一方面，科技發展要求不斷拓展農科學科空間資源，擴大辦學規模，提升農業科技創新研發的教育內涵。

上海交通大學農業學科以上海農學院為基礎，在院校合并、學科整合及校區整體遷入上海交通大學閔行校區后，進入了全新發展階段。作為農業科技創新的核心載體，上海交通大學農科建筑不僅承載綜合型、研究型大學公共建筑的職能，而且還肩負著學科前沿發展重任，空間布局、專業要求都應體現農業科技學科特征和時代特征，并積極運用科技創新理念及相關技術。因此，在新一輪世界一流大學建設過程中，設計并建設學科特征鮮明、技術創新應用、產教深度整合的綠色農科創新建筑成為高?？蒲屑盎üぷ髡叩闹匾蝿铡?/p>

本文以上海交通大學農科創新樓為例，結合學校農業學科發展需求、提升和發揮綜合性大學農業學科的學科交叉優勢，提出了建設國際一流的農科大學。

1 項目概況

1.1 場地基本概況

上海交通大學農科創新樓選址閔行校區東北角，項目總用地面積4 149 m3，總建筑面積19 896 m3，建筑層數5層，建筑高度24m。農科創新樓主要由農業與生物學院使用，將作為學校農科創新學科發展的核心載體。其主要功能為辦公與實驗。結構框架形式為多層公共建筑。整個建筑呈長方型，與周邊道路四邊平行，建筑中部留出三個內庭院作為采光、通風和景觀之用。根據《上海市綠色建筑發展三年行動計劃（2014-2016）》[5]，本項目屬大型公共建筑，以綠色建筑一星標準建設。

1.2 功能分區和豎向布置

整個建筑被三個內庭院分成水平向的三個組團模塊，配有三個垂直交通體系和服務體系，但水平上相連又形成一個整體。建筑主要包括兩大功能，科研實驗室和辦公會議室。實驗室與辦公室面積比例控制在5：1，同類實驗室相對集中，實驗室分為普通實驗室和特殊實驗室兩大類。

普通實驗室為240 m3，包括研究生學習室、試劑室、潔凈實驗區、普通試驗區等。實驗區內部空間方正，利用高效；實驗區走廊和實驗室地面鋪設耐酸、耐堿的地板；樓梯與實驗室地面防滑、耐磨；實驗室各實驗分區采用地坪顏色與家具顏色進行標記；實驗室的實驗面采用耐酸堿等材料，臺面上放置可升降或可隨意增加隔板的藥品架。

特殊實驗室主要設置在底層和頂層，頂層為P2實驗室和潔凈實驗室。人工室和PL食品車間設置在首層，方便貨物進出。人工室用于不同植物研究，能模擬自然界條件（如溫度、濕度、照度等），硬件條件滿足實驗工藝要求，達到國際同類型人工室的水平，為建設世界一流綜合性大學做硬件儲備。PL食品車間為服務于整個學院的公共平臺，具有科研、教學和社會服務的功能，包括兩條生產線，用于新型熱加工試驗。

2 設計原則

1)文脈傳承。建筑在體現時代特征同時，又傳承交大建筑風格；既體現高等學府的沉穩與厚重，又反應科技領先的前衛意識。建筑整體具有審美意境上的張力感，以表征農業領域的科技生產力。

圖1 全明設計布局

2)特色融入。根據綠色建筑設計標準和吸收園林藝術與農業工程最新科技技術，創造反映農業科學特征的室內外環境，如設置一定的開放式技術展示空間；結合屋頂、庭院、陽光室等場所展示室內農業、屋頂農業、陽臺農業和立體植物工廠等。

3)生態持續。采用自然通風、自然采光、高效保溫隔熱和遮陽等節能措施，讓陽光、空氣、綠色植物能自由地在建筑空間中流動，創造環境友好型高?？蒲薪ㄖ?。

3 綠色技術策略

基于以上設計原則，農科創新樓在滿足基本建筑的基礎上，開創了綠色設計。綠色設計采用采光與照明綜合運用、自然通風設計、圍護結構節能設計以及屋頂綠色設計等。建筑朝向和室內布局綜合考慮節能要求、靈活合理、高效經濟、簡潔實用。在材料、建筑和朝向、采光照明、光污染、廢物等方面，充分考慮生態、環境、節能、人性化、智能化等設計。

3.1 自然采光設計

根據建筑功能布局，實驗室和會議室等功能模塊采用了“南北雙軸三連接三區三庭院”的標準層平面布局：實驗室模塊位于北側和中部；辦公室位于南側；會議區位于南側兩端。功能模塊間相互水平聯系和垂直貫通，連接極為緊密，每個模塊的各個房間盡可能利用自然資源。功能模塊南北兩端通過相應的實驗室和辦公子模塊連接，形成了特色的內院，它承載著“全明”采光的重要作用，特別是北側房間北側朝綠化帶，南側走廊由于內庭院的存在，采光通風條件十分優越，見圖1。

南側和北側建筑之間的內院的東西方向超過20m，內院南北方向為13．5m，項目地冬至日及夏至日采光分析見圖2。

圖2 自然采光分析

從圖2看出，位于南側的辦公模塊由于充分的建筑間距，具有良好的采光效果；位于北側的實驗模塊由于內庭院的存在，自然采光效果即使在冬至日也較好。

在工程建筑施工中，腳手架工程發揮著重要的作用，它被廣泛的應用在施工現場的工程作業中，對保障施工人員的生命安全和對重力的支撐起到關鍵性的作用，所以腳手架的施工安全不容忽視，施工單位必須加強對腳手架的施工安全管理。以下將對相關問題展開分析。

此外，在日照輻射模擬分析中看出，水平遮陽是遮擋夏日過多輻射的有效措施。因此，本設計除考慮采光要求外，還采用建筑本體及其構件作為遮陽手段，具體設計如圖3所示。

圖3 辦公遮陽分析

3.2 自然通風設計

自然通風設計在我國華東地區應用廣泛，因該地區在春、秋過渡季，外界溫度不高和溫差非常小，可通過自然通風降溫減濕，同時也為室內帶來清新的新風。自然通風設計要充分考慮完全自然通風模式，特殊區域采用機械輔助。

根據建筑體型，農科創新樓特別設計了風壓和熱壓兩種自然通風模式，見圖4。

圖4 自然通風模式

設計合理的窗孔位置和窗孔面積帶來風壓自然通風，即較為廣泛的穿堂風。當風壓不穩定時，在熱壓作用下，貫穿多層的豎向空腔將建筑各層的熱空氣排出。

此外，變電室的通風采用全室機械排風、百葉自然進風設計。風機選用低噪聲軸流風機，通風量根據設備散熱量計算。有廢氣產生的實驗室設有排風柜、排風罩和抽氣試劑柜等排風設備。240m2的普通實驗室裝有8臺通風柜，通風管道采用不銹鋼，且為實驗通風柜預留了接口，通風管道分兩組向屋頂排放。標準通風柜參數如下：排風量：1 200-1 600m3/h;表面風速:0．3-0．5m/s;排風口：250mm,長度L=1 500和1 800mm、寬度W＝850mm、高度H＝2 350mm。通風柜的通風系統可接入可移動方向的導風罩。試劑區是通風要求最高的區域，設有單獨的排風系統。排風風機選用耐腐蝕型離心風機且采用變頻控制。排風風機置于大樓屋面，廢氣通過排風口直接向高空排放。新風則由實驗室外墻上帶遮網防雨的百葉或可開啟的外窗自然補入。為排除試劑室異味，試劑室設置全室排風系統，由排風扇排至排風井排出屋面。排風量按10次/h換氣次數計。

3.3 綠色生態建筑高性能圍護結構設計

建筑維護體系是室內外熱交換的界面，通過優化設計，減少夏季熱量吸收，同時也能利用秋冬季室外涼風，達到節能和舒適的目的。農科創新樓的屋面采用140厚泡沫玻璃保溫板，導熱系統為0．062 W/(m2·K)，正置式鋪設；外墻保溫采用40厚TPS真金板，導熱系數為0．036W/(m2·K)。

門窗的設計采用新型Low-e玻璃和斷橋鋁。Low-e玻璃12mm充氬氣的傳熱系數僅為1．4m/w·k，是普通中空玻璃的56%，熱損失減少約70%，克服了雙層中空玻璃耗損量大的缺點，大大減輕采冷（暖）空調的負荷。斷橋鋁保濕隔熱性好，傳熱系數僅為2．23-2．94 m/w．k，且排水暢通，水密性好，空氣隔音量達到30-40db，此外還具備防火功能，不會燃燒。

3.4 屋頂綠化設計

屋頂及垂直綠化日益受到人們關注。上海市工程建設規范《公共建筑綠色設計標準》（DGJ08-2143-2014）要求公共建筑，特別是大型公共建筑要設計屋頂綠化、綠化特種和種植布置。實踐表明，屋頂綠化能吸收建筑熱量，降低頂層和立面溫度，從而減低耗電量。此外，綠色植物可調節微氣侯、提升空氣質量、提供宜人環境。

屋頂設計了雨水回收系統。屋頂雨水收集后集中排放至沉淀池，經過濾凈化后用于庭院灌溉、水景水源補充、墻面立體綠化等。

屋頂雨水回收系統見圖5。

圖5 屋頂雨水回收系統

3.5 建筑節能監測平臺

校園節能監管平臺是一個充分利用校園網絡資源、采用通用數字計量儀表、技術先進可靠的數據傳輸設備和大型數據庫實現建筑能耗實時采集、遠程傳輸、動態管理、專家診斷、系統支持的綜合管理平臺[6]。根據《高等學校節約型校園建設管理與技術導則》和《上海市國家機關辦公建筑和大型公共建筑區級能耗監測平臺建設技術要求》，農科創新樓屬于大型公共建筑，能耗必須實行分類分項計量。電耗是農科創新樓的主要能耗，也是校園節能監管的重點，為此，對電耗部分分項建設進行詳細說明，電耗計量見表1。

表1 建筑電耗分項計量

分項智能儀表的數據通過網絡傳輸進入數據庫?？紤]到無線傳輸存在后期運行費用高、數據傳輸可靠性受網絡環境影響大的缺陷，智能儀表采用有線通訊，通過學?，F有平臺傳輸數據。大樓弱電設計時充分考慮了計量儀表和通訊設備的布線。

農科創新樓有線傳輸滿足以下功能要求：

（1）數據傳輸：數據庫依靠不同的傳輸線路將不同的能耗數據分類、分項儲存。

（2）使用靈活：網絡滿足不同計量裝置的通訊協議，從數據傳輸中獲得通訊設備名稱、位置等基本屬性。

（3）信號穩定：在線監測通過數據交換管理各項計量、輸送設備，保證設備始終可控。

（4）傳輸效率：通過數據采集設備的不同采集周期，最大程度減少有線傳輸系統負荷，保證設計傳輸效率。

智能儀表通過標準的RS485接口與數據采集器通訊，考慮到農科創新樓辦公自動化網絡，選擇TCP/IP協議。合理利用現有網絡實現數據采集器到數據中心站的信號傳輸，增加效率，減少布線。

4 結語

上海交通大學農科創新大樓的設計一方面充分考慮功能的實用性和人性化，同時融入農業與生物學院的學科特點；另一方面充分引入現代農業綠色科技概念，創造出新式的綠色建筑，拓展了校園科研建筑及綠色建筑的內涵。該建筑應學校農業學科發展而生，體現了現代農業的創新，展示了現代綠色技術的綜合應用。其建成后將充分展示其創新能力，提升和發揮綜合性大學農業學科的學科交叉優勢，成為上海交通大學著眼長遠發展、超前部署農業前沿技術和基礎研究、建成國際一流農科力量的堅實基礎。