基于可再生能源利用的西北地區幼兒園設計策略研究
——以2020年臺達杯建筑設計競賽獲獎方案為例

李 濤，陳兆哲，梁 瑞，鄭 濤

(1.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學 建筑學博士后科研流動站，陜西 西安 710055)

建筑領域的“開源”——可再生能源利用和“節流”——建筑本體節能減排對實現“雙碳”目標起到關鍵作用.而位于建筑行業“最前端”的建筑師群體，能否在建筑創作中樹立節能減排的觀念意識，主動運用建筑本體的節能減排設計策略和可再生能源利用手段，營造適應地域氣候、富有文化特征、舒適高效的空間環境，對于整個建筑行業實現“零碳化”具有舉足輕重的地位[1].國外發達國家幼兒教育建筑的“零碳化”研究起步較早并且提出了如LEED-School、BREEAM-Education等綠色建筑評價體系，甚至一些歐洲國家已經朝著零能耗建筑方向邁進.而我國綠色幼兒園建筑設計研究仍處于起步階段.陳光滔[2]、蘇墨[3]分別從建筑規劃設計、單體設計、設備使用、新能源利用幾個方面綜合分析了影響幼兒園建筑節能減排的因素，并結合實際案例，提出了綠色幼兒園建筑設計的方法和策略.葛貴誠[4]綜合分析了重慶地區地域和氣候特征，提出了針對該地區幼兒園建筑的適宜性節能技術和資源利用措施.任瑞雪[5]通過調研梳理嶺南地區幼兒園建筑存在的問題，使用案例分析、軟件模擬等方法，從布局規劃、建筑單體、環保策略等方面提出了適應嶺南地區的綠色幼兒園建筑優化設計策略.通過對國內外綠色幼兒園建筑設計資料的對比分析可以看出，應該針對不同地區的氣候、經濟和文化背景進行研究.我國西北地區太陽能、風能等可再生能源豐富，民族文化和宗教信仰多元，經濟發展相對滯后，建筑設計面對著與東部地區截然不同的資源條件和使用需求，決不能盲目套用發達地區的經驗模式和常規做法.現有研究結合西北地區的可再生能源條件提出了適用西北村鎮的建筑熱環境設計參數、建筑熱工節能設計方法、低成本被動節能關鍵技術、高效可再生能源供暖全鏈條優化設計方法[6]，但是總體來說對西北地區幼教建筑的綠色設計理論和方法的研究還十分匱乏.本文通過對筆者團隊2020年臺達杯國際太陽能建筑設計競賽獲獎方案設計思路的梳理，探討如何在西北地區利用可再生能源、氣候資源和地域文化特征下的綠色幼兒園設計策略和方法，為西北地區地域性綠色建筑設計與可再生能源利用提供參考和借鑒.

1 項目基本情況分析

2020年臺達杯國際太陽能競賽以“陽光·稚夢”為主題，宗旨在于貫徹落實國家推動城鎮住區幼兒園建設、補齊農村學前教育短板政策，將生態、綠色理念融入學前教育中[7]，力求通過優化建筑設計，利用太陽能等可再生能源技術，打造綠色、低碳、童趣的幼兒園.項目場地位于新疆巴音郭楞州和靜縣巴倫臺鎮布熱斯臺地區，為新疆生產建設兵團某師某團牧場所在地，要求在用地范圍內設計一座包含了寄宿幼兒園、牧場服務中心和配套用房的綜合性建筑，總建筑面積不超過2 200 m2，需要充分考慮當地的氣候特點和自然環境，結合當地建筑特色和材料，以及不同建筑的用能特征，解決冬季保溫采暖和夏季遮陽通風等問題，合理應用主、被動太陽能技術及其他可再生能源技術.

1.1 氣候特征分析

項目所在地區位于新疆巴音郭楞州和靜縣，屬于溫帶大陸性氣候，海拔較高，晝夜溫差大，冬季寒冷漫長，春季解凍慢，風多，夏秋天氣涼爽，年平均氣溫5.7 ℃，無霜期131 d，年降水量111～289 mm，主要集中在6～9月，季節性分布不均勻，境內水資源豐富.通過氣候分析軟件CLIMATE CONSULTANT生成的焓濕圖(圖1)分析可知：主要被動式設計策略的排序為：采暖和加濕(48.3%)、室內加熱(20.6%)、被動式太陽能利用(13.9%)、遮陽(10.8%)、二次蒸發降溫(8.7%).因此冬季的采暖、得熱和夏季的遮陽、通風是建筑設計優先考慮的問題.同時該地區太陽能資源豐富，年太陽輻射總量5 629～6 562 MJ/m2，年日照時數2 768.7～3 103.2 h[8]，豐富的太陽能資源給被動式和主動式太陽能技術利用和降低建筑能耗創造了有利條件.該地區的四季風向和最佳朝向見圖2所示.

圖1 新疆巴州和靜縣焓濕圖

圖2 新疆巴州和靜縣氣候特征

1.2 人文特征分析

項目所在的巴音布魯克蒙古族自治州屬于多民族聚居區，蒙古族人口最多，蒙古族自古以來形成了以游牧為主、逐水草而居的生活方式.蒙古族最具代表性的傳統建筑為蒙古包，平面布局自由，單體平面為圓形，成圓錐狀向上收縮，上面的頂氈可根據室內明亮度的需求隨意調節，有利于建筑的通風與采光，其流線型的形體可以最大限度的減少對風的阻力[9].此外，受藏傳佛教的影響，當地寺廟中有大量的五彩經幡和柱廊等形式的氣候緩沖空間.根據文獻調研數據[10]顯示，當地蒙古族兒童67%為留守兒童，家庭教育的缺失和地方教育資源的限制是當地存在的普遍社會問題(圖3).因此在建筑設計中不但要考慮地域民族文化特色，同時要給予學齡前兒童以人文關懷.

圖3 人文特征

1.3 場地特征分析

項目場地位于山谷之中的小平原地區，周邊為牧場，視野開闊，景色優美，臨近一處村落.場地內部平整，由西側村道進入，場地上的現狀房屋破舊，基礎設施較差，供電和通訊極不穩定，缺少垃圾回收系統和排水設施，缺少活動場地(圖4).

圖4 場地現狀條件分析

因此在設計中不但要為牧民和兒童合理規劃室外活動場地，提供滿足功能需求的幼兒園和服務中心，同時也要考慮場地的現狀基礎設施較差的客觀條件，在設計中充分利用可再生能源，減少對環境的排放和污染.

基于以上分析，提出“自然-本土-人文”的建筑設計基本原則：(1)尊重場地自然環境，最大化地利用當地的氣候資源與可再生能源，降低對環境的影響，營造與自然和諧共生的建筑；(2)采用本土化的建筑設計策略，在造價有限的前提條件下盡可能地采用被動式、高效率的低技術手段解決問題；(3)充分考慮當地少數民族的地域文化特征以及牧民和兒童的行為心理需求，創造利于兒童身心健康發展的幼兒園建筑及活動場地.

2 項目可再生能源利用分析

2.1 場地設計與整體布局

建筑整體的生成邏輯如圖5所示.場地邊界為不規則的“L”型，為了適應當地寒冷的冬季氣候和場地邊界，采用了“L”型體量形成一個整體的布局，減小了建筑的體型系數，使得建筑能夠有機地融入周圍的自然環境.考慮冬季主導風向，在建筑的西北側和東北側采用封閉的界面，減少冬季冷風滲透，而在面向夏季主導風西南風的一側采用較為開敞的建筑界面，加強自然通風以及建筑內部空間與南側場地的聯系.建筑的主要功能房間以“村落”的方式緊湊有機地置入“L”型體量當中，在主要房間的屋頂上布置太陽能集熱板，在主要功能房間的南側設置內院，加強主要房間南向的被動式太陽能利用和采光，同時這種內向式的院落能夠防止風沙的侵襲.采用可上人的大屋頂將主要功能房間連接為一個整體，一方面在主要功能房間之間形成了遮陽廊、陽光廳等大量的“氣候緩沖空間”，另一方面屋頂平臺為牧民兒童提供了可自由玩耍的大面積公共活動空間.在牧民活動中心和幼兒園之間以及幼兒園最東側設置連接庭院和屋頂平臺的垂直交通和游戲空間，在“氣候緩沖空間”的頂部設置一系列的“天窗”增強室內采光.最終形成了包括主要功能房間、庭院、屋頂活動平臺、氣候緩沖空間、游戲空間等在內的一系列不同功能、多層次的空間體系，以應對當地的氣候特征、文化特征和使用需求.

圖5 場地設計與整體布局

在設計前期使用Phoenics軟件對場地的冬季風環境進行模擬，首先在前、后、高度分別大于3倍建筑高度的空間構建風場模型，場地風向設置為東北風，風速為3.5 m/s，選擇標準k-ε湍流模型進行模擬.接著按照當地實際的風環境情況設定參數，最終選取1.5 m人行高度截面的風速模擬結果值進行比對.根據《綠色建筑評價標準》[11]規定“建筑物周圍人行風速小于5 m/s較為舒適.從場地風環境模擬結果可以看出，平均風速接近室外舒適風速1.5 m/s，在寒冷的冬季確保了較舒適的室外風環境，在夏季又有良好的通風效果.此外，兒童活動場地中漩渦區明顯減少，為兒童的活動營造了良好的空間(圖6).

圖6 場地風環境模擬

2.2 幼兒活動單元設計

幼兒活動單元轉譯自當地蒙古包的基本建筑形式，方形平面內部為躍層空間，底層為活動室，頂部夾層為兒童臥室，能夠更好地適應現代的建造模式以及內部布局.建筑形式采用了逐漸上收的空間，由圓錐體轉換為四個坡面向內聚攏，頂部設置天窗，這種逐漸上收的建筑形式可以利用熱壓通風的原理改善室內空氣環境品質，同時天窗優化的活動單元內部的自然采用.建筑形體的四個坡面具有不同的功能，南向坡面布置太陽能集熱板，同時為了爭取南向最佳的朝向，坡面的面積增大，獲得更多的太陽能資源.北坡面或西坡面垂直于屋面，使牧民與兒童獲得進入屋頂活動的權利，便與自然接觸；東坡面斜率減小，使兒童獲得攀爬、游玩等體驗，使得兒童能夠在室內不同場所之間自由轉換，形成類似“游牧”的空間體驗.建筑利用采光筒、采光天窗及南向庭院提高室內空間的自然采光面積，減少白天照明的能源消耗.通過建筑單元的天窗控制房間采光，夏季太陽高度角較高，為了避免陽光直射，利用弧形頂面，使陽光經過漫反射進入室內.冬季利用南向玻璃窗獲得低高度角的大面積陽光，同樣從天窗獲得經過漫反射的陽光.通過基于Grasshopper平臺的Ladybug+Honeybee參數化性能模擬插件對建筑單元采光的模擬，首先使用Rhino建立活動單元的三維模型并導入Grasshopper中，接著在Energy Plus官網[12]下載當地典型年的氣象數據并在Ladybug中加載數據，在時間設置上挑選春分、夏至、秋分和冬至四個時間節點，并分別對活動單元一天中不同時段的室內采光進行模擬，最終通過不斷調節活動單元屋頂傾斜角度與天窗位置，使得建筑在四個季節均可獲得良好的采光.此外，通過PHOENICS軟件對建筑單元通風的模擬，逐上收縮的形體使建筑具有良好的拔風效果，而夾層的寢室部分處于無風區，反映了建筑單元通風設計的合理性(圖7).

圖7 幼兒活動單元性能優化設計

2.3 OM太陽能技術應用

OM太陽能技術屬于被動式太陽房技術，它兼具了各種被動式太陽房的特點，形成了特有的太陽能利用模式(Orange Mode,也稱柑橘模式)[13].OM太陽能技術以低成本的建設，利用太陽能光熱轉化，做到“低技術”與“高技術”的融合，該技術特別適合低層建筑和晝夜溫差大的氣候區.OM太陽能技術不必使用一般的空調設備，但是在建筑設計階段就要考慮對太陽能的利用.

在本方案中充分結合OM太陽能技術進行幼兒園功能用房設計，在主要功能用房的頂部設置屋面空氣夾層，在屋頂南向布置太陽能集熱板，結合頂部的天窗設置OM控制箱，地板設置送風靜壓箱，地基中設置蓄熱混凝土層.在冬季，白天空氣從活動單元的屋檐底部進入，被屋面吸收的太陽能加熱，在頂板空腔里收集熱空氣，再通過OM控制箱中的風機提供動力，在地板下送風靜壓箱進行熱氣流的收集，最終經由房間兩側的出風口送入房間.加熱后的空氣一面加熱底基層中的混凝土層，一面流入房間內部.此時蓄熱混凝土不停吸收空氣中的熱量，夜晚室外溫度降低，蓄熱混凝土層開始向房間內緩慢放出熱量，使整個房間的溫度從地板下開始升高.在夏季，屋面空氣夾層可以形成一個隔熱層，一方面可以利用OM控制箱生產的熱水對幼兒園進行熱水供應，另一方面可以通過OM處理箱把余熱排出活動單元，隔熱層的存在可以使房間內維持在相對較低的溫度(圖8).

圖8 OM太陽能技術在主要功能房間中的運行

總的來說，OM太陽能技術在幼兒園設計中的應用具有以下優點：首先，在減少能源消耗的前提下能夠提升室內空間環境品質，有利于兒童的身體健康；其次，同時能夠通過全館暖房、換氣暖房、終日暖房、間接暖房、低溫暖房等不同模式的切換，營造差異化的室內溫濕度環境；再次，能夠減少碳排放，據測算，東京使用OM太陽技術的住宅相比于使用前每年的碳排放下降了453 kg/a[13]，起到了很好的節能減排效果.

2.4 材料選擇與構造設計

對于僅靠周期波動的太陽輻射采暖的建筑，建筑的蓄熱材料是最為關鍵的.為了保證建筑具有足夠的熱質，建筑使用當地常見的夯土材料為原型，通過“厚重”的結構體系作為建筑熱放熱的材料.為達到保溫隔熱的效果，結合當地生土建筑的建造材料，考慮建筑的墻體統一采用500 mm現代夯土磚砌筑.現代夯土磚中粘土和沙石的比例可根據建筑砌塊的熱工性能要求進行配比，且足夠滿足當地的抗震等級和強度要求(圖9).在現代夯土磚的制作中，過程簡單，造價較低，砌筑過程只需要插入鋼筋來加強填充墻強度，適宜當地的經濟發展現狀和工人的施工技術，同時也減少了生產過程中的碳排放.

圖9 墻體構造與建造過程

此外，在幼兒園活動單元的墻體構造中引入特朗勃墻構造，特朗勃墻是一種依靠墻體獨特的構造設計，無機械動力、無傳統能源消耗、僅依靠被動式收集太陽能為建筑供暖的即熱墻體，其工作原理屬于空氣格層的溫室效應，同時具有良好的蓄熱作用，充分展現西北建筑的地域特色的同時也為西北地區綠色建筑的設計提供了新的選擇.

3 西北地區幼兒園設計的可再生能源利用策略

西北地區尤其是像新疆這種少數民族聚居區和經濟欠發達地區的幼兒園建筑還存在著與東部地區較大的差距，然而在這樣的地區卻擁有非常豐富的可再生能源.因此，西北地區獨特的氣候條件和豐富的可再生能源為該地區的幼兒園設計帶來了新的課題與挑戰.通過本次方案設計可總結出西北地區幼兒園設計的可再生能源利用策略：

3.1 緊湊形體和圍合式布局

西北地區大風等極端天氣多發，晝夜溫差變化大，在新疆局部地區晝夜溫差甚至可以達到25 ℃[14].因此，在幼兒園設計時應充分考慮建筑的氣候適應性，總體布局宜采用密集緊湊的建筑形體和內向圍合式，將幼兒園的活動單元等主要使用空間緊湊地組織在一起，從而能夠減少建筑的體系系數，降低冬季對外的熱量損失并減少夏季熱量進入；宜采用圍合式的建筑布局，借鑒當地傳統民居外封內敞的空間模式，在建筑中間的適當部位設置內院，引入自然采光和通風，建筑盡量朝向內院開口，減少朝向外圍開口面積，通過緊湊形體和圍合布局抵御風沙等不利天氣的影響，營造適宜兒童活動的公共空間和微氣候環境.

3.2 多層次的氣候緩沖空間

為了應對西北地區溫度變化大、太陽輻射強度大等氣候特點，不宜將幼兒園作為一個封閉的整體單元考慮，宜在建筑中設置門廳、陽光廊、遮陽廊等多層次氣候緩沖空間.在新疆地區就可以通過上述幾種氣候緩沖空間弱化室內外氣候條件的反差，從而給使用者帶來良好的使用體驗.通過這種方式使得建筑與外部環境不是直接的聯系，而是通過這一系列氣候緩沖空間形成過渡，減少氣候對主要空間的環境影響，同時這種多層次的氣候緩沖空間使得不同空間的熱環境能夠分時分區控制，減少建筑的整體能耗.此外，這些氣候緩沖空間在極端氣候時為兒童提供了不同層次的活動場所，使他們能夠根據熱需求轉移式活動，形成西北地區“應時而遷”的獨特空間行為模式.

3.3 利用熱壓通風與天然采光的剖面設計

由于采用內向封閉式的建筑布局，建筑內部空間的采光和通風變得尤為重要.在設計的過程中可以將當地傳統民居或者公共建筑中利用熱壓通風和天然采光合理組織剖面設計的方法繼承轉譯，合理設置進出風口和采光口，通過自然通風和采光改善建筑內部的空氣環境質量和光環境品質，從而達到節省人工照明和空調能耗的目的，同時自然通風和采光也有利于兒童的身心健康發展.在采光通風設計時要結合幼兒園的使用功能考慮，比如增加公共活動區域的通風和采光量，減少睡眠區的通風和采光量，以符合兒童行為活動對采光通風的需求.

3.4 優先考慮被動式太陽能利用

新疆地區太陽能資源十分豐富，是我國僅次于青藏高原的太陽能富集區，全年和晝夜溫差大、太陽日照時間長的特點為被動式太陽能利用提供了充分的條件.可結合直接受益式太陽房、附加陽光間、特朗博墻、OM太陽能等技術原理進行幼兒園空間和構造設計.比如將活動單元與直接受益式太陽房結合、南向交通廊道與附加陽光間結合等.設計中需要注意幼兒園布局盡量朝南，增加活動單元南向開窗面積，在窗戶內部設置蓄熱體等，通過這些手段能夠有效降低西北地區幼兒園建筑的冬季采暖能耗，但同時也要注意這些空間的夏季遮陽設計，否則會引起夏季過熱的現象[15].

3.5 保溫蓄熱的墻體構造

生土材料作為新疆傳統建筑中大量采用的墻體材料，具有極好的保溫隔熱和蓄熱能力，能夠有效地延緩晝夜溫差，然而生土材料卻具有抗震性能差、防水性弱、占用空間大等缺陷.在現代建筑的設計建造過程中，應該將傳統材料的優點得以繼承.因此，在墻體材料的選取上宜采用改良的新型生土材料，或選用保溫蓄熱性能好的現代材料和構造(如高性能保溫棉、相變蓄熱材料、保溫空腔等).通過這些材料構造的使用提升圍護結構的保溫隔熱能力，同時利用外飾面材料的色彩、質感與當地傳統文化建立聯系，形成符合西北地域特征的建筑形象.

4 結語

本設計方案在充分尊重西北地區自然氣候和傳統建筑智慧的基礎上，合理運用可再生能源和被動式綠色技術，利用了多種綠色建筑模擬分析軟件優化和完善設計方案，同時嘗試探索和總結出在西北地區幼兒園建筑設計中可再生能源利用策略和方法：采用緊湊形體減小體形系數；設置多層次的氣候緩沖空間分時分區控制建筑熱環境；利用被動式通風與天然采光改善建筑室內采光通風；結合被動式太陽能技術降低采暖能耗；選擇保溫蓄熱的墻體構造提升建筑保溫性能.在全社會致力于實現“雙碳”目標的今天，探索適合西北地區氣候條件、資源稟賦和文化特征的地域性綠色建筑設計，對于西部建筑行業的節能減排具有顯著的意義，而在進行綠色建筑設計的過程中，我們同樣不能忽視對西部地區文化特征和弱勢群體的關注，地域性綠色建筑最終應該達成技術與人文之間的協調統一.本方案在2020年臺達杯國際太陽能建筑設計競賽中獲得了三等獎.