寒冷地區高校教學建筑低能耗設計研究

摘 要：“雙碳”目標下，高校教學建筑低能耗設計意義重大。基于此，總結現階段實現高校教學建筑低能耗設計的幾種措施，對其做法、原理和效果進行闡述，以期對未來寒冷地區高校教學建筑低能耗設計提供理論支持。適宜的建筑規劃與單體設計，以及先進材料與技術的合理利用可有效降低建筑能耗，從而實現寒冷地區高校教學建筑低能耗的目標。

關鍵詞：寒冷地區；高校校園；教學建筑；低能耗

2022年，住房和城鄉建設部印發《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》，明確了綠色建筑和節能目標。截至2020年，我國公共建筑面積140億平方米，校園建筑占比近16％。可見，校園建筑是公共建筑的重要類型。然而，通過對各類型公共建筑逐年竣工面積的統計，辦公、商場及酒店類建筑在2016年后竣工面積持續下降，而醫院、學校的竣工面積呈上升趨勢。另外，通過將學校建筑的人均面積與其他國家進行比較，可以發現我國學校建筑的人均面積與發達國家仍有較大差距，學校建筑依舊是今后公共建筑的發展重點[1]。我國幅員遼闊，高校數量龐大。截至2018年，高校建筑中教學建筑能耗占比超過80％，成為高校開展節能工作的重中之重。另外，高校教學建筑多為6層建筑，體形系數較大且形態規整。

高校作為公共建筑的一個重要組成部分，既是人口密集區也是能源消耗大戶。高校冬季或夏季單位建筑面積能耗約為100千瓦時，遠高于全國居民水平，生均能耗和水耗分別是全國人均的4倍和2倍[2]。為解決寒冷地區高校教學建筑高能耗問題，必須合理規劃設計策略，研究符合地域特征的低能耗設計方案，促進校園教學建筑可持續發展。

本文以寒冷地區高校為研究對象，基于低能耗設計目標，從建筑規劃、單體設計、材料選擇以及可再生能源技術方面對高校教學建筑設計方法進行研究，旨在為寒冷地區高校教學建筑低能耗設計提供一些方法和思路。

一、寒冷地區高校教學建筑低能耗設計要點

（一）建筑布局

合理規劃建筑布局是寒冷地區高校教學建筑設計的關鍵。在規劃過程中，需要考慮教學建筑與其他功能區域的相互銜接，以形成便捷的交通網絡和良好的空間流線。石媛等人的研究指出，建筑布局對建筑能耗的影響巨大，合理布局不僅有利于降低能耗，而且對于提高建筑效率和舒適性具有重要作用[3]。在低能耗設計層面，建筑布局應綜合考慮陽光照射和風向等因素，最大限度地利用自然資源，創造舒適的學習和工作環境。此外，底層自由風場有助于增強通風能力，解決防曬、通風、防潮和防雨等問題。陳光等人在進行廣州地區底層架空對教育建筑組團室外熱環境影響的研究中認為，架空層下的熱環境明顯改善[4]。這種設計理念為建筑帶來了更加豐富的視覺體驗，使人們在空間中流動，感受不同的氛圍和情緒。同時，建筑內部的自然通風效果進一步得到提升，空氣對流也極大地改善了建筑室內的物理環境，提高了室內空氣品質。

（二）綠化景觀

在寒冷地區高校教學建筑的規劃設計中，綠化景觀的設計是必須考慮的。金哲潮等人在城市辦公建筑景觀規劃設計中指出，采用生態景觀設計方法可提升寒冷地區高校校園環境質量，為師生創造一個舒適、美麗的學習和生活空間，同時引入合適的樹木和植物，可以起到防風、保溫等作用[5]。陳卓倫認為，綠化體系對濕熱地區建筑組團室外熱環境有顯著影響。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整微氣候，并為師生提供舒適的休閑社交場所，營造積極向上、充滿活力的校園文化氛圍。

（三）地形利用

寒冷地區的地形對高校教學建筑的規劃設計有著重要的影響，合理利用地形可以創造豐富的景觀層次。同時，寒冷地區的地形也可以用于雪的堆積和分流，以減輕對建筑的影響。陳華晉等人在建筑被動式節能設計研究中指出，通過合理利用地形，可以改善校園的微氣候環境，能夠更好地實現設計的舒適性和可持續性[7]。通過合理利用地形來改善校園的微氣候環境，進一步提高高校校園的綜合效益。

二、寒冷地區高校教學建筑低能耗設計要點

（一）圍護結構的保溫性能

墻體作為建筑圍護結構的關鍵組成部分，其保溫性能對節能的影響不可忽視。在教學建筑單體設計中，外墻保溫是一項重要考慮因素。劉向偉等人在夏熱冬冷地區建筑設計研究中認為，采用高效保溫材料可顯著減少建筑能量流失，從而提升室內舒適度和能源效率[8]。在寒冷地區，選用合適的保溫材料如聚苯板、巖棉板并設置適當厚度的保溫層，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光熱輻射，是建筑物中受熱最多、最集中的區域。和曉艷的研究結果顯示，屋頂綠化技術可降低周圍環境溫度0.5—4℃，每降低1℃可減少6％的空調容量需求[9]。張鵬等人在湖南農村住宅節能改造中發現，雙層鋁板通風坡屋面能顯著提高屋頂的隔熱性能，有效反射陽光和散發熱能，相比傳統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，為高校校園可持續發展做出貢獻。

（二）自然采光

合理的采光設計是寒冷地區高校教學建筑的重要設計原則之一，合理設置窗戶可以最大程度地利用自然光，減少對人工照明的依賴。林波榮等人在建筑節能優化方法研究中，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]。在寒冷地區的采光設計中，需要考慮日照時間和角度，以確保室內光線的均勻分布和充足度。通過合理控制窗戶的數量及尺寸參數，可以充分提升自然光的利用效率及室內環境的舒適度，同時提高使用者的學習和工作效率。在設計過程中，應考慮建筑所處地區的日照情況，以確保光線的充足性和均勻分布，這些措施有助于節約能源并提高建筑的可持續性。

（三）空調系統

在寒冷地區高校教學建筑設計中，選擇適宜的空調系統至關重要。合理的空調系統可為師生提供舒適的室內環境，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行研究，針對空調系統等方面存在的能源浪費問題分析了與其相關的綠色建筑節能應對方法，提出了綜合性、科學性以及合理性的公共建筑綠色節能設計方案[12]。合理的暖通空調系統可以滿足不同季節和天氣條件下的需求，提供穩定的室內溫度和空氣質量。

（四）自然通風

在寒冷地區的高校教學建筑中，合理的通風設計對于保持室內空氣的新鮮和舒適是必不可少的。在高校校園教學建筑中，通風系統應綜合考慮自然通風和機械通風的優勢。程征等人在體育館設計研究中認為自然通風是必要的，為師生提供新鮮空氣和改善熱舒適度[13]。自然通風更健康、環保、節能，通過窗戶、通風口設置實現氣流循環。機械通風可采用風機、排風扇等設備。智能控制系統可根據空氣質量和溫度自動調節，提供舒適環境。在高校教學建筑設計中，綜合考慮自然通風和機械通風優勢，可改善空氣質量，創造舒適的學習和工作環境，同時降低能源消耗。

三、先進材料與技術

（一）先進材料

近20年來，建筑材料隨著科技進步快速發展，涌現眾多新型材料。在低能耗設計中，外層界面材料對建筑遮陽隔熱至關重要。新型輕型復合隔熱材料用于屋面和實體墻，對高校教學建筑設計的影響較小；而新型隔熱遮陽玻璃材料對建筑外觀造型的影響較大，并對設計和熱工性能產生重要影響。谷燕成等人對建筑節能保溫材料的研究顯示，新型節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揮著重要作用[14]。這些玻璃能夠增強對室外可見光和長波輻射的反射，提高建筑的保溫隔熱性能，減少室內外熱量傳遞，從而降低采暖和空調制冷費用。

（二）地源熱泵

地源熱泵是一種適用于寒冷地區高校教學建筑的供暖技術，主要利用地下熱能來實現熱交換。陳少杰等人在寒冷地區空氣源熱泵采暖技術應用研究中指出，在能源與環境的雙重壓力下，建筑急需清潔高效的供暖方式[15]。地源熱泵系統利用地下熱能實現熱交換，滿足建筑采暖和熱水需求。通過合理設計管路和熱交換器，具有穩定性的地下熱能可實現高效能源利用和節能效果，提供舒適的室內溫度。這一技術減少了對傳統能源的依賴，降低了能耗，實現了可持續供暖，對高校教學建筑達到節能目標至關重要。

（三）光電技術

太陽能是一種清潔、可再生能源，逐漸在寒冷地區的高校教學建筑中得到應用。甄蒙等人在東北嚴寒地區農村住宅節能設計研究中發現，為提高室內舒適度，應充分利用自然資源，采取設計策略降低采暖能耗[16]。太陽能光伏系統可將太陽能轉化為電能，滿足部分能源需求，如照明等。合理設計光伏陣列位置和傾角，最大程度吸收太陽能，結合儲能設備實現全天候能源供應。這種方式能夠有效減少對傳統能源的依賴，降低能源消耗，為節能減碳目標貢獻力量。在不同場景中，太陽能利用具有巨大的節能潛力。

（四）風力發電

在寒冷地區的高校教學建筑中，風能也能夠提供穩定的能源。風力發電系統由風力發電機組和電力儲存設備組成，能夠將風能有效地轉化為電能并儲存起來，以供應建筑所需。通過選擇適當的風力發電機組和合理布局，可以最大程度地利用風能資源，實現建筑的可持續能源供應。朱江濤等人針對寒冷地區公共建筑低能耗技術研究顯示，應重點探索太陽能、地熱能、風能等可再生能源在建筑中的應用，充分利用自然資源實現能源的可持續利用[17]。

（五）智能化設計

建筑環境控制技術包括影響建筑環境的各類技術，通常分為被動式氣候調節和主動式空調調節兩類。近年來，計算機自動化和人工智能的快速發展，使建筑能夠感知室內外環境，分析數據，通過控制窗戶、遮陽板等，實現建筑內環境的自動智能調控，達到健康、節能、高效的目標，創造出更加舒適、人性化的生活空間。魏力愷等人基于建筑智能設計需要的整體考慮，提出不僅要優化設備系統運行，還應將其與空間、材料、施工等全面融合，在設計階段就進行集成，以滿足高性能、高感性的人性化需求，創造出更優質的建筑環境[18]。

四、結語

寒冷地區高校建筑的高能耗問題尤為突出，尤其是在冬季，大大增加了建筑在能源和材料方面的損耗。為了在寒冷地區的高校教學建筑中更好地融入綠色建筑理念并實現低能耗設計，需要全面考慮建筑的生命周期，結合未來發展需求以及社會、環境和氣候等特性，充分分析項目情況。設計方案應主要采用被動式、生態和低碳設計技術，并將主動式設計作為補充措施。在考慮校園總體規劃的同時，必須結合教學建筑單體設計以及先進材料與技術，以使校園環境自然舒適、安全友好，提高校園建筑的整體效益。

參考文獻：

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[14]谷燕成，陳思諾，黃恩興.建筑節能保溫材料的現狀及發展[J].建筑節能，2016（6）：34-38.

[15]陳少杰.空氣源熱泵采暖技術在寒冷地區的應用研究[D].濟南：山東建筑大學，2017.

[16]甄蒙.東北嚴寒地區農村住宅節能設計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

[17]朱江濤.寒冷地區公共建筑的低能耗技術研究[D].石家莊：河北工業大學，2010.

[18]魏力愷，張備，許蓁.建筑智能設計：從思維到建造[J].建筑學報，2017（5）：6-12.

作者簡介：

劉傲霜，河南工業大學土木建筑學院碩士研究生。研究方向：建筑設計及其理論。

李坤明，博士，河南工業大學土木建筑學院副教授，碩士研究生導師。研究方向：建筑設計及其理論。