建筑設計中被動式節能的探討

【摘要】本文將對建筑設計中的被動式節能設計進行探討，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，對被動式節能進行了圖文并茂的解析，有一定的參考價值。

【關鍵詞】建筑設計；被動式節能；高校建筑

一、自然采光策略

建筑內部空間的自然采光主要分為頂部自然采光和側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自然采光不均勻的問題。又如上海交通大學閔行校區體育館，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透式泛光照明，同時減少了建筑泛光照明所需的設備投資和使用能耗（圖2，圖3）。

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

關于側向反射自然采光設計方法，在以往的校園建筑中，雖有不經意的使用，但沒有被很好地發現其采光功能，大多被簡單地用作遮陽措施。側向反射自然采光效果與反射板寬度有關。如美國洛杉磯城市學院圖書館、加州大學洛杉磯分校、內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自然采光的效果，從而達到節能要求（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），創造了建筑內良好的自然通風條件。建筑內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，以內走道或外走道布局，內走道兩邊的墻體可開設高窗，在建筑內形成橫向貫串氣流，達到自然通風的效果。豎向下進上出式氣流組織主要根據熱空氣上升的原理，一般在建筑底層開設進氣口，頂層設出氣口，使空氣在建筑內形成豎向氣流，達到自然通風效果。如上海交通大學閔行校區體育館的設計，在比賽大廳一層的4個角部開設了4扇直通室外的大門，在二層環形休息廊外側設置了氣動下懸式玻璃窗，窗扇直接倒向室外，使建筑內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 ；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，但需精心設計遮陽板，使之與建筑立面相協調并滿足使用功能要求。如上海交通大學閔行校區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，不影響室內人們的視線通透性，這一種設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日照采光影響較小，而水平遮陽特別是陰天時，對室內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，會形成組團內的熱島效應，從而加大建筑室內的能源負荷。所以，在夏季比較炎熱的地區，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，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計，對使用者不但不會產生負面影響，還會帶來很大的便利。更重要的是，這將為建筑的節能提供有利條件 ：多功能組合設計使所需的室外交通空間減少，建筑內的公共活動空間可以共享，減少了建筑的用地面積，從而有效節約了土地資源 ；另外，組合設計后建筑外墻面比各自獨立設計時減少很多，設備管線（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計時也有很大減少，從而大大降低土建及基本設備的投資。由于土建投資的大大降低為需較大初期投入的主動式節能技術（如地源熱泵、光伏發電等）應用提供了一定程度的資金保證。

結語

通過上述多種被動式節能設計策略的應用，在不增加很大的初期建設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： 熱環境解決方案[M].南京： 江蘇人民出版社，2012.