綠色生態校園的建筑設計研究

王　淼

(成都木原建筑設計院，四川成都 610000)

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綠色生態校園的建筑設計研究

王淼

(成都木原建筑設計院，四川成都 610000)

【摘要】在校園中，教學建筑是教育環境的主體，它占據了校園中絕大比重的面積。所以作為教育事業的核心物質載體，應該以空間舒適與健康環保作為構建原則。尤其是在倡導綠色環保以及科學技術已經達到一定水平的今天，為師生打造一個利于學習效率與身心健康的綠色生態校園環境則更為關鍵和現實。鑒于綠色節能環保等現代理念為校園設計低能耗、擁有自然通風的教學建筑就是論文將要討論的主要課題。

【關鍵詞】教學建筑；綠色;生態校園；節能；自然通風；設計

就目前我國學校的現狀來看，綠色設計理念和對體驗的要求都較為薄弱匱乏，而且大部分教學建筑取暖所采用的都是燃煤和火力發電這樣的不可再生能源。它們不但能耗較大而且會對校園內外生態產生一定環境污染。如果為校園融入新的綠色生態環保設計概念，則會緩解這些現實問題。

1綠色生態教學建筑的節能設計策略

對綠色生態校園的建設其主要針對對象就是教學建筑，而對教學建筑的主要環保設計理念則要從低能耗開始。

1.1節能型建筑圍護技術系統設計

圍護技術主要針對教學建筑的墻體和門窗展開，它的核心作用就是隔熱、御寒、通風。目前較為優秀的節能型建筑圍護技術系統主要有以下幾種設計理念。

1.1.1保溫隔熱墻體設計

首先是對建筑外墻體的保溫隔熱設計，它更適用于一些北方寒冷地區的校園建筑。而且從整體技術來看，它的夏季保溫能力也值得認可，可以抵御一定室外熱量的傳入。針對這種墻體設計的主要要點就在于對保溫材料、構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根據其放置位置的不同而分別設置外置保溫層。中間保溫層以及內置保溫層，如果是建筑較高部位，其厚度也會相應增加。在現實中外置保溫層更為常見，它利用了更優秀的小導熱系數材料，從建筑最外部直接提升了墻體的熱阻，而且其成本最低，因而被大多數校園建筑設計所采納。

1.1.2“呼吸墻”的設計

“呼吸墻”的特點就是能隔熱和通風，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，而內部的空氣夾層則設置了遮陽百葉窗，它有調節室內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熱量的散失，這是由于它的幕墻內層部分采用了具有強大熱阻能力的中空玻璃。而為了體現呼吸墻的“呼吸”特性，幕墻外層還專門設計了通風口，可以在夏季打開通風，并借助氣流熱壓的通風原理來為幕墻內外層形成空氣源，在達到通風效果的同時也帶走了大量的太陽輻射熱能，為室內人工降溫(圖1)。雖然這種外墻設計成本很高，但是對于建筑長期使用來說，不但可以降低空調的使用量，降低能耗，也能保證室內人的健康，所以為校園建筑設計使用呼吸墻應該是具有長遠利益的[1]。

圖1　雙層幕墻“呼吸墻”的結構設計圖

1.1.3防曬墻的設計

建筑外墻除了保溫隔熱還能防曬。某些校園的教學建筑會為墻體外部增加防曬墻，它一般設置在建筑的東西兩側，針對太陽一天的運行軌跡來為室內房間防曬。它的主要設計原理是為東西兩側墻體增加防曬層，提升建筑外部圍護結構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與室內空氣形成對流，將建筑墻外的熱量陸續帶走，就達到了外墻防曬的效果。

1.2節能門窗設計

門窗是建筑的關鍵部分。從生態環保角度講，建筑生態環境的提升應該從對門窗的通風采光作用打開思路。室內雖然有墻體保溫，但是頻繁的開窗開門還是會造成一定的熱損失。據數據統計，由于門窗的不封閉結構特性所造成的熱損失可以達到建筑熱損失總量的46 %，從節能角度講，這也和玻璃門窗框的熱阻值小有關。所以為了控制門窗熱損失，提升建筑節能效果，目前的設計方案主要有以下4種。

1.2.1控制和降低門窗開放面積

《公共建筑節能設計標準》主要針對我國北方寒冷地區。南向窗墻的面積不應該超過0.35，而北向窗則不應該超過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，進而為建筑提升保溫性。如果安裝Low-E低輻射玻璃就會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構，還可以保持室內日照程度。在冬季，它可以將日照的長波熱輻射反射回室內；而在夏季，它又能阻擋室外長波熱輻射進入室內，為室內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，一般會選擇經過了斷橋處理的金屬或塑料窗框，這些窗框導熱性小，能夠配合多層玻璃窗的中空間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置減壓槽，可以一定程度降低空氣渦流，降低冷風的滲透率，保證室內溫度。

1.3屋頂生態設計

屋頂是校內建筑長期接觸太陽直接輻射的建筑結構，它對建筑頂層教室的熱環境影響巨大。所以屋頂的保溫隔熱設計也要考慮。在屋頂設置種植屋面是較好的綠色環保方案。

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的設計對建筑內外環境來說既能美化生態又能改善環境。在設計方面，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且喜光的植物，比如蘆薈、一葉蘭、龜背竹、石榴、米蘭等等，關于植物的選擇也要根據所在地區不同而定。種植屋面結構示意見圖2。

另外，也可以為建筑屋頂設計蓄水隔熱屋面。水不但能夠蒸發來抵御太陽直接照射所產生的熱量，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該在150～250 mm范圍內[2]。

2綠色生態教學建筑的自然通風設計策略

自然通風較比機械通風更能令人感覺舒適，而且在過渡季節，自然通風節能效果最為突出。教學建筑是人員密集的場所，空氣質量較差，如果擁有好的自然通風設計，則可以改善建筑內空氣品質，平衡室內熱環境，為學生提供較為健康的學習環境。目前教學建筑所存在的問題就是室內空氣與室外新風交換不足，沒有達到良好的自然通風效果，甚至在依靠空調、換氣扇等機械設備進行通風，無法確保建筑內的空氣品質。

2.1基于建筑群體布局的自然通風效果分析

群體建筑如果想取得較好的自然通風效果，應該采用斜列式或錯列式的平面布局。這兩種方式可以將自然風從斜向導入建筑群體內部，保證建筑群體內有一定程度的空氣流動，形成自然通風循環。另外，對群體建筑實施自由排列布局也可以為自然通風帶來一定效果。比如不同高度的建筑物之間相互作用會帶來較大的空氣湍流，從而增加風速。風速一旦擴大就會增大建筑的迎風面風壓。所以高度不同且自由排列的建筑也有利于整體自然通風效果。舉例來說，3棟高20 m、長15 m、寬40 m的教學建筑前后間距保持在30 m，它的風速矢量距離地面就應該在1.5～3 m范圍內。這種群體式建筑組合可以將自然風引入它們所組成的圍合結構，形成建筑區內的通風環境，促進各個建筑內外部的自然通風作用。

2.2基于建筑單體結構的自然通風效果分析

如果從建筑單體來看，教學建筑在平面類型上基本分為單廊式、內廊式和中庭式。本文主要介紹自然通風效果最好的單廊式。單廊式的建筑進深布局不宜設計過大，這是因為進深過大可能會影響建筑的內部各個房間無法形成穿堂風，導致通風流的閉塞。所以為了達到最好的室內通風效果，應該在建筑設計時就注意門窗的開合和所處的高度。

2.2.1窗口的高度

教學建筑中的窗口高度設計應該以自然通風效果為基準，而且出于學生安全考慮，可以將窗洞口位置設計偏高一些，這樣也符合窗口越高風速越大的原則，從而形成較為有利的建筑內外通風環境。較為常規的窗洞口高度設計約為0.9～1.1 m。而對整個建筑來說，進深一般設置在8～10 m，層高4 m，進風口保持在高2.1～2.8 m，寬8 m，出風口高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的組織性具有很大影響。教學建筑建議采用平開窗和旋轉窗這兩種方式更好。它們與傳統的推拉窗相比，能更加精細化的調整窗扇的開啟角度，從而根據風向引風入室，具有良好的導風特性。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口面積。所以總體來說校園教學建筑采用可開啟門窗更加合理。

3某校教學建筑中庭的通風改善設計方案

3.1存在的問題

為了更好證明自然通風對于教學建筑的重要性和可行性，本文以某校的校園教學建筑中庭通風改善作為設計案例，簡要對其設計進行解讀。

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

3.2改善方案

首先，將中庭頂部的玻璃天窗改為可開啟式，保證室外風能夠從教學建筑南側吹入建筑內，同時確保建筑內的1～3層窗戶能受到風壓作用從而為室內引入大量室外風。當室外風大量進入建筑后就會為建筑空間形成向上的收縮空氣流，為建筑內部北向形成負壓區，與中庭形成空氣對流，這就改善了北向教室的室內通風狀況。

另外，根據風壓、熱壓的同時作用情況，也可以了解教室內的自然通風情況。圖3模擬了教室內的風壓熱壓對教室的作用狀況，可見室內的整體空氣流通狀況比較順暢，而且室外風進入室內也沒有發生較快的衰減。室外自然風也能在中庭可開啟天窗的組織運作下，結合教室門窗實現教學建筑內外的自然通風作用[3]。

圖3　教室自然通風優化后中庭的自然通風效果模擬圖

4結束語

本文通過建筑保溫隔熱節能和自然通風作用改善兩方面探討了目前綠色生態校園教學建筑的設計方案，事實證明想要構建綠色生態校園建筑的根本還是要靈活適應本地氣候環境，形成有針對性的設計對策。目前我國各地區校園的綠色生態設計意識還未全面普及，學校應該根據自身條件和所在地區，因地制宜的建設適合于自己的綠色生態環境，為改善校園學習生活環境，也為推動地方建筑水平的快速提高。

參考文獻

[1]張娟.教學用房綠色節能建筑設計[J/OL].城市建設理論研究,2013(11).

[2]曹燕華.綠色校園建筑節能設計——以復旦大學江灣校區新建環境科學樓為 例[D].復旦大學,2013:5-11.

[3]賀棟.鄭州地區教學建筑綠色節能設計研究[D].鄭州大學,2012：18-44.

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

【中圖分類號】TU244

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2015-11-02