寒冷地區低能耗教學類建筑設計實踐
——河北建筑工程學院研學基地設計

孫明宇 河北建筑工程學院碩士在讀

基地內場地土地平整，四周無高差。場地臨近學校西門，北側為校內某專業教學樓，東側為校內圖書館，四周交通主要為學校內部道路。項目用地位于張家口市，張家口市位于我國華北地區，屬于溫帶大陸性季風氣候，在我國的建筑熱工分區中被劃為寒冷地區。其年平均氣溫為15.8 ℃，1 月為全年最冷月，平均氣溫為4.4 ℃，7 月為全年最熱月，平均氣溫為26.5 ℃。該場地夏季輻射量較高并且在秋冬兩個季節有比較大的波動，場地內的全年風速平均值為3.1 m/s，周圍建筑較為空曠，夏季主導風向為東南風，冬季主導風向為西北風。由于其城市特殊存在的山谷地形，易形成狹管效應加速空氣流動，因此該地存在較高的風速。

1 設計策略

1.1 總體布局策略

場地位于校區的西南角，臨近學校西門。學校各建筑如圖1 所示，功能分區中教學中心部分用于校內室內的教學以及學術交流，創意中心部分包含創作工作空間及其配套附屬的餐廳部分，同時具有對外開放的兒童樂園等功能性空間，研學宿舍部分是供給校外交流人員居住使用，體驗單元部分可以用于學校文化（學校的不同階段的發展歷史、學校的校友事跡等）以及學院最新科研成果展示，不同的體驗單元可以展示不同的內容。場地的主入口設置在場地的北側偏東位置，考慮到建筑的性質主要為校內教學樓使用，因此入口應更接近校內，以方便校內師生到達。綜合考慮到資源環境以及日照通風等氣候要素，設計總體布局采用了“回”字型的庭院式布局的形式，其內部圍合形成的庭院可以用作室外休憩，提升總體建筑的趣味性與游玩性。

圖1 場地區位分析圖

1.2 主體建筑設計

本項目為高等院校的教學類建筑，建筑的使用主體為高校師生，主次入口均設置在北門以方便校內外人流出入。而且建筑臨近學校的西出入口，為了方便校外人員使用，達到人流分流的效果，將半開放的功能區布置于建筑的西側，東側布置供校內師生使用的教學區域，方便校內學生到達。南部采光較充足，設宿舍區。

建筑的層數為局部地區兩層，具體平面布置如圖2 和圖3 所示，同時設有局部通高空間，以豐富使用者的使用感覺，促進更多交流行為的發生。立面依據不同的朝向選擇不同的開窗方式，屋頂作為建筑的第五立面設置太陽能光伏電池組以收集陽光，從而節省能源的消耗。

圖2 建筑首層平面圖

圖3 建筑二層平面圖

1.3 景觀設計

本項目采用多樣復合的景觀設計。庭院的場地景觀設計結合周邊建筑布局，以公共活動區域為主，在建筑的四周設置草地以形成景觀，豐富建筑內使用者的視覺感官。草地和植物的存在可以提升室內的私密性。建筑整體所圍合形成的庭院以及建筑二層的室外平臺設置一些活動設施，用以豐富建筑的室外活動功能，進而提升空間的趣味性。

1.4 開放式共享空間

當前，教學類建筑的非教學類空間作用日益突出。在注重學生德智體美勞全面發展的今天，教育的理念也從過去單一的學生被動式的接受，轉變成為了多元化的主動式的學習，因此教育對于高等學校學生有了更高的要求，體現在對于自主學習能力的要求。同時，人與環境之間存在著相互作用的關系，人的行為受到所處環境的影響，優質的空間環境對人的行為具有積極作用，促使好的行為發生。現在高等學校建設的首要任務是建設高品質、多樣化的學習空間供學生使用。建筑的西南部設置了一處開放式的共享學習空間，供學生學習、休憩、交流，促進學生主動學習[1]。

2 被動式技術設計

2.1 建筑通風設計

建筑的局部（樓梯間、入口門廳處）設置了通高的空間。考慮到張家口市的城市主導風向，在建筑兩層之間設置了架空通風系統，局部空間架空處理，并且建筑采用架空樓板的形式，形成通風間層，以增加空氣流動效率，在炎熱的夏季形成對流通風，帶走多余的熱量，從而減少制冷產生的能耗。一層通風空間示意如圖4 所示。

圖4 一層通風空間示意

2.2 建筑采光設計

2.2.1 主動式采光策略

對于陽光的需求，是建筑的一個重要的評價指標。本項目采用可調節的“智能百葉系統”，在保證建筑基本采光需求的基礎上，可以產生豐富而有趣的光影效果，即可以根據使用者的不同狀態和當前日光輻射量調節格珊的開閉狀態，其不同狀態可以控制不同的采光量。例如，當格珊處于開啟狀態時，光線可以直接射入室內；當柵格處于閉合狀態時，光線被完全反射回去，不能進入室內；當格珊處于垂直狀態時，光線被均勻地漫反射進入室內，使得室內的光照不是特別強烈，減少人員視覺的不適感；當格珊處于半開啟狀態時，光線部分被反射走，部分直射進入室內。長期以來，建筑的西側一直都是采光的薄弱部分，西曬會引起建筑室內過熱的問題。為緩解西曬和室內過熱問題，建筑的西側房間在外墻上開小開口的條形窗，在滿足基本的室內采光的需要的基礎上，減少進入室內的光量，從而避免室內過熱情況的發生。同時為減少電能資源的消耗，對采光薄弱的房間開啟天窗以彌補室內光照的不足。“智能”柵格示意圖如圖5 所示。

圖5 “智能”柵格示意

2.2.2 被動式采光策略

張家口地區的太陽能年輻射總量約為6 000 MJ/m2，在建筑的屋頂部分設置一定傾角的單晶硅太陽能光伏電池板，可以有效地利用太陽輻射能，將之轉化為電能供建筑運行使用，而產生的多余電量可以并入學校電網供給其他建筑使用，或者對外出售給當地電網，產生經濟收益[2]。同時，建筑的屋頂作為建筑的第五立面，可以豐富建筑的整體造型。

2.3 能源供應設計

張家口地區海拔較高，具有充沛的太陽輻射資源，研學中心的屋頂部分采用太陽能光伏電池，吸收太陽輻射能并且轉化存儲為電能，為建筑的運行提供電能。同時，建筑外墻可以采用集熱蓄熱墻體。除此之外，張家口地區由于城市地貌而形成的風環境使該地區具備充足的風力資源，在炎熱的夏季，通過調節外墻以及幕墻風口，加強室內自然通風，以達到改善室內風環境的目的。

3 結語

隨著我國高等教育水平的不斷提高，師生對教學樓的使用需求也不斷提高，教學類建筑必將成為建設設計的研究熱點。本設計項目在分析基地條件、結合當地的氣候環境特點以及建筑使用主體（師生）的行為特點的基礎上，充分利用自然資源，整合太陽能以及風能，并結合主被動技術，希望成為該地區教學類建筑設計的新思路。