結合綠建標準要求的建筑熱工學及建筑光學實驗教學探索與改革

【摘要】通過梳理綠色建筑評價標準與建筑熱工學、建筑光學知識點的聯系，將建筑熱工實驗擬定為三個綜合實驗，建筑光學實驗擬定為兩個綜合實驗；實驗引入使用后評估內容，并與建筑設計課程結合，將實驗由散狀單一的參數檢驗測定轉變為物理環境營造效果和如何營造的思考，發揮學生的主體作用，改善教學效果。

【關鍵詞】綠建標準； 熱工實驗； 光學實驗； 綜合性實驗； 主客觀評價結合

【中圖分類號】G642.0A

0 引言

隨著節能與低碳政策的踐行，以及人們對健康的關注和審視，公眾對建筑的健康性能訴求愈來愈強烈，對建筑設計在綠色和健康舒適的要求越來越高。建筑空間除了尺度適宜、空間趣味等傳統的空間營造關注點外，對建筑性能有了很高的要求，希望建筑的物理環境舒適。現行的綠色建筑評價標準中，有三個章節涉及到對物理環境做出了要求，分別是第五章健康舒適、第七章資源節約和第八章環境宜居［1］。物理環境的營造量化指標靠客觀參量來控制，客觀參量控制的目的，是為了主觀感受達到舒適。某一客觀參量具體是什么感受，通過書本知識的描述雖然可以建立一個基本認知，但是還需要對照體驗去感受兩者間的對應關系。因此，在綠色建筑評價標準要求框架下，以實際感受為橋梁，使學生理解物理環境的設計訴求，并建立相關設計意識，是建筑物理及其實驗教學改革的一個重要方面。

目前一些建筑院校對建筑物理實驗教學進行了改革。葛堅等［2］從單項指標測試轉變為綜合性熱環境測試分析，將數據分析和主觀評價相結合進行了熱環境參數測定實驗的改革探索。郭飛等［3］通過對不同場地和環境條件下的場地熱環境測試，引導學生認識場地和環境條件對微氣候的影響。王春苑、蔡陽生等［4-5］在建筑物理實驗教學中融入主觀感受，強調了學生個人體驗。范弘等［6］進行了從單一知識點到綜合性改變的光學實驗改革實踐。通過上述文獻總結，可以看出，建筑物理實驗改革方向之一是散狀單一實驗向綜合應用實驗轉變，單一客觀數據測試向客觀數據結合主觀感受轉變。2020年以來燕山大學建筑學專業在新增置了實驗設備基礎上，結合綠色建筑評價標準內容，建筑熱工及建筑光學實驗教學改革為將傳統單一測試各參量的獨立實驗轉變為多變量、體驗式實驗，并與設計課深度融合，形成課程群，課程內容相互穿插，將建筑熱工學、建筑光學實驗融入到場地調研與方案設計中，并對外環境測試內容進行計算機模擬，強化模擬對實測的補充作用，對建筑設計課程提供幫助。本文對建筑熱工及光學實驗教學改革進行介紹。

1 建筑熱工學知識框架及建筑熱工學實驗教學改革實踐

建筑學本科建筑熱工學教學內容一般包括熱工學基本知識、圍護結構的傳熱原理及計算、建筑保溫設計、建筑防潮設計、建筑防熱設計和建筑日照設計。前兩部分是理論基礎，后面四部分是實踐應用。根據《高等學校建筑學本科指導性專業規范》［7］（以下簡稱“專指委”），其指導開展的實驗內容見表1。改革前，因我校建筑學專業建系時間短，實驗設備短缺，建筑物理實驗學時較短（2學時），開設的實驗項目僅包括材料導熱系數測定。此次改革參考“專指委”的建議，對照綠色建筑設計評價標準的要求，將“專指委”建議的實驗內容和熱工學的重要知識點映射關系進行梳理（圖1）。

由圖1可以看出，室內外熱環境參數能將所有對應的知識點統一起來，因為對建筑物進行的“綠色化”處理均是為了在減少能源消耗的前提下使室內、外環境參數處于理想范圍。所以將圖1中的映射關系重新進行梳理組織，擬定三個實驗，見圖2。

改革后的實驗內容除了保留導熱系數測定之外，將不同設計處理（有無保溫，有無遮陽構件）的空間、不同的傳熱系數、通風條件行成的空間環境條件（室內溫度、濕度、風速、室內平均輻射溫度、壁面內、外表面溫度、傳熱系數、內表面結露、霉化、粉化）進行體驗式測定，就可以將實驗內容串聯起來，作為綜合性實驗一“不同熱工設計的房間的室內建筑熱環境參數測定與評價”。室內熱環境參數的測定包括溫度、相對濕度、風速、室內平均輻射溫度、材料導熱系數及圍護結構總傳熱系數；室外熱環境參數測定包括溫度、相對濕度、風速、太陽輻射。環境是人使用的空間，客觀參量與主觀感受之間有對應關系，為了讓學生感受控制客觀參量的意義，將客觀數據和主觀感受建立聯系，設定多組空間測試完成“體驗感受”與實測結合的實驗項目：在采暖季對有保溫處理和未做保溫處理的兩棟建筑分別選取同一朝向面積大致相同的房間進行現場測量、對比，同時測定內外表面溫度、室內外溫度、濕度、風速；記錄熱舒適感受；觀察室內表面結露狀況、發霉、粉化狀況。該實驗中，雖然不同建筑的散熱器數量、使用人數、透明結構的密閉性不同等可能會對室內溫度有影響，但從揭示建筑設計、圍護結構傳熱系數對建筑室內空間的物理環境影響趨勢方面來看，依然有規律可循。

室外熱舒適和熱島強度與建筑的布局、朝向、下墊面等相關，同時與建筑密度、建筑高度、建筑表面的反射率等相關，因此，將不同室外環境處理下的“外環境參數測定與評價”作為綜合性實驗二，同時，在設計課上教學生學習Grasshopper軟件，利用軟件中UWG電池功能，進行場地局地外環境參數的模擬，將實測與模擬結果對比，分析模擬結果與實測結果差異的原因，正確認識模擬結果的參考價值，對建筑設計課程的場地分析提供幫助。

室外熱環境參數測定時，選定專教建筑（有內天井）、圖書館（前面有較大開闊廣場）、世紀樓（高層）三棟建筑形成的組團進行外環境測定。三棟建筑高矮不同，周邊有樹林、湖面、開闊廣場、坡地，形成了很有特點的小氣候，每個建筑周圍的各朝向的下墊面有所不同，環境參量也不一致，分三個小組各取一個建筑，測定建筑周圍人活動區域的外環境參數，并進行主觀評價，通過客觀參數測定和主觀感受結合，更能理解上述因素對環境微氣候的影響。將實驗方法應用于下一學期的建筑設計課程中，在設計課的場地調研時，除了調研場地的區位、交通、功能性用地、自然景觀現狀等之外，還進行場地微氣候的現場實測及模擬。在實測基礎上進行建筑設計能對環境利用有更直觀的感受，且在設計中，對總圖方案增加模擬步驟，方案設計后對環境的熱島效應影響及環境風場效果做出模擬判斷，根據模擬結果優化總體布局，且與室外計算溫度相比，采暖季室外平均溫度模擬結果更接近實際情況，能更準確的預測建筑能耗（在課程群的建筑熱工課程設計中進行能耗計算）。

建筑體形、遮陽處理會影響日照，因此，將體形、遮陽處理與建筑設計課程相結合，進行綜合實驗三“建筑的日照實驗”。日照實驗主要采用演示與設計性實驗結合的方式，形成互動和趣味性，增加興趣，培養創新和反思能力。實驗內容為日照情況和遮陽板遮陽效果觀測。教師事先制作好專教建筑模型及改造過的無遮陽構件的模型，利用三參日照儀進行遮陽效果及日照效果對比的演示性觀測，加深學生對遮陽構件效果的認識。在畢業設計階段，學生將建筑設計作業制作模型進行日照和遮陽狀況觀測。讓學生能對自己做的設計性能有一個檢驗的過程，進而能提出優化的方案，為以后的設計優化提供方向。實驗三在建筑設計課進行。

2 建筑光學知識框架及建筑光學實驗教學改革實踐

建筑光學教學內容一般包括建筑光學基本知識、天然彩光、建筑照明三部分內容。第一部分為基礎知識，第二、三部分分別為天然彩光和人工照明的應用。

因設備和學時限制，此前開啟的實驗內容為采光系數測量（2學時）。本次改革結合綠色建筑評價標準和“專指委”建議的實驗內容（表2），梳理了建筑光學的知識點、實驗內容和綠色建筑光環境之間的映射關系，如圖3所示。

根據圖3的映射關系及知識點的聯系關系，采光系數、光反射比、采光眩光控制可以綜合到一個實驗內進行，因不同采光系數下，不同室內各界面光反射比下，室內各界面及窗口亮度不同，是否會形成眩光，可在亮度測量后根據不舒適眩光DGI計算公式進行計算，因此三個知識點可集中到同一實驗下進行，即“教室采光系數達標面積檢驗實驗”。“專指委”建議的實驗項目不涉及光污染內容，因此在映射關系內可以看到光污染知識點無對應實驗；照明功率密度值可在照明效果檢驗時進行核查是否滿足要求并節能，同時，可以測量室內是否會有外部夜間照明對室內形成光污染，而室外燈光進入室內必然涉及到光透射比內容，因此，這三個知識點可以綜合到同一實驗內進行，即綜合實驗二“宿舍照明效果檢驗”。具體應對關系見圖4。

建筑光學設計的任務之一是盡量少的能耗前提下，實現視覺舒適、達到視覺功效和視覺安全及美觀。不同場合的照度要求不同，而不同的照度數值到底看起來是什么感覺，學生沒有直觀的概念。因此將綜合性實驗一“教室采光系數達標面積檢驗實驗”加入主觀感受問卷內容，將學生的主觀體驗感受與實測結合。測試內容包括被照面不同照度、亮度值與主觀視覺感受對應關系體驗涉及照度測量；教學樓采光達標率和光反射比測量。

首先，在實驗室內自主設計了一個可升降吊頂，吊頂內嵌入燈具，改變吊頂的高度，可以使立體角和被照面的照度發生改變，學生坐在燈具下方，感受高度持續性變化過程中的照度差異，而后將高度設為三檔，每檔停留10 min，感受照度和亮度的變化并記錄感受（明度感覺、舒適感覺、視覺功效），對照度、亮度客觀數據與主觀明亮感受建立關聯。然后，分四組完成第一到第四教學樓（每組同學一棟教學樓）中教室、走廊、門廳、衛生間的全陰天日間采光照度測量（計算采光系數），對比不同空間的照度值和實際感受，對天然采光效果做出判斷，并與方案設計建立聯系。學生選擇不同教學樓不同功能房間進行測量，是因為不同教學樓建設年代不同，開窗大小、房間尺度、室內表面及窗玻璃光反射比等都有差異，且同一棟教學樓中教室、走廊、門廳、衛生間采光狀況也有差異。四組同學測試完成的數據導入共享表格共享，讓每個學生均能對不同建筑的采光感受（學生在第一到第四教學樓均上過課，有過使用體驗）的客觀數據建立聯系，并提出改善方案。同時，在全晴天時，對房間界面及窗口的亮度進行測量，并參照GB/T 5699-2017《采光測量方法》［8］中的附錄C進行亮度記錄，并計算不舒適眩光指數DGI。

因為照明產品日新月異的變化和城市經濟的迅速發展，城市夜景照明工程繁多，造成照明光污染嚴重，夜間照明的影響與學生息息相關的即為宿舍，因此增加了宿舍窗戶外表面垂直照度的測量實驗。將透射系數測量和垂直照度分布實驗及照明功率密度值、照明效果檢驗綜合在一起進行實驗二“宿舍照明檢驗綜合實驗”。因宿舍與住宅同屬居住功能，結合我校地理位置，將結果對標GB/T 35626-2017《室外照明干擾光限制規范》［9］中關于住宅的E3區域限制要求。測試時，因窗外表面不好測量，僅在窗玻璃上選擇兩個測點各進行三次玻璃內外照度測量，取算數平均值計算得到透射系數，再將玻璃劃分網格測內表面照度，由透射系數計算求得外表面的照度以判斷是否有光污染。并記錄同學們在宿舍的感覺（所處房間是否有光污染，污染來源是什么，光污染對您的影響程度）。將得到的客觀照度值與主觀感受建立聯系，引導此后的建筑設計。

采光模型實驗不再占用實驗學時，在課程中與設計作業相結合改為項目式教學，對本學期中的設計作業選定一個房間進行采光口設計，鼓勵探索不同采光口形式對建筑設計的影響，并進行計算機模擬或制作模型，觀察采光效果。在設計課中教學生運用Radiance和綠建斯維爾DALI建筑采光軟件，進行定量化模擬，探索采光口的采光和節能的矛盾平衡。

3 結束語

通過上述教學改革，在綠色建筑設計前提下，基于感受體驗和解決問題為出發點，增強了實驗的綜合性和應用性，激發了學生的探索欲。然而，這些實驗變量控制上并非都是單一變量，或者一一對應變量的對比，因此結果不夠嚴謹，僅能定性的說明問題，這是此后需要改進的地方。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部，國家市場監督管理總局.綠色建筑評價標準：GB/T 50378-2019［S］.北京：中國建筑工業出版社，2019：9-13，19-24，28-31.

［2］ 葛堅，李效軍.關于建筑熱環境參數測定與熱舒適分析的探究性實驗教學［J］.高等建筑教育，2016，25（2）：154-156.

［3］ 郭飛，祝培生，陳巖，等.基于可持續發展理念的建筑熱工綜合實驗［J］.實驗室研究與探索，2011，30（11）：306-309+320.

［4］ 王春苑，歐陽金龍.體驗式教學在建筑物理課程中的應用［J］.實驗室科學，2020，23（2）：147-150+154.

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［6］ 范弘，鄭秋玲，楊柯.建筑光學實驗教學改革實踐研究［J］.現代教育科學，2016（12）：89-93.

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［8］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.采光測量方法：GB/T 5699-2017［S］.北京： 中國質檢出版社，2017：17.

［9］ 中國國家標準化管理委員會，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.室外照明干擾光限制規范：GB/T 35626-2017［S］.北京： 中國質檢出版社，2017：2，4.