寒冷地區(qū)綠色校園建筑設(shè)計案例及適宜技術(shù)分析

姚　璐（上海市建筑科學(xué)研究院，上?！?01108）

近年來綠色建筑產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，眾多以生態(tài)和低碳發(fā)展為目標的新城不斷涌現(xiàn)，與之配套的教育資源類建筑也不斷發(fā)展。由于學(xué)校建筑的特殊屬性，建成綠色低碳高效的優(yōu)質(zhì)建筑有著積極深遠的環(huán)境及社會價值。

1　寒冷地區(qū)中小學(xué)校園建筑特點分析

1.1　氣候響應(yīng)需求

京津冀地區(qū)位于中國建筑熱工分區(qū)中的寒冷地區(qū)，從綠色建筑氣候響應(yīng)的原則來看，氣候資源具有以下特點：

(1) 熱工條件。需要滿足冬季保溫要求，并兼顧夏季隔熱。以天津市為例：1 月最冷，日平均氣溫 -3.9 ℃；7月最熱，日平均氣溫 26.2 ℃；年平均氣溫相差 30 ℃，各月平均日氣溫相差小于 10 ℃。如圖1 所示。

圖1　全年日平均溫度變化

(2) 太陽能資源。太陽能資源屬于II資源較豐富區(qū)可利用。全年實際日照數(shù)為 2 899 h，日照百分率平均 65%。以天津市為例，全年日太陽輻射量變化見圖2。

圖2　全年日太陽輻射量變化

(3) 水資源。基本屬于水量型缺水地區(qū)，各季降水分布不均，年降水日數(shù)的47%和年降水量的 74% 均集中在夏季，春季占 9.57%，秋季占 14.61%，冬季占 2.14%?；緯鋫涫姓兴瑢λY源進行統(tǒng)一處理分配。

1.2　功能匹配需求

相對于一般的辦公、住宅建筑，中小學(xué)建筑最大特點是間歇性使用，其次是涉及建筑類型多、流線復(fù)雜，安全性高也是重要特性。

中小學(xué)校園建筑功能多樣性，住宿制學(xué)校中包含教學(xué)、辦公、住宿、食堂、大型報告廳及室內(nèi)外活動場館等建筑單體，涉及到一般公共建筑、大跨度、展館大空間及住宅等建筑類型，所遵循的標準和設(shè)計方法大不相同。

學(xué)校寒暑假可以一定程度上避開寒冬酷暑的極端天氣。因此在空調(diào)系統(tǒng)的選擇時可減少空調(diào)設(shè)計負荷，考慮用建筑進深設(shè)計、設(shè)置可開啟窗扇等促進自然通風(fēng)效果的被動式設(shè)計及加裝電風(fēng)扇等措施，保證室內(nèi)舒適的溫?zé)岘h(huán)境。

青少年活動的集中場所，學(xué)生們一天大部分時間都是在校園生活、運動并接受教育。因此校園類建筑就是要在保證安全的前提下為學(xué)生提供能滿足各種使用需求的健康、舒適的場所。

此外，學(xué)校建筑設(shè)計標準中考慮安全性和教育生活相結(jié)合屬性的群體建筑特征，對學(xué)校場地選址安全的要求、場地布局、功能設(shè)置、各類教學(xué)建筑的面積指標、室內(nèi)家具布置、功能教室在建筑中的位置、安全通行及疏散、建筑設(shè)備等也都有特殊的設(shè)計要求。

2　綠色中小學(xué)校園設(shè)計案例

以天津市濱海新區(qū)某中學(xué)(綠色二星)和北京市房山區(qū)某中學(xué)(綠色三星)項目為例，從區(qū)域規(guī)劃、單體建筑設(shè)計和綠色建筑技術(shù)應(yīng)用等方面進行案例分析。

2.1　天津市濱海新區(qū)某中學(xué)項目

本項目已獲得綠色建筑二星級標識，總建筑面積 5.5 萬m2。規(guī)劃實現(xiàn)動靜分離的總體布局，教學(xué)區(qū)位于用地的東側(cè)，是學(xué)校教育、研究的核心區(qū)域；生活區(qū)位于用地的中央位置，相對獨立，從而避免了與其他兩區(qū)在功能上的干擾；運動區(qū)選擇了西側(cè)較大地塊，包括各種室外體育活動場地、體育館，便于開展對外服務(wù)。

2.1.1規(guī)劃與景觀設(shè)計

(1) 日照條件。建筑為南北朝向，教室、辦公室布置在南側(cè)，爭取良好日照條件，保證教學(xué)樓所有房間都能滿足 2 h 標準日照時間。

(2) 建筑風(fēng)場環(huán)境。通過對建筑及周邊進行建模，驗證建筑群整體風(fēng)速曲線流暢，無滯留現(xiàn)象。即使冬季建筑物周邊最大風(fēng)速也在適宜人行活動范圍之內(nèi)，夏季、過渡季75% 以上的建筑前后能保持 1.5 Pa 左右壓差，可以為室內(nèi)的自然通風(fēng)形成良好的室外風(fēng)場環(huán)境。室外人行區(qū)風(fēng)速度場分布矢量圖如圖3 所示。

結(jié)合圖3 所示的室外風(fēng)場環(huán)境，在平面布局、空間組織、剖面設(shè)計、門窗設(shè)置及開窗面積中均考慮了有利于形成穿堂風(fēng)，避免單側(cè)通風(fēng)的要素。室內(nèi)能形成有效穿堂風(fēng)，單側(cè)朝向的房間采用戶門設(shè)置上亮等有效措施最大限度進行自然通風(fēng)通路設(shè)計。

圖3　室外人行區(qū)風(fēng)速度場分布矢量圖

(3) 景觀綠化與徑流控制。① 綠化環(huán)境設(shè)計體現(xiàn)“花園式”學(xué)校理念，通過點、線、面結(jié)合的綠化配置、喬灌草結(jié)合的多層次綠化體系。② 在植被選擇上全部采用適合天津土壤氣候條件的耐鹽堿品種，而形成穩(wěn)定的植物群落。③設(shè)計大量透水鋪裝：在停車位設(shè)置植草磚，廣場、步道采用透水混凝土。結(jié)合綠化，透水地面面積比例為 42.9%，場地雨水入滲量為 37.8%。既保證校園排水安全、也雨水得到利用，又減小了雨水外排而造成的市政管網(wǎng)壓力。

2.1.2建筑節(jié)能設(shè)計

(1) 總平面與圍護結(jié)構(gòu)。通過總平面規(guī)劃的合理分析，采用當(dāng)?shù)刈罴殉蚝湍媳蓖ㄍ傅慕淌也季衷O(shè)計。采用高性能的保溫材料，外窗大部分采用傳熱系數(shù)達到 2.3 W/m2·K的斷熱鋁合金中空遮陽型雙層；宿舍部分采用傳熱系數(shù)達到1.8 W/m2·K 的鋁合金加隔熱條的遮陽型 3 層窗。氣密性滿足為 6 級要求。

(2) 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)各類型建筑的在室情況可以自主調(diào)節(jié)空調(diào)啟停，滿足各建筑負荷變動量大、可控可調(diào)的需求。合班教室與報告廳設(shè)置有 CO2濃度聯(lián)動新風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測，若超標可以通過變頻風(fēng)機和控制新風(fēng)閥開啟都而加大新風(fēng)量，保障室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。全空氣系統(tǒng)部分在過渡季可在全新風(fēng)工況下運行，充分利用室外空氣冷卻能力，節(jié)約運行能耗。

(3) 太陽能熱水系統(tǒng)。校園建筑中的食堂及學(xué)生浴室有集中的熱水需求，項目設(shè)計采用太陽能集熱系統(tǒng)對生活熱水進行預(yù)熱。具體措施為在食堂樓的屋頂設(shè)置面積為 756 m2的太陽能集熱器，并以燃氣鍋爐為輔助熱源。據(jù)計算，全年太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水量可滿足園區(qū)內(nèi) 61.7% 的生活熱水需求。

2.1.3室內(nèi)物理環(huán)境設(shè)計

(1) 聲環(huán)境。通過建筑布局、高隔聲性能的建筑構(gòu)件及綠化隔聲帶保證室外良好聲環(huán)境。

(2) 采光環(huán)境：通過建筑進深設(shè)計、采光高窗及高透光性能窗型保證室內(nèi)采光效果。利用采光模擬軟件 ECOTECT，對上述功能區(qū)域的天然采光效果進行了模擬分析。結(jié)果證明各棟建筑主要功能空間的采光系數(shù)滿足 3% 以上的面積占主要功能空間總面積的比例分別為 87.78%(綜合教學(xué)樓)、95.9%(東教學(xué)樓)、96%(西教學(xué)樓)、100%(藝術(shù)樓)、100%(實驗樓)，均超過75%。

2.1.4園區(qū)節(jié)水設(shè)計

項目所在的天津濱海新區(qū)規(guī)劃有市政中水系統(tǒng)，這為本項目采用非傳統(tǒng)水源創(chuàng)造了天然有利條件。中水主要用于教學(xué)樓、宿舍樓、食堂的沖廁以及室外綠化灌溉，各個分用途管線上設(shè)置帶有數(shù)字遠程功能的計量水表，以便實現(xiàn)分樓棟和分用途計量。

2.2　北京房山某中學(xué)項目

本項目已獲得綠色建筑三星級標識，通過綠色建筑的整合設(shè)計，很好地解決了用地緊張與學(xué)校戶外自然空間需求、有限預(yù)算與高品質(zhì)綠色建筑需求、滿足設(shè)計規(guī)范與空間創(chuàng)新需求之間的矛盾。本項目采用的綠色建筑亮點技術(shù)如下。

(1) 被動式設(shè)計。采用架空形式，利用模擬手段進行空間布局優(yōu)化，使得到適宜的風(fēng)場環(huán)境，有效改善室外微環(huán)境。采用開窗的風(fēng)壓通風(fēng)方式，為室內(nèi)營造良好的自然通風(fēng)環(huán)境。

(2) 屋頂綠化。將實驗農(nóng)田帶到屋頂上，讓學(xué)生與自然零距離接觸，學(xué)習(xí)種植的方法和領(lǐng)會收獲的樂趣，屋頂農(nóng)田亦延續(xù)了該基地曾為農(nóng)田的歷史。還減緩校園的熱島效應(yīng)，節(jié)約空調(diào)采暖能耗。

(3) 天然采光。教室均朝南向分布，通過進深、窗墻比的設(shè)計滿足采光規(guī)范要求的主要功能區(qū)面積比例為94.2%；餐廳和地下車庫在屋面加設(shè)天窗；半地下的教室和風(fēng)雨操場設(shè)立可開啟的條形天窗，并控制漫反射。

(4) 外遮陽。根據(jù)朝向設(shè)置窗套外遮陽和三角式外遮陽解決太陽得熱和眩光問題。

(5) 空調(diào)系統(tǒng)。設(shè)置高效多聯(lián)機系統(tǒng)。

(6) 可再生能源。設(shè)置土壤源熱泵系統(tǒng)，滿足禮堂、餐廳區(qū)域的冷熱源。設(shè)置太陽能熱水系統(tǒng)滿足餐廳和淋浴間的生活熱水。

(7) 非傳統(tǒng)水源利用。收集雨水處理，并利用市政中水提供水景補水、沖廁、道路澆灑、綠地灌溉等。

3　綠色建筑適用技術(shù)思考

通過對以上案例的匯總分析，考慮需因地制宜地進行中小學(xué)校園類項目的綠色建筑技術(shù)策劃，既要滿足地域的氣候特性，又能結(jié)合學(xué)校的運營團隊和使用用戶實體。因此采用以被動式設(shè)計為主，低成本、易維護、靈活度好的綠色建筑技術(shù)，以創(chuàng)造良好適宜的學(xué)習(xí)生活環(huán)境。

3.1　規(guī)劃與建筑設(shè)計

3.1.1建筑環(huán)境

(1) 室外風(fēng)環(huán)境。為營造適宜的風(fēng)場環(huán)境，并為室內(nèi)自然通風(fēng)創(chuàng)造良好的邊界條件，需在建筑布局時佐證 CFD 模擬，以確保室外風(fēng)場滿足人行舒適區(qū)間。建筑聲環(huán)境：通過建筑功能區(qū)間劃分、景觀設(shè)計、建筑隔聲構(gòu)件、設(shè)備機組安裝區(qū)域以及設(shè)備機房的降噪措施保證室內(nèi)背景噪聲滿足標準要求的 45 dB。

(2) 建筑室內(nèi)熱環(huán)境。學(xué)校建筑多為框架結(jié)構(gòu)，需選用熱工性能好、防火等級較高的圍護結(jié)構(gòu)(保溫)材料，以及綜合考慮傳熱性能、遮陽系數(shù)以及透光率的窗(玻璃)型，并要求施工質(zhì)量，保證室內(nèi)良好的氣密性。

3.1.2被動式設(shè)計

在上述案例中，利用被動式的建筑設(shè)計，通過建筑朝向、進深、天窗設(shè)計、玻璃選型保證室內(nèi)良好的天然采光環(huán)境；通過室內(nèi)風(fēng)通路及開窗設(shè)計，保證良好的自然通風(fēng)環(huán)境；通過建筑造型自遮陽、遮陽構(gòu)件的設(shè)計及室內(nèi)窗簾的內(nèi)裝設(shè)計，改善建筑表皮得熱問題和室內(nèi)的眩光控制問題。

3.1.3景觀設(shè)計

(1) 熱島效應(yīng)緩解。通過戶外活動場地設(shè)置構(gòu)筑物、喬木等遮陰措施，在道路路面和屋面使用淺色系(反射率高)的涂料減少太陽得熱，實現(xiàn)緩解熱島效應(yīng)的目的。

(2) 景觀植物配置。采用本地化植物，天津濱海地區(qū)需選用抗鹽堿性、耐候性強的少水性植物。

(3) 綠色雨水措施。合理銜接和引導(dǎo)屋面雨水、道路雨水進入地面生態(tài)設(shè)施，并設(shè)置相應(yīng)的徑流污染控制措施。

(4) 立體綠化。寒冷地區(qū)由于冬季較長且干旱，考慮養(yǎng)護問題，不太適宜進行大面積屋頂綠化。可以考慮種植爬山虎等植物的垂直綠化手段。設(shè)置垂直綠化時也要考慮到植物的防風(fēng)性、防排水措施及養(yǎng)護管理等問題，最好由綠化園林的專職人員承擔(dān)。

3.2　能源及水資源節(jié)約

(1) 設(shè)計時需結(jié)合中小學(xué)校園類建筑的特點和建筑用途進行冷熱源形式配置，可采用靈活度高的分體空調(diào)或多聯(lián)機。在報告廳、禮堂等場所設(shè)置集中空調(diào)，并設(shè)置空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)施聯(lián)動新風(fēng)系統(tǒng)，以保證使用時的室內(nèi)空氣質(zhì)量。另配合可調(diào)新風(fēng)比、排風(fēng)熱回收以及冷熱量計量等節(jié)能措施。

(2) 可再生能源。京津冀為代表的寒冷地區(qū)有可利用的地?zé)峒疤柲苜Y源，可考慮采用地源熱泵系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)。

(3) 非傳統(tǒng)水源。充分利用市政中水，提供項目內(nèi)沖廁、景觀補水、灌溉及道路沖洗用途。本地區(qū)雨水年平均量較少，且季度分布不均，不建議進行雨水收集處理。

(4) 節(jié)水器具。采用二級及以上的節(jié)水器具，進行節(jié)水節(jié)能標識宣傳。

(5) 用水計量。使用遠傳水表，所有水表計量數(shù)據(jù)宜統(tǒng)一輸入建筑自動化管理系統(tǒng)，以達到漏水探查監(jiān)控的目的；并根據(jù)水平衡測試標準安裝分級計量水表。成本、易維護，靈活度好的綠色建筑技術(shù)，以創(chuàng)造良好適宜的學(xué)習(xí)生活內(nèi)外環(huán)境。

(2) 中國建筑學(xué)會 T/ASC 02—2016《健康建筑評價標準》已頒布。對于注重健康室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的優(yōu)秀中小學(xué)校園建筑類型，可以采用“綠色+健康”的性能化設(shè)計策略，在滿足建筑綠色化設(shè)計的同時，更多地從使用者，尤其是中小學(xué)生的視角進行健康、安全、舒適的教學(xué)環(huán)境設(shè)計，為中小學(xué)生提供更多關(guān)愛。

(3)“學(xué)校者，造就人才之地，治天下之大本也?！?清·鄭觀應(yīng))中小學(xué)綠色校園本身即是可持續(xù)發(fā)展理念的載體，在這里傳播綠色、健康的“種子”，充分發(fā)揮環(huán)境育人的功能，讓學(xué)生在真實環(huán)境中進行體驗，養(yǎng)成節(jié)能環(huán)保的生活習(xí)慣，對綠色、健康、低碳事業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生深遠的影響。