基于性能驅(qū)動的校園食堂建筑被動式節(jié)能設計

張建濤，周麗華

(鄭州大學 建筑學院，河南 鄭州 450001)

基于性能驅(qū)動的校園食堂建筑被動式節(jié)能設計

張建濤，周麗華

(鄭州大學 建筑學院，河南 鄭州 450001)

以校園食堂建筑為研究對象，從建筑環(huán)境性能驅(qū)動設計角度，結(jié)合地區(qū)氣候條件對校園食堂建筑的被動式節(jié)能設計進行分析研究.在建筑設計階段，從環(huán)境整合、空間組織、界面設計、模擬優(yōu)化四個層面，構(gòu)建校園食堂建筑被動式節(jié)能設計原則和方法.結(jié)合案例歸納出鄭州地區(qū)被動式節(jié)能設計原則和校園食堂建筑被動式節(jié)能設計策略.

校園食堂建筑；被動式節(jié)能設計；性能驅(qū)動

0 引言

建筑低能耗涉及建筑的規(guī)劃、設計、建造、使用、拆除、再利用等各個環(huán)節(jié).國內(nèi)外現(xiàn)有可持續(xù)建筑評價體系中，建筑能耗的分數(shù)權(quán)重多為建筑設備系統(tǒng)性能[1].由于這樣的評價體系，使得在建筑的規(guī)劃和設計階段，建筑被動式節(jié)能設計的要求容易被忽視.如果在設計階段強調(diào)被動式節(jié)能的技術(shù)應用，則更能發(fā)揮建筑設備系統(tǒng)的效能.國內(nèi)外有關建筑被動式節(jié)能設計研究可歸納為：一是側(cè)重于氣候分析及策略的環(huán)境整合理論；二是側(cè)重于從建筑外部和內(nèi)部空間要素變化，以形體構(gòu)成手法、空間的組合方式、空間界面調(diào)節(jié)等，提出建筑生態(tài)化設計策略的空間調(diào)節(jié)理論[2].這些理論研究逐步從定性分析到定量模擬，并應用到設計實踐.基于性能驅(qū)動理論對校園食堂建筑被動式節(jié)能設計研究，即以就餐人員對功能空間的建筑物理環(huán)境要求為依據(jù)，在設計階段，從環(huán)境整合和空間調(diào)節(jié)兩方面入手，強調(diào)被動式節(jié)能技術(shù)應用，并精確定量模擬建成后使用效果.

1 校園食堂建筑

食堂建筑屬于建造數(shù)量大、建造經(jīng)費條件一般的公共建筑.食堂建筑按其功能屬性可分為辦公食堂、校園食堂、醫(yī)院食堂等.校園食堂建筑與其它類型的食堂不同.在建筑空間形態(tài)方面，絕大多數(shù)校園食堂建筑屬于多層大空間建筑，其空間完整、空間體積大、使用區(qū)域比例小、外壁比例大.這些空間特征使得室內(nèi)通風換氣次數(shù)少、建筑內(nèi)冷熱濕負荷特性特殊.在使用功能方面，校園食堂建筑具有很強的分段性、季節(jié)性.早中晚就餐時間段內(nèi)使用，其余時間較少使用，且會出現(xiàn)大量陣發(fā)性人流.寒暑假期間基本不使用.校園食堂建筑屬于非盈利性或微盈利性的校園公共進餐場所，其就餐者主要為本校師生，且就餐時間內(nèi)人員密集.

2 被動式節(jié)能及其影響因素

2.1 被動式節(jié)能

被動式節(jié)能主要是針對于主動式節(jié)能而言的，在建筑規(guī)劃與設計階段，側(cè)重于通過建筑自身的規(guī)劃布局、空間組織、環(huán)境配置等方式來應對室外氣候的變化，并非以機械設備進行環(huán)境調(diào)節(jié)，使室內(nèi)空間環(huán)境更接近使用者的舒適范圍，從而降低建筑對資源能源的消耗和環(huán)境的負荷.

2.2 地區(qū)氣候條件

氣候條件是被動式節(jié)能設計的主要影響因素.氣候影響因素主要包括溫度、濕度見表1[3]，以及主導風等.風速的人體舒適范圍，室外為3～5.7 m/s，室內(nèi)為0.25～1 m/s.鄭州地區(qū)夏季炎熱較濕潤，冬季寒冷干燥，夏季以東南向風為主、冬季多東北、西北向風，要達到室內(nèi)空間環(huán)境接近使用者的舒適范圍，建筑節(jié)能設計需要兼顧過渡季節(jié)的通風、夏季引導東南和西南風通風、冬季擋防東北風和西北風，并做好建筑夏季散熱、隔熱，冬季保溫、集熱.

表1 氣候影響因素

注：表中溫度指干球溫度，濕度指相對濕度

3 性能驅(qū)動設計

3.1 性能驅(qū)動設計

性能驅(qū)動設計是以人對建筑物理環(huán)境需求為依據(jù)，結(jié)合地區(qū)氣候條件，在建筑設計過程中利用影響建筑環(huán)境性能的氣候因素，對建筑的外部環(huán)境、空間形態(tài)、界面形態(tài)等進行系統(tǒng)地整合設計，以獲得建筑室內(nèi)環(huán)境舒適性，并減少資源能源消耗的被動式建筑節(jié)能策略.性能驅(qū)動設計在綜合滿足各項性能要求的前提下，在多樣的空間形態(tài)和功能解決方案中，選擇出最佳方案，實現(xiàn)對多個目標問題的優(yōu)化求解.它是一種探索建筑空間生成與環(huán)境能耗數(shù)值模擬交互驅(qū)動的設計方法[4][5].

3.2 性能驅(qū)動設計技術(shù)路徑

以性能驅(qū)動的建筑空間形態(tài)整合的技術(shù)路徑見圖1.

圖1 被動式節(jié)能設計技術(shù)路徑示意圖Fig.1 Technical path of passive energy-saving design

(1)整體把握影響因素.針對地區(qū)自然氣候條件、御寒防暑方式、實際建造技術(shù)等因素，分析被動式建筑節(jié)能設計的可行性.

(2)系統(tǒng)平衡主要矛盾.從調(diào)節(jié)建筑空間形態(tài)的過程中，對空間的基本要素和構(gòu)成方式及界面的設計的各個設計因素進行解析，平衡出設計的主導因素.

(3)具體采取相應設計.針對平衡出的設計主導因素，從對風的引導與阻隔、光的反射與遮擋，冬季保溫集熱與夏季散熱隔熱等具體技術(shù)手段著手，使建筑室內(nèi)空間環(huán)境達到舒適度的要求.

(4)重視檢驗實際效果.利用計算機對建筑方案的空間內(nèi)的氣流場、溫度場進行模擬分析，結(jié)合設計的預期值，整合優(yōu)化被動式節(jié)能相關設計措施，以完善設計成果.

4 鄭州大學南校區(qū)學苑食堂設計

項目位于鄭州大學南校區(qū).基地西側(cè)、北側(cè)為機關單位居民樓，東側(cè)校園景觀綠地，東北、東南方向為學校教學樓及宿舍樓見圖2.擬定食堂容納5 000人就餐，建筑面積8 000 m2.項目設計結(jié)合具體條件，從建筑環(huán)境整合、形態(tài)構(gòu)成、界面設計、模擬優(yōu)化四個層面對項目被動式節(jié)能設計進行分析和研究.

圖2 基地環(huán)境Fig.2 The site

4.1 環(huán)境整合

結(jié)合鄭州氣候條件及基地環(huán)境特點，建筑空間形態(tài)西北相對封閉，減少冬季由內(nèi)向外的熱損失；食堂餐廳多層空間南北通透，促進夏季通風散熱.基地東側(cè)面向校園景觀綠地，東南、東北主要人流方向，食堂餐廳設在東部，與就餐人流和校園綠地相聯(lián)系.將廚房靠西布置，減少餐廚及人流的噪音對北側(cè)、西側(cè)居民樓的影響，同時就餐流線與廚房工作人員流線分離，各自流線便捷通暢見圖3.

4.2 空間構(gòu)成

結(jié)合食堂的功能需求，從空間的基本要素和構(gòu)成方式兩方面對建筑進行空間形態(tài)組織.空間基本要素主要指建筑本體的方位、朝向、體量、形狀、色彩等；空間構(gòu)成方式主要以退臺、內(nèi)凹、中庭等方式側(cè)重減法.見圖4空間形態(tài)組織.

圖3 新建食堂與周邊建筑環(huán)境整合Fig.3 Relation between new building and built environment on the site

圖4 空間形態(tài)組織Fig.4 Spatial form organization

4.2.1 空間基本要素

(1) 方位.結(jié)合前期分析，餐廳部分設在基地東部，廚房部分設在西部.

(2)朝向.平衡建筑各方向太陽輻射、自然通風、基地形狀，以及周邊建筑等因素，建筑東西向布置，使餐廳獲得好的朝向[6].

(3)體量.建筑空間體積、層高一定時，長方體的建筑面積大、表面積小、體形系數(shù)小、能耗低，更宜滿足校園食堂建筑大量就餐人員需求.

(4)形狀.建筑長寬比1∶1-1∶1.3，接近寒冷地區(qū)理想長寬比1∶1.1.

(5)顏色.考慮老校區(qū)建筑風格，選用磚紅色面磚.

4.2.2 空間構(gòu)成方式

(1)北向退臺.滿足北側(cè)4層居民樓采光需求，減緩大體量新建筑對周邊老建筑在視覺上的壓力.

(2)東向、南向內(nèi)凹.結(jié)合室外主導風向及室內(nèi)溫度場，餐廳部分東面一層中間凹入，布置主要出入口[7]；南面布置餐廳次出入口和食堂員工出入口，以有利于餐廳的通風.在功能上，緩解陣發(fā)性人流壓力，避免就餐和輔助人員流線交叉.

(3)挖減中庭.食堂進深遠大于對流通風有效進深，無中庭時室內(nèi)各層1.5 m截面處風速均小于0.25 m/s，人體不易察覺風速太小.挖減中庭上下連通多層大空間，增強夏季熱壓通風效果.

4.3 界面設計

建筑東向一層入口柱廊，二三層東向立面處理成旋轉(zhuǎn)30°的垂直導風板，以通風防風.建筑南向利用夏季主導風，設置垂直導風板引導表面氣流，并利用場地南側(cè)和東側(cè)植物降低風溫.建筑南立面出挑遮陽，室內(nèi)外水平界面為淺色反光板，以改善大空間光均勻度.建筑屋頂設綠化和35°傾角太陽能光電板隔熱，見圖5.

圖5 界面設計Fig.5 Interface design

4.4 模擬優(yōu)化

簡化食堂模型，利用Airpak模擬室內(nèi)風環(huán)境，建立模擬分析區(qū)域長寬高180 m、120 m、60 m均大于3倍餐廳大空間，分析網(wǎng)格門窗處局部加密.其中，食堂軸線尺寸東西長7.2 m×8=57.6 m，南北長7.2 m×6+6.0 m=49.2 m，高5.4 m×3=16.2 m，長寬比1∶1.17；餐廳區(qū)域軸線總體積為7 651 m3，面積為1 417 m2，長寬高分別為49.2 m、28.8 m、16.2 m.

圖6為建筑未優(yōu)化調(diào)整時不良空氣流動狀況.可以看出，未采取措施時，室內(nèi)一層北部易出現(xiàn)回流；三層南部中和面高度低于窗洞高度，易出現(xiàn)回灌等不良空氣狀況，使空氣質(zhì)量變差[8].

建筑界面采取被動式節(jié)能措施調(diào)整之后，如圖7～8所示.除一層東北角小區(qū)域，餐廳大部分區(qū)域可達到室內(nèi)舒適風速.中庭采用文丘里漸縮斷面、頂部排風窗單獨點狀加高并增大排進風窗面積比，削弱渦流和回灌；各層開窗南低北高，削弱回流.

圖6 措施采取不當時不良空氣流動狀況Fig.6 Bad air flow conditions of improper measures

圖7 餐廳縱截面速度矢量示意圖及速度Fig.7 Velocity and speed of dining hall longitudinal section

綜合上述分析，結(jié)合項目設計，鄭州地區(qū)基于性能驅(qū)動的被動式節(jié)能設計原則歸納為：

(1)場地南側(cè)、東南側(cè)布置植物降溫通風、東北側(cè)植物防風；

(2)建筑南向開敞、西北向相對封閉，不同朝

向注意采用不同開窗比.

(3)夏季建筑散熱、屋頂隔熱、東西向防曬；

(4)冬季建筑南側(cè)保溫、集熱，利用太陽能；

(5)夏季建筑南側(cè)利用東南、西南向風，降溫通風，并夜間自然通風；

(6)冬季建筑東側(cè)、北側(cè)防東北、西北向風.

基于上述原則，通過模擬優(yōu)化得到最終校園食堂建筑被動式節(jié)能設計策略手段，圖9所示.

圖8 餐廳橫截面速度矢量示意圖及速度Fig.8 Velocity and speed at different heights plane of dining hall

圖9 校園食堂建筑被動式節(jié)能設計策略Fig.9 Passive energy-saving design strategy of campus canteen

5 結(jié)束語

建筑的被動式節(jié)能設計，需從現(xiàn)實條件出發(fā)，在適用性、經(jīng)濟性、節(jié)能性方面分析研究資源優(yōu)化配置，平衡建造和使用階段的運營成本.在環(huán)境整合、空間調(diào)節(jié)、性能驅(qū)動等方面，綜合調(diào)整建造和使用時的各個影響因素，提高建筑在整體環(huán)境，使用功能等方面的品質(zhì).在建筑設計階段，從梳理地區(qū)氣候條件、建筑環(huán)境性能和人體舒適體驗等因素入手，在環(huán)境整合、空間構(gòu)成、界面設計、模擬優(yōu)化四個層面，基于性能驅(qū)動對校園食堂建筑被動式節(jié)能設計進行分析研究，提出校園食堂建筑被動式節(jié)能設計原則和策略手段.這一設計方法的討論側(cè)重于在設計階段，從地區(qū)氣候環(huán)境和建筑空間兩方面的設計條件進行整合.而對于建筑圍護結(jié)構(gòu)性能，建筑材料性能等因素對建筑節(jié)能的影響，本文不做進一步討論.

(方案設計：張建濤、周麗華、曹森)

[1] 萬麗, 吳恩融. 可持續(xù)建筑評估體系中的被動式低能耗建筑設計評估[J]. 建筑學報, 2012 (10):13-16.

[2] 張彤. 中國普天信息產(chǎn)業(yè)上海工業(yè)園智能生態(tài)科研樓[J]. 世界建筑，2015(5): 130-131.

[3] 王麗. 建筑氣候設計的程序化實現(xiàn)[D]. 西安：西安建筑科技大學建筑學院, 2009.

[4] 孫澄, 韓昀松. 寒冷氣候區(qū)低能耗公共建筑空間性能驅(qū)動設計體系建構(gòu)[J]. 南方建筑, 2013 (3):8-13.

[5] 張彤. 空間調(diào)節(jié)+性能驅(qū)動——東南大學本科四年級綠色公共建筑設計專題教案研析[J]. 城市建筑, 2015(11): 25-31.

[6] 賀棟. 鄭州地區(qū)教學建筑綠色節(jié)能設計研究[D]. 鄭州：鄭州大學建筑學院, 2012： 12-14.

[7] 趙麗華. 嚴寒地區(qū)建筑入口空間熱環(huán)境研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學建筑學院, 2013：42-63.

[8] 雷濤,袁鑌. 生態(tài)建筑中的中庭空間設計探討[J]. 建筑學報, 2004 (8): 68-69.

Passive Energy-saving Design of Campus Canteen Based on Performance Driven

ZHANG Jiantao, ZHOU Lihua

(School of Architecture, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Taking the campus canteen as the research object, the passive energy-saving design of campus canteen was analyzed and studied in the view of environmental performance-driven building design, and regional climatic conditions. In the architectural design phase, the principles and methods of environmental integration, spatial organization, interface design, simulation and optimization four aspects were consideved, Based on this case, the passive energy-saving design principles and strategies of campus canteen in Zhengzhou were generalized.

campus canteen; passive energy-saving design; performance driven

2016-08-30；

2016-11-19

國家自然科學基金資助項目(51508516)

張建濤(1965— )男，河北保定人，鄭州大學教授,博士，主要從事建筑設計及其理論研究,E-mail：jiantao@zzu.edu.cn．

1671-6833(2017)03-0092-05

TU201

A

10.3969/j.issn.1671-6833.201703.002