低成本太阳能学校设计及运行测试—— 以汶川灾后重建绵阳市杨家镇小学设计为例

中国建筑设计研究院 ■ 郑晶茹 鞠晓磊 夏晶晶

0 引言

汶川地震后，我国政府迅速开展灾区重建工作，尤其以学校重建为重点。与灾后重建工作同时启动的“2009年台达杯国际太阳能建筑设计竞赛”，以“阳光与希望”为主题向全球征集四川绵阳地区和灾后马尔康地区重建“阳光小学”设计方案。根据四川省绵阳市涪城区杨家镇小学灾后重建的实际情况，实施方案以竞赛一等奖作品为基础，由中国建筑设计研究院深化完成施工图并进行实地建设(图1～2)。

图1 竞赛设计鸟瞰图

图2 实施方案设计鸟瞰图

本工程设计立足灾区重建实际，充分考虑当地自然环境和气候条件，将节能和低碳运营的可持续发展理念融入建筑设计中，充分利用太阳能等可再生能源，打造融合现代教育理念和先进建筑技术的新型校园空间，体现区域适应性的设计与建造技术，营造安全健康、舒适节能的育人空间，提供高效能、人性化的教学环境，为灾区的孩子们创造一个亲近自然的学习环境。

1 工程概况

项目基地东西长150 m，南北长190 m，呈矩形形状。东北侧临石栏路，西北侧为杨家镇规划文化中心区，东南侧为杨家镇中学宿舍，西南侧临杨家镇镇区规划道路。用地为洼地，比周边道路平均低3～4 m，地块内北侧较高，其余用地较为平坦(图3～4)。

图3 学校建设地点原貌

图4 学校建设用地范围

小学为18班，学生总数为810人，住校生约300人。校舍由教学与办公楼、宿舍楼、食堂3部分组成，地上1～3层，主要经济指标见表1。

表1 主要技术经济指标

2 总体布局

2.1 用地规划

充分利用现有场地条件进行规划设计，将预留发展用地、操场和其他活动场地共同布置在用地南侧，不但避免了用地南侧土坡上5层宿舍楼对教学楼采光的遮挡，而且为学校未来发展提供了基础条件。利用基地北侧现有的场地高差进行设计，营造高低错落的空间环境，既实现了土地的集约利用，又减少了施工土方量。在主要学生人流方向设置主入口，在城市规划道路中设置次要入口并分别设置广场，以满足短时间内人流疏散的要求。

2.2 功能分区

小学设置了教学区、宿舍区、生活辅助区及体育运动区，包括意外灾害发生时的应急避难空间，并在学校西南侧预留发展用地(图5～6)。

3 建筑设计

3.1 教学主楼

教学主楼中包含了学校所有教学用房和教学辅助用房。教学用房分为3排外廊式平面平行布置。教学辅助用房布置在北侧两排教学用房的东侧，结合学校里一入口，形成类似反“E”字形布局形式(图7)。用回廊将各部分连接成一个整体，在教学区形成一个方便快捷，且能遮风避雨的交通体系。南侧一排教室结合地形下跃一层，既减少了土方量，又丰富了空间形态。开放的空间和围合的庭院景观为室外活动增添了乐趣，符合少年儿童活泼好动的心理特点。从学校入口到大门再到庭院，形成一个简洁的流动空间。靠近西南角的卫生间服务于教学楼及运动场，提高了利用率，同时在主导风向下，避免了不良气体对教学区的影响(图8)。

图8中绿色、红色和黄色区域分别代表教学楼和宿舍楼的卫生间。绿色部分卫生间在东侧开小高窗，减少冬季串味；夏季卫生间处于下风向，不会产生气味影响。红色区域卫生间外侧设置风屏障，减少冬季串味；夏季卫生间处于下风向，不会产生气味影响。黄色部分卫生间在冬夏两季均处于下风向，不会产生串味现象。

3.2 宿舍楼

宿舍楼由男生宿舍和女生宿舍通过3层的连廊连接，形成一个半围合式独立空间。楼内教工宿舍与学生宿舍分区设置，既方便管理又避免相互干扰(图9)。

3.3 食堂

食堂为独立建筑，由厨房和餐厅两部分组成。厨房在建筑西侧餐厅的东侧部分，与教学楼和宿舍形成三角形关系，符合学生日常的生活流线，便于使用。

图8 卫生间位置与风向的关系

图9 宿舍7.200 m标高平面图

3.4 建筑形式

校园的建筑主体采用灰瓦、白墙、木色构件，灰色坡顶结合教室南侧的褐色复合墙体，并结合川西民居穿斗式结构形式，适当运用当地材料，营造简洁明快又不失地方特色的建筑风格。

4 技术策略及运行测试

基于绵阳地区夏季闷热、冬季潮湿的气候特点，以及低成本建设增量和运行成本控制要求，采取以被动太阳能建筑技术为主、主动太阳能技术为辅的技术策略。

4.1 被动太阳能建筑设计

在进行被动太阳能建筑设计时采取由大到小、由整体到局部的设计手法。根据绵阳地区夏季闷热、冬季潮湿的气候特点，以及教学楼、宿舍楼和食堂的使用特点，采用夏季以通风、隔热、遮阳、隔潮为主，冬季以集热、保温、通风为主的被动技术，并按照从建筑群体到节点构造逐步深入的方法进行被动技术设计。

4.1.1 校园风环境设计

充分考虑绵阳地区的风速和风向，以及学校用地周边地形地貌对学校用地内风环境的影响。利用“PHOENICS”建筑环境模拟分析软件，对学校的规划和建筑群体的空间组合进行优化设计。充分利用不同季节主导风向的变化，设计出利于夏季自然通风与除湿、冬季阻挡冷风的建筑空间组合形式，营造出相对舒适的室内外校区环境 (图 10～11)。

4.1.2 建筑外围护结构设计

任何建筑采用各种主动、被动节能技术的首要条件，是建筑物自身应具有良好的保温隔热性能，也就是说，该建筑本身就是一座“节能建筑”。要做到这一点，就要求建筑的维护体系应采用相应的措施，使其具有良好的保温隔热性能。为满足这个要求，本建筑在外维护墙体设计采用复合墙体(图12)，在围护结构外侧复合保温材料，提高墙体的保温隔热性能；在屋面层复合保温材料外，还设置空气缓冲层进一步提高保温隔热性能(图13～16)。在宿舍楼顶设置种植屋面，在保温隔热的同时，为学生营造出另一处趣味活动空间(图17～18)。

图12 复合墙体构造示意图

4.1.3 被动通风设计及运行测试

教学楼采用有利于自然通风的单廊式平面布局，顶层教室结合屋面造型设置天窗，加强顶部房间通风，改善顶部房间夏季湿热环境。教学辅助办公区楼梯间及宿舍南侧设置强化的太阳能烟筒，利用热压通风原理提高室内通风能力 (图 19～22)。

图21 宿舍太阳能烟筒内景图

图22 宿舍太阳能烟筒外景图

通过运行测试表明，开启通风措施后，教室内温度要比关闭通风措施的教室内温度低0.5～1 ℃，宿舍内温度要比关闭通风措施的宿舍内温度低1～3℃ (图 23～24)。

4.1.4 被动隔潮设计及运行测试

在教学楼、宿舍的首层楼板下设置300 mm的架空层，形成空气流动层，在墙体四周设有洞口，通过空气流动将架空层内的潮气带走，有效防止地面湿气进入室内，保护围护结构不受腐蚀(图 25～26)。

图25 架空层隔潮原理图

图26 架空层出风口实景图

通过运行测试表明，架空地板宿舍内的相对湿度要比无架空地板宿舍内的相对湿度低20%～40%(图 27～28)。

4.1.5 建筑采光设计及运行测试

教室南侧外窗上部的1/3处设置百叶遮阳反光板，结合屋檐及南侧的双墙墙体，形成一套完整的遮阳体系。充分利用绵阳地区夏、冬季日照高度角的差别，起到夏季遮阳、冬季透光的作用，起到直接调节室内光环境的效果(图29～32)。

通过有无遮挡的天窗进行对比测试表明，天窗可为室内增加100～200 lux的光照度，有效提高教室内光环境，从而减少人工照明时间(图33)。

4.2 主动太阳能技术应用

在食堂中设置集中浴室和水房，采用太阳能集中热水系统为住宿学生和教工提供淋浴所需的生活热水和饮用开水，方便师生生活(图34)。

5 结语

阳光小学于2012年正式投入使用(图35)。在被动太阳能设计优先、建筑与自然环境和谐的设计理念指导下，灾后重建的校园不仅建设成为学生学习的场所，更是一个显性物质文化与隐性人文精神和谐共存的精神家园 “感谢阳光、感恩爱心”，这是阳光小学学生们的心声。

新建筑对人们的影响，最显著的区别在于加强了使用者与环境的友好互动，培养了学生们对节约能源的意识，养成了环保节能的生活方式和可持续的生活态度。让校园建设与乡村教育共同进步，实现“教育发展”与“环境保护”的和谐共生；让可持续发展的绿色新校园，长久地惠及这片土地以及土地上的子孙。