绿色生态校园的建筑设计研究

王　淼

(成都木原建筑设计院，四川成都 610000)



绿色生态校园的建筑设计研究

王淼

(成都木原建筑设计院，四川成都 610000)

【摘要】在校园中，教学建筑是教育环境的主体，它占据了校园中绝大比重的面积。所以作为教育事业的核心物质载体，应该以空间舒适与健康环保作为构建原则。尤其是在倡导绿色环保以及科学技术已经达到一定水平的今天，为师生打造一个利于学习效率与身心健康的绿色生态校园环境则更为关键和现实。鉴于绿色节能环保等现代理念为校园设计低能耗、拥有自然通风的教学建筑就是论文将要讨论的主要课题。

【关键词】教学建筑；绿色;生态校园；节能；自然通风；设计

就目前我国学校的现状来看，绿色设计理念和对体验的要求都较为薄弱匮乏，而且大部分教学建筑取暖所采用的都是燃煤和火力发电这样的不可再生能源。它们不但能耗较大而且会对校园内外生态产生一定环境污染。如果为校园融入新的绿色生态环保设计概念，则会缓解这些现实问题。

1绿色生态教学建筑的节能设计策略

对绿色生态校园的建设其主要针对对象就是教学建筑，而对教学建筑的主要环保设计理念则要从低能耗开始。

1.1节能型建筑围护技术系统设计

围护技术主要针对教学建筑的墙体和门窗展开，它的核心作用就是隔热、御寒、通风。目前较为优秀的节能型建筑围护技术系统主要有以下几种设计理念。

1.1.1保温隔热墙体设计

首先是对建筑外墙体的保温隔热设计，它更适用于一些北方寒冷地区的校园建筑。而且从整体技术来看，它的夏季保温能力也值得认可，可以抵御一定室外热量的传入。针对这种墙体设计的主要要点就在于对保温材料、构造方式以及保温层放置位置的选择。一般来说，建筑外墙的保温隔热层会根据其放置位置的不同而分别设置外置保温层。中间保温层以及内置保温层，如果是建筑较高部位，其厚度也会相应增加。在现实中外置保温层更为常见，它利用了更优秀的小导热系数材料，从建筑最外部直接提升了墙体的热阻，而且其成本最低，因而被大多数校园建筑设计所采纳。

1.1.2“呼吸墙”的设计

“呼吸墙”的特点就是能隔热和通风，也被叫做双层皮外墙。它是一种玻璃墙。双层皮外墙中的外层所采用的多为抗冲击性能较高的安全玻璃，而内部的空气夹层则设置了遮阳百叶窗，它有调节室内太阳紫外线辐射的作用。到了冬季，这种“呼吸墙”能够最大限度降低室内热量的散失，这是由于它的幕墙内层部分采用了具有强大热阻能力的中空玻璃。而为了体现呼吸墙的“呼吸”特性，幕墙外层还专门设计了通风口，可以在夏季打开通风，并借助气流热压的通风原理来为幕墙内外层形成空气源，在达到通风效果的同时也带走了大量的太阳辐射热能，为室内人工降温(图1)。虽然这种外墙设计成本很高，但是对于建筑长期使用来说，不但可以降低空调的使用量，降低能耗，也能保证室内人的健康，所以为校园建筑设计使用呼吸墙应该是具有长远利益的[1]。

图1　双层幕墙“呼吸墙”的结构设计图

1.1.3防晒墙的设计

建筑外墙除了保温隔热还能防晒。某些校园的教学建筑会为墙体外部增加防晒墙，它一般设置在建筑的东西两侧，针对太阳一天的运行轨迹来为室内房间防晒。它的主要设计原理是为东西两侧墙体增加防晒层，提升建筑外部围护结构对太阳辐射的抵御性能。在建筑外墙与防晒墙之间的空隙，一些受到室外太阳辐射而温度上升的空气会与室内空气形成对流，将建筑墙外的热量陆续带走，就达到了外墙防晒的效果。

1.2节能门窗设计

门窗是建筑的关键部分。从生态环保角度讲，建筑生态环境的提升应该从对门窗的通风采光作用打开思路。室内虽然有墙体保温，但是频繁的开窗开门还是会造成一定的热损失。据数据统计，由于门窗的不封闭结构特性所造成的热损失可以达到建筑热损失总量的46 %，从节能角度讲，这也和玻璃门窗框的热阻值小有关。所以为了控制门窗热损失，提升建筑节能效果，目前的设计方案主要有以下4种。

1.2.1控制和降低门窗开放面积

《公共建筑节能设计标准》主要针对我国北方寒冷地区。南向窗墙的面积不应该超过0.35，而北向窗则不应该超过0.25，东西向窗不超过0.3。这里所指的墙与窗之比是指整窗面积与房间立面单元面积之间的比值。

1.2.2提升玻璃的保温性

多层玻璃和中空玻璃都能利用玻璃间所存在的空气间层来形成高热阻力，进而为建筑提升保温性。如果安装Low-E低辐射玻璃就会为建筑降低红外长波热辐射热量50 %～70 %，而如果可以将Low-E低辐射玻璃与普通玻璃形成双层中空结构，还可以保持室内日照程度。在冬季，它可以将日照的长波热辐射反射回室内；而在夏季，它又能阻挡室外长波热辐射进入室内，为室内带来冬暖夏凉的效果。

1.2.3提高热阻值

为了提高外窗热阻值，一般会选择经过了断桥处理的金属或塑料窗框，这些窗框导热性小，能够配合多层玻璃窗的中空间层来提升建筑的保温特性。

1.2.4提升外窗气密性

外窗气密性提升也能够降低室内的热损，它考虑到了外窗窗框、窗扇之间缝隙所带来的冷空气渗透，所以一般在这两处设置减压槽，可以一定程度降低空气涡流，降低冷风的渗透率，保证室内温度。

1.3屋顶生态设计

屋顶是校内建筑长期接触太阳直接辐射的建筑结构，它对建筑顶层教室的热环境影响巨大。所以屋顶的保温隔热设计也要考虑。在屋顶设置种植屋面是较好的绿色环保方案。

种植屋面的主要材料是土壤。土壤具有较好的热惰性，可以为建筑顶层房间形成保温隔热效果。另外，屋顶植被是能够吸收大量太阳光形成光合作用的，所以这种对建筑屋顶的设计对建筑内外环境来说既能美化生态又能改善环境。在设计方面，可以制作钢筋混凝土屋面面板来作为温控板，并观测它的温度变化，保证它能在冬夏两季都具有较稳定的保温隔热性能。而在绿色植物选择上则最好选择一些对辐射吸收能力较强且喜光的植物，比如芦荟、一叶兰、龟背竹、石榴、米兰等等，关于植物的选择也要根据所在地区不同而定。种植屋面结构示意见图2。

另外，也可以为建筑屋顶设计蓄水隔热屋面。水不但能够蒸发来抵御太阳直接照射所产生的热量，水面对阳光的反射也能降低阳光辐射。而到了冬季，蓄水隔热屋面还能起到保温的作用。一般来说，蓄水隔热屋面的水层适宜深度应该在150～250 mm范围内[2]。

2绿色生态教学建筑的自然通风设计策略

自然通风较比机械通风更能令人感觉舒适，而且在过渡季节，自然通风节能效果最为突出。教学建筑是人员密集的场所，空气质量较差，如果拥有好的自然通风设计，则可以改善建筑内空气品质，平衡室内热环境，为学生提供较为健康的学习环境。目前教学建筑所存在的问题就是室内空气与室外新风交换不足，没有达到良好的自然通风效果，甚至在依靠空调、换气扇等机械设备进行通风，无法确保建筑内的空气品质。

2.1基于建筑群体布局的自然通风效果分析

群体建筑如果想取得较好的自然通风效果，应该采用斜列式或错列式的平面布局。这两种方式可以将自然风从斜向导入建筑群体内部，保证建筑群体内有一定程度的空气流动，形成自然通风循环。另外，对群体建筑实施自由排列布局也可以为自然通风带来一定效果。比如不同高度的建筑物之间相互作用会带来较大的空气湍流，从而增加风速。风速一旦扩大就会增大建筑的迎风面风压。所以高度不同且自由排列的建筑也有利于整体自然通风效果。举例来说，3栋高20 m、长15 m、宽40 m的教学建筑前后间距保持在30 m，它的风速矢量距离地面就应该在1.5～3 m范围内。这种群体式建筑组合可以将自然风引入它们所组成的围合结构，形成建筑区内的通风环境，促进各个建筑内外部的自然通风作用。

2.2基于建筑单体结构的自然通风效果分析

如果从建筑单体来看，教学建筑在平面类型上基本分为单廊式、内廊式和中庭式。本文主要介绍自然通风效果最好的单廊式。单廊式的建筑进深布局不宜设计过大，这是因为进深过大可能会影响建筑的内部各个房间无法形成穿堂风，导致通风流的闭塞。所以为了达到最好的室内通风效果，应该在建筑设计时就注意门窗的开合和所处的高度。

2.2.1窗口的高度

教学建筑中的窗口高度设计应该以自然通风效果为基准，而且出于学生安全考虑，可以将窗洞口位置设计偏高一些，这样也符合窗口越高风速越大的原则，从而形成较为有利的建筑内外通风环境。较为常规的窗洞口高度设计约为0.9～1.1 m。而对整个建筑来说，进深一般设置在8～10 m，层高4 m，进风口保持在高2.1～2.8 m，宽8 m，出风口高1.2～1.5 m，宽8 m，窗台高1.8～2 m较为适宜。

2.2.2门窗的开合方式

门窗的开合方式对自然通风的组织性具有很大影响。教学建筑建议采用平开窗和旋转窗这两种方式更好。它们与传统的推拉窗相比，能更加精细化的调整窗扇的开启角度，从而根据风向引风入室，具有良好的导风特性。悬窗与平开窗也是本文建议使用的类型，它们的可开启面积更大，可以更有利增加建筑的通风口面积。所以总体来说校园教学建筑采用可开启门窗更加合理。

3某校教学建筑中庭的通风改善设计方案

3.1存在的问题

为了更好证明自然通风对于教学建筑的重要性和可行性，本文以某校的校园教学建筑中庭通风改善作为设计案例，简要对其设计进行解读。

首先，该校教学建筑中庭的设计主要是结合了教学楼内教室的自然通风现状展开。在建筑北向的教室进深为8 m，宽度为1 m，此次改善是希望通过教室内侧的外墙开窗来间接获取中庭的自然通风，将中庭与教室的自然通风渠道连接起来，形成整体设计。目前的自然通风问题有以下两点。第一，中庭顶部的天窗是封闭的不可开启设计，这让中庭无法利用风压、热压通风原理为教室组织有效流通气流；第二，教室内侧墙体也没有设置可开启的通风窗口与门头梁子，无法利用室外有效气流为教室形成穿堂风，同时它也降低了建筑中庭内部的空气流通效果。

3.2改善方案

首先，将中庭顶部的玻璃天窗改为可开启式，保证室外风能够从教学建筑南侧吹入建筑内，同时确保建筑内的1～3层窗户能受到风压作用从而为室内引入大量室外风。当室外风大量进入建筑后就会为建筑空间形成向上的收缩空气流，为建筑内部北向形成负压区，与中庭形成空气对流，这就改善了北向教室的室内通风状况。

另外，根据风压、热压的同时作用情况，也可以了解教室内的自然通风情况。图3模拟了教室内的风压热压对教室的作用状况，可见室内的整体空气流通状况比较顺畅，而且室外风进入室内也没有发生较快的衰减。室外自然风也能在中庭可开启天窗的组织运作下，结合教室门窗实现教学建筑内外的自然通风作用[3]。

图3　教室自然通风优化后中庭的自然通风效果模拟图

4结束语

本文通过建筑保温隔热节能和自然通风作用改善两方面探讨了目前绿色生态校园教学建筑的设计方案，事实证明想要构建绿色生态校园建筑的根本还是要灵活适应本地气候环境，形成有针对性的设计对策。目前我国各地区校园的绿色生态设计意识还未全面普及，学校应该根据自身条件和所在地区，因地制宜的建设适合于自己的绿色生态环境，为改善校园学习生活环境，也为推动地方建筑水平的快速提高。

参考文献

[1]张娟.教学用房绿色节能建筑设计[J/OL].城市建设理论研究,2013(11).

[2]曹燕华.绿色校园建筑节能设计——以复旦大学江湾校区新建环境科学楼为 例[D].复旦大学,2013:5-11.

[3]贺栋.郑州地区教学建筑绿色节能设计研究[D].郑州大学,2012：18-44.

[作者简介]王淼(1970～),男，本科，工程师，一级注册建筑师，从事建筑设计工作。

【中图分类号】TU244

【文献标志码】A

[定稿日期]2015-11-02