严寒地区高校教学建筑绿色改造策略研究——以东北大学大成教学楼为例

张慧

（东北大学江河建筑学院）

1 研究背景

当前我国既有建筑存量大、能耗高、寿命短、问题突出[1]。如果不实施改造，将会浪费更多的资源，同时影响使用效果，高校建筑亦是如此。2020年，教育部学校规划建设发展中心组织编写形成《高校既有校园绿色规划建设指南》，结合我国绿色校园发展的目标要求和实际情况，提出既有校园绿色化改造评估内容清单，流程与内容，要求做到基础调研，绿色评估，系统优化，规划实施。这对高校教学建筑改造，尤其是严寒地区高校教学建筑改造提出了更加具体的要求。但目前相关研究大多在理论层面与局部改造策略上较为深入，对于整体绿色改造体系、路线尚不完善，缺乏整体设计考虑。

2 项目概况与问题分析

2.1 项目概况

大成教学楼位于沈阳市东北大学南湖校区，由校友捐赠，东北大学设计研究院设计，沈阳双星建设集团完成建设，距今已使用二十年有余。

建筑布局采用阶梯教室与普通教室南北并行布置的策略，北侧六层，南侧四层。条形中庭的东西两侧布置连接南北走廊的剪刀梯，与其相邻的是卫生间与设备间等黑房间。中庭顶部是三块弧形天窗与相应机械通风设备。立面设计上充分考虑严寒地区的保温性能，采用窄条形小开窗，并考虑到遮阳效果，使窗间墙突出，契合校园整体风格。

2.2 沈阳气候特点

沈阳位于我国第I气候区，属暖温带半湿润季风性气候。春温回升快，日照足，风力强盛，相对湿度低，降水变率大，蒸发量大，空气干燥；夏热，多阴雨，空气湿润；秋短，降温快。四季气候分明，年平均气温变化较大，各气象要素变化较为明显。

2.3 问题阐述与分析

从外环境来看，建筑位于校园东南角，周边旷地较多。北侧与采矿馆之间有一片绿地，西侧为人群活动较多的篮球场，南侧为宿舍后勤区，人群活动较少，东侧为采矿冶金实验室，建筑较为低矮。此外西北侧的高层综合楼也会对建筑外环境造成影响。

通过现场踏勘与问卷访谈，我们发现以下四点是使用者普遍认为存在的问题：①室内冬季阴冷，夏季闷热，依靠大量机械通风；②天窗材质形成蓝绿色光线，视觉与心理体验不佳；③教室采光与通风较差，影响教学体验；④室内缺乏交流研讨场所，相应需求无法满足。

通过斯维尔软件模拟分析，我们另外发现以下改造切入点：①受北侧旷地影响，在冬季主导风向作用下，北侧主入口风速较大，体感不佳；②北侧入口缺乏门斗等保温措施，导致冷风直接渗入，影响一层热舒适指标；③建筑西侧与北侧均为旷地，且位于高层建筑角部，冬季防风较为薄弱；④中庭顶部直射光较强，底部由于高宽比较大，采光效果并未有明显改善，整体采光不均；⑤底层空间冬季热舒适水平未能达标，影响教学环境；⑥内廊式教室靠近中庭一侧的界面封闭，并未从中庭天窗得到采光改善；⑦南侧教室进深较大，采光不均，内侧照度低；⑧北侧教室由于立面凹凸变化得光率不高，全阴天模拟室内照度不能满足要求；⑨两类教室均为一侧开窗，不能形成内部通风路线，尤其在冬季，依靠机械通风，室内空气较差；⑩受建筑西侧篮球场影响，在使用时间段内，受到噪声干扰较大。

中庭天窗面积较大，弧形形式未能满足节能要求。

3 整体优化路线与改造策略

3.1 技术路线

以中庭底部昏暗，光线分布不均的问题为出发点，将中庭黑房间置换为核心筒结构，改善采光通风的同时兼具生态调节，雨水调蓄等功能，以此带动如天窗，阳光房，研讨模块等策略的改进或增设。希望在节能，采光，通风，热舒适与促进人群交流等不同层面进行整体把控，形成“光的相遇”与“人的相遇”的相互映衬（见图1）。

图1 改造前后模型对比

3.2 光策略

中庭采光筒设计：不透光反光板主要集中于光筒上部，起到聚光和导光的作用；透明玻璃板主要集中在光筒下部，将上部汇聚下来的光发散出去，解决建筑底层阴暗的问题。

中庭天窗形式与材质优化：将弧形天窗改为锯齿形，材质采用聚碳酸酯板和Low_e玻璃。夏季太阳高度角较高时可避免阳光直射，冬季太阳高度角较低时又可以充分利用太阳光。

中庭界面材质改变：改善反射率与视觉效果，从而优化中庭整体光环境。

教室立面反光板：改善南侧采光不均以及北侧采光不足的问题，同时教室内侧界面增加高窗，引入中庭光线，使教室内照度达到标准要求。

教室界面材质优化：使室内光线更加均匀，避免眩光。

3.3 风策略

中庭通风筒设计：利用热压加风压作用引导和加强自然通风。太阳辐射到采光筒表皮，加热两侧风筒内空气，产生热压差，热空气上升从南侧出风口排出，形成空气循环流通。

教室增加侧高窗：教室靠近中庭一侧墙体设置高窗，中庭一侧风速大，教室内侧风速小，形成压力差，从而形成由迎风面流向背风面的空气流动。

底层门斗设计：根据冬季主导风向在北侧主入口设置避风门斗，规避冷风渗入，改善入口及底层人体舒适度。

3.4 声策略

教室隔声构造优化：在教室内部设置槽木吸音板墙面及穿孔石膏吸音板吊顶等，利用孔隙共振原理和吸声材料优化教室声环境。

室外声屏障设计：利用植物声屏障降低道路沿线交通噪声污染，并采用乔灌草复合种植结构以充分发挥林带降噪效果。

3.5 热策略

中庭雨水调蓄：核心筒结构底部增设雨水调蓄模块，通过渗水材料和构造收集的雨水可以用于植被浇灌，冲厕等，也可以用作景观水体的补充水源。

中庭生态仓：核心筒结构每层设置生态仓，利用植被和土壤传热系数较低的特点，对夏季隔热和冬季保温起到积极影响。同时，中庭的内部绿化对室内微气候的调节也有积极作用。

底层特隆布墙：在南侧一层外墙处设置特隆布墙，白天吸收太阳辐射热，夜间利用烟囱效应通风[2]。

室外生态环境优化：建筑外围栽种植被遮挡风沙，调节风速，保持空气温湿度，同时净化空气，起到遮阳，降噪的作用；增加室外水体，调节建筑环境的温湿度以及通风，改善局部微气候；室外应用渗水砖，改善公共环境热，湿环境，同时起到防尘降噪的作用。

3.6 节能策略

外墙保温构造优化：采用工业化生产的保温装饰复合板，以聚氨酯泡沫塑料或EPS板、XPS板为保温层，表面涂以仿瓷、仿天然石材的铝板或氟碳材料、面砖等，构成保温装饰一体化外墙外保温技术[3]。

外墙门窗构造优化：除门斗避风设计之外，利用扇和框之间的缝隙密封胶条，提高气密性；采用断热铝合金保温门窗，改善窗框保温；采用中空Low_e玻璃，改善保温性能。

天窗形式与材质优化：锯齿状天窗垂直面采用Low_e玻璃，具有优异的隔热效果和良好的透光性，注重热量控制和内部阳光投射舒适平衡；斜面采用聚碳酸酯板，冬季保温隔热，夏季防紫外线，阻止热气侵入。

4 改造效果模拟预测

为了避免改造效果不理想，造成资源浪费，采用计算机模拟分析技术，综合以上绿色改造措施，对改造效果进行模拟预测，以判断改造实施效果[4]。模拟分析采用DALI、SEDU、VENT、BECS、ITES系列软件（见图2）。

图2 改造前后模拟分析对比

5 结语

本文以东北大学大成教学楼改造为例，结合所在地的气候特征、项目现状及主要问题，研究分析了适合严寒地区高校教学建筑绿色改造的技术路线。采用计算机分析技术，模拟预测了实施综合技术改造措施后可能达到的效果，验证了方案的合理性，也为进一步开展严寒地区高校教学建筑绿色改造工作与改造方案评估提供了切实可行的优化路线[5]。