王晶

（深圳市華匯設計有限公司，廣東 深圳 518040）

1 總體布局及建筑設計

1.1 氣候條件特點

根據《民用建筑熱工設計規(guī)范》建筑熱工設計分區(qū)，我市屬夏熱冬暖地區(qū)，該地區(qū)為亞熱帶濕潤季風氣候，其特征表現為夏季漫長、冬季寒冷時間很短，甚至幾乎沒有冬季，長年氣溫高而且濕度大，氣溫的年溫差和日溫差都小。太陽輻射強烈，雨量充沛。由于這些氣候特點，該地區(qū)建筑物的能耗主要是夏季用于制冷降溫的能耗;建筑節(jié)能技術的熱工設計，涉及防熱、除濕和過渡季節(jié)的自然通風等內容，以夏季防熱節(jié)能為主，冬季保溫基本不考慮。

1.2 總體布局

該建筑物的主要朝向呈南北向布局，東南面和南北面各有一條校園主干道，東北面設有一條湖濱路與校園主干道形成環(huán)狀路網。

為了能讓建筑充分延伸以獲得有利的陽光通風以及寬廣的視野，結合教學樓辦公建筑功能特點，總平面布置上(圖1)，主要用房均坐北朝南，考慮到有些教室、實驗室相對獨立性的要求，分為二幢建筑，1#樓主要由專用繪圖教室、系圖書室、多媒體教室、美術教室、行政辦公教研室等組成，2#樓布置各專業(yè)實驗室和專用繪圖教室，1#、2#樓之間采用連廊連系圍合出較大的生態(tài)庭院，既保證各實驗室與專用教室保持最便捷的聯系，又能保持相對獨立、互不干擾。在建筑的東西兩側留出大片空地種植常綠喬木，以遮擋不利的日光照射。

1.3 建筑設計

1.3.1 良好的自然通風條件

結合我市氣候特點，在總平面規(guī)劃設計時對建筑的朝向、間距、體形等根據場地自然條件進行優(yōu)化設計，1#、2#樓教學用房均坐北朝南布置行政辦公部分與福州地區(qū)夏季主導風向垂直(圖2)，因而建筑獲得較好的自然通風效果，改善了室內熱環(huán)境。

1.3.2 熱緩沖共享中庭

建筑大樓是對師生進行管理和為之服務的場所，因此，在功能上需要開敞空間以提供開放而高效的服務，需要營造和諧的教學氣氛。1#樓3 大功能單元(專用繪圖教室、美術教室、行政辦公教研室)呈三角形布置，圍合成高達11m 共享中庭(圖3)，適應該建筑大樓的特殊要求，保證該專業(yè)學生交流學習的大空間要求。事實上一個經過精心設計并采取合理技術措施的中庭，在建筑的運行和管理過程中能夠充分發(fā)揮生態(tài)效能，從建筑的生命周期來看，可以大大降低能耗費用。因此，在建筑設計過程中，針對氣候這一主要因素，從中庭的平面、剖面、圍護結構、自然采光通風等方面進行全方位的考慮，使中庭具有良好的微氣候及人工生態(tài)環(huán)境的公共空間，與建筑的其他部分及外部環(huán)境一起成為一個有機的整體以達到節(jié)約能源與資源的目的。

(1)對中庭屋頂玻璃的控制與選擇

由于中庭頂部圍護結構采用大面積的玻璃，玻璃熱阻小，透射系數大，夏季太陽輻射熱強烈，沒有遮陽設施的中庭，會造成使用中的光污染和熱舒適程度下降，因此在滿足采光要求下，中庭屋頂透明部分面積與屋面面積的比控制在20%的范圍之內，以滿足《公共建筑節(jié)能設計標準》要求，減少中庭受室外環(huán)境的影響程度。其次中庭屋頂玻璃遮陽采用選擇性透光遮陽——夾膠鋼化低反射中空玻璃，避免陽光直射帶來過多的熱量。

(2)中庭的自然通風

自然通風是當今生態(tài)建筑所普遍采用的一項較成熟且經濟的節(jié)能技術措施，可以在減少消耗不可再生能源的情況下降低室內溫度，帶走潮濕氣體，達到人體熱舒適的效果，同時可以提供新鮮、清潔的自然空氣，有利于人的生理和心理健康。常見的自然通風方式是風壓通風和熱壓通風。風壓通風的前提條件是建筑有較理想的外部風環(huán)境，室內與室外或室內兩個空間之間存在壓力差;而熱壓通風原理，即平常所講的“煙囪效應”。中庭內部在“溫室效應”的作用下，產生垂直方向上的溫度差，進而帶來熱壓力差，形成熱壓通風;另一方面，走廊通道上的風流動將增加吸風效應，與溫室效應產生的空氣浮力相結合，使得中庭相當于一個拔風井，形成良好自然通風循環(huán)系統，對室外溫度很高的夏季，可將熱空氣預先降溫，再送入中庭底部。所以在建筑周圍布置了綠化帶和水體，在中庭入口處增加一道門廳緩沖區(qū)，降低從室外進入的熱空氣溫度。這樣，中庭底部空氣溫度與頂部溫度形成熱壓差，增強了中庭的通風能力。

在各層均開設可開啟通風窗(圖4)，在中庭頂部側面設有排氣口(圖5)，不論在風壓或熱壓作用下都能起到抽風作用，實現“煙囪效應”(圖6)，促進室內良好的自然通風，為中庭帶來新鮮的冷空氣，對內部空間起到熱緩沖的作用。

1.3.3 多功能屋頂

屋頂一直是建筑節(jié)能必須考慮的一大要素。因專用繪圖教室部分層數為6 層比美術教室和行政辦公、教研室部分層數多。因此行政辦公、教研室部分屋頂也是相當重要的第五立面。利用辦公教研室斜屋頂建設室外講演、交流場所，增加了建筑功能，更豐富了建筑的形體變化。同時在斜屋面大臺階兩側和美術教室屋頂設置花池，形成立體綠化，從而達到物理節(jié)能的效果。

2 圍護結構設計

實墻和開窗結合立面形態(tài)的虛實變化進行了合理布置，在需要開窗的場合，結合內部功能和立面造型運用了固定和可移動外遮陽百葉、可開啟百葉窗、low-e 低輻射玻璃等多種具有不同針對性的技術來滿足節(jié)能要求。

2.1 建筑遮陽

為了改善建筑的室內熱環(huán)境，采用遮陽技術無疑是一項重要的技術手段，它不但可以防止眩光，還可以在夏季阻擋直射光透過玻璃進入室內，防止陽光過分照射造成圍護結構溫度過高;在冬季又能使陽光進入室內，提升溫度，減少空調的能量消耗。由于大面積玻璃窗由玻璃和金屬結構組成，而玻璃表面換熱性強，熱透射率高，故對室內熱條件有極大的影響。在夏季，陽光透過玻璃射入室內，是造成室內過熱的主要原因。特別在南方炎熱地區(qū)，如果人體受到陽光的直接照射，將會感到炎熱難受，因此在外窗上設置遮陽系統，可以減少陽光的直接照射，從而避免室內過熱，是炎熱地區(qū)建筑防熱的主要措施之一。鋁合金門窗的保溫隔熱性能受許多因素的影響，其中影響最大的指標就是遮陽系數。遮陽系數是透過有遮陽措施的圍護結構和沒有遮陽措施的圍護結構的太陽輻射熱量的比值。遮陽系數愈小，透過外圍護結構的太陽輻射熱就愈小，隔熱效果愈好。由此可見遮陽對遮擋太陽輻射熱的效果是相當大的。

在低緯度的夏熱冬暖地區(qū)太陽高度角大，對于南窗來說，水平遮陽可以達到很好的遮陽效果，所以教學樓采用南廊設計方案，為了立面的效果，教學樓北面雖然設計了大片落地窗，但在北面大片落地窗內側設計了1m高襯墻，同時在窗外側設有滑軌式可移動的百頁，靈活移動的百葉可進行不同組合設計，使建筑在達到高效遮陽目的的同時，避免了大量統一形式百葉的使用帶來的呆板感。這樣不僅適應了建筑功能要求，而且合理地減小了窗墻比。西南朝向的素描教室外窗采用水平百頁外遮陽方案設計，能遮擋太陽高度角較高的西南方向太陽輻射，遮陽百頁葉片寬 300mm、厚 25mm、間距300mm，傾角的確定兼顧了遮擋夏季日曬以及漫反射采光的需求。為了避免自身的熱傳遞效應，所有百葉系統都被固定在由混凝土制成的立面框架上。這些框架形成了斑駁的陰影，也豐富了建筑形體的細部層次。

2.2 墻體

夏熱冬暖地區(qū)氣候炎熱，夏季最熱月平均溫度20～29℃，冬季最冷月平均溫度大于10℃

除少數天氣較寒冷外，基本可以不用采暖，我市獨特的氣候特點，決定了建筑圍護結構以防熱、遮陽為主。依靠常規(guī)墻體材料來達到隔熱節(jié)能的效果是不可能的，因此，必須采用具有保溫隔熱特性的加氣混凝土砌塊材料作為外墻體材料。

2.2.1 外墻砌體部分構造設計

25 mm 石灰水泥砂漿+190mm 厚加氣混凝土砌塊+20mm 水泥砂漿+面層

傳熱系數K=1.15W/(m2·K)

2.2.2 外墻鋼筋混凝土墻體部分構造設計

25 mm 石灰水泥砂漿+混凝土墻體 (取最不利的梁厚250mm 為準)+25mm 厚聚苯顆粒保溫砂漿+5mm 厚聚合物抗裂砂漿+5mm 厚面磚

經計算，總熱阻R0=Ri+∑Rk+Re=1/hi+∑δk/λkak+1/he=0.693（m2·K）/W

傳 熱 系 數 K=1/R0=1/0.693=1.443W/(m2·K)

滿足規(guī)范要求:K≤1.5W/(m2·K)

2.3 建筑外窗

與墻體比較，窗戶是輕質薄壁構件，是建筑保溫、隔熱、隔聲的薄弱環(huán)節(jié)。夏季通過窗戶的太陽輻射熱將增加室內空調能耗。因此窗戶是建筑，節(jié)能的關鍵部位是節(jié)能技術的重點。保溫性能，和隔熱性能是窗戶十分重要的熱工性能。窗戶保溫性能是衡量阻隔室內外溫差傳熱的能力，用傳熱系數K 來表征，窗戶隔熱性能是衡量隔離太陽輻射熱進入室內的能力，一般用遮陽系數SC 來表征。這些節(jié)能參數具體反映在外窗的傳熱特性和氣密性。

經過計算建筑窗墻面積比:東面為 0～0.330，面為 0～0.370，南面為 0.325～0.453，北面為 0.506～0.523，均小于 0.7，滿足《公共建筑節(jié)能設計標準》要求。

外窗的選型:因窗墻面積比較大，熱損失是個較為突出的問題。為了獲得良好的景觀視野和滿足充足的采光需求，增強立面視覺效果，這樣就使透明的圍護結構占據了外墻面的很大一部分，而這些透明的窗戶也經常是建筑的冷橋所在。目前廣泛應用的節(jié)能玻璃，除中空玻璃外，還使用Low-e 中空玻璃，這種玻璃對可見光保持較高的透過率，而對紅外長波段透過率卻很小，幾乎為零。此外，由于Low-e 玻璃表面具有很低的長波輻射率，可以大大增加玻璃表面輻射換熱的熱阻從而具有良好的保溫性能。但這種窗造價較高故應有選擇性的采用。本工程的窗墻比均在0.300～0.523，外窗熱工性能應滿足:K≤3.0～3.5W/(m2·K)，遮陽系數 SC≤0.35(東、南、西向)/0.55(北向)，北向窗選用塑鋼窗Low-e中空玻璃，其傳熱系數 K≤2.5～2.0W/(m2·K)、遮陽系數SC≤0.55～0.40，滿足《公共建筑節(jié)能設計標準》中K=3.0W/(m2·K)、遮陽系數SC≤0.55的要求，外窗的氣密性不低于GB 7107-2002《建筑外窗氣密性能分級及檢測方法》規(guī)定的4 級要求。

2.4 建筑物的屋頂

受陽光照射的建筑物屋頂，表面溫度比其他圍護結構高得多，對室內溫度影響很大，頂層房屋冬冷夏熱現象十分明顯。因此，應對屋面進行保溫隔熱:構造設計(從下至上):

25 mm 石灰水泥砂漿+110mm 鋼筋混凝土板+20mm 水泥砂漿找平層+防水材料+30m厚擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板+40mm 厚鋼筋網細石混凝土+屋面面層

各材料導熱系數 λ/W ·m-2 ·K-1，蓄熱系數S/W ·m-2 ·K-1

傳熱系數 K=0.88W/(m2·K)

熱惰性指標 D=2.66

滿足規(guī)范要求:K≤0.90W/(m2·K)

當然，還可從建筑設計角度考慮在屋面設置蓄水池和屋面定時噴灑水系統使屋面降溫，也將對夏季屋面的隔熱降溫起到很好的作用。

3 建筑通風與設備節(jié)能設計

鑒于建筑系館的規(guī)模及使用特點，設備工程師提出采用高效的變冷媒流量的空調系統(VRV 空調系統)，這類機組的主要優(yōu)點是:各房間有獨立的空氣調節(jié)控制手段，可使每個房間(除中庭空間外)得到各自滿意的舒適溫度;變頻控制節(jié)約能源，其能效比遠大于常規(guī)空調機組及房間空調器。

由于VRV 空調系統主機放置在屋面上，室內無需設置冷熱源機房，節(jié)省了建筑面積，使建筑布局更加靈活，其室內氟利昂管線尺寸也小于排水系統，更小于送風系統，因此，對層高的要求較低。在節(jié)約造價的同時使建筑造型更加舒展。通風系統設計上，強調結合建筑形態(tài)以自然通風為主，獨立的新風系統和局部排風系統為輔。

4 結語

建筑系館的建筑設計是一次運用“綠色形態(tài)”理念進行節(jié)能設計的嘗試，初步探討了夏熱冬暖地區(qū)教學辦公建筑充分發(fā)揮自然采光、通風保溫隔熱等優(yōu)勢的設計策略。由于全都采用常規(guī)的建筑材料和建造技術，整體造價相對低廉，所以，必須承認該建筑在生態(tài)節(jié)能技術方面還相對初級，因工程造價方面的因素，許多更先進的節(jié)能設計技術如雙層通風玻璃幕墻、帶空氣間層的雙層砌塊墻、太陽能、風能可再生能源應用技術等沒有在本工程中得到應用。

[1]路明.高校校園建筑節(jié)能設計探討[J].山西建筑，2009-01-10.

[2]指導高校校園建筑節(jié)能工作[J].建設科技，2010-01-25.