趙 暉，梁翰月

（1.長春工程學(xué)院建筑與設(shè)計學(xué)院，長春130021；2.東北師范大學(xué)中信附小幼兒園，長春130000）

0 引言

建筑節(jié)能工作作為我國建筑行業(yè)由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變時期的一項重要舉措，對改善人民生活質(zhì)量及工作環(huán)境，減少溫室效應(yīng)的影響，起著至關(guān)重要的作用。

幼兒園建筑在新世紀(jì)教育趨勢的影響下，如雨后春筍般地涌現(xiàn)出來，幼兒建筑受幼兒心理學(xué)、色彩學(xué)及建筑學(xué)的影響，有其特定的形體特征，形象上往往過于追求形體活潑、變化、色彩豐富等表面文章，其針對嚴(yán)寒地區(qū)的建筑來講，其結(jié)果勢必會帶來較大的建筑能耗及城市色彩污染。

我省在建筑節(jié)能“十二五”專項規(guī)劃（草案）中，明確規(guī)定了公共建筑50%的節(jié)能目標(biāo)?；谶@樣的研究目的，本文從長春既有幼兒建筑能耗現(xiàn)狀著手，結(jié)合翔實的數(shù)據(jù)信息和實態(tài)調(diào)研資料，采用現(xiàn)代化的計算機(jī)模擬設(shè)計軟件及數(shù)學(xué)分析理論方法，總結(jié)得出幼兒建筑的能耗特征，為一線的建筑設(shè)計人員提供借鑒。

1 長春地區(qū)既有幼兒園建筑的能耗現(xiàn)狀分析

幼兒園建筑作為公共建筑的一種類型，其功能組成主要為幼兒教學(xué)單元，其發(fā)展模式受學(xué)前教育思潮的影響較大。我國的幼兒教育在發(fā)展初期主要學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)的教育模式，采取“以教師為中心”、“傳授知識為主”的教學(xué)體制，體現(xiàn)在建筑功能形式上，選擇封閉式教學(xué)單元的平面形式較多（見圖1）。其弊端是不利于幼兒的主觀能動學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，對幼兒的啟蒙教育制約較大。傳統(tǒng)教學(xué)模式下的幼兒建筑平面采用廊式組合居多，內(nèi)部功能組織不夠靈活，夏季自然通風(fēng)效果不好，冬季保溫能力差，能耗負(fù)擔(dān)較大。

圖1 傳統(tǒng)封閉式教學(xué)形式

隨著學(xué)前教育體制的改革，引進(jìn)了很多國外新型的開放式教學(xué)理念，“以人為本”的建筑創(chuàng)作思維正逐步在幼兒建筑作品中顯現(xiàn)，“人”——幼兒的生理、心理特征成為幼兒建筑創(chuàng)新設(shè)計的本源，提供幼兒主動學(xué)習(xí)、交往的公共教學(xué)交流空間應(yīng)運(yùn)而生。建筑形式上，正逐步打破傳統(tǒng)的封閉式教學(xué)單元，向開敞式大空間轉(zhuǎn)變。建筑形式上的變化也必將引起建筑能耗的變化，進(jìn)入21世紀(jì)以來，可持續(xù)發(fā)展的觀念正成為一個壓倒性的議題，不斷激化的環(huán)境與能源危機(jī)問題，對建筑師來講既是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時也是一個難得的機(jī)遇，要求我們必須以創(chuàng)新的角度和視野，來創(chuàng)作舒適、安全、低碳環(huán)保的幼兒生活環(huán)境，在建筑的舒適性與生態(tài)節(jié)能中尋求平衡點(diǎn)。

對于建筑設(shè)計來講，詳細(xì)的實態(tài)調(diào)研是一項不可或缺的工作，它會為我們的設(shè)計提供堅實的支撐，也會賦予我們的設(shè)計作品更強(qiáng)的生命力。在課題研究期間，針對研究內(nèi)容結(jié)合實際教學(xué)工作進(jìn)行了為期一個月的幼兒園建筑實態(tài)調(diào)查，問卷的主要內(nèi)容圍繞既有幼兒園建筑能耗現(xiàn)狀展開，調(diào)查對象確定在具有典型嚴(yán)寒地域特征的長春地區(qū)，分別為：東北師大幼兒園（自由校區(qū)）、吉林省委機(jī)關(guān)第一幼兒園、吉林省農(nóng)委幼兒園、東北師大中信城幼兒園、長春市政府幼兒園（一園）。調(diào)研對象的建設(shè)年代由20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在，規(guī)模為12班～18班，對長春地區(qū)幼兒園（公立）來講具有一定的代表性。

表1 調(diào)研對象基本概況

通過問卷結(jié)果的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)主要問題體現(xiàn)在：

（1）既有幼兒園建筑能耗較大

建于20世紀(jì)70年代的東北師大幼兒園（自由校區(qū)）、省農(nóng)委幼兒園存在著建筑熱工性能明顯不足的現(xiàn)象。首先是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)沒有保溫層，傳統(tǒng)墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)過大，產(chǎn)生冷橋現(xiàn)象普遍；其次，建筑門窗透風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重，為保證室內(nèi)幼兒活動的舒適性，采暖壓力較大；第三，供暖設(shè)備的保溫效果不好，供暖設(shè)施效率不高。

（2）幼兒公共活動空間不足

現(xiàn)有幼兒園建筑中，公共活動場地有限，而且均不具備遮風(fēng)、擋雨及保溫設(shè)施，既使提供了相應(yīng)的空間，利用率也偏低，無法適應(yīng)現(xiàn)代的教育需求，對幼兒的啟蒙教育和智力發(fā)展不利。

由此，針對建筑設(shè)計人員來講，如何適應(yīng)新型的幼兒教育體制特點(diǎn)和建筑節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，本著經(jīng)濟(jì)、美觀、節(jié)能的設(shè)計原則，創(chuàng)作全新的現(xiàn)代化節(jié)能型幼兒園建筑，是在新時期必須面對的新課題。

眾所周知，幼兒園建筑最重要的組成內(nèi)容就是幼兒活動單元。無論是空間使用效果、建筑設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計，還是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)等，無一不是圍繞如何提高幼兒生活環(huán)境舒適性展開的。傳統(tǒng)的封閉教學(xué)單元多采用線性組合布局方式，尤以廊式組合居多。這種布局方式的優(yōu)點(diǎn)是聯(lián)系緊密，環(huán)境舒適。缺點(diǎn)是空間相對封閉，布局僵化、不靈活，尤其是內(nèi)部橫墻較多，使用面積系數(shù)較低。從設(shè)備運(yùn)行角度來看，小開間的布置方案，不適合中央空調(diào)集中供熱，多采用分體空調(diào)做能量補(bǔ)充系統(tǒng)。

從建筑體形系數(shù)分析看，當(dāng)體形系數(shù)數(shù)值較大時，則表明建筑與外界接觸的表面積越大，因此其向外界傳熱量也越大。當(dāng)建筑的外墻導(dǎo)熱系數(shù)與窗墻比為定值的前提下，其能耗指數(shù)將隨建筑層數(shù)的增加呈線性上升的趨勢，直到建筑層數(shù)達(dá)到10層以上時才會趨于穩(wěn)定。另外，具統(tǒng)計，接近正方形的平面與其他形式相比，熱損耗是最小的。特別是平面形式復(fù)雜、凹凸變化較多的平面對建筑節(jié)能是不利的，幼兒園建筑一般不會超過四層，這一現(xiàn)象在幼兒建筑的形體關(guān)系上反應(yīng)得尤為突出。

現(xiàn)行的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，無論選用哪一種保溫材料，具體的構(gòu)造方案主要有兩種：（1）選擇導(dǎo)熱系數(shù)小強(qiáng)度高的砌體材料，如：隔熱磚、加氣混凝土空心砌塊、陶?；炷敛牧系?；（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用高強(qiáng)承重材料與保溫材料的復(fù)合墻體構(gòu)造措施。幼兒建筑往往會選擇后一種方案。在主體結(jié)構(gòu)的表層設(shè)置保溫層或夾心保溫的復(fù)合保溫墻體做法是目前建筑節(jié)能技術(shù)上比較成熟的構(gòu)造方案，優(yōu)勢體現(xiàn)在：（1）既可以降低墻體的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，又可以保證主體結(jié)構(gòu)的耐久性；（2）保證室內(nèi)熱穩(wěn)定的同時，墻體的整體性好；（3）可有效地防止墻體出現(xiàn)凝結(jié)水；（4）嚴(yán)寒地區(qū)的建筑外墻避免出現(xiàn)“冷橋”現(xiàn)象。

因此，在嚴(yán)寒地區(qū)的幼兒園建筑采用外保溫的構(gòu)造方案是建筑節(jié)能技術(shù)切實可行的方法?？晒┻x擇的材料有聚苯乙烯保溫砂漿、苯板、擠塑板及聚氨酯板等。巖棉類高效外墻保溫材料在其他國家采用的較多，但對防水要求相對嚴(yán)格。

2 幼兒園建筑的體型與節(jié)能

為了研究幼兒園建筑體型與節(jié)能之間的關(guān)系，我們分別從建筑的總體布局與建筑單體2個方面加以分析。從建筑總體來看，建筑作為獨(dú)立的使用對象，其所處的位置、形狀、表面積的大小都會影響到太陽輻射量的接收。另一方面，幼兒園建筑作為一種特殊的建筑類型其自身特有的功能要求也決定了其特有的建筑形式。如何將這兩方面的影響因素有效地結(jié)合在一起，發(fā)揮其雙重效應(yīng)是重點(diǎn)要討論的內(nèi)容。

2.1 建筑的總體布局

不同形式下的建筑布局吸收太陽輻射的差別較大。假定太陽輻射條件相同的前提下，利用計算機(jī)模擬軟件，觀測不同平面關(guān)系的建筑物，對比分析接收太陽輻射的特征及差異。

我們使用的DOE2模擬設(shè)計軟件是近年比較成熟的由建筑師研發(fā)的仿真建筑設(shè)計技術(shù)，具有快速、高效、操作簡單、測試結(jié)果可靠、直接的特點(diǎn)。

2.2 建筑的選址要求

幼兒園建筑的選址首先應(yīng)考慮建筑與環(huán)境的關(guān)系，充分利用自然地形地貌，保護(hù)原有自然環(huán)境。古人早就利用“風(fēng)水”學(xué)說向我們闡明了建筑要融入環(huán)境的設(shè)計理念。“氣乘風(fēng)則散，界水則止，古人聚之使不散，行之便有止，謂之風(fēng)水”。［1］這其中所蘊(yùn)含的科學(xué)理論依據(jù)完全可作為現(xiàn)代幼兒建筑基地選址的指導(dǎo)。

（1）選址應(yīng)首先考慮當(dāng)?shù)氐淖匀坏匦蔚孛?，以“山南水北之陽”為選址原則，充分利用自然通風(fēng)，避免布置在夏季主導(dǎo)風(fēng)向陰影區(qū)內(nèi)（如被山地或高大建筑物所遮擋）；［2］

（2）充分考慮由于空氣流動所造成的太陽輻射溫度的變化，例如：呈“U”型布置的幼兒教學(xué)組團(tuán)形式，其開口位置應(yīng)面向主導(dǎo)風(fēng)向；呈行列布置時，可將平面錯開布置，或與主導(dǎo)風(fēng)向成40°～50°偏角，有效地利用自然通風(fēng)帶走室內(nèi)的熱空氣，有利于緩解建筑能耗（見圖2）；

（3）低層建筑布置在主導(dǎo)風(fēng)向迎風(fēng)面的位置，利于接收夏季主導(dǎo)風(fēng)。在區(qū)域規(guī)劃時，采取北高南低的布置原則，更有利于獲取充足的日照。該設(shè)計方法對于嚴(yán)寒地區(qū)的幼兒園建筑來講，作用尤為明顯，無論是在處理幼兒活動空間（室內(nèi)、室外），還是建筑節(jié)能功效，都是不可或缺的。處理建筑與環(huán)境關(guān)系上，由皮亞諾設(shè)計的澳大利亞吉巴歐文化中心便是一個典型的案例（見圖3）。該建筑位于新喀里多尼亞島的東部，當(dāng)?shù)貧夂蜓谉幔募径囡L(fēng)。皮亞諾正是結(jié)合了當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的棚屋建筑形式，挖掘其與環(huán)境的親和方式，結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和氣候特點(diǎn)，提取出“編織”的構(gòu)筑模式。10個接近圓形的單體順勢展開，迎向海島的主導(dǎo)風(fēng)向，利用風(fēng)壓帶動室內(nèi)空氣流動，并結(jié)合建筑技術(shù)處理，實現(xiàn)全面的被動自然通風(fēng)，取得了良好的建筑節(jié)能效果。

圖2 鋸齒形建筑防熱分析圖

圖3 澳大利亞吉巴歐文化中心

2.3 建筑體型系數(shù)的影響

2.3.1 優(yōu)化設(shè)計建筑外表面積指標(biāo)

將豐富多樣的建筑形體簡化為單體長方體或幾個長方體的組合，這一點(diǎn)從實際工程角度出發(fā)是可行的，進(jìn)而分析實際構(gòu)成因素，減少建筑表面積。

2.3.2 建筑周長的影響

式中：H為建筑的高度；S為建筑的基底面積；x為建筑的周長。都是影響建筑體型變化的相關(guān)因素。

假定在建筑高度和基底面積為定值的前提下，體形系數(shù)與周長間的變化關(guān)系體現(xiàn)為隨著周長的變化，體形系數(shù)的差異較大，而建筑周長的變化往往是隨著建筑平面的變化而產(chǎn)生的，因此，建筑設(shè)計時應(yīng)盡量規(guī)則平面關(guān)系，減少周長。

2.3.3 建筑總長及棟深的影響

式中a為建筑的棟深。

在建筑高度與棟深不變的前提下，建筑越長，體形系數(shù)越小，即越節(jié)能。當(dāng)建筑長度達(dá)到一定程度時節(jié)能效果就變得不明顯了。［3］

2.3.4 建筑高度的影響

式中b為建筑長度。

當(dāng)建筑長度與寬度不變的前提下，建筑高度越高，體形系數(shù)越小，建筑越節(jié)能，當(dāng)建筑高度達(dá)到一定程度時變化就不明顯了。

2.3.5 最佳的節(jié)能體型設(shè)計

通過對影響建筑節(jié)能體形系數(shù)的因素推導(dǎo)，會發(fā)現(xiàn)，僅依據(jù)其中的單一因子做定論是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模仨毦C合考慮，確定最佳的節(jié)能體型。

式中：ma為建筑長度（m為長寬比，m≥1的有理數(shù)）；V為建筑的體積。

當(dāng)建筑體積為定值時，建筑高度與體形系數(shù)呈現(xiàn)為一種幾何曲線關(guān)系。而每條曲線的最低點(diǎn)即為與之相對應(yīng)的最佳體形系數(shù)。

由此可見，在建筑的總體積為定值的前提下，每選擇一個長寬比m，就有一個與之相對應(yīng)的最佳節(jié)能體型存在。因此，依據(jù)理論公式推導(dǎo)，得出建設(shè)指導(dǎo)意見如下［4］：（1）適當(dāng)加大幼兒園建筑棟深；（2）選擇規(guī)則的幼兒園建筑平面形式；（3）加大幼兒園建筑體量。

通過對6種不同的平面形式的對比分析：平面形式為圓形時，體形系數(shù)最小，以下依次為正方形、長方形及其他形式。隨體形系數(shù)的增加，單位體積的傳熱量也相應(yīng)增加。因此，在可能的情況下，選擇近圓形或正方形的平面對建筑節(jié)能是最有利的（見表2）。

表2 建筑體形系數(shù)與耗熱量比值（建筑高度16.8m，底面積500m2）

3 嚴(yán)寒地區(qū)幼兒園建筑節(jié)能設(shè)計

任何一個建筑體型的設(shè)計都是在對建筑平面及空間功能合理組織的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的外部形態(tài)，幼兒園建筑節(jié)能體型的設(shè)計與建筑的平面、立面及剖面設(shè)計是分不開的。

3.1 平面熱環(huán)境的合理分區(qū)

幼兒園建筑各個使用房間的功能要求不同，對熱環(huán)境的需求也不同，應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行合理的分區(qū)，在合理的功能分區(qū)前提下組織溫度分區(qū)。將熱環(huán)境需求較低的附屬用房布置在冬季溫度相對低的位置，在環(huán)境質(zhì)量好的南向區(qū)域布置幼兒活動單元及教師辦公用房，使其具有舒適的熱環(huán)境，同時還可以利用附屬用房減少室內(nèi)熱量的損耗，最大限度地利用太陽能源。

采用熱環(huán)境分區(qū)的方法，既能滿足熱能的梯級利用，又能利用建筑體量成為熱流失的阻隔體，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

進(jìn)行溫度分區(qū)的同時，可以考慮在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置溫度阻尼區(qū)，來提高幼兒活動空間的環(huán)境質(zhì)量。溫度阻尼區(qū)的設(shè)定就如同一道熱閘，不但可以減少外墻的熱損失，還可以有效地降低冬季冷風(fēng)的滲透，進(jìn)而化解室內(nèi)外溫差變化對幼兒健康帶來的危害。［5］幼兒園建筑的門廳、衣帽間通過技術(shù)手段設(shè)計都可以成為有效的溫度阻尼區(qū)。

3.2 立面適度的窗墻比值

通過精密的熱工計算，我們發(fā)現(xiàn)窗墻面積比值對建筑能耗的影響主要取決于兩者間熱工性能上的差異，相差越大，影響也越顯著。同時對建筑立面效果、室內(nèi)采光、通風(fēng)都會產(chǎn)生影響。窗墻面積比值過小對于幼兒建筑來講，勢必會造成通風(fēng)不良、自然采光不足、增加空調(diào)和照明能耗，也不利于幼兒的日常教學(xué)活動，過分強(qiáng)調(diào)增大南窗，減小北窗，也會對室內(nèi)的自然通風(fēng)組織不利，因此根據(jù)建筑節(jié)能要求將幼兒園建筑的窗墻面積比值控制在0.5左右是可行的。應(yīng)該注意的是降低窗戶能耗的根本途徑，不單單是減少窗墻面積比值，選用先進(jìn)的建筑技術(shù)，提高窗的熱工性能才是關(guān)鍵。目前長春地區(qū)普遍采用的單層三玻技術(shù)，對保持室內(nèi)穩(wěn)定的熱舒適度效果是明顯的。

4 結(jié)語

幼兒園環(huán)境是重要的教育資源，對幼兒的身心發(fā)展、社會性及個性化發(fā)展起到潛移默化的作用，是潛在的第三任“教師”［6］。幼兒園建筑作為幼兒成長的載體，承載著祖國的希望。同時幼兒建筑文化也在見證著新時代幼兒成長的發(fā)展歷程，對幼兒的心理及生理影響是不容忽視的。建筑節(jié)能減排作為新的歷史時期我國基本建設(shè)發(fā)展的首要任務(wù)，功在當(dāng)代，利在千秋，是實現(xiàn)跨越式發(fā)展及建設(shè)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的迫切需求。對于從事幼兒園建筑設(shè)計的建筑師來講，更應(yīng)該肩負(fù)起這一使命，在設(shè)計工作中充分重視節(jié)能減排的設(shè)計理念，真正為我國基本建設(shè)加快推進(jìn)建筑節(jié)能工作，提高建筑能源利用率做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

［1］鄭文暉.建筑節(jié)能氣候設(shè)計方法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2003：21－22.

［2］董霖.我國當(dāng)前多層辦公建筑綜合體設(shè)計探討［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2006：57－67.

［3］周鎮(zhèn)南.太陽能技術(shù)在德國建筑上的應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008：56－78.

［4］Zhang Xifeng.The heating effect of the additional solar house to classroom in the cold region——A case study of an elementary school［J］.Energy Procedia，2012 （14）：1193－1198.

［5］Ji J，Yi H，Pei G，etc.Study of PV－Trombone Wall Installed in a Fenestrated Room with Heat Storage［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27 ：1507－1515.

［6］李槐青.當(dāng)前園本培訓(xùn)存在的問題及對策思考［J］.教育導(dǎo)刊：下半月，2010（12）：35.