寒冷地区绿色校园建筑设计案例及适宜技术分析

姚　璐（上海市建筑科学研究院，上海　201108）

近年来绿色建筑产业蓬勃发展，众多以生态和低碳发展为目标的新城不断涌现，与之配套的教育资源类建筑也不断发展。由于学校建筑的特殊属性，建成绿色低碳高效的优质建筑有着积极深远的环境及社会价值。

1　寒冷地区中小学校园建筑特点分析

1.1　气候响应需求

京津冀地区位于中国建筑热工分区中的寒冷地区，从绿色建筑气候响应的原则来看，气候资源具有以下特点：

(1) 热工条件。需要满足冬季保温要求，并兼顾夏季隔热。以天津市为例：1 月最冷，日平均气温 -3.9 ℃；7月最热，日平均气温 26.2 ℃；年平均气温相差 30 ℃，各月平均日气温相差小于 10 ℃。如图1 所示。

图1　全年日平均温度变化

(2) 太阳能资源。太阳能资源属于II资源较丰富区可利用。全年实际日照数为 2 899 h，日照百分率平均 65%。以天津市为例，全年日太阳辐射量变化见图2。

图2　全年日太阳辐射量变化

(3) 水资源。基本属于水量型缺水地区，各季降水分布不均，年降水日数的47%和年降水量的 74% 均集中在夏季，春季占 9.57%，秋季占 14.61%，冬季占 2.14%。基本会配备市政中水，对水资源进行统一处理分配。

1.2　功能匹配需求

相对于一般的办公、住宅建筑，中小学建筑最大特点是间歇性使用，其次是涉及建筑类型多、流线复杂，安全性高也是重要特性。

中小学校园建筑功能多样性，住宿制学校中包含教学、办公、住宿、食堂、大型报告厅及室内外活动场馆等建筑单体，涉及到一般公共建筑、大跨度、展馆大空间及住宅等建筑类型，所遵循的标准和设计方法大不相同。

学校寒暑假可以一定程度上避开寒冬酷暑的极端天气。因此在空调系统的选择时可减少空调设计负荷，考虑用建筑进深设计、设置可开启窗扇等促进自然通风效果的被动式设计及加装电风扇等措施，保证室内舒适的温热环境。

青少年活动的集中场所，学生们一天大部分时间都是在校园生活、运动并接受教育。因此校园类建筑就是要在保证安全的前提下为学生提供能满足各种使用需求的健康、舒适的场所。

此外，学校建筑设计标准中考虑安全性和教育生活相结合属性的群体建筑特征，对学校场地选址安全的要求、场地布局、功能设置、各类教学建筑的面积指标、室内家具布置、功能教室在建筑中的位置、安全通行及疏散、建筑设备等也都有特殊的设计要求。

2　绿色中小学校园设计案例

以天津市滨海新区某中学(绿色二星)和北京市房山区某中学(绿色三星)项目为例，从区域规划、单体建筑设计和绿色建筑技术应用等方面进行案例分析。

2.1　天津市滨海新区某中学项目

本项目已获得绿色建筑二星级标识，总建筑面积 5.5 万m2。规划实现动静分离的总体布局，教学区位于用地的东侧，是学校教育、研究的核心区域；生活区位于用地的中央位置，相对独立，从而避免了与其他两区在功能上的干扰；运动区选择了西侧较大地块，包括各种室外体育活动场地、体育馆，便于开展对外服务。

2.1.1规划与景观设计

(1) 日照条件。建筑为南北朝向，教室、办公室布置在南侧，争取良好日照条件，保证教学楼所有房间都能满足 2 h 标准日照时间。

(2) 建筑风场环境。通过对建筑及周边进行建模，验证建筑群整体风速曲线流畅，无滞留现象。即使冬季建筑物周边最大风速也在适宜人行活动范围之内，夏季、过渡季75% 以上的建筑前后能保持 1.5 Pa 左右压差，可以为室内的自然通风形成良好的室外风场环境。室外人行区风速度场分布矢量图如图3 所示。

结合图3 所示的室外风场环境，在平面布局、空间组织、剖面设计、门窗设置及开窗面积中均考虑了有利于形成穿堂风，避免单侧通风的要素。室内能形成有效穿堂风，单侧朝向的房间采用户门设置上亮等有效措施最大限度进行自然通风通路设计。

图3　室外人行区风速度场分布矢量图

(3) 景观绿化与径流控制。① 绿化环境设计体现“花园式”学校理念，通过点、线、面结合的绿化配置、乔灌草结合的多层次绿化体系。② 在植被选择上全部采用适合天津土壤气候条件的耐盐碱品种，而形成稳定的植物群落。③设计大量透水铺装：在停车位设置植草砖，广场、步道采用透水混凝土。结合绿化，透水地面面积比例为 42.9%，场地雨水入渗量为 37.8%。既保证校园排水安全、也雨水得到利用，又减小了雨水外排而造成的市政管网压力。

2.1.2建筑节能设计

(1) 总平面与围护结构。通过总平面规划的合理分析，采用当地最佳朝向和南北通透的教室布局设计。采用高性能的保温材料，外窗大部分采用传热系数达到 2.3 W/m2·K的断热铝合金中空遮阳型双层；宿舍部分采用传热系数达到1.8 W/m2·K 的铝合金加隔热条的遮阳型 3 层窗。气密性满足为 6 级要求。

(2) 空调系统设计。根据各类型建筑的在室情况可以自主调节空调启停，满足各建筑负荷变动量大、可控可调的需求。合班教室与报告厅设置有 CO2浓度联动新风系统监测，若超标可以通过变频风机和控制新风阀开启都而加大新风量，保障室内环境质量。全空气系统部分在过渡季可在全新风工况下运行，充分利用室外空气冷却能力，节约运行能耗。

(3) 太阳能热水系统。校园建筑中的食堂及学生浴室有集中的热水需求，项目设计采用太阳能集热系统对生活热水进行预热。具体措施为在食堂楼的屋顶设置面积为 756 m2的太阳能集热器，并以燃气锅炉为辅助热源。据计算，全年太阳能集热器产生的热水量可满足园区内 61.7% 的生活热水需求。

2.1.3室内物理环境设计

(1) 声环境。通过建筑布局、高隔声性能的建筑构件及绿化隔声带保证室外良好声环境。

(2) 采光环境：通过建筑进深设计、采光高窗及高透光性能窗型保证室内采光效果。利用采光模拟软件 ECOTECT，对上述功能区域的天然采光效果进行了模拟分析。结果证明各栋建筑主要功能空间的采光系数满足 3% 以上的面积占主要功能空间总面积的比例分别为 87.78%(综合教学楼)、95.9%(东教学楼)、96%(西教学楼)、100%(艺术楼)、100%(实验楼)，均超过75%。

2.1.4园区节水设计

项目所在的天津滨海新区规划有市政中水系统，这为本项目采用非传统水源创造了天然有利条件。中水主要用于教学楼、宿舍楼、食堂的冲厕以及室外绿化灌溉，各个分用途管线上设置带有数字远程功能的计量水表，以便实现分楼栋和分用途计量。

2.2　北京房山某中学项目

本项目已获得绿色建筑三星级标识，通过绿色建筑的整合设计，很好地解决了用地紧张与学校户外自然空间需求、有限预算与高品质绿色建筑需求、满足设计规范与空间创新需求之间的矛盾。本项目采用的绿色建筑亮点技术如下。

(1) 被动式设计。采用架空形式，利用模拟手段进行空间布局优化，使得到适宜的风场环境，有效改善室外微环境。采用开窗的风压通风方式，为室内营造良好的自然通风环境。

(2) 屋顶绿化。将实验农田带到屋顶上，让学生与自然零距离接触，学习种植的方法和领会收获的乐趣，屋顶农田亦延续了该基地曾为农田的历史。还减缓校园的热岛效应，节约空调采暖能耗。

(3) 天然采光。教室均朝南向分布，通过进深、窗墙比的设计满足采光规范要求的主要功能区面积比例为94.2%；餐厅和地下车库在屋面加设天窗；半地下的教室和风雨操场设立可开启的条形天窗，并控制漫反射。

(4) 外遮阳。根据朝向设置窗套外遮阳和三角式外遮阳解决太阳得热和眩光问题。

(5) 空调系统。设置高效多联机系统。

(6) 可再生能源。设置土壤源热泵系统，满足礼堂、餐厅区域的冷热源。设置太阳能热水系统满足餐厅和淋浴间的生活热水。

(7) 非传统水源利用。收集雨水处理，并利用市政中水提供水景补水、冲厕、道路浇洒、绿地灌溉等。

3　绿色建筑适用技术思考

通过对以上案例的汇总分析，考虑需因地制宜地进行中小学校园类项目的绿色建筑技术策划，既要满足地域的气候特性，又能结合学校的运营团队和使用用户实体。因此采用以被动式设计为主，低成本、易维护、灵活度好的绿色建筑技术，以创造良好适宜的学习生活环境。

3.1　规划与建筑设计

3.1.1建筑环境

(1) 室外风环境。为营造适宜的风场环境，并为室内自然通风创造良好的边界条件，需在建筑布局时佐证 CFD 模拟，以确保室外风场满足人行舒适区间。建筑声环境：通过建筑功能区间划分、景观设计、建筑隔声构件、设备机组安装区域以及设备机房的降噪措施保证室内背景噪声满足标准要求的 45 dB。

(2) 建筑室内热环境。学校建筑多为框架结构，需选用热工性能好、防火等级较高的围护结构(保温)材料，以及综合考虑传热性能、遮阳系数以及透光率的窗(玻璃)型，并要求施工质量，保证室内良好的气密性。

3.1.2被动式设计

在上述案例中，利用被动式的建筑设计，通过建筑朝向、进深、天窗设计、玻璃选型保证室内良好的天然采光环境；通过室内风通路及开窗设计，保证良好的自然通风环境；通过建筑造型自遮阳、遮阳构件的设计及室内窗帘的内装设计，改善建筑表皮得热问题和室内的眩光控制问题。

3.1.3景观设计

(1) 热岛效应缓解。通过户外活动场地设置构筑物、乔木等遮阴措施，在道路路面和屋面使用浅色系(反射率高)的涂料减少太阳得热，实现缓解热岛效应的目的。

(2) 景观植物配置。采用本地化植物，天津滨海地区需选用抗盐碱性、耐候性强的少水性植物。

(3) 绿色雨水措施。合理衔接和引导屋面雨水、道路雨水进入地面生态设施，并设置相应的径流污染控制措施。

(4) 立体绿化。寒冷地区由于冬季较长且干旱，考虑养护问题，不太适宜进行大面积屋顶绿化。可以考虑种植爬山虎等植物的垂直绿化手段。设置垂直绿化时也要考虑到植物的防风性、防排水措施及养护管理等问题，最好由绿化园林的专职人员承担。

3.2　能源及水资源节约

(1) 设计时需结合中小学校园类建筑的特点和建筑用途进行冷热源形式配置，可采用灵活度高的分体空调或多联机。在报告厅、礼堂等场所设置集中空调，并设置空气质量监测设施联动新风系统，以保证使用时的室内空气质量。另配合可调新风比、排风热回收以及冷热量计量等节能措施。

(2) 可再生能源。京津冀为代表的寒冷地区有可利用的地热及太阳能资源，可考虑采用地源热泵系统和太阳能热水系统。

(3) 非传统水源。充分利用市政中水，提供项目内冲厕、景观补水、灌溉及道路冲洗用途。本地区雨水年平均量较少，且季度分布不均，不建议进行雨水收集处理。

(4) 节水器具。采用二级及以上的节水器具，进行节水节能标识宣传。

(5) 用水计量。使用远传水表，所有水表计量数据宜统一输入建筑自动化管理系统，以达到漏水探查监控的目的；并根据水平衡测试标准安装分级计量水表。成本、易维护，灵活度好的绿色建筑技术，以创造良好适宜的学习生活内外环境。

(2) 中国建筑学会 T/ASC 02—2016《健康建筑评价标准》已颁布。对于注重健康室内环境品质的优秀中小学校园建筑类型，可以采用“绿色+健康”的性能化设计策略，在满足建筑绿色化设计的同时，更多地从使用者，尤其是中小学生的视角进行健康、安全、舒适的教学环境设计，为中小学生提供更多关爱。

(3)“学校者，造就人才之地，治天下之大本也。”(清·郑观应)中小学绿色校园本身即是可持续发展理念的载体，在这里传播绿色、健康的“种子”，充分发挥环境育人的功能，让学生在真实环境中进行体验，养成节能环保的生活习惯，对绿色、健康、低碳事业的发展将产生深远的影响。