基于严寒气候特征条件下的既有幼儿园建筑节能设计研究

赵 晖，梁翰月

（1.长春工程学院建筑与设计学院，长春130021；2.东北师范大学中信附小幼儿园，长春130000）

0 引言

建筑节能工作作为我国建筑行业由粗放型向集约型转变时期的一项重要举措，对改善人民生活质量及工作环境，减少温室效应的影响，起着至关重要的作用。

幼儿园建筑在新世纪教育趋势的影响下，如雨后春笋般地涌现出来，幼儿建筑受幼儿心理学、色彩学及建筑学的影响，有其特定的形体特征，形象上往往过于追求形体活泼、变化、色彩丰富等表面文章，其针对严寒地区的建筑来讲，其结果势必会带来较大的建筑能耗及城市色彩污染。

我省在建筑节能“十二五”专项规划（草案）中，明确规定了公共建筑50%的节能目标。基于这样的研究目的，本文从长春既有幼儿建筑能耗现状着手，结合翔实的数据信息和实态调研资料，采用现代化的计算机模拟设计软件及数学分析理论方法，总结得出幼儿建筑的能耗特征，为一线的建筑设计人员提供借鉴。

1 长春地区既有幼儿园建筑的能耗现状分析

幼儿园建筑作为公共建筑的一种类型，其功能组成主要为幼儿教学单元，其发展模式受学前教育思潮的影响较大。我国的幼儿教育在发展初期主要学习前苏联的教育模式，采取“以教师为中心”、“传授知识为主”的教学体制，体现在建筑功能形式上，选择封闭式教学单元的平面形式较多（见图1）。其弊端是不利于幼儿的主观能动学习能力的培养，对幼儿的启蒙教育制约较大。传统教学模式下的幼儿建筑平面采用廊式组合居多，内部功能组织不够灵活，夏季自然通风效果不好，冬季保温能力差，能耗负担较大。

图1 传统封闭式教学形式

随着学前教育体制的改革，引进了很多国外新型的开放式教学理念，“以人为本”的建筑创作思维正逐步在幼儿建筑作品中显现，“人”——幼儿的生理、心理特征成为幼儿建筑创新设计的本源，提供幼儿主动学习、交往的公共教学交流空间应运而生。建筑形式上，正逐步打破传统的封闭式教学单元，向开敞式大空间转变。建筑形式上的变化也必将引起建筑能耗的变化，进入21世纪以来，可持续发展的观念正成为一个压倒性的议题，不断激化的环境与能源危机问题，对建筑师来讲既是严峻的挑战，同时也是一个难得的机遇，要求我们必须以创新的角度和视野，来创作舒适、安全、低碳环保的幼儿生活环境，在建筑的舒适性与生态节能中寻求平衡点。

对于建筑设计来讲，详细的实态调研是一项不可或缺的工作，它会为我们的设计提供坚实的支撑，也会赋予我们的设计作品更强的生命力。在课题研究期间，针对研究内容结合实际教学工作进行了为期一个月的幼儿园建筑实态调查，问卷的主要内容围绕既有幼儿园建筑能耗现状展开，调查对象确定在具有典型严寒地域特征的长春地区，分别为：东北师大幼儿园（自由校区）、吉林省委机关第一幼儿园、吉林省农委幼儿园、东北师大中信城幼儿园、长春市政府幼儿园（一园）。调研对象的建设年代由20世纪70年代到现在，规模为12班～18班，对长春地区幼儿园（公立）来讲具有一定的代表性。

表1 调研对象基本概况

通过问卷结果的统计，发现主要问题体现在：

（1）既有幼儿园建筑能耗较大

建于20世纪70年代的东北师大幼儿园（自由校区）、省农委幼儿园存在着建筑热工性能明显不足的现象。首先是建筑围护结构没有保温层，传统墙体材料的导热系数过大，产生冷桥现象普遍；其次，建筑门窗透风现象严重，为保证室内幼儿活动的舒适性，采暖压力较大；第三，供暖设备的保温效果不好，供暖设施效率不高。

（2）幼儿公共活动空间不足

现有幼儿园建筑中，公共活动场地有限，而且均不具备遮风、挡雨及保温设施，既使提供了相应的空间，利用率也偏低，无法适应现代的教育需求，对幼儿的启蒙教育和智力发展不利。

由此，针对建筑设计人员来讲，如何适应新型的幼儿教育体制特点和建筑节能的可持续发展目标，本着经济、美观、节能的设计原则，创作全新的现代化节能型幼儿园建筑，是在新时期必须面对的新课题。

众所周知，幼儿园建筑最重要的组成内容就是幼儿活动单元。无论是空间使用效果、建筑设备系统的设计，还是围护结构的特点等，无一不是围绕如何提高幼儿生活环境舒适性展开的。传统的封闭教学单元多采用线性组合布局方式，尤以廊式组合居多。这种布局方式的优点是联系紧密，环境舒适。缺点是空间相对封闭，布局僵化、不灵活，尤其是内部横墙较多，使用面积系数较低。从设备运行角度来看，小开间的布置方案，不适合中央空调集中供热，多采用分体空调做能量补充系统。

从建筑体形系数分析看，当体形系数数值较大时，则表明建筑与外界接触的表面积越大，因此其向外界传热量也越大。当建筑的外墙导热系数与窗墙比为定值的前提下，其能耗指数将随建筑层数的增加呈线性上升的趋势，直到建筑层数达到10层以上时才会趋于稳定。另外，具统计，接近正方形的平面与其他形式相比，热损耗是最小的。特别是平面形式复杂、凹凸变化较多的平面对建筑节能是不利的，幼儿园建筑一般不会超过四层，这一现象在幼儿建筑的形体关系上反应得尤为突出。

现行的建筑节能标准要求，无论选用哪一种保温材料，具体的构造方案主要有两种：（1）选择导热系数小强度高的砌体材料，如：隔热砖、加气混凝土空心砌块、陶粒混凝土材料等；（2）优化结构设计，选用高强承重材料与保温材料的复合墙体构造措施。幼儿建筑往往会选择后一种方案。在主体结构的表层设置保温层或夹心保温的复合保温墙体做法是目前建筑节能技术上比较成熟的构造方案，优势体现在：（1）既可以降低墙体的热传导效应，又可以保证主体结构的耐久性；（2）保证室内热稳定的同时，墙体的整体性好；（3）可有效地防止墙体出现凝结水；（4）严寒地区的建筑外墙避免出现“冷桥”现象。

因此，在严寒地区的幼儿园建筑采用外保温的构造方案是建筑节能技术切实可行的方法。可供选择的材料有聚苯乙烯保温砂浆、苯板、挤塑板及聚氨酯板等。岩棉类高效外墙保温材料在其他国家采用的较多，但对防水要求相对严格。

2 幼儿园建筑的体型与节能

为了研究幼儿园建筑体型与节能之间的关系，我们分别从建筑的总体布局与建筑单体2个方面加以分析。从建筑总体来看，建筑作为独立的使用对象，其所处的位置、形状、表面积的大小都会影响到太阳辐射量的接收。另一方面，幼儿园建筑作为一种特殊的建筑类型其自身特有的功能要求也决定了其特有的建筑形式。如何将这两方面的影响因素有效地结合在一起，发挥其双重效应是重点要讨论的内容。

2.1 建筑的总体布局

不同形式下的建筑布局吸收太阳辐射的差别较大。假定太阳辐射条件相同的前提下，利用计算机模拟软件，观测不同平面关系的建筑物，对比分析接收太阳辐射的特征及差异。

我们使用的DOE2模拟设计软件是近年比较成熟的由建筑师研发的仿真建筑设计技术，具有快速、高效、操作简单、测试结果可靠、直接的特点。

2.2 建筑的选址要求

幼儿园建筑的选址首先应考虑建筑与环境的关系，充分利用自然地形地貌，保护原有自然环境。古人早就利用“风水”学说向我们阐明了建筑要融入环境的设计理念。“气乘风则散，界水则止，古人聚之使不散，行之便有止，谓之风水”。［1］这其中所蕴含的科学理论依据完全可作为现代幼儿建筑基地选址的指导。

（1）选址应首先考虑当地的自然地形地貌，以“山南水北之阳”为选址原则，充分利用自然通风，避免布置在夏季主导风向阴影区内（如被山地或高大建筑物所遮挡）；［2］

（2）充分考虑由于空气流动所造成的太阳辐射温度的变化，例如：呈“U”型布置的幼儿教学组团形式，其开口位置应面向主导风向；呈行列布置时，可将平面错开布置，或与主导风向成40°～50°偏角，有效地利用自然通风带走室内的热空气，有利于缓解建筑能耗（见图2）；

（3）低层建筑布置在主导风向迎风面的位置，利于接收夏季主导风。在区域规划时，采取北高南低的布置原则，更有利于获取充足的日照。该设计方法对于严寒地区的幼儿园建筑来讲，作用尤为明显，无论是在处理幼儿活动空间（室内、室外），还是建筑节能功效，都是不可或缺的。处理建筑与环境关系上，由皮亚诺设计的澳大利亚吉巴欧文化中心便是一个典型的案例（见图3）。该建筑位于新喀里多尼亚岛的东部，当地气候炎热，四季多风。皮亚诺正是结合了当地传统的棚屋建筑形式，挖掘其与环境的亲和方式，结合当地的生态环境和气候特点，提取出“编织”的构筑模式。10个接近圆形的单体顺势展开，迎向海岛的主导风向，利用风压带动室内空气流动，并结合建筑技术处理，实现全面的被动自然通风，取得了良好的建筑节能效果。

图2 锯齿形建筑防热分析图

图3 澳大利亚吉巴欧文化中心

2.3 建筑体型系数的影响

2.3.1 优化设计建筑外表面积指标

将丰富多样的建筑形体简化为单体长方体或几个长方体的组合，这一点从实际工程角度出发是可行的，进而分析实际构成因素，减少建筑表面积。

2.3.2 建筑周长的影响

式中：H为建筑的高度；S为建筑的基底面积；x为建筑的周长。都是影响建筑体型变化的相关因素。

假定在建筑高度和基底面积为定值的前提下，体形系数与周长间的变化关系体现为随着周长的变化，体形系数的差异较大，而建筑周长的变化往往是随着建筑平面的变化而产生的，因此，建筑设计时应尽量规则平面关系，减少周长。

2.3.3 建筑总长及栋深的影响

式中a为建筑的栋深。

在建筑高度与栋深不变的前提下，建筑越长，体形系数越小，即越节能。当建筑长度达到一定程度时节能效果就变得不明显了。［3］

2.3.4 建筑高度的影响

式中b为建筑长度。

当建筑长度与宽度不变的前提下，建筑高度越高，体形系数越小，建筑越节能，当建筑高度达到一定程度时变化就不明显了。

2.3.5 最佳的节能体型设计

通过对影响建筑节能体形系数的因素推导，会发现，仅依据其中的单一因子做定论是不够严谨的，必须综合考虑，确定最佳的节能体型。

式中：ma为建筑长度（m为长宽比，m≥1的有理数）；V为建筑的体积。

当建筑体积为定值时，建筑高度与体形系数呈现为一种几何曲线关系。而每条曲线的最低点即为与之相对应的最佳体形系数。

由此可见，在建筑的总体积为定值的前提下，每选择一个长宽比m，就有一个与之相对应的最佳节能体型存在。因此，依据理论公式推导，得出建设指导意见如下［4］：（1）适当加大幼儿园建筑栋深；（2）选择规则的幼儿园建筑平面形式；（3）加大幼儿园建筑体量。

通过对6种不同的平面形式的对比分析：平面形式为圆形时，体形系数最小，以下依次为正方形、长方形及其他形式。随体形系数的增加，单位体积的传热量也相应增加。因此，在可能的情况下，选择近圆形或正方形的平面对建筑节能是最有利的（见表2）。

表2 建筑体形系数与耗热量比值（建筑高度16.8m，底面积500m2）

3 严寒地区幼儿园建筑节能设计

任何一个建筑体型的设计都是在对建筑平面及空间功能合理组织的基础上产生的外部形态，幼儿园建筑节能体型的设计与建筑的平面、立面及剖面设计是分不开的。

3.1 平面热环境的合理分区

幼儿园建筑各个使用房间的功能要求不同，对热环境的需求也不同，应根据实际情况进行合理的分区，在合理的功能分区前提下组织温度分区。将热环境需求较低的附属用房布置在冬季温度相对低的位置，在环境质量好的南向区域布置幼儿活动单元及教师办公用房，使其具有舒适的热环境，同时还可以利用附属用房减少室内热量的损耗，最大限度地利用太阳能源。

采用热环境分区的方法，既能满足热能的梯级利用，又能利用建筑体量成为热流失的阻隔体，从而达到节能的目的。

进行温度分区的同时，可以考虑在适当的位置设置温度阻尼区，来提高幼儿活动空间的环境质量。温度阻尼区的设定就如同一道热闸，不但可以减少外墙的热损失，还可以有效地降低冬季冷风的渗透，进而化解室内外温差变化对幼儿健康带来的危害。［5］幼儿园建筑的门厅、衣帽间通过技术手段设计都可以成为有效的温度阻尼区。

3.2 立面适度的窗墙比值

通过精密的热工计算，我们发现窗墙面积比值对建筑能耗的影响主要取决于两者间热工性能上的差异，相差越大，影响也越显著。同时对建筑立面效果、室内采光、通风都会产生影响。窗墙面积比值过小对于幼儿建筑来讲，势必会造成通风不良、自然采光不足、增加空调和照明能耗，也不利于幼儿的日常教学活动，过分强调增大南窗，减小北窗，也会对室内的自然通风组织不利，因此根据建筑节能要求将幼儿园建筑的窗墙面积比值控制在0.5左右是可行的。应该注意的是降低窗户能耗的根本途径，不单单是减少窗墙面积比值，选用先进的建筑技术，提高窗的热工性能才是关键。目前长春地区普遍采用的单层三玻技术，对保持室内稳定的热舒适度效果是明显的。

4 结语

幼儿园环境是重要的教育资源，对幼儿的身心发展、社会性及个性化发展起到潜移默化的作用，是潜在的第三任“教师”［6］。幼儿园建筑作为幼儿成长的载体，承载着祖国的希望。同时幼儿建筑文化也在见证着新时代幼儿成长的发展历程，对幼儿的心理及生理影响是不容忽视的。建筑节能减排作为新的历史时期我国基本建设发展的首要任务，功在当代，利在千秋，是实现跨越式发展及建设行业技术创新的迫切需求。对于从事幼儿园建筑设计的建筑师来讲，更应该肩负起这一使命，在设计工作中充分重视节能减排的设计理念，真正为我国基本建设加快推进建筑节能工作，提高建筑能源利用率做出应有的贡献。

［1］郑文晖.建筑节能气候设计方法研究［D］.杭州：浙江大学，2003：21－22.

［2］董霖.我国当前多层办公建筑综合体设计探讨［D］.西安：西安建筑科技大学，2006：57－67.

［3］周镇南.太阳能技术在德国建筑上的应用［M］.北京：清华大学出版社，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.当前园本培训存在的问题及对策思考［J］.教育导刊：下半月，2010（12）：35.