微气候因素下的校园综合体节能设计探讨——以石家庄铁道大学基础教学楼为例

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(1．石家庄铁道大学 基建处，河北 石家庄 050043；2. 石家庄铁道大学 建筑与艺术学院，河北 石家庄 050043)

我国的高校园区大规模建设已近20 a,形成了低容低密、风景优美的现代大型校园规划模式。在实际应用调研中有很多问题也凸显出来，尤其处于寒冷地区的高校，校园用地空间过大,使得教学、食宿和科研等很多行为与过去相比都发生了很大变化，同时对校园微气候和建筑节能也有很大的影响[1-2]。

校园综合体是指将两种及以上不同类型的校园建筑功能组合为一体。在一定区域范围内来说，这种围合型的高容低密校园综合体，对于校园规划和景观空间，会带来很大的物理环境影响，即建筑空间的微气候变化。反之，根据建筑周边的环境模拟和气候特征，来微调建筑综合体的组合形态，也会对建筑节能产生很大的作用，这两者之间有着相互影响、相互依赖的关系[3-4]。以石家庄铁道大学的基础教学楼设计实践为例，运用分层分析、模拟分析和实测数据的方法，以微气候因素与建筑形体、内部空间、细部设计等相互影响关系，对校园综合体的建筑形态和节能设计进行了优化尝试，以期对以后的校园综合体设计提供一定的参考价值 ，如图1。

图1 分层式校园综合体节能路线

1 校园综合体项目概况

图2 基础教学楼效果图

石家庄铁道大学基础教学楼项目(见图2)，位于石家庄市(属暖温带季风气候，四季变化明显。夏季最多风向及其频率为南，冬季最多风向及其频率为北东北，过渡季最多风向及其频率为南东南。)石家庄铁道大学校园内，周边环境状况良好，建筑总面积4.92万m2，分为地下2层(设备用房和地下车库)，地上19层，地上1～6层为公共教室，7～18层为各(基础学科)学院办公、科研、实验用房，19层为校史馆，属于教学、办公、科研、实验等功能组合为一体的高层综合体建筑。该建筑综合体获得国家绿色建筑二星级运行标识认定。

2 基于微气候因素的校园综合体节能设计

2.1 综合体的建筑形态与室外微气候设计

综合体的建筑形态与周边的风环境对于建筑节能具有很大的调节作用。合理的群体组合和单体造型，可以优化建筑场地内的风环境、光环境，是评定 “绿色建筑”标识的重要方面[5-6]。

石家庄铁道大学基础教学楼项目，位于冬季季风显著的寒冷地区，建筑周围微气候环境对室内环境和建筑节能影响大。建筑项目由教学为主的南部多层裙房和办公为主的北部高层两部分组成，中间部分有中庭联结，形成“工”字形的平面布局。

图3 项目1.5 m高度速度矢量图(冬季/平均风速)

项目建筑采取“南低北高”的总体造型——建筑竖向南侧低矮北侧高大，建筑有“开”有“合”。南部裙楼低矮可减缓对北部高层采光的影响，此外，建筑“工”字形平面布局，且留有南侧风口，利于夏季和过渡季自然通风；北部高层可阻挡冬季北向季风。基于Phoenics软件，该策略下项目冬季(气流边界条件：风速为2.0 m/s，风向为NNE)室外1.5 m高度风环境如图3所示，周围人行区整体风速在0.23～2.48 m/s之间，风速放大系数为1.88，建筑周围风环境良好。

2.2 适应微气候的内部空间环境分析

校园综合体是一组建筑的组合，其微气候环境与内部空间的布局密切相关。夏季建筑节能要重点考虑隔热、通风与降温，尽量阻止太阳热及辐射热进入室内；冬季建筑节能则要充分利用日照、太阳能采暖，并避免凛冽冬季风入侵室内。在建筑内部空间设计时加以考虑。

2.2.1 建筑平面中的微气候利用

合理有序的室内功能布局，可以形成通顺的穿堂风格局。项目采取“南高北低”的整体造型使得建筑前后风压差加大，促进室内的空气更新。在室内，南北教室大空间的门窗尽量加大面积，对称布局，便于气流畅通；中间连廊采取天井联通，加强上下热压通风，形成了自然和人工“天人合一”的通风系统。

图4 距首层楼面1 m高度流场分布

经过室内夏季风环境模拟分析(气流边界条件：风速为2.6 m/s，风向为S)，如图4所示，首层流场分布均匀，位于南侧和北侧的各教室自然通风均匀，各层均能形成良好的穿堂风，形成舒适的室内环境。同时，考虑到风速的风频系数，基础教学楼项目实现了夏季各层模拟分析区域的通风换气次数均在3次/h以上，满足在自然通风条件下主要功能房间换气次数的标准要求，各个典型层的通风量及换气次数详见表1。

本次测试布置的测点较多,本文以矿用车最常用的速度20 km/h时座椅座垫处的振动情况为例.其时域数据如图6所示,座椅处在3轴向的振动信号受到了干扰,需要将其进行降噪处理.

为降低建筑能耗，在满足使用功能要求的同时，尽可能减少建筑整体凹凸，降低体形系数。

表1 各层区域的通风换气次数值

2.2.2 结合室内小天井空间的微气候设计

图5 连廊室内天井的气流分布

南北建筑之间的连廊空间，结合局部天井设计，形成了变化的视觉空间。同时局部的天井设计，在单一的南北同层空间的通风基础上，又增加了竖向空间的热压升力，利用复合的微“压”建筑空间来优化自然通风系统，形成建筑节能的最大效能(见图5)。

2.2.3 建筑地下空间的微气候环境

建筑地下空间的通风和采光是项目一大难题，也是建筑节能需解决的重要问题。基础教学楼综合体设置地下两层车库空间(后改为活动中心)，在光环境方面也进行了考虑，其沿建筑四周设有窄条的采光天井，在提高地下空间自然通风的同时，也可以引进自然光。

图6 地下1层功能空间采光效果图

根据Ecotect采光模拟结果(如图6)，可知此设计改善了地下2层162.88 m2室内自然采光效果；改善了地下1层312.69 m2室内自然采光效果。

综上，通过一系列内部空间布局优化，可以实现建筑自然通风，减少人工照明，降低校园综合体建筑能耗。

2.3 基于微气候的综合体细部节能设计

细节设计会影响建筑的光环境、热工状况等诸多方面，与建筑节能有很大的关系，尤其建筑外墙、屋顶的材料选择以及室内的照明布局，对优化建筑的微气候环境非常重要。

(1) 教学综合体项目在墙体材料、窗户的选择、保温材料的选用以及新技术的采用上都进行了优化设计(见表2)。项目的主要构造层次为：

①墙体。外墙使用外墙外保温技术，结合保温装饰工业一体化技术，即保温一体板(仿石材面层)，它具有良好的耐候性、保色性、抗污性,硬度与花岗岩相当，可以对建筑物提供有效保护。

②屋顶。防水采用聚乙烯薄膜结合高聚物改性沥青防水卷材，保温采用85 mm 厚聚苯板，具有很强的保温防火性能。

③外窗。断桥铝合金框+中空(6+12+6)玻璃窗，有良好的采光性，也兼顾了窗户的保温隔热，隔音，防紫外线，减少对周围的“光污染”现象。

表2 围护结构构件参数

项目外墙围护结构主要构件热工性能(见表3)指标优于《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)要求。表3中外窗各向设计建筑热工参数SC为0.50。

表3 围护结构热工参数对比 W/(m2·K)

(2) 建筑材料的色彩、光滑程度，对室外的微气候环境具有不同的敏感性。在建筑综合体设计中，楼群密布，高低不同，建筑自身和建筑之间的光线反射，可以改善建筑室内的光、热环境。

在基础教学楼主楼的设计中，考虑了建筑自身色彩的影响。综合体自身采用浅黄色的保温一体板(仿石材面层)，建筑的上人屋顶部分，铺装浅色面砖，不上人屋面采取铝箔饰面的柔性防水。同时，建筑裙楼的室内地面采用浅色面砖铺地，有效加大了建筑室内进深方向的自然光照的均匀程度。

通过以上设计措施，建筑表面的太阳能辐射吸热系数为0.5(普通砖面为0.75)，避免夏季室内温度过高。同时，建筑高层部分光滑且浅色的饰面对阳光的反射，也有效改善了南侧裙楼北向房间室内的光环境，缩短了室内的人工照明时间。

(3) 建筑室内的照明环境设计，对节能有很大的关系。项目照明功率密度设计是按照《建筑照明设计标准》GB50034—2013[7]进行布置设计的,可是经过综合体项目的全年能耗数据运行监测，发现本项目照明、插座能耗约占整个教学楼耗电的33.33%，能耗比例较高，室内照明环境具有较大的节能潜力。

在教学楼后期实际设置中，结合白天的楼内自然光照和工作性质情况,在满足照明质量的情况下调整照明功率密度，采取了降低和控制非作业区域照度的布置策略：对教室部分照明系统在自然采光满足的区域设置定时和光电控制设施，在自然采光不足的区域通过照度控制器和传感器实现本地自控，同时在建筑整体上采取分层分区分时段的照明控制，最大限度优化建筑照明。对优化后教室照明功率密度进行实测，实测值为6.6 W/m2，低于照明标准中目标值8.0 W/m2的要求。

3 基于微气候因素优化的校园综合体能耗模拟

表4 设计建筑与参照建筑全年总能耗及单位面积能耗量汇总表

4 结语

在遵循地域气候与自然地理的条件下，石家庄铁道大学基础教学楼综合体从项目自身特点出发，结合微气候因素进行了经济可行的节能设计。经过软件模拟，可以实现校园综合体的室内外空间优化布局，可以实现自然通风，满足绿色建筑的室内环境要求。建筑供冷能耗节能率达16.21%，供热能耗节能率达8.55%，节省照明能耗12.21%，建筑整体节能率达到60.53%。

参 考 文 献

[1]崔恺,于海为,柴培根.校园综合体——北京工业大学第四教学楼组团设计[J].建筑学报，2015(11): 68-69.

[2]魏广龙,张园,付桂茹.“绿道”理论对城镇居住区绿化设计的启示[J].石家庄铁道大学学报:社会科学版,2014,8(4):88-91.

[3]刘秋勤.集合与整合—高校老校区校园综合体设计研究[D]. 昆明:昆明理工大学,2014.

[4]杨柳.建筑气候学[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[5]彭鹏,范家美,郑红彬. 中心城小型广场建设探讨[J]. 石家庄铁道大学学报：社会科学版,2016,10(2):92-97.

[6]住建部.GB/T 50378—2014绿色建筑评价标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[7]住建部.GB50034—2013 建筑照明设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.