寒冷地区低能耗教学类建筑设计实践——河北建筑工程学院研学基地设计

孙明宇 河北建筑工程学院硕士在读

基地内场地土地平整，四周无高差。场地临近学校西门，北侧为校内某专业教学楼，东侧为校内图书馆，四周交通主要为学校内部道路。项目用地位于张家口市，张家口市位于我国华北地区，属于温带大陆性季风气候，在我国的建筑热工分区中被划为寒冷地区。其年平均气温为15.8 ℃，1 月为全年最冷月，平均气温为4.4 ℃，7 月为全年最热月，平均气温为26.5 ℃。该场地夏季辐射量较高并且在秋冬两个季节有比较大的波动，场地内的全年风速平均值为3.1 m/s，周围建筑较为空旷，夏季主导风向为东南风，冬季主导风向为西北风。由于其城市特殊存在的山谷地形，易形成狭管效应加速空气流动，因此该地存在较高的风速。

1 设计策略

1.1 总体布局策略

场地位于校区的西南角，临近学校西门。学校各建筑如图1 所示，功能分区中教学中心部分用于校内室内的教学以及学术交流，创意中心部分包含创作工作空间及其配套附属的餐厅部分，同时具有对外开放的儿童乐园等功能性空间，研学宿舍部分是供给校外交流人员居住使用，体验单元部分可以用于学校文化（学校的不同阶段的发展历史、学校的校友事迹等）以及学院最新科研成果展示，不同的体验单元可以展示不同的内容。场地的主入口设置在场地的北侧偏东位置，考虑到建筑的性质主要为校内教学楼使用，因此入口应更接近校内，以方便校内师生到达。综合考虑到资源环境以及日照通风等气候要素，设计总体布局采用了“回”字型的庭院式布局的形式，其内部围合形成的庭院可以用作室外休憩，提升总体建筑的趣味性与游玩性。

图1 场地区位分析图

1.2 主体建筑设计

本项目为高等院校的教学类建筑，建筑的使用主体为高校师生，主次入口均设置在北门以方便校内外人流出入。而且建筑临近学校的西出入口，为了方便校外人员使用，达到人流分流的效果，将半开放的功能区布置于建筑的西侧，东侧布置供校内师生使用的教学区域，方便校内学生到达。南部采光较充足，设宿舍区。

建筑的层数为局部地区两层，具体平面布置如图2 和图3 所示，同时设有局部通高空间，以丰富使用者的使用感觉，促进更多交流行为的发生。立面依据不同的朝向选择不同的开窗方式，屋顶作为建筑的第五立面设置太阳能光伏电池组以收集阳光，从而节省能源的消耗。

图2 建筑首层平面图

图3 建筑二层平面图

1.3 景观设计

本项目采用多样复合的景观设计。庭院的场地景观设计结合周边建筑布局，以公共活动区域为主，在建筑的四周设置草地以形成景观，丰富建筑内使用者的视觉感官。草地和植物的存在可以提升室内的私密性。建筑整体所围合形成的庭院以及建筑二层的室外平台设置一些活动设施，用以丰富建筑的室外活动功能，进而提升空间的趣味性。

1.4 开放式共享空间

当前，教学类建筑的非教学类空间作用日益突出。在注重学生德智体美劳全面发展的今天，教育的理念也从过去单一的学生被动式的接受，转变成为了多元化的主动式的学习，因此教育对于高等学校学生有了更高的要求，体现在对于自主学习能力的要求。同时，人与环境之间存在着相互作用的关系，人的行为受到所处环境的影响，优质的空间环境对人的行为具有积极作用，促使好的行为发生。现在高等学校建设的首要任务是建设高品质、多样化的学习空间供学生使用。建筑的西南部设置了一处开放式的共享学习空间，供学生学习、休憩、交流，促进学生主动学习[1]。

2 被动式技术设计

2.1 建筑通风设计

建筑的局部（楼梯间、入口门厅处）设置了通高的空间。考虑到张家口市的城市主导风向，在建筑两层之间设置了架空通风系统，局部空间架空处理，并且建筑采用架空楼板的形式，形成通风间层，以增加空气流动效率，在炎热的夏季形成对流通风，带走多余的热量，从而减少制冷产生的能耗。一层通风空间示意如图4 所示。

图4 一层通风空间示意

2.2 建筑采光设计

2.2.1 主动式采光策略

对于阳光的需求，是建筑的一个重要的评价指标。本项目采用可调节的“智能百叶系统”，在保证建筑基本采光需求的基础上，可以产生丰富而有趣的光影效果，即可以根据使用者的不同状态和当前日光辐射量调节格珊的开闭状态，其不同状态可以控制不同的采光量。例如，当格珊处于开启状态时，光线可以直接射入室内；当栅格处于闭合状态时，光线被完全反射回去，不能进入室内；当格珊处于垂直状态时，光线被均匀地漫反射进入室内，使得室内的光照不是特别强烈，减少人员视觉的不适感；当格珊处于半开启状态时，光线部分被反射走，部分直射进入室内。长期以来，建筑的西侧一直都是采光的薄弱部分，西晒会引起建筑室内过热的问题。为缓解西晒和室内过热问题，建筑的西侧房间在外墙上开小开口的条形窗，在满足基本的室内采光的需要的基础上，减少进入室内的光量，从而避免室内过热情况的发生。同时为减少电能资源的消耗，对采光薄弱的房间开启天窗以弥补室内光照的不足。“智能”栅格示意图如图5 所示。

图5 “智能”栅格示意

2.2.2 被动式采光策略

张家口地区的太阳能年辐射总量约为6 000 MJ/m2，在建筑的屋顶部分设置一定倾角的单晶硅太阳能光伏电池板，可以有效地利用太阳辐射能，将之转化为电能供建筑运行使用，而产生的多余电量可以并入学校电网供给其他建筑使用，或者对外出售给当地电网，产生经济收益[2]。同时，建筑的屋顶作为建筑的第五立面，可以丰富建筑的整体造型。

2.3 能源供应设计

张家口地区海拔较高，具有充沛的太阳辐射资源，研学中心的屋顶部分采用太阳能光伏电池，吸收太阳辐射能并且转化存储为电能，为建筑的运行提供电能。同时，建筑外墙可以采用集热蓄热墙体。除此之外，张家口地区由于城市地貌而形成的风环境使该地区具备充足的风力资源，在炎热的夏季，通过调节外墙以及幕墙风口，加强室内自然通风，以达到改善室内风环境的目的。

3 结语

随着我国高等教育水平的不断提高，师生对教学楼的使用需求也不断提高，教学类建筑必将成为建设设计的研究热点。本设计项目在分析基地条件、结合当地的气候环境特点以及建筑使用主体（师生）的行为特点的基础上，充分利用自然资源，整合太阳能以及风能，并结合主被动技术，希望成为该地区教学类建筑设计的新思路。