寒冷地区高校教学建筑低能耗设计研究

摘 要：“双碳”目标下，高校教学建筑低能耗设计意义重大。基于此，总结现阶段实现高校教学建筑低能耗设计的几种措施，对其做法、原理和效果进行阐述，以期对未来寒冷地区高校教学建筑低能耗设计提供理论支持。适宜的建筑规划与单体设计，以及先进材料与技术的合理利用可有效降低建筑能耗，从而实现寒冷地区高校教学建筑低能耗的目标。

关键词：寒冷地区；高校校园；教学建筑；低能耗

2022年，住房和城乡建设部印发《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》，明确了绿色建筑和节能目标。截至2020年，我国公共建筑面积140亿平方米，校园建筑占比近16％。可见，校园建筑是公共建筑的重要类型。然而，通过对各类型公共建筑逐年竣工面积的统计，办公、商场及酒店类建筑在2016年后竣工面积持续下降，而医院、学校的竣工面积呈上升趋势。另外，通过将学校建筑的人均面积与其他国家进行比较，可以发现我国学校建筑的人均面积与发达国家仍有较大差距，学校建筑依旧是今后公共建筑的发展重点[1]。我国幅员辽阔，高校数量庞大。截至2018年，高校建筑中教学建筑能耗占比超过80％，成为高校开展节能工作的重中之重。另外，高校教学建筑多为6层建筑，体形系数较大且形态规整。

高校作为公共建筑的一个重要组成部分，既是人口密集区也是能源消耗大户。高校冬季或夏季单位建筑面积能耗约为100千瓦时，远高于全国居民水平，生均能耗和水耗分别是全国人均的4倍和2倍[2]。为解决寒冷地区高校教学建筑高能耗问题，必须合理规划设计策略，研究符合地域特征的低能耗设计方案，促进校园教学建筑可持续发展。

本文以寒冷地区高校为研究对象，基于低能耗设计目标，从建筑规划、单体设计、材料选择以及可再生能源技术方面对高校教学建筑设计方法进行研究，旨在为寒冷地区高校教学建筑低能耗设计提供一些方法和思路。

一、寒冷地区高校教学建筑低能耗设计要点

（一）建筑布局

合理规划建筑布局是寒冷地区高校教学建筑设计的关键。在规划过程中，需要考虑教学建筑与其他功能区域的相互衔接，以形成便捷的交通网络和良好的空间流线。石媛等人的研究指出，建筑布局对建筑能耗的影响巨大，合理布局不仅有利于降低能耗，而且对于提高建筑效率和舒适性具有重要作用[3]。在低能耗设计层面，建筑布局应综合考虑阳光照射和风向等因素，最大限度地利用自然资源，创造舒适的学习和工作环境。此外，底层自由风场有助于增强通风能力，解决防晒、通风、防潮和防雨等问题。陈光等人在进行广州地区底层架空对教育建筑组团室外热环境影响的研究中认为，架空层下的热环境明显改善[4]。这种设计理念为建筑带来了更加丰富的视觉体验，使人们在空间中流动，感受不同的氛围和情绪。同时，建筑内部的自然通风效果进一步得到提升，空气对流也极大地改善了建筑室内的物理环境，提高了室内空气品质。

（二）绿化景观

在寒冷地区高校教学建筑的规划设计中，绿化景观的设计是必须考虑的。金哲潮等人在城市办公建筑景观规划设计中指出，采用生态景观设计方法可提升寒冷地区高校校园环境质量，为师生创造一个舒适、美丽的学习和生活空间，同时引入合适的树木和植物，可以起到防风、保温等作用[5]。陈卓伦认为，绿化体系对湿热地区建筑组团室外热环境有显著影响。乔木水体搭配比乔木草地搭配效果更佳，降温效果约0.5℃[6]。合理控制绿化景观可调整微气候，并为师生提供舒适的休闲社交场所，营造积极向上、充满活力的校园文化氛围。

（三）地形利用

寒冷地区的地形对高校教学建筑的规划设计有着重要的影响，合理利用地形可以创造丰富的景观层次。同时，寒冷地区的地形也可以用于雪的堆积和分流，以减轻对建筑的影响。陈华晋等人在建筑被动式节能设计研究中指出，通过合理利用地形，可以改善校园的微气候环境，能够更好地实现设计的舒适性和可持续性[7]。通过合理利用地形来改善校园的微气候环境，进一步提高高校校园的综合效益。

二、寒冷地区高校教学建筑低能耗设计要点

（一）围护结构的保温性能

墙体作为建筑围护结构的关键组成部分，其保温性能对节能的影响不可忽视。在教学建筑单体设计中，外墙保温是一项重要考虑因素。刘向伟等人在夏热冬冷地区建筑设计研究中认为，采用高效保温材料可显著减少建筑能量流失，从而提升室内舒适度和能源效率[8]。在寒冷地区，选用合适的保温材料如聚苯板、岩棉板并设置适当厚度的保温层，可大幅提高建筑保温性能，减少能量损耗。此外，建筑物的顶部屋面全年受到阳光热辐射，是建筑物中受热最多、最集中的区域。和晓艳的研究结果显示，屋顶绿化技术可降低周围环境温度0.5—4℃，每降低1℃可减少6％的空调容量需求[9]。张鹏等人在湖南农村住宅节能改造中发现，双层铝板通风坡屋面能显著提高屋顶的隔热性能，有效反射阳光和散发热能，相比传统屋顶具有更佳的隔热效果[10]。合理选择保温材料和屋顶形式，可大幅降低建筑能耗，为高校校园可持续发展做出贡献。

（二）自然采光

合理的采光设计是寒冷地区高校教学建筑的重要设计原则之一，合理设置窗户可以最大程度地利用自然光，减少对人工照明的依赖。林波荣等人在建筑节能优化方法研究中，着重探讨了自然采光在建筑空间利用中的重要性，特别是公共建筑[11]。在寒冷地区的采光设计中，需要考虑日照时间和角度，以确保室内光线的均匀分布和充足度。通过合理控制窗户的数量及尺寸参数，可以充分提升自然光的利用效率及室内环境的舒适度，同时提高使用者的学习和工作效率。在设计过程中，应考虑建筑所处地区的日照情况，以确保光线的充足性和均匀分布，这些措施有助于节约能源并提高建筑的可持续性。

（三）空调系统

在寒冷地区高校教学建筑设计中，选择适宜的空调系统至关重要。合理的空调系统可为师生提供舒适的室内环境，降低能源消耗。崔莹等人在公共建筑碳排放特征及分析模型研究中围绕建筑使用阶段的碳排放进行研究，针对空调系统等方面存在的能源浪费问题分析了与其相关的绿色建筑节能应对方法，提出了综合性、科学性以及合理性的公共建筑绿色节能设计方案[12]。合理的暖通空调系统可以满足不同季节和天气条件下的需求，提供稳定的室内温度和空气质量。

（四）自然通风

在寒冷地区的高校教学建筑中，合理的通风设计对于保持室内空气的新鲜和舒适是必不可少的。在高校校园教学建筑中，通风系统应综合考虑自然通风和机械通风的优势。程征等人在体育馆设计研究中认为自然通风是必要的，为师生提供新鲜空气和改善热舒适度[13]。自然通风更健康、环保、节能，通过窗户、通风口设置实现气流循环。机械通风可采用风机、排风扇等设备。智能控制系统可根据空气质量和温度自动调节，提供舒适环境。在高校教学建筑设计中，综合考虑自然通风和机械通风优势，可改善空气质量，创造舒适的学习和工作环境，同时降低能源消耗。

三、先进材料与技术

（一）先进材料

近20年来，建筑材料随着科技进步快速发展，涌现众多新型材料。在低能耗设计中，外层界面材料对建筑遮阳隔热至关重要。新型轻型复合隔热材料用于屋面和实体墙，对高校教学建筑设计的影响较小；而新型隔热遮阳玻璃材料对建筑外观造型的影响较大，并对设计和热工性能产生重要影响。谷燕成等人对建筑节能保温材料的研究显示，新型节能玻璃如热反射玻璃、吸热玻璃、中空玻璃、低辐射玻璃等，在降低建筑能耗方面发挥着重要作用[14]。这些玻璃能够增强对室外可见光和长波辐射的反射，提高建筑的保温隔热性能，减少室内外热量传递，从而降低采暖和空调制冷费用。

（二）地源热泵

地源热泵是一种适用于寒冷地区高校教学建筑的供暖技术，主要利用地下热能来实现热交换。陈少杰等人在寒冷地区空气源热泵采暖技术应用研究中指出，在能源与环境的双重压力下，建筑急需清洁高效的供暖方式[15]。地源热泵系统利用地下热能实现热交换，满足建筑采暖和热水需求。通过合理设计管路和热交换器，具有稳定性的地下热能可实现高效能源利用和节能效果，提供舒适的室内温度。这一技术减少了对传统能源的依赖，降低了能耗，实现了可持续供暖，对高校教学建筑达到节能目标至关重要。

（三）光电技术

太阳能是一种清洁、可再生能源，逐渐在寒冷地区的高校教学建筑中得到应用。甄蒙等人在东北严寒地区农村住宅节能设计研究中发现，为提高室内舒适度，应充分利用自然资源，采取设计策略降低采暖能耗[16]。太阳能光伏系统可将太阳能转化为电能，满足部分能源需求，如照明等。合理设计光伏阵列位置和倾角，最大程度吸收太阳能，结合储能设备实现全天候能源供应。这种方式能够有效减少对传统能源的依赖，降低能源消耗，为节能减碳目标贡献力量。在不同场景中，太阳能利用具有巨大的节能潜力。

（四）风力发电

在寒冷地区的高校教学建筑中，风能也能够提供稳定的能源。风力发电系统由风力发电机组和电力储存设备组成，能够将风能有效地转化为电能并储存起来，以供应建筑所需。通过选择适当的风力发电机组和合理布局，可以最大程度地利用风能资源，实现建筑的可持续能源供应。朱江涛等人针对寒冷地区公共建筑低能耗技术研究显示，应重点探索太阳能、地热能、风能等可再生能源在建筑中的应用，充分利用自然资源实现能源的可持续利用[17]。

（五）智能化设计

建筑环境控制技术包括影响建筑环境的各类技术，通常分为被动式气候调节和主动式空调调节两类。近年来，计算机自动化和人工智能的快速发展，使建筑能够感知室内外环境，分析数据，通过控制窗户、遮阳板等，实现建筑内环境的自动智能调控，达到健康、节能、高效的目标，创造出更加舒适、人性化的生活空间。魏力恺等人基于建筑智能设计需要的整体考虑，提出不仅要优化设备系统运行，还应将其与空间、材料、施工等全面融合，在设计阶段就进行集成，以满足高性能、高感性的人性化需求，创造出更优质的建筑环境[18]。

四、结语

寒冷地区高校建筑的高能耗问题尤为突出，尤其是在冬季，大大增加了建筑在能源和材料方面的损耗。为了在寒冷地区的高校教学建筑中更好地融入绿色建筑理念并实现低能耗设计，需要全面考虑建筑的生命周期，结合未来发展需求以及社会、环境和气候等特性，充分分析项目情况。设计方案应主要采用被动式、生态和低碳设计技术，并将主动式设计作为补充措施。在考虑校园总体规划的同时，必须结合教学建筑单体设计以及先进材料与技术，以使校园环境自然舒适、安全友好，提高校园建筑的整体效益。

参考文献：

[1]侯恩哲.《中国建筑节能年度发展研究报告2022（公共建筑专题）》发行[J].建筑节能（中英文），2022（4）：146.

[2]谭洪卫，徐钰琳，胡承益，等.全球气候变化应对与我国高校校园建筑节能监管[J].建筑热能通风空调，2010（1）：36-40.

[3]石媛.寒冷地区三甲医院能耗分布与建筑布局节能设计研究[D].西安：西安建筑科技大学，2020.

[4]陈光.广州地区底层架空对教育建筑组团室外热环境影响[D].广州：华南理工大学，2011.

[5]金哲潮.城市办公建筑景观规划设计的探讨[D].上海：上海交通大学，2009.

[6]陈卓伦.绿化体系对湿热地区建筑组团室外热环境影响研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[7]陈华晋，李宝骏，董志峰.浅谈建筑被动式节能设计[J].建筑节能，2007（3）：29-31.

[8]刘向伟.夏热冬冷地区建筑墙体热、空气、湿耦合迁移特性研究[D].长沙：湖南大学，2015.

[9]和晓艳.屋顶绿化的相关技术研究[D].南京：南京林业大学，2013.

[10]张鹏，翟端强.双层铝板通风坡屋顶在湖南农村住宅节能改造中的应用[J].建筑节能，2017（10）：100-101，131.

[11]林波荣，李紫微.面向设计初期的建筑节能优化方法[J].科学通报，2016（1）：113-121.

[12]崔莹.公共建筑碳排放特征及分析模型研究[D].北京：北京建筑大学，2018.

[13]程征.基于自然通风模拟的体育馆设计策略研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

[14]谷燕成，陈思诺，黄恩兴.建筑节能保温材料的现状及发展[J].建筑节能，2016（6）：34-38.

[15]陈少杰.空气源热泵采暖技术在寒冷地区的应用研究[D].济南：山东建筑大学，2017.

[16]甄蒙.东北严寒地区农村住宅节能设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

[17]朱江涛.寒冷地区公共建筑的低能耗技术研究[D].石家庄：河北工业大学，2010.

[18]魏力恺，张备，许蓁.建筑智能设计：从思维到建造[J].建筑学报，2017（5）：6-12.

作者简介：

刘傲霜，河南工业大学土木建筑学院硕士研究生。研究方向：建筑设计及其理论。

李坤明，博士，河南工业大学土木建筑学院副教授，硕士研究生导师。研究方向：建筑设计及其理论。