长沙气候区校园绿色建筑技术适应性研究——以湖南大学建筑物理实验室为例＊
时间：2023-03-04 08:30:05 来源：千叶帆 本文已影响人
邓广 梁祗豪 陈玉昆 刘宏成 晏益力
1992年联合国环境发展大会提出绿色建筑的概念，历经了几十年的演变，已成为当今建筑发展的主流思想[1]。校园建筑作为城市中量大面广的重要建筑类型之一[2]，带有特殊属性，将其作为绿色建筑发展试点，具有很好的示范作用。在绿色生态建设浪潮的带动下，全国各地为深入开展绿色校园建筑研究，根据学校建设的特点，积极制定了绿色校园评估准则。目前绿色校园建设尚处于萌芽时期[3]。
长沙作为新一线城市，经济发达，具备开发绿色建筑的潜质，但是目前绿色建筑技术的推进相对迟缓，一方面由于政策的支持力量薄弱并且实践项目数量较少，另一方面也尚未形成系统的研究体系。本文从长沙地区的气候特点着手，通过物理实验室主/被动式的应用，分析该气候区所适应的绿色建筑技术，并总结其运用经验，为促进长沙等南方湿热地区在绿色建筑领域的发展提供参考。
湖南省位于我国夏热冬冷地区，为亚热带季风性湿润气候，其特征为雨量充沛、四季分明，最高月月均降水量达到189mm。笔者将长沙近10年年均气候指标整理归纳，如表1所示。一方面，其丰富的降水条件适宜广泛使用雨水回收利用和各类型节水技术，利于实施多种绿色建筑技术；
另一方面，降水量大意味着较高的防水需求，传统的材料防水效果并不理想，房屋渗漏水是一大问题。此外，长沙近10年1月月均温度仅5℃，而7月月均温度达到29℃，且每月的日均温度也相差6～7℃，昼夜温差大，导致墙面易产生冷凝水，为提升舒适度，减少室内温差，保温措施尤为重要。根据气象科学数据中心1981—2010年数据显示，长沙7月月均湿度高达75%，一年的闷热阶段高达5.7个月，建筑楼地面易受潮。
绿色建筑技术集成优化组织模式应该体现模块化的特征，使各种技术手段可以在兼容性强、有共同或相似技术接口的平台上实现。长沙气候区的气候条件优越，根据校园环境气候特性，可采取多种绿色建筑技术手段，满足多样性的集成方法特点[4]。建筑物理实验室可以作为很好的绿色校园建设案例。
表1 长沙地区近10 年温度、湿度、降水量气候整理归纳
2.1 被动式绿色建筑技术的集成与创新
湖南大学建筑物理实验室位于建筑学院专业教室西北角，是对既有建筑的绿建改造项目，具有节地意义（图1）。其主要功能包括建筑物理教室、各类实验室和学生活动及工作室，旨在创造一个绿色生态、节能环保的实验室，培养学生科研实践的动手能力。通过设计手段实现防潮、隔热、采光、通风，既有实用性又具有示范意义。
受长沙地区降雨量大、空气潮湿的影响，原物理实验室存在屋面漏雨、地面返潮严重的问题。此外，原有建筑屋顶采光口未考虑周边建筑物影响，被相邻教学楼遮挡，导致室内光线昏暗。由此，对建筑物理实验室进行一系列改造设计。
2.1.1 通风设计
自然通风系统能有效降低温湿度且不损耗常规能源，同时带来清新的室内空气，从而改善室内环境空气质量[5]。长沙地区夏季炎热，湿度较大，而教室人流密集，对通风需求更高。实验室根据长沙地区气候特征从建筑造型、室内空间、地势景观等方面，结合被动式设计更好地促进自然风的流动。
（1）与建筑造型结合
建筑物理实验室南面是地势较高的小坡地和教学中楼，阻挡了来自南方的夏季风，建筑为加强空气流通，在屋顶北侧开侧高窗，通过形体的塑造引导自然风进入内部，且与一层通风窗口形成对流，加强空气流通。
（2）与室内空间结合
建筑物理实验室一层158.4m2，其中有67.2m2的中通空间，有利于一、二层之间的空气流通，从而改善室内空气。同时增加室内外空气循环，形成连续流畅的气流通道。一层活动百叶遮阳隔断，可开启和关闭，隐私性强。
（3）与地势、景观结合
在景观设计时，充分考虑热压通风作用[6]，如在建筑物理实验室南面，利用地势设计成坡地，同时保留基地南北两侧草坪，通过配置绿植，降低周边温度而达到加大室内外温差的效果，利于自然风更好地进入室内，加强通风。
2.1.2 采光设计
在建筑设计中，最大化利用自然光照明，减少来自传统人工照明的能耗，达到可持续发展的目的。自然照明还具有照度均匀、无眩晕、持续性好等特点[6]。建筑物理实验室北、南、西三面开窗，且在屋顶开设3扇方形天窗，补充室内光源（图2,3）。
2.1.3 建筑围护结构节能设计
基于长沙地区夏热冬冷、降水量大的气候特点，结合原物理实验室存在的问题，技术团队提出了一系列适应性技术改造方案。拟达到节能75%的低能耗改造目标（图4,5）。
（1）墙体适应性设计
为适应长沙的气候环境，需做出相应的技术措施提升建筑的保温隔热性能。墙体作为建筑围护结构是占比最大的一部分，对建筑物耗能的影响很大，外墙保温的改造是实现建筑可持续发展的重要方式。设计采用外保温系统与垂直绿化来提升建筑的保温隔热性能，防止外墙内表面出现结露，同时为呼应周边教学中楼的建筑色彩，使用仿红色清水砖外墙装饰保温一体化墙板（导热系数为0.141W/m2·K）。外保温做法有效保护建筑本身结构，且建筑受到热桥的影响也大大减少，有效解决墙体发霉现象，节能且美观。
1 建筑物理实验室室内改造图
2 建筑物理实验室自然通风状态
3 建筑物理实验室立面图
4 建筑物理实验室技术集成路线
（2）门窗适应性设计
受经济和技术条件限制，我国采用的相当一部分外门窗保温隔热性能较差、隔音效果不理想。建筑物理实验室一、二层平开窗采用气密性强的三玻两腔中空玻璃（导热系数为2.1W/m2·K），南北两侧各设6扇长2400mm，高1200mm的窗户，南向窗口被教学中楼遮挡，无太阳直射，西侧可通过周边绿植遮阳，北向光照适宜，这对提高室内保温隔热、隔音性能起到很大帮助，符合被动房需求。北面设有电动可开启高侧窗，过渡季节开窗加强室内通风，可降低高湿度环境对室内的影响，提高环境舒适度。西向窗口采用可活动外遮阳，长沙夏季炎热，根据需要，可将遮阳百叶闭合，隔绝室外阳光照射，减缓室内气温提升，最多可节省45%的空调耗能。
（3）屋顶适应性设计
长沙地区多雨，对建筑防水要求较高，根据这一气候特征，建筑物理实验室设计剖屋顶形式，避免雨水堆积，利于排水，屋面采用CPM复合保温种植模块，由200mm厚挤塑聚苯板保温层和种植模块组成（导热系数为0.144W/m2·K）。
种植模块系统由单元尺寸500mm×500mm的模块拼接而成，质量轻，自重仅约70kg/m2，包括一体成型的骨架，侧边设有由高密度聚已烯塑料支撑的加强筋，该骨架具有容置，由下到上依次设有保温层和种植层，通过加强柱及加强板分隔成高、低种植单元，且高种植单元的底板高度低于加强板高度，在与底板相邻的加强板上开有排水凹槽。如此，屋面复合保温种植模块将保温隔热与种植基质集合在一起，模块间设置卡扣，便于安装，植被可自然生长，易维护，且不需要增加灌溉系统，使用寿命长，不仅能减轻屋顶荷载，而且节能、节材、保温隔热效果好，符合标准化、工业化生产要求[7]（图6,7）。
屋面系统综合造价低，CPM复合保温种植模块系统的应用，能够有效提高屋顶保温隔热性能，加强建筑对夏热冬冷气候的适应性，提升室内热环境舒适度，同时美化屋顶环境、增加校园绿化率，使得综合效益提高（图8）。
（4）楼地面适应性设计
长沙空气湿度大，地下潮气上升使建筑室内水气超标，腐蚀墙面、地板等室内物品，影响人体对环境的热舒适性。建筑物理实验室采用架空防潮地面，有效阻隔地下潮气上升。实验室南北两侧室外排水采用植草沟形式，可汇集、运输和排放径流雨水。
2.2 主动式绿色建筑技术的集成应用
2.2.1 中央空调系统
空调设备系统可实现中央空调主机的全自动化运行，控制系统各个部分的运行速度及效率，使中央空调空调循环系统的运行跟随外界环境及用户需求而变化。
长沙夏季高温，空调耗能量大，因此实验室采用主、被动式结合的方式降温，通过智能控制系统开启顶部天窗以排除室内热气流，辅以中央空调以达到降温目的。冬季则关闭天窗，使室内热空气循环，利用建筑卓越的保温性能达到升温的效果。被动式为主，主动式为辅的控温方式，有效减少空调系统全年能耗。同时，新风系统使得室内污染降低，提高了环境品质（图9）。
5 建筑物理实验室绿色建筑技术集成
6 建筑物理实验室CPM 复合保温种植单元结构图
7 建筑物理实验室CPM 复合保温种植单元剖面图
2.2.2 智能照明控制系统
长沙阴天较多，因此照明用电是建筑能源适应的重要部分，通过将一些功率较大的灯具更换为LED节能灯，可以在一定程度上降低照明耗电量。智能照明控制系统在确保灯具能够正常工作的条件下，给灯具输出最佳照明功率，使照明分布更柔和均匀，又可大幅度节能省电。经测试，智能照明节能系统节电率可达20%～40%。
2.3 模拟测试
2.3.1 采光测试
原方案屋顶侧高窗虽朝向南面，然而被南向教学中楼遮挡，室内采光效果差，加上二层北向隔墙通顶，一层无法受到来自北向的光线，自然采光不满足《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013）。改造后侧高窗改为北向，顶天窗设在南向，二层隔墙取消，改为开放式空间，取消遮挡，视野开阔。经模拟测试，两层实验室空间不仅满足采光要求，而且光线更加均匀舒适。
2.3.2 通风测试
经模拟测试，主要功能房间换气次数大于2次/h的面积比例为94.3%，通风状况良好，空气较为新鲜，满足标准要求。建筑内部风速大部分处于0.43～1.50之间，处于人体舒适范围。且建筑受相邻教学中楼的围挡较为严重，测试发现增加通风口对室内风速影响不大，因此现有的室内通风基本满足要求，如需优化，可通过智能中央空调控制系统进行主动式调节（图10）。
湖南大学建筑物理实验室改造项目的成功实践，不仅体现了绿色校园建筑对气候的适应性，有助于校园可持续性发展，同时具备强有力的推广作用，为推动绿色建筑的发展贡献了一份力量。然而，校园建筑由不同建筑类型样式集合构成，本文仅选取长沙地区某一高校的一种建筑类型作为案例，分析结果具有偶然性，对校园绿色建筑适应性研究仅做参考，后续研究可以增加实例的数量和类型。
8 建筑物理实验室CPM 复合保温种植模块屋面
9 夏、冬季室内气温循环状态
10 建筑物理实验室改造后通风模拟图
图片来源
1作者自摄
2,3,5,8,9作者自绘
4,6,7,10 湖南大学设计院既有建筑改造研究中心提供
表格来源
1作者自绘
项目信息
项目名称：湖南大学建筑物理实验室绿色建筑技术改造
业主：湖南大学
建设地点：湖南省长沙市岳麓区
建筑设计：湖南大学设计院既有建筑改造研究中心
项目负责人：刘宏成
设计团队：阳小华(建筑)；
邓广（结构）；
金津（设备）；
武斌、贺建军（能耗监测）
总建筑面积：249.6m2
设计时间：2019—2020
建成时间：2021.06
摄影：梁祗豪
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