農村學校建筑節能設計策略

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摘要:針對農村學校冬季采暖能耗的問題，選取壩上地區的農村學校進行了實地調研。通過調研系統了解壩上農村的氣候狀況和學?，F狀，指出學校建筑冬季供暖方式落后、采暖能耗大、室內舒適度低等問題。通過增強圍護結構保溫性能、采用合理的建筑布局、充分利用良好的太陽能資源等節能策略，達到降低能耗、提高室內熱舒適度的目的。

關鍵詞:壩上地區;農村學校建筑;建筑節能

數據顯示，我國建筑總能源所占的比例逐年上升。目前已上升為27.45%。建筑冬季的采暖能耗是建筑總能耗中所占比例最大的一部分。我國嚴寒地區和寒冷地區都是采暖區，這些地方的總面積占全國的70.8%，冬季的采暖能耗占全國建筑總能耗的40%，嚴寒和寒冷地區的采暖能耗十分龐大，所以也是節能潛力最大的部分。在這些地區發展節能建筑有著非常深遠的意義。我國現存初中和小學學校共24萬所，在校人數約1.4億人，其中農村中小學校的人數約占總人數的26.2%。而這些中小學建筑的人均消耗的能源量是普通人的4倍。壩上地區的冬季寒冷而漫長，加之農村經濟技術落后，許多學校冬季采暖設備落后，冬季采暖能耗大，針對這樣的現狀，改善教室冬季的采暖情況，提高室內舒適度尤為迫切。

1壩上地區農村學校能耗調研

1.1壩上地區氣候概況?！皦紊稀碧刂赣刹菰溉簧叨纬傻牡貛?，又因氣候和植被的原因形成的草甸式草原。壩上位于華北平原北部和內蒙古高原南端交接的地方，總面積二十多萬平方公里。壩上平均海拔1486m，北緯41°～42°，年平均氣溫1.4～5℃，屬于溫帶大陸性氣候，天氣寒冷干燥，多晴朗，少降水。按照氣候學上對于冬季的界定(平均氣溫連續5天低于10℃為冬季，0℃以下為嚴冬)，這里的冬季長達7個月，嚴冬為5個月。壩上處于高原地區，天高氣爽，萬里無云，太陽能豐富，年均太陽輻射總量5.82×109J/m2，是河北省太陽輻射量最大的地區之一，日照時間長，年均日照時數為2815.3h，日照射率64%，是太陽能采集的最佳區域［1］。1.2學?，F況調研分析。為了了解壩上地區農村中小學校教室冬季采暖以及室內熱環境的狀況，筆者在2016年11月至2017年2月之間對壩上地區的多所學校進行了實地調研，通過現場測試、實地拍照、問卷調查的方式，有目的地選取不同地區、不同條件、不同采暖情況的學校進行調研，將最終的調研資料加以匯總比較，便于對壩上農村中小學校的現狀有一個較為全面的掌握。結合問卷調研的結果，發現學校存在以下幾方面的問題:(1)為了獲得南向的日照和采光，壩上學校的教學樓多為單廊式的平面形式，建筑體形系數較大，增加了建筑能耗，不利于節能減排;(2)教學樓的外圍護結構多用240mm或者370mm的實心磚墻砌筑，而且無外保溫結構;學校的門窗達不到氣密性的要求，冬季冷風滲透嚴重，外圍護結構造成的熱損失巨大，教室溫度極低，室內墻面結冰發霉，學生往往會凍得兩手通紅，影響身心健康和學習效率;(3)農村地區由于條件限制，集體供暖的方式不合理，學校一般使用火爐采暖或者燃煤鍋爐采暖兩種供熱方式，這兩種供熱方式不僅熱效率低、能耗大，尤其是火爐采暖的教室，冬季門窗緊閉，火爐產生的煙氣導致室內空氣品質低，舒適度差，嚴重的可能會影響學生的健康;(4)學校采用的能源以常規能源煤炭為主，采用農作物秸稈的薪柴作為輔助燃料，能源使用比較單一。

2學校建筑節能設計策略

通過調研，農村學校冬季采暖存在高能耗、低能效、空氣質量差的問題。在學校采取適宜的節能措施可以響應國家低能耗、高能效的節能減排號召，提高教室室內舒適度，既緩解了能源危機，又保護了環境。2.1增強圍護結構保溫性能。提高建筑外圍護結構保溫性能對于降低建筑能耗有十分明顯的作用［2］。因此建筑外墻保溫、屋面保溫以及門窗節能是學校建筑節能的一個主要途徑。2.1.1墻體保溫措施。首先，在進行墻體設計時要注重保溫性，外墻應設置保溫層。由于技術局限和維護不便，內保溫結構不適合用于教學樓外墻，因此，應該在外墻設置外保溫結構。墻體的所有材料都必須具有良好的保溫性能，如苯板、金屬夾芯板、聚碳酸酯及酚醛等［3］。2.1.2門窗保溫措施。門窗是建筑外圍護結構中保溫節能的薄弱環節。根據數據顯示，通過建筑外窗的熱損失就達到建筑全部熱損失的35%～45%。因此對于門窗的節能措施應當引起設計者的重視。在進行外窗設計時，應選用密封性能良好的材料，如斷橋鋁合金窗和塑鋼窗。條件好的學?？刹捎酶鼮橄冗M的帶真空的高效保溫節能窗［4］。外窗在滿足功能要求的前提下合理控制窗墻比。另外，門的朝向應盡量避開冬季主導風向，如若避免不了，也應在北向設置門斗，形成一個空氣緩沖區域，提高建筑保溫性能。2.1.3屋面保溫措施。屋頂保溫節能的原理和外墻一樣?？刹捎玫挠斜匚菝?、坡屋面、生態綠化屋面等。屋頂接收的太陽能輻射最多，可以充分利用屋頂來進行太陽集熱，將太陽墻技術與光電板結合，形成了光熱轉換系統－太陽能光電板單元。集熱板利用太陽能收集的熱量供學校冬季的采暖使用，熱效率可達50%～60%［5］。2.2采用合理的建筑布局。2.2.1優化建筑體形系數。體形系數對于學校建筑的節能效果影響也很大。體形系數是指建筑表面積與體積的比值，所以建筑的表面積越大，散熱面積就越大，熱量損失也會變多，節能效果差。壩上學校的教學樓多采用單廊式長條形布局，體形系數大。相比之下，中廊式的布局形式體形系數較小，有利于節能減排。挪威GrongSchool是中廊式布局的一個典型案例，將南向房間作為主要的教室使用，而北向的無日光直射的房間則用作輔助用房。在優化體形系數的同時多功能利用太陽能，彌補北向采光和日照的不足［6］。此外，隨著建筑層數的增加，建筑的體形系數會相應的減小，根據調查，許多的農村小學均為單層建筑，應該適當增加層數，減小體形系數［7］。但是也不能過分追求體形系數，當體型系數的確定與建筑功能發生矛盾時，應該在兼顧體形系數達到節能標準的情況下，采用其他的節能措施來降低建筑的能耗。2.2.2中庭設計。中庭是一種有效的節能手段，通過科學的設計，中庭也可以成為提供天然采光和通風的空間，同時還可以作為一個共享空間供師生進行交流和學習使用。常用的有庭院式中庭和線性中心中庭兩種形式。中庭可以通過自然通風、機械通風及減少外圍護結構在室外的暴露來減少能耗［8］。2.3充分利用太陽能。壩上地區太陽能資源豐富，在學校中充分利用太陽能進行采暖是一種行之有效的措施。被動式太陽能研究利用較早，技術成熟，易于掌握。通過建筑設計創造良好的朝向、布局，利用熱壓進行通風設計等都是有效的利用措施。在設計之初應該計算出足夠的屋面荷載，在屋頂上設置太陽能板，同時也可以把太陽能板放置在南向外墻上，既豐富了建筑的立面造型，又充分利用了太陽能。隨著科技發展，太陽能采暖系統也日益完善。利用導光管、金屬集熱板、可調遮陽板、相變材料等構配件和利用跨季節蓄熱等新技術，將太陽能資源更好地應用在建筑節能設計中［9］。相信不久的將來，在太陽能資源豐富的地區利用太陽能采暖系統進行冬季供熱的學校以及其他公共建筑將越來越多。

3結語

在節能減排這個大環境下，通過采用合理的手段，降低農村學校教學樓冬季采暖的能耗，提高教室室內舒適度，是十分有意義的。針對學校教學樓的節能策略有很多，本文結合壩上的實際情況，從圍護結構，形體布局和資源利用三方面進行研究，探索農村學校節能的方法。百年大計，教育為本。作為建筑師，應該在設計中關注能源，關注使用者，創造出一個綠色生態且舒適宜人的環境，為學生接受良好的教育保駕護航。

作者:朱賽鴻 啜亞男 楊哲 單位:河北工業大學