农村学校建筑节能设计策略

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摘要:针对农村学校冬季采暖能耗的问题，选取坝上地区的农村学校进行了实地调研。通过调研系统了解坝上农村的气候状况和学校现状，指出学校建筑冬季供暖方式落后、采暖能耗大、室内舒适度低等问题。通过增强围护结构保温性能、采用合理的建筑布局、充分利用良好的太阳能资源等节能策略，达到降低能耗、提高室内热舒适度的目的。

关键词:坝上地区;农村学校建筑;建筑节能

数据显示，我国建筑总能源所占的比例逐年上升。目前已上升为27.45%。建筑冬季的采暖能耗是建筑总能耗中所占比例最大的一部分。我国严寒地区和寒冷地区都是采暖区，这些地方的总面积占全国的70.8%，冬季的采暖能耗占全国建筑总能耗的40%，严寒和寒冷地区的采暖能耗十分庞大，所以也是节能潜力最大的部分。在这些地区发展节能建筑有着非常深远的意义。我国现存初中和小学学校共24万所，在校人数约1.4亿人，其中农村中小学校的人数约占总人数的26.2%。而这些中小学建筑的人均消耗的能源量是普通人的4倍。坝上地区的冬季寒冷而漫长，加之农村经济技术落后，许多学校冬季采暖设备落后，冬季采暖能耗大，针对这样的现状，改善教室冬季的采暖情况，提高室内舒适度尤为迫切。

1坝上地区农村学校能耗调研

1.1坝上地区气候概况。“坝上”特指由草原陡然升高而形成的地带，又因气候和植被的原因形成的草甸式草原。坝上位于华北平原北部和内蒙古高原南端交接的地方，总面积二十多万平方公里。坝上平均海拔1486m，北纬41°～42°，年平均气温1.4～5℃，属于温带大陆性气候，天气寒冷干燥，多晴朗，少降水。按照气候学上对于冬季的界定(平均气温连续5天低于10℃为冬季，0℃以下为严冬)，这里的冬季长达7个月，严冬为5个月。坝上处于高原地区，天高气爽，万里无云，太阳能丰富，年均太阳辐射总量5.82×109J/m2，是河北省太阳辐射量最大的地区之一，日照时间长，年均日照时数为2815.3h，日照射率64%，是太阳能采集的最佳区域［1］。1.2学校现况调研分析。为了了解坝上地区农村中小学校教室冬季采暖以及室内热环境的状况，笔者在2016年11月至2017年2月之间对坝上地区的多所学校进行了实地调研，通过现场测试、实地拍照、问卷调查的方式，有目的地选取不同地区、不同条件、不同采暖情况的学校进行调研，将最终的调研资料加以汇总比较，便于对坝上农村中小学校的现状有一个较为全面的掌握。结合问卷调研的结果，发现学校存在以下几方面的问题:(1)为了获得南向的日照和采光，坝上学校的教学楼多为单廊式的平面形式，建筑体形系数较大，增加了建筑能耗，不利于节能减排;(2)教学楼的外围护结构多用240mm或者370mm的实心砖墙砌筑，而且无外保温结构;学校的门窗达不到气密性的要求，冬季冷风渗透严重，外围护结构造成的热损失巨大，教室温度极低，室内墙面结冰发霉，学生往往会冻得两手通红，影响身心健康和学习效率;(3)农村地区由于条件限制，集体供暖的方式不合理，学校一般使用火炉采暖或者燃煤锅炉采暖两种供热方式，这两种供热方式不仅热效率低、能耗大，尤其是火炉采暖的教室，冬季门窗紧闭，火炉产生的烟气导致室内空气品质低，舒适度差，严重的可能会影响学生的健康;(4)学校采用的能源以常规能源煤炭为主，采用农作物秸秆的薪柴作为辅助燃料，能源使用比较单一。

2学校建筑节能设计策略

通过调研，农村学校冬季采暖存在高能耗、低能效、空气质量差的问题。在学校采取适宜的节能措施可以响应国家低能耗、高能效的节能减排号召，提高教室室内舒适度，既缓解了能源危机，又保护了环境。2.1增强围护结构保温性能。提高建筑外围护结构保温性能对于降低建筑能耗有十分明显的作用［2］。因此建筑外墙保温、屋面保温以及门窗节能是学校建筑节能的一个主要途径。2.1.1墙体保温措施。首先，在进行墙体设计时要注重保温性，外墙应设置保温层。由于技术局限和维护不便，内保温结构不适合用于教学楼外墙，因此，应该在外墙设置外保温结构。墙体的所有材料都必须具有良好的保温性能，如苯板、金属夹芯板、聚碳酸酯及酚醛等［3］。2.1.2门窗保温措施。门窗是建筑外围护结构中保温节能的薄弱环节。根据数据显示，通过建筑外窗的热损失就达到建筑全部热损失的35%～45%。因此对于门窗的节能措施应当引起设计者的重视。在进行外窗设计时，应选用密封性能良好的材料，如断桥铝合金窗和塑钢窗。条件好的学校可采用更为先进的带真空的高效保温节能窗［4］。外窗在满足功能要求的前提下合理控制窗墙比。另外，门的朝向应尽量避开冬季主导风向，如若避免不了，也应在北向设置门斗，形成一个空气缓冲区域，提高建筑保温性能。2.1.3屋面保温措施。屋顶保温节能的原理和外墙一样。可采用的有保温屋面、坡屋面、生态绿化屋面等。屋顶接收的太阳能辐射最多，可以充分利用屋顶来进行太阳集热，将太阳墙技术与光电板结合，形成了光热转换系统－太阳能光电板单元。集热板利用太阳能收集的热量供学校冬季的采暖使用，热效率可达50%～60%［5］。2.2采用合理的建筑布局。2.2.1优化建筑体形系数。体形系数对于学校建筑的节能效果影响也很大。体形系数是指建筑表面积与体积的比值，所以建筑的表面积越大，散热面积就越大，热量损失也会变多，节能效果差。坝上学校的教学楼多采用单廊式长条形布局，体形系数大。相比之下，中廊式的布局形式体形系数较小，有利于节能减排。挪威GrongSchool是中廊式布局的一个典型案例，将南向房间作为主要的教室使用，而北向的无日光直射的房间则用作辅助用房。在优化体形系数的同时多功能利用太阳能，弥补北向采光和日照的不足［6］。此外，随着建筑层数的增加，建筑的体形系数会相应的减小，根据调查，许多的农村小学均为单层建筑，应该适当增加层数，减小体形系数［7］。但是也不能过分追求体形系数，当体型系数的确定与建筑功能发生矛盾时，应该在兼顾体形系数达到节能标准的情况下，采用其他的节能措施来降低建筑的能耗。2.2.2中庭设计。中庭是一种有效的节能手段，通过科学的设计，中庭也可以成为提供天然采光和通风的空间，同时还可以作为一个共享空间供师生进行交流和学习使用。常用的有庭院式中庭和线性中心中庭两种形式。中庭可以通过自然通风、机械通风及减少外围护结构在室外的暴露来减少能耗［8］。2.3充分利用太阳能。坝上地区太阳能资源丰富，在学校中充分利用太阳能进行采暖是一种行之有效的措施。被动式太阳能研究利用较早，技术成熟，易于掌握。通过建筑设计创造良好的朝向、布局，利用热压进行通风设计等都是有效的利用措施。在设计之初应该计算出足够的屋面荷载，在屋顶上设置太阳能板，同时也可以把太阳能板放置在南向外墙上，既丰富了建筑的立面造型，又充分利用了太阳能。随着科技发展，太阳能采暖系统也日益完善。利用导光管、金属集热板、可调遮阳板、相变材料等构配件和利用跨季节蓄热等新技术，将太阳能资源更好地应用在建筑节能设计中［9］。相信不久的将来，在太阳能资源丰富的地区利用太阳能采暖系统进行冬季供热的学校以及其他公共建筑将越来越多。

3结语

在节能减排这个大环境下，通过采用合理的手段，降低农村学校教学楼冬季采暖的能耗，提高教室室内舒适度，是十分有意义的。针对学校教学楼的节能策略有很多，本文结合坝上的实际情况，从围护结构，形体布局和资源利用三方面进行研究，探索农村学校节能的方法。百年大计，教育为本。作为建筑师，应该在设计中关注能源，关注使用者，创造出一个绿色生态且舒适宜人的环境，为学生接受良好的教育保驾护航。

作者:朱赛鸿 啜亚男 杨哲 单位:河北工业大学