低技术条件下节能及生态建筑设计——以中国药科大学体育活动中心

90atdEnergy-savingandEcologicalArchitectureDesignwithLowTechnology:SportsCenterofChinaPharmaceuticalUniversity低技术条件下节能及生态建筑设计——以中国药科大学体育活动中心设计为例撰文冯志荣周琦东南大学建筑学院摘要关键词本文以中国药科大学体育活动中心方案设计为例，介绍了在体育场馆设计中，解决通风、保温、采光等技术问题的一些具体办法，从而探讨了在长江中下游地区气候条件下，采用低技术、低能耗、被动式系统等手段进行节能、生态建筑设计的方法和策略。中国药科大学体育活动中心特殊气候和条件低技术节能生态建筑南京地处亚热带季风湿润气候区，雨量充沛，四季分明。其春秋短、冬夏长，显著的“夏热冬寒”比起其它江南城市有过之而无不及。如何在设计中应对长江中下游地区的“两季”特征一直是建筑师面临的棘手问题。我们一直试图通过采用某些低技术、低能耗、被动式系统等手段来解决在设计中面临的特殊气候和条件。中国药科大学体育活动中心这个项目就为我们提供了这一机会。中国药科大学体育活动中心作为该大学位于南京江临新校区的重点项目，总体规划用地面积12000平方米，建筑面积约10000平方米，建筑分东西两个馆，东馆为主会馆，提供正式篮球比赛或3000人聚会场地，西馆则为学校运动员、在校学生提供日常训练或活动场地，两者再分别配以若干附属用房。建筑高度22.5米(金属保温屋面按0.4米厚计算，含室内外高差0.6米)。楼层层数为1~3层，属多层公共建筑。（图1~–图7）我们从设计一开始就重点着眼于打造一个能应对“两季”特征的节能生态型的体育建筑，贝壳式的建筑造型能大大减小风压和维护面的面积，既有利于减少日常使用中热能的流失和结构的消耗，又有利于自然光线的入射。设计的深化过程中，我们在整体设计、综合考虑基础上尽可能减少建筑的一次性投入费用和日常能耗，试图以高效的技术手段创造出健康舒适的建筑人工微气候。在主体结构为框架结构体系，屋面为大跨钢结构的基础上，我们在施工设计中采用了如下三个独特的技术措施：1地下通风系统传统型体育设施片面强调气温风速的对体育比赛会造成不利影响和所谓的舒适，偏向采用封闭空间配以中央空调系统。但实际上经过多年的实践，除了昂贵的一次性投入以及不菲的日常维护、运营费用外，封闭的空间更把人与自然阻隔开来，代价不菲换来的舒适并不意味着健康，人工全空调环境并不能取代自然的生物舒适性，但简单的开窗引入自然风又会对若干体育运动造成不利影响。我们首先尝试解决的就是这个矛盾。尽管一年中地面以上温度变化较大，但是任何地区的地下土壤温度变化是相对较少的，这就成了我们可以利用的地方。地道风降温是近几十年来发展起来的一门新技术，指利atd91图1外观效果图图2鸟瞰92atd可为运动员日常的训练提供较为舒适的空气流速和温度，且经过模拟，风速不会对羽毛球等对场地风速要求比较严格的运动产生干扰（图10～11）。经估算，主场馆地道通风系统造价约250万左右，其与传统中央空调系统相比不需要制冷机组，能源动力消耗只有风机的消耗，运行成本极低。相比之下如果主场馆采用中央空调系统，冷热源采用风冷热泵机组，其造价约在230万左右，但运行费用是十分高昂的。这两种方案的造价和能耗比较如下表1。2金属维护面系统同样在整体设计，尽量减少一次性投资的理念指导下，经过与金属屋面、金属墙面生产厂家的多次商讨，在其提供的构造技术上，我们做了一定程度上的取舍和调整。方案中的防水、保温、吸音等构造层次结合内装修一次完成，减少了附加吸声吊顶的装修费用。由于方案造型整体性较强，外维护面主要为屋面或屋面的延伸，所以屋面系统是本方案设计的重点，我们决定采用正在得到广泛推广的直立锁边金属屋面系统。其构造层图3构思草图用地道冷却空气，然后通过机械送风或诱导式通风系统送至地面上的建筑物，达到降温目的的一种专门技术。系统相当于一台空气－土壤的热交换器，利用地层对自然界的冷、热能量的储存作用来降低建筑物的空调负荷，改善室内热环境，由于系统简单、节省能量而引起人们的重视。通过与热能学院专家的合作，我们首先建立了地道风通风降温的优化设计数学模型，并结合建筑热过程和室内人员设备负荷的动态模拟，编制了用地道风通风的室内热环境和最佳送风量的设计预测软件。该预测结果可以用来指导设计、决策与运行管理。图9是针对中国药科大学体育馆的软件计算运行界面。经计算，我们于建筑物之下设计敷设一条长800米，截面宽2.5米、高2米，埋深6米的盘旋地下通风管道（图6）。整套设施的运作首先通过其位于地表以上的送风口由若干风机进风，地表空气进入地下管道进行长距离运动，过程中充分与地下土壤进行热交换，从而达到在夏季使空气变冷，冬季使空气变热的效果。之后，经过预冷或预热的空气再经由十个均匀分布的出风口进入约3000平方米的主会馆，最后由安装在高侧窗的若干风机排出（图8）。这个系统约可为9000立方米的主会馆提供每小时几乎2次的换风。预计在炎热的夏天可输送低于室外温度4-5度的气流，在寒冷的冬天则可输送高于室外温度30C度的气流，ⱘ᮹ᐌ㓈ᡸǃ䖤㧹䌍⫼໪ˈᇕ䯁ⱘぎ䯈᳈ᡞҎϢ㞾✊䰏䱨ᓔᴹˈҷӋϡ㧆ᤶᴹⱘ㟦䗖ᑊϡᛣੇⴔعᒋˈҎᎹܼぎ䇗⦃๗ᑊϡ㛑পҷ㞾✊ⱘ⫳⠽㟦䗖ᗻˈԚㅔऩⱘᓔにᓩܹ㞾✊亢জӮᇍ㢹ᑆԧ㚆䖤ࡼ䗴៤ϡ߽ᕅડDŽ៥Ӏ佪ܜᇱ䆩㾷އⱘህᰃ䖭Ͼ⶯ⳒDŽሑㅵϔᑈЁഄ䴶ҹϞ⏽ᑺব࣪䕗໻ˈԚᰃӏԩഄऎⱘഄϟೳຸ⏽ᑺব࣪ᰃⳌᇍ䕗ᇥⱘˈ䖭ህ៤њ៥Ӏৃҹ߽⫼ⱘഄᮍDŽഄ䘧亢䰡⏽ᰃ䖥޴कᑈᴹথሩ䍋ᴹⱘϔ䮼ᮄᡔᴃˈᣛ߽⫼ഄ䘧ދैぎ⇨ˈ✊ৢ䗮䖛ᴎẄ䗕亢៪䇅ᇐᓣ䗮亢㋏㒳䗕㟇ഄ䴶Ϟⱘᓎㄥ⠽ˈ䖒ࠄ䰡⏽Ⳃⱘⱘϔ⾡ϧ䮼ᡔᴃDŽ㋏㒳ⳌᔧѢϔৄぎ⇨ˉೳຸⱘ⛁Ѹᤶ఼ˈ߽⫼ഄሖᇍ㞾✊⬠ⱘދǃ⛁㛑䞣ⱘټᄬ԰⫼ᴹ䰡Ԣᓎㄥ⠽ⱘぎ䇗䋳㥋ˈᬍ୘ᅸݙ⛁⦃๗ˈ⬅Ѣ㋏㒳ㅔऩǃ㡖ⳕ㛑䞣㗠ᓩ䍋ҎӀⱘ䞡㾚DŽ䗮䖛Ϣ⛁㛑ᄺ䰶ϧᆊⱘড়԰ˈ៥Ӏ佪ܜᓎゟњഄ䘧亢䗮亢䰡⏽ⱘӬ࣪䆒䅵᭄ᄺ῵ൟˈᑊ㒧ড়ᓎㄥ⛁䖛⿟੠ᅸݙҎਬ䆒໛䋳㥋ⱘࡼᗕ῵ᢳˈ㓪ࠊњ⫼ഄ䘧亢䗮亢ⱘᅸݙ⛁⦃๗੠᳔Շ䗕亢䞣ⱘ䆒䅵乘⌟䕃ӊDŽ䆹乘⌟㒧ᵰৃҹ⫼ᴹᣛᇐ䆒䅵ǃއㄪϢ䖤㸠ㅵ⧚DŽ೒9ᰃ䩜ᇍЁ೑㥃⾥໻ᄺԧ㚆佚ⱘ䕃ӊ䅵ㅫ䖤㸠⬠䴶DŽ㒣䅵ㅫˈ៥ӀѢᓎㄥ⠽Пϟ䆒䅵ᭋ䆒ϔᴵ䭓800㉇ˈ៾䴶ᆑ2.5㉇ǃ催2㉇ˈඟ⏅6㉇ⱘⲬᮟഄϟ䗮亢ㅵ䘧˄೒6˅DŽᭈ༫䆒ᮑⱘ䖤԰佪ܜ䗮䖛݊ԡѢഄ㸼ҹϞⱘ䗕亢ষ⬅㢹ᑆ亢ᴎ䖯亢ˈഄ㸼ぎ⇨䖯ܹഄϟㅵ䘧䖯㸠䭓䎱⾏䖤ࡼˈ䖛⿟ЁܙߚϢഄϟೳຸ䖯㸠⛁ѸᤶˈҢ㗠䖒ࠄ೼໣ᄷՓぎ⇨বދˈހᄷՓぎ⇨ব⛁ⱘᬜᵰDŽПৢˈ㒣䖛乘ދ៪乘⛁ⱘぎ⇨ݡ㒣⬅कϾഛࣔߚᏗⱘߎ亢ষ䖯ܹ㑺3000ᑇᮍ㉇ⱘЏӮ佚ˈ᳔ৢ⬅ᅝ㺙೼催ջにⱘ㢹ᑆ亢ᴎᥦߎ˄೒8˅DŽ䖭Ͼ㋏㒳㑺ৃЎ9000ゟᮍ㉇ⱘЏӮ佚ᦤկ↣ᇣᯊ޴Т2⃵ⱘᤶ亢DŽ乘䅵೼♢⛁ⱘ໣໽ৃ䕧䗕ԢѢᅸ໪⏽ᑺ4-5ᑺⱘ⇨⌕ˈ೼ᆦދⱘހ໽߭ৃ䕧䗕催Ѣᅸ໪⏽ᑺ30Cᑺⱘ⇨⌕ˈৃЎ䖤ࡼਬ᮹ᐌⱘ䆁㒗ᦤկ䕗Ў㟦䗖ⱘぎ⇨⌕䗳੠⏽ᑺˈϨ㒣䖛῵ᢳˈ亢䗳ϡӮᇍ㖑↯⧗ㄝᇍഎഄ亢䗳㽕∖↨䕗ϹḐⱘ䖤ࡼ䖯㸠ᑆᡄ˄೒10–೒12˅DŽ㒣ԄㅫˈЏഎ佚ഄ䘧䗮亢㋏㒳䗴Ӌ㑺250ϛᎺেˈ݊ϢӴ㒳Ё༂ぎ䇗㋏㒳Ⳍ↨ϡ䳔㽕ࠊދᴎ㒘ˈ㛑⑤ࡼ࡯⍜㗫া᳝亢ᴎⱘ⍜㗫ˈ䖤㸠៤ᴀᵕԢDŽⳌ↨ПϟབᵰЏഎ佚䞛⫼Ё༂ぎ䇗㋏㒳ˈދ⛁⑤䞛⫼亢ދ⛁⋉ᴎ㒘ˈ݊䗴Ӌ㑺೼230ϛᎺেˈԚ䖤㸠䌍⫼ᰃकߚ催ᯖⱘDŽ䖭ϸ⾡ᮍḜⱘ䗴Ӌ੠㛑㗫↨䕗བϟ㸼˖ഄ䘧䗮亢㋏㒳Ё༂ぎ䇗㋏㒳䗴Ӌϛϛᑇഛ↣ᇣᯊ㗫⬉.:.:ᑇഛϔ໽ᇣᯊ㗫⬉ᑺᑺѠǃ䞥ሲ㓈ᡸ䴶㋏㒳˗ৠḋ೼ᭈԧ䆒䅵ˈሑ䞣ޣᇥϔ⃵ᗻᡩ䌘ⱘ⧚ᗉᣛᇐϟˈ㒣䖛Ϣ䞥ሲሟ䴶ǃ䞥ሲ๭䴶⫳ѻॖᆊⱘ໮⃵ଚ䅼ˈ೼݊ᦤկⱘᵘ䗴ᡔᴃϞˈ៥Ӏخњϔᅮ⿟ᑺϞⱘপ㟡੠䇗ᭈDŽᮍḜЁⱘ䰆∈ǃֱ⏽ǃ਌䷇ㄝᵘ䗴ሖ⃵㒧ড়ݙ㺙ׂϔ⃵ᅠ៤ˈޣᇥњ䰘ࡴ਌ໄ৞乊ⱘ㺙ׂ䌍⫼DŽ⬅ѢᮍḜ䗴ൟᭈԧᗻ䕗ᔎˈ໪㓈ᡸ䴶Џ㽕Ўሟ䴶៪ሟ䴶ⱘᓊԌˈ᠔ҹሟ䴶㋏㒳ᰃᴀᮍḜ䆒䅵ⱘ䞡⚍ˈ៥Ӏއᅮ䞛⫼ℷ೼ᕫࠄᑓ⊯᥼ᑓⱘⳈゟ䫕䖍䞥ሲሟ䴶㋏㒳DŽ݊ᵘ䗴ሖ⃵㞾໪㗠ݙߚ߿Ў1.0mm८Ⳉゟ䫕䖍䪱䬕䬄ড়䞥ሟ䴶ᵓǃ100mm८⦏⩗ϱẝᏺऩሖ䪱ㅨ䰆╂ሖǃ䪱ড়䞥೎ᅮᑻᏺ䱨⛁ൿǃ䬔䫠䩶ϱ㔥ǃ⁽ᴵǃ50८㹟㺙⦏⩗ϱẝǃ⌙㡆ᠧᄨय़ൟこᄨ䪱ᵓ˄ᄨᕘ3,ᄨ䎱5,こᄨ⥛ı30%˅˄೒13ǃ೒14˅DŽ㒣䖛䇗ᭈৢⱘ䆒䅵Ңሟ䴶ᵘ䗴ǃᴤ᭭ᗻ㛑ঞᮑᎹᎹ㡎Ϟֱ䆕ᓎㄥ⠽䰆∈ǃᡫ亢ǃᡫবᔶǃֱ⏽ǃ䱨䷇ǃᥦ∈ǃ䰆䳋ǃ䰆☿ㄝᡔᴃ੠ࡳ㛑㽕∖DŽ䞥ሲᵓֱ⏽໡ড়໪๭ᵘ䗴䆒䅵ᗱ䏃Ϣ䞥ሲሟ䴶䆒䅵ⳌԐˈ݊ᵘ䗴ሖ⃵㞾໪㗠ݙߚ߿Ўঠሖ䬔䪱䫠䩶ᵓǃ⹀䋼㘮⇼䝃⊵≿ล᭭ǃ䞥ሲЏ⃵啭偼ǃ⦏⩗ϱ਌䷇ẝǃこᄨ䪱ᵓDŽ˄೒14˅݊⛁Ꮉᗻ㛑བϟ˖图4一层平面图7剖面图5二层平面图6暖通地道平面atd93次自外而内分别为1.0mm厚直立锁边铝镁锰合金屋面板、100mm厚玻璃丝棉带单层铝箔防潮层、铝合金固定座带隔热垫、镀锌钢丝网、檩条、50厚袋装玻璃丝棉、浅色打孔压型穿孔铝板（孔径3,孔距5,穿孔率≥30%）（图12、图13）。经过调整后的设计从屋面构造、材料性能及施工工艺上保证建筑物防水、抗风、抗变形、保温、隔音、排水、防雷、防火等技术和功能要求。金属板保温复合外墙构造设计思路与金属屋面设计相似，其构造层次自外而内分别为双层镀铝锌钢板、硬质聚氨酯泡沫塑料、金属主次龙骨、玻璃丝吸音棉、穿孔铝板（图13）。其热工性能如表2。与《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005对照比较，金属屋面传热系数为0.3满足夏热冬冷地区围护结构传热系数和遮阳系数的限值表中规定的屋面的传热系数k≤0.70的要求。金属墙面传热系数k为0.2,满足夏热冬冷地区围护结构传热系数和遮阳系数的限值表中规定的外墙传热系数k≤1.0的要求。3自然采光天然采光同样是实现室内环境自然化的主要策略。从全寿命周期角度分析，照明能耗占建筑运行总能耗的40~50%，天然采光可减少资源的消耗和有害气体的排放，同时阳光的消毒和热源作用不容忽视，而且自然光环境具有更强的生物适应性。在比赛厅以及训练厅引入天然光可以满足人们对自然、阳光的渴望，给空间带来生机与活力。在体育馆中，其作比赛用途的时间跨度并不大，出于多功能使用的目的，还会用作平时训练或向社会开放。此时，如能引入自然光，将会有效地节约能源。我们希望对自然光线的利用可达到这几点要求：水平照度可以满足日间体育训练和一般的活动，室内照度分布均匀、合理，室内比赛场地上无直射光，室内无明显眩光影响。自然采光往往来自两个部位：顶向自然采光与侧向自然采光。因此体育馆的天窗和侧窗设计也就成了重点。我们采取了这些措施：1.每品大工字钢梁之间设高1.2米的开口朝北的通长采光带，保证有充足光线经过漫反射由这些建筑物表皮揭开的口子射入主会馆或者其他较大场馆，但不会产生眩光（图14、图15）；2.出挑深远的檐口为各个方向的高侧窗遮挡大部分的直射光线，3.遮阳百叶的运用，建筑侧立面凹型竖向条窗外侧，正立面表皮与地面相交处的落地玻璃之外都采用了相当数量的金属百叶（图16）。自然光线经过多次漫反射由这些采集口进入体育馆中，可以保证均匀的照度，并且由于设计上对直射光线的防范，在避免天然采光伴生的负效应的同时，图8地道通风示意图94atdゟ䖍ᓣ䞥ሲሟ䴶⛁Ꮉ䅵ㅫᵘ䗴ሖ⃵ঞᴤ᭭ȡؐᑆᆚᑺᇐ⛁㋏᭄८ᑺӴ⛁䰏㪘⛁㋏᭄⛁ᛄᗻᣛᷛNJP³ZPgNPP嘒gNZZP嘒gN䪱䬕䬄ড়䞥ሟ䴶ᵓ⦏⩗ϱֱ⏽ẝ䞥ሲ⁽ᴵ⦏⩗ϱ਌䷇ẝこᄨ䪱ᵓݙ໪㸼䴶ぎ⇨ሖড়䅵Ӵ⛁㋏᭄ZP嘒gN໪๭ˉ䞥ሲᵓֱ⏽໡ড়໪๭˖ᵘ䗴ሖ⃵ঞᴤ᭭ȡؐᑆᆚᑺᇐ⛁㋏᭄८ᑺӴ⛁䰏㪘⛁㋏᭄⛁ᛄᗻᣛᷛNJP³ZPgNPP嘒gNZZP嘒gNঠሖ䬔䪱䫠䩶ᵓ