中小学绿色校园设计策略

　　刘玉龙
　　清华大学建筑设计研究院有限公司副院长、副总建筑师。中国工程咨询协会副会长、教育部教育建筑专家委员会委员、香港建筑师学会会员。主要代表作品：徐州博物馆、大连理工大学创新园大厦、清华大学医学院、先正达北京生物工程实验室、清华大学图书馆北馆等。
　　王宇婧
　　清华大学建筑设计研究院有限公司综合三所建筑师。清华大学建筑学学士、城乡规划学硕士。
　　为什么要建设绿色中小学校园
　　目前，随着低碳节能观念和技术的成熟，绿色节能成为建设领域的共识和必然路径。中小学校校园的绿色设计成为关注的热点之一，在绿色设计方向提升其目标和动力既是可持续发展的要求，也是学校建立自身特点和提升教学效果的途径之一。
　　可持续发展的发展观已成为人类的普遍共识，作为世界上人口最多的国家之一，教育未来世界主人的中小学校，是践行这一理论的重要阵地。＂绿色校园＂建设的重要性体现在校园的全过程建设中，也体现在校园作为环境对学生人格的塑造中。
　　据美国Heschong Mahone Group的研究成果表明，学校教室的自然采光设计直接影响着学习效率和成绩。其他条件相同时，在自然采光条件最好教室中的学生比在自然采光条件最差教室中的学生在一年的数学测试中进步20%，在阅读测试中进步26%。另一研究则表明，当通风方式得到改善时，学生的缺勤率减少达60%。可见，建设绿色的中小学校园，改善学校建筑采光通风等环境对营造健康的学习、工作环境和提高教学质量意义重大。
　　中小学校园是学生学习成长的环境，人改变环境，环境也影响人的行为，中小学绿色校园是学生可持续教育的直接载体。我国古代就有钟灵毓秀一说――只有凝聚了天地间的灵气，才能孕育出优秀的人物。被称为＂俄罗斯教育心理学的奠基人＂的乌申斯基也说过：＂美丽的城郊、馥郁的山谷，凹凸的原野，蔷薇色的春天和金黄色的秋天，难道不是我们的老师吗？＂环境对人产生的潜移默化的作用是不可忽视的。因此，中小学绿色校园本身即是可持续发展理念的载体。建设绿色校园有利于充分发挥环境育人的功能，让学生从小树立绿色、环保、低碳的理念，养成良好的节能环保的生活习惯，对推广绿色理念、节能意识发挥着深远的社会影响。
　　同时，中小学绿色校园本身也可成为一种有效的教育资源，将校园内的一些绿色措施与可持续教育结合起来，让学生在真实环境中进行体验，主动探索研究，可以激发其对环境的热爱，同时培养学生调查研究的能力。
　　中小学校园绿色设计
　　＂绿色校园＂是指＂在其全寿命周期内最大限度地节约资源（节能、节水、节材、节地）、保护环境和减少污染，为师生提供健康、适用、高效的教学和生活环境，对学生具有环境教育功能，与自然环境和谐共生的校园。＂如何建设绿色中小学校园，在校园设计时需要从哪些方面着手，绿色校园建设有哪些原则和方法？下面将从绿色校园环境、建筑节能以及建筑舒适性三个方面来具体阐述。
　　绿色校园环境
　　（1）校园总体布局
　　在进行校园规划总体布局设计时，应基于校园所在地的气候环境，结合建筑功能，形成校园总体布局策略。在此基础上通过校园物理环境仿真模拟技术，如日照模拟、风环境模拟、照明系统模拟以及立面采光遮阳模拟等的应用，将校园总图布局方案进行不断修正，最终形成符合绿色校园要求的能够营造良好校园物理环境的布局，如图1为北方某小学风环境分析图。
　　（2）生态绿化系统
　　如果说教学楼、体育馆、礼堂等是中小学校园中的＂图形＂，那生态绿化系统就是承载这些建筑的＂基底＂。一个有机丰富的生态绿化系统对于中小学校园环境的塑造不可或缺，有时还能弥补建筑布局的不足。在进行生态绿化系统的构建时，可灵活借鉴景观生态学的理念。其主要目标是将校园环境中的自然、建筑与人类活动三方面统一为一个相互促进、相互影响的有机整体。
　　在具体设计过程中，应先从宏观区位出发，使校园的景观格局与其所在大区域的地形、地貌、植被以及水体等要素协调。中观层面，可借鉴景观生态学中的＂斑块一廊道一基质＂模式，基质是整个校园绿化系统，斑块是规划设计中的景观节点，而廊道则是将各节点与整个校园联系起来的道路、河流等。微观层面，在植被的选择上应充分考虑学校所在地域气候特征，选用合适的树种。在具体＂斑块＂设计时应考虑到多样性，并利用不同种类动植物在时间、空间和营养生态等方面的差异来合理配置。同时，还可循环利用绿地凋落以及绿肥等形成整个系统的自肥循环机制，这样也可减少绿地维护工作，进而降低运营费用。
　　（3）＂海绵＂校园
　　随着我国经济的发展和城镇化水平的提高，许多城市在快速建设的过程中也面临着严重的内涝问题，并伴随着径流污染、水资源匮乏等发展困境。在这样的背景下，国家提出了＂海绵城市＂的概念――＂海绵城市就像一块海绵那样，能把雨水留住，让水循环利用起来，把初期雨水径流的污染削减掉。＂
　　在建筑的全生命周期中，只有不到30%的能耗来源于建造过程，而大部分源于建筑使用过程中。能源的使用效率不仅仅是节约问题，更影响到温室气体排放甚至气候变化。中小学校园建设中需要将节能充分考虑到建设和运营的各阶段中，具体可围绕如下九个核心方面开展：建筑材料选择、新能源利用、建筑外围护、供暖（北方供暖地区）制冷系统、通风系统、遮阳系统、照明系统、设备调控、学校管理。每个方面需要遵循的原则列举如下。
　　（1）建筑材料选择：保温材料具有热阻大、可以延缓热量传入和传出维持室内温度稳定的优点，在实际工程中应选用保温性能好、难燃的保温材料。例如混凝土材料，既有优异的防火和保温性能，也可减少建造和运营成本，在使用过程中碳排放量远小于钢结构建筑。
　　（2）新能源利用：应优先考虑利用可再生能源，然后再考虑利用传统的化石能源。以太阳能为例，可考虑采用太阳能热水器为学生宿舍和食堂提供热水、使用太阳能光伏发电（图3）为校园路灯供电、利用地源热泵进行供暖等。中小学校建筑的用能高峰与太阳能的供给时间基本一致，因此利用效率较高。学校还可利用活动场地敷设中小型风力发电设施。此外，还应充分考虑附近联合用能的可能性，如利用临近生产企业的余热进行供暖等。
　　（3）建筑外围护：应提高建筑围护的热工性能（保温性、密闭性），减少建筑本身的热量损失，降低供暖、制冷负荷。同时还应当注重建筑保温和隔热材料的异同，针对不同地区气候和热工分区，采用低传热系数或高热稳定性的材料。
　　（4）供暖（北方供暖地区）制冷系统：应选用合理的能源供应方式。供暖系统需实现以楼宇、楼层或房间可调，房间散热器应安装温控阀，热耗应可计量。
　　（5）通风系统：建筑应安装机械通风系统，保证供暖（或供冷）季节在窗户关闭的情况下有足够新风量，春秋过渡季节则以能够开窗自然通风为宜。
　　（6）遮阳系统：适当采用外遮阳设施，既可以防止室内过热和眩光，又可将自然光导入室内，提高室内照度。
　　（7）照明系统：以充分利用自然光为前提，灯具的布置与窗户方向平行，按照与窗户的距离分组独立开关。在开关和调控上也可选择体感调控、下课自动关灯、上课需手动开灯、与外遮阳系统联动控制（外遮阳打开时自动关灯）等方式。
　　（8）设备调控：采用能效级别较高的设备（如冷凝锅炉、能效等级二级以上的制冷机、T5灯管和LED照明设施等）。合理配置诊断用能设备，建立有效的用能设备控制系统（如非授课时段供暖设备的低温运行、可根据作息时间控制的照明灯具开关系统等），提高能源的利用效率，最大限度地节约终端能源和一次能源。
　　（9）学校管理：建设过程只是节能的开始，如何在使用过程中贯彻节能理念则是重要问题。因此，应提高节能减排在学校管理中的重要性，提高相关技术人员的针对性政策和技术培训，完善管理制度，将节约能源的各项措施作为学生的第二课堂。
　　建筑室内舒适性
　　中小学校学生正处于生长发育的重要阶段，而他们学习生活中的大部分时间在教室等室内空间中度过，因此提高建筑室内舒适性对中小学生的健康成长具有重要意义。中小学校的室内舒适度主要包括空气质量、声响效果、采光照明及防止眩光等几方面。下面将从这几个方面列举改善室内舒适性的具体措施。
　　（1）光环境
　　良好的照明是理想课堂环境的必要条件。国家标准中对于各空间的光照强度指标都有相应规定，设计应遵从这些指标。无论从心理学角度还是从能效角度来说，教室都应尽可能地做到自然采光，特殊方式有天窗、导光板等。金属百叶帘外遮阳也是一种高效利用自然采光的方式，上部可以将自然光引入房间深处并反射至天花板，下部还保持遮阳，当教师采用投影仪时还可遮挡过强的阳光。此外，室内采用浅色有利于漫反射的涂料进一步改善室内采光效果（图4）。当需要人工照明来补足照度时，应采用有镜面反射格栅灯罩、电子镇流器。
　　（2）声环境
　　一个舒适、良好的声环境不仅能使学生清晰识别和理解讲课内容，还可减轻教师上课时的教学负担。改善教室声环境，首先应保证采用的墙体、门、窗等满足国家规定的隔声标准。同时，教室内还需要控制混响时间，避免不利反射声，提高语言清晰度。许多教室通过增加吸声吊顶可以把混响时间降低到合适的水平，局部墙面加装吸声的做法也可大幅减少墙体之间的反射声。在控制噪声方面，教室地面采用耐磨的橡塑合成材料地面可有效减少学生在地面上拖动桌椅时所发出的噪声。此外，还应减少教室内机械设备产生的噪音，如风机盘管、分体空调以及风扇等。
　　（3）空气质量
　　室内空气质量直接影响学生的学习效率，奥地利某研究项目对室内空气质量与学生注意力关系进行了分析（图5）。为保证良好的空气质量，德国在供暖地区的普通教室安装机械通风设备。在无法安装通风设备的学校，安装带有绿、黄、红三色显示的空气质量探测器（图6），实时了解空气质量状况并根据情况开窗通风，其做法值得我们借鉴。
　　负压通风设备也可保证教室内必要的换气次数，并且成本较低。但负压通风只适用于于人员不是很密集、冬天不是很冷并且采用单走廊模式的教学楼。带热回收的送排风机组也是可提高室内舒适度的设备，建筑布局为一侧教室，一侧走廊的教学楼较适合采用这种技术。
　　（4）热舒适性
　　保证热舒适性分为冬季供暖与夏季制冷。
　　在选择供暖系统时，应优先采用能效高的制热系统，如燃气锅炉、热泵或利用热电联产的市政供暖系统等。在一些条件不满足的学校，应改造燃煤锅炉，使其配有先进的控制和过滤除尘装置。
　　在散热器的选择上，应针对学校寒暑假、周末和夜晚使用率低的情况采用可以实现分室温度调节的散热器。散热器供暖系统还应能对学校教室迅速、强烈的使用变化做出迅速响应，因此推荐采用水容量较少，并能快速加热和冷却的散热器，不建议采用辐射供暖装置（如地暖等），或仅用其满足基本负荷。
　　若采取了上述被动措施后依然有供冷需求，则建议在改造时采取分体式空调，先进高效的分体式空调能效比较高，相对于陈旧设备可节电50%。
　　结语
　　建设可持续发展的中小学绿色校园，既节约资源，利于建筑与环境和谐共处，也为中小学生营造利于身心健康和个性培养的教育环境，是社会发展的需要。本文从绿色校园环境、建筑节能以及建筑舒适性三个方面，探讨中小学绿色校园设计的具体策略，借以唤起相关学者专家的更多思考。