隨著全球氣候變化問題日益凸顯,節(jié)能減排已成為諸多社會(huì)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。在校園環(huán)境中,建筑作為能源消耗和碳排放的主要源頭之一,其節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)綠色校園建設(shè)具有重要意義。因此,有必要深入探討校園建筑節(jié)能減排技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用,系統(tǒng)梳理和評(píng)估現(xiàn)有技術(shù),為打造零碳校園提供科學(xué)依據(jù),進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)社會(huì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。

1 校園建筑主體部分節(jié)能減排技術(shù)

1.1 建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

建筑節(jié)能減排的關(guān)鍵之一在于高效保溫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括墻體、屋頂和地面,是建筑能耗的主要影響因素。優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)涉及更改屋面隔熱層、調(diào)整外墻保溫材料、更換高性能的窗戶等, 能有效減少冷橋和熱橋,從而減少熱量流失,降低能耗。

1.1.1 優(yōu)化材料與構(gòu)造

新型保溫隔熱材料在創(chuàng)建舒適且環(huán)保的校園建筑中起到?jīng)Q定性作用。以聚氨酯泡沫、巖棉和玻璃棉等材料為例,它們的低導(dǎo)熱特性為教室和宿舍提供恒定的室溫,大大減少能源消耗。更先進(jìn)的氣凝膠和真空絕熱材料在隔熱的同時(shí)增強(qiáng)建筑的氣密性和耐候性,確保學(xué)生在四季更迭中都能保持舒適。高效節(jié)能門窗系統(tǒng)是校園建筑的另一大亮點(diǎn)。雙層或三層玻璃結(jié)構(gòu)配合氬氣填充和低輻射玻璃涂層,共同構(gòu)建一道堅(jiān)固的節(jié)能防線,保證室內(nèi)溫度穩(wěn)定。熱反射或動(dòng)態(tài)調(diào)光玻璃的使用更使得室內(nèi)光線適宜,減少空調(diào)和照明的電負(fù)荷。綠色屋頂和植被覆蓋的外墻進(jìn)一步降低建筑的熱島效應(yīng),提供宜人的微氣候,同時(shí)降低城市環(huán)境溫度,實(shí)現(xiàn)建筑與環(huán)境的和諧共生。

在考慮經(jīng)濟(jì)性、防火性和使用壽命等因素的條件下,嚴(yán)寒地區(qū)教學(xué)樓節(jié)能改造的最優(yōu)方案:教學(xué)樓外墻節(jié)能改造去除外墻表面砂漿,在其表面添加45 mm 厚的石墨聚苯板,屋面改造敷設(shè)90 mm厚的石墨聚苯板保溫層,外窗改造采用充惰性氣體的鍍低輻射膜中空玻璃,并充氬氣貼暖邊。研究表明,教學(xué)樓對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合改造,相比改造前節(jié)能28.69%;改變教學(xué)樓外墻和屋頂保溫材料厚度,外窗換為塑鋼三玻窗后,建筑總能耗降低5.76%。

1.1.2 優(yōu)化建筑外遮陽

改變建筑外遮陽也是優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一種手段。 經(jīng)實(shí)地調(diào)研,武漢市70棟既有高校教學(xué)建筑的外遮陽優(yōu)化設(shè)計(jì)后,全年累計(jì)冷熱負(fù)荷均有降低。但是, 加設(shè)外遮陽措施影響采光通風(fēng),構(gòu)件復(fù)雜,造價(jià)高,結(jié)構(gòu)受力改變,影響空間利用和立面美觀,調(diào)整時(shí)需要綜合考慮既有建筑的各方面因素。

1.1.3 優(yōu)化建筑自然通風(fēng)和采光

自然通風(fēng)和采光設(shè)計(jì)在降低能耗方面同樣至關(guān)重要。通過精心設(shè)計(jì)建筑朝向、窗戶大小和位置,可以最大限度地利用光照。天窗和側(cè)窗的布置能促進(jìn)空氣流動(dòng),優(yōu)化室內(nèi)微氣候,降低空調(diào)和照明需求。風(fēng)塔和熱壓、煙囪效應(yīng)的通風(fēng)設(shè)計(jì)有助于在炎熱季節(jié)排出室內(nèi)熱氣,提升居住者的舒適度。使用光導(dǎo)管和淺色室內(nèi)飾面材料可以反射并充分利用自然光,減少對(duì)人工照明的依賴,從而節(jié)約能源。

1.2 可再生能源的利用

在許多現(xiàn)代校園中,可再生能源的使用已經(jīng)成為一種常見的環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展策略。最為常見的有加裝光伏板和地源熱泵技術(shù)。

1.2.1 加裝光伏板

光伏板的加裝是建筑節(jié)能減排的另一重要策略, 需要結(jié)合建筑朝向和造型進(jìn)行設(shè)計(jì)。浙江農(nóng)林大學(xué)利用屋頂?shù)钠礁钠?結(jié)合學(xué)校能源資源情況、電力系統(tǒng)狀況、屋頂可利用面積等因素安裝光伏發(fā)電系統(tǒng),預(yù)計(jì)年發(fā)電量為101.7萬kW·h,解決平屋面防水問題。 節(jié)能改造后的學(xué)生公寓預(yù)計(jì)可以節(jié)能15%左右,學(xué)校還建立遠(yuǎn)程智能監(jiān)管平臺(tái)進(jìn)行能源消費(fèi)管理。山東理工大學(xué)改用電廠余熱進(jìn)行冬季供暖,每年可減少煤炭用量8 000 t;學(xué)校在6.2萬m2的建筑屋頂上建設(shè)光伏發(fā)電工程,自發(fā)自用,余電上網(wǎng),總裝機(jī)容量達(dá) 5.5 MW。每年可節(jié)約電費(fèi)約16.5萬元,減少煤炭用量1 968 t,減少二氧化碳排放5 981 t。防城港市第一中學(xué)于2024年初完成綠色照明改造、辦公設(shè)備待機(jī)能耗改造、配電箱改造、光伏發(fā)電系統(tǒng)及太陽能路燈建設(shè)等5個(gè)節(jié)能項(xiàng)目改造。

1.2.2 地源熱泵技術(shù)運(yùn)用

地源熱泵技術(shù)利用地下相對(duì)穩(wěn)定的土壤溫度進(jìn)行熱交換,夏季將建筑物內(nèi)的熱量排入土壤,冬季從土壤中提取熱量為建筑物供暖。這種技術(shù)的節(jié)能效果顯著,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,對(duì)環(huán)境無污染。東營(yíng)科技職業(yè)學(xué)院新校區(qū)一期建筑面積為286 128 m2,整個(gè)校區(qū)采用區(qū)域能源供冷供熱方式,分區(qū)供熱。項(xiàng)目全部采用地埋管地源熱泵供暖供冷,屬于淺層地?zé)崮芾?/a>。自 2020年12月基本建成以來,項(xiàng)目運(yùn)行正常,效果良好。年消耗用電約為243.12萬kW·h,節(jié)能效果明顯。 經(jīng)綜合測(cè)算,全年運(yùn)行總費(fèi)用節(jié)約375.5萬元,節(jié)能量折合標(biāo)準(zhǔn)煤922.63 t,減少二氧化碳排放2 300 t, 減少二氧化硫排放68.52 t,減少粉塵排放627.78 t。

2 校園高效節(jié)能設(shè)備的應(yīng)用

典型的大學(xué)校園一般有教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)室、宿舍、圖書館和食堂等建筑,每個(gè)建筑內(nèi)部都安裝各種電器設(shè)備,如照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備等。

2.1 傳統(tǒng)校園的設(shè)備改造

作為傳統(tǒng)校園,長(zhǎng)安大學(xué)渭水校區(qū)鴻遠(yuǎn)教學(xué)樓對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造。照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造后,其照明功率密度和目標(biāo)照度最優(yōu)方案節(jié)能率分別為5.37%和 5.85%,綜合改造后建筑總節(jié)能率為10.02%,節(jié)能效果較為明顯。采用中央空調(diào)系統(tǒng)供暖和制冷,總能耗節(jié)約13.38%。空調(diào)系統(tǒng)采取排風(fēng)熱回收、調(diào)整通風(fēng)時(shí)間和改變送風(fēng)溫度的措施,最優(yōu)方案節(jié)能率分別為 10.30%、8.3 1%和1.41%,綜合改造后節(jié)能25.16%, 節(jié)能效果比較顯著。

2.2 新型智慧校園建設(shè)

當(dāng)前,新型智慧校園建設(shè)如火如荼,智能化建筑設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。例如,智能恒溫系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境和使用者需求自動(dòng)調(diào)整室內(nèi)微氣候,提供最佳的學(xué)習(xí)環(huán)境。智能照明和通風(fēng)系統(tǒng)通過感應(yīng)器、時(shí)間控制和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè),確保只有在必要時(shí)才啟動(dòng)。安裝智能電表、水表等設(shè)備,在非教學(xué)時(shí)間關(guān)閉不常用的教室或?qū)嶒?yàn)室的電源,有效避免能源浪費(fèi)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成、智能設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程控制,校園管理部門可以實(shí)時(shí)監(jiān)控能效,優(yōu)化能源使用,實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo),同時(shí)為師生營(yíng)造健康、舒適的生活空間。

2.3 校園能源管理系統(tǒng)的支持

為了實(shí)現(xiàn)智能建筑設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,校園需要建立能源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常由兩大部分組成,即能源監(jiān)測(cè)和能源控制。監(jiān)測(cè)方面,系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)采集和分析校園內(nèi)每個(gè)設(shè)備和區(qū)域的能耗數(shù)據(jù),如電流、電壓和功率等參數(shù),然后通過云端平臺(tái)或者本地服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。這些數(shù)據(jù)可以幫助學(xué)校管理層了解能源使用情況,找出能耗高的原因,如某些設(shè)備待機(jī)耗電過高、老舊設(shè)備需要更換等。能源控制方面, 系統(tǒng)可以設(shè)定規(guī)則和閾值,例如,在非教學(xué)時(shí)間自動(dòng)調(diào)低空調(diào)溫度,關(guān)閉非重要區(qū)域的照明,以節(jié)約電力, 或者在檢測(cè)到電量使用異常時(shí)自動(dòng)發(fā)送警報(bào)。系統(tǒng)還可以接入可再生能源,如太陽能或風(fēng)能,以優(yōu)化校園的碳足跡。通過綜合運(yùn)用多種技術(shù)和設(shè)備,學(xué)?？梢蕴岣吣茉词褂眯?降低能源成本,減少對(duì)環(huán)境的影響。

魯東大學(xué)成功應(yīng)用能源管理系統(tǒng),通過建設(shè)智慧供熱平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各樓宇供熱系統(tǒng)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和調(diào)控,顯著提高供熱效率,降低能耗。同時(shí),魯東大學(xué)建立線上報(bào)修平臺(tái)和節(jié)能降碳關(guān)鍵發(fā)展績(jī)效目標(biāo)任務(wù)考核獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制,進(jìn)一步推動(dòng)節(jié)能工作的深入開展。能耗系統(tǒng)的應(yīng)用不僅有助于學(xué)校提高能源使用效率和管理水平,還有助于培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)能意識(shí)和環(huán)保意識(shí), 推動(dòng)校園綠色低碳發(fā)展。

3 零碳校園建設(shè)

校園節(jié)能減排的理想目標(biāo)是達(dá)成零碳排放,即達(dá)到碳平衡。校園碳平衡是指在校園這一特定區(qū)域內(nèi), 碳的排放與吸收在數(shù)量或質(zhì)量上達(dá)到相等或相抵的狀態(tài)。植被的光合作用、土壤的碳積累以及水體對(duì)碳的吸收等自然過程可以吸收碳,同時(shí)減少或抵消因師生日常活動(dòng)、建筑運(yùn)營(yíng)和能源消耗等產(chǎn)生的碳排放。目前,很多大學(xué)校園碳平衡項(xiàng)目研究能源碳排放和樹木碳固定,深入分析校園碳平衡。

3.1 張掖中學(xué)零碳校園綜合能源項(xiàng)目

張掖市政府與中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司合作, 打造零碳城市試點(diǎn)示范項(xiàng)目——張掖中學(xué)零碳校園綜合能源項(xiàng)目。項(xiàng)目對(duì)校內(nèi)照明系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造,更換高效光源,新建風(fēng)光儲(chǔ)電路燈系統(tǒng),提升照明系統(tǒng)綜合能效。新建屋頂分布式光伏系統(tǒng),建設(shè)電動(dòng)汽車和電動(dòng)自行車充電樁,結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng),提高綠色能源占比。同時(shí),通過物聯(lián)網(wǎng)手段實(shí)現(xiàn)用能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和高效管理,提升能源利用效率,實(shí)現(xiàn)能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型。項(xiàng)目成效喜人,每年節(jié)約用電80.26萬kW·h, 單位面積電耗下降19.5%,累計(jì)經(jīng)濟(jì)收益可達(dá)450萬元, 實(shí)現(xiàn)每年減少碳排放約2 000 t的目標(biāo)。

3.2 清華大學(xué)通州金融發(fā)展和人才培養(yǎng)基地

項(xiàng)目位于北京市通州區(qū)宋莊鎮(zhèn),總建設(shè)用地面積約為14.16 hm2,總建筑規(guī)模約為46.68萬m 2。項(xiàng)目整體按照綠建三星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),致力于打造超低能耗、近零能耗示范建筑,采用高性能圍護(hù)系統(tǒng)、可調(diào)節(jié)外遮陽、高效冷熱源和機(jī)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等專項(xiàng)技術(shù)。建筑綜合節(jié)能率達(dá)到較高水平,例如,千人報(bào)告廳建筑綜合節(jié)能率達(dá)100%, 金融學(xué)院學(xué)生宿舍和繼續(xù)教育學(xué)院學(xué)生宿舍建筑綜合節(jié)能率達(dá)7 1.23%。

3.3 斯坦福大學(xué)

在校園建筑的設(shè)計(jì)上,斯坦福大學(xué)盡可能采用自然采光和通風(fēng)設(shè)計(jì),減少電力和空調(diào)的使用。同時(shí),雨水收集系統(tǒng)用于灌溉校園綠地,大大節(jié)約水資源。使用地源熱泵系統(tǒng)為建筑物提供冷暖氣,減少對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴。校園將大片的光伏板覆蓋在停車場(chǎng)頂棚上,不僅有效利用閑置空間,還為校園提供大量的清潔能源。學(xué)校設(shè)有電動(dòng)汽車充電站,鼓勵(lì)學(xué)生和教職員工使用電動(dòng)汽車,進(jìn)一步減少碳排放。這些校園案例展示不同氣候條件下全球建筑節(jié)能減排的創(chuàng)新實(shí)踐,為零碳校園建設(shè)和綠色建筑發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于推動(dòng)綠色低碳校園建設(shè)、培養(yǎng)學(xué)生低碳消費(fèi)意識(shí)以及促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4 校園節(jié)能減排的挑戰(zhàn)與展望

4.1 挑戰(zhàn)

在零碳校園建設(shè)中,已有的環(huán)保技術(shù)可以顯著提高能源利用率,改善校園環(huán)境,但仍需要克服多重難題。例如,動(dòng)態(tài)玻璃等新型環(huán)保材料和自適應(yīng)外墻技術(shù)的費(fèi)用高昂,其對(duì)環(huán)境的潛在影響及長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益尚未得到充分探討。部分節(jié)能技術(shù)在小規(guī)模試點(diǎn)項(xiàng)目中展現(xiàn)潛力,但在更大范圍的校園建設(shè)中,其穩(wěn)定性和耐用性仍有待深度驗(yàn)證。未來,要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新, 建立適應(yīng)校園環(huán)境的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),以確保設(shè)計(jì)、施工的連續(xù)性和一致性。

4.2 展望

政策層面,政府補(bǔ)貼和稅務(wù)激勵(lì)等扶持政策和資金支持十分重要。要加強(qiáng)政策引導(dǎo),推出行業(yè)前沿的舉措,如尋求綠色建筑認(rèn)證,以響應(yīng)環(huán)保建筑的市場(chǎng)需求。將建筑節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用在零碳校園建設(shè)中, 采用超低能耗標(biāo)準(zhǔn)、更新的能效標(biāo)準(zhǔn),提升新建教室和宿舍的效能。加強(qiáng)基層響應(yīng),舉辦研討會(huì)和工作坊, 提升教職員工對(duì)建筑的節(jié)能減排意識(shí),以實(shí)現(xiàn)零碳校園的愿景。

5 結(jié)論

校園建筑作為能源消耗和碳排放的重要領(lǐng)域,其節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用顯得至關(guān)重要。通過對(duì)當(dāng)前校園建筑節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用案例的梳理,揭示其發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)以及未來趨勢(shì)。各項(xiàng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與實(shí)踐不僅為校園建筑節(jié)能減排提供有力支撐, 也為綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展理念在校園中的普及與落實(shí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來,更多創(chuàng)新技術(shù)將會(huì)涌現(xiàn),共同助力校園建筑實(shí)現(xiàn)更為高效、環(huán)保的能源利用,為碳達(dá)峰碳中和貢獻(xiàn)力量。