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領(lǐng)域關(guān)注的焦點。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)用對于推動綠色校園建設(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)的實際應(yīng)用,系統(tǒng)梳理和評估現(xiàn)有技術(shù),為打造零碳校園提供科學(xué)依據(jù),進而推動整個社會實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(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結(jié)構(gòu)。建筑圍護結(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。更先進的氣凝膠和真空絕熱材料在隔熱的同時增強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。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)建一道堅固的節(jié)能防線,保證室內(nèi)溫度穩(wěn)定。熱反射或動態(tài)調(diào)光玻璃的使用更使得室內(nèi)光線適宜,減少空調(diào)和照明的電負荷。綠色屋頂和植被覆蓋的外墻進一步降低建筑的熱島效應(yīng),提供宜人的微氣候,同時降低城市環(huán)境溫度,實現(xiàn)建筑與環(huán)境的和諧共生。

在考慮經(jīng)濟性、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)樓對圍護結(jié)構(gòu)進行綜合改造,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)化圍護結(jié)構(gòu)的一種手段。 經(jīng)實地調(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)計后,全年累計冷熱負荷均有降低。但是, 加設(shè)外遮陽措施影響采光通風(fēng),構(gòu)件復(fù)雜,造價高,結(jié)構(gòu)受力改變,影響空間利用和立面美觀,調(diào)整時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)計在降低能耗方面同樣至關(guān)重要。通過精心設(shè)計建筑朝向、窗戶大小和位置,可以最大限度地利用光照。天窗和側(cè)窗的布置能促進空氣流動,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行設(shè)計。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)計可以節(jié)能15%左右,學(xué)校還建立遠程智能監(jiān)管平臺進行能源消費管理。山東理工大學(xué)改用電廠余熱進行冬季供暖,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),總裝機容量達 5.5 MW。每年可節(jié)約電費約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個節(jié)能項目改造。

1.2.2 地源熱泵技術(shù)運用

地源熱泵技術(shù)利用地下相對穩(wěn)定的土壤溫度進行熱交換,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)運行穩(wěn)定,對環(huán)境無污染。東營科技職業(yè)學(xué)院新校區(qū)一期建筑面積為286 128 m2,整個校區(qū)采用區(qū)域能源供冷供熱方式,分區(qū)供熱。項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,項目運行正常,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)綜合測算,全年運行總費用節(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、實驗室、宿舍、圖書館和食堂等建筑,每個建筑內(nèi)部都安裝各種電器設(shè)備,如照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和實驗室設(shè)備等。

2.1 傳統(tǒng)校園的設(shè)備改造

作為傳統(tǒng)校園,長安大學(xué)渭水校區(qū)鴻遠教學(xué)樓對設(shè)備進行改造。照明系統(tǒng)進行節(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、時間控制和空氣質(zhì)量監(jiān)測,確保只有在必要時才啟動。安裝智能電表、水表等設(shè)備,在非教學(xué)時間關(guān)閉不常用的教室或?qū)嶒炇业碾娫?有效避免能源浪費。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成、智能設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享和遠程控制,校園管理部門可以實時監(jiān)控能效,優(yōu)化能源使用,實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo),同時為師生營造健康、舒適的生活空間。

2.3 校園能源管理系統(tǒng)的支持

為了實現(xiàn)智能建筑設(shè)備的穩(wěn)定運行,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)測和能源控制。監(jiān)測方面,系統(tǒng)會實時采集和分析校園內(nèi)每個設(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),然后通過云端平臺或者本地服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理和存儲。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)時間自動調(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, 或者在檢測到電量使用異常時自動發(fā)送警報。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)智慧供熱平臺實現(xiàn)對各樓宇供熱系統(tǒng)的精準(zhǔn)預(yù)測和調(diào)控,顯著提高供熱效率,降低能耗。同時,魯東大學(xué)建立線上報修平臺和節(jié)能降碳關(guān)鍵發(fā)展績效目標(biāo)任務(wù)考核獎勵機制,進一步推動節(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)能意識和環(huán)保意識, 推動校園綠色低碳發(fā)展。

3 零碳校園建設(shè)

校園節(jié)能減排的理想目標(biāo)是達成零碳排放,即達到碳平衡。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碳的吸收等自然過程可以吸收碳,同時減少或抵消因師生日?；顒?、建筑運營和能源消耗等產(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目

張掖市政府與中國長江電力股份有限公司合作, 打造零碳城市試點示范項目——張掖中學(xué)零碳校園綜合能源項目。項目對校內(nèi)照明系統(tǒng)進行升級改造,更換高效光源,新建風(fēng)光儲電路燈系統(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)電動汽車和電動自行車充電樁,結(jié)合儲能系統(tǒng),提高綠色能源占比。同時,通過物聯(lián)網(wǎng)手段實現(xiàn)用能數(shù)據(jù)的實時更新和高效管理,提升能源利用效率,實現(xiàn)能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型。項目成效喜人,每年節(jié)約用電80.26萬kW·h, 單位面積電耗下降19.5%,累計經(jīng)濟收益可達450萬元, 實現(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。項目整體按照綠建三星級標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),致力于打造超低能耗、近零能耗示范建筑,采用高性能圍護系統(tǒng)、可調(diào)節(jié)外遮陽、高效冷熱源和機電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和能耗監(jiān)測系統(tǒng)等專項技術(shù)。建筑綜合節(jié)能率達到較高水平,例如,千人報告廳建筑綜合節(jié)能率達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7 1.23%。

3.3 斯坦福大學(xué)

在校園建筑的設(shè)計上,斯坦福大學(xué)盡可能采用自然采光和通風(fēng)設(shè)計,減少電力和空調(diào)的使用。同時,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,減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴。校園將大片的光伏板覆蓋在停車場頂棚上,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)有電動汽車充電站,鼓勵學(xué)生和教職員工使用電動汽車,進一步減少碳排放。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,對于推動綠色低碳校園建設(shè)、培養(yǎng)學(xué)生低碳消費意識以及促進社會的可持續(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,動態(tài)玻璃等新型環(huán)保材料和自適應(yīng)外墻技術(shù)的費用高昂,其對環(huán)境的潛在影響及長期經(jīng)濟效益尚未得到充分探討。部分節(jié)能技術(shù)在小規(guī)模試點項目中展現(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證。未來,要加強技術(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、施工的連續(xù)性和一致性。

4.2 展望

政策層面,政府補貼和稅務(wù)激勵等扶持政策和資金支持十分重要。要加強政策引導(dǎo),推出行業(yè)前沿的舉措,如尋求綠色建筑認證,以響應(yīng)環(huán)保建筑的市場需求。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。加強基層響應(yīng),舉辦研討會和工作坊, 提升教職員工對建筑的節(jié)能減排意識,以實現(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。各項技術(shù)的不斷創(chuàng)新與實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奠定堅實基礎(chǔ)。未來,更多創(chuàng)新技術(shù)將會涌現(xiàn),共同助力校園建筑實現(xiàn)更為高效、環(huán)保的能源利用,為碳達峰碳中和貢獻力量。