隨著全球氣候變化問題日益凸顯,節能減排已成為諸多社會領域關注的焦點。在校園環境中,建筑作為能源消耗和碳排放的主要源頭之一,其節能減排技術的應用對于推動綠色校園建設具有重要意義。因此,有必要深入探討校園建筑節能減排技術的實際應用,系統梳理和評估現有技術,為打造零碳校園提供科學依據,進而推動整個社會實現碳達峰碳中和目標。

1 校園建筑主體部分節能減排技術

1.1 建筑的圍護結構優化

建筑節能減排的關鍵之一在于高效保溫的圍護結構。建筑圍護結構包括墻體、屋頂和地面,是建筑能耗的主要影響因素。優化建筑圍護結構涉及更改屋面隔熱層、調整外墻保溫材料、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 優化材料與構造

新型保溫隔熱材料在創建舒適且環保的校園建筑中起到決定性作用。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,確保學生在四季更迭中都能保持舒適。高效節能門窗系統是校園建筑的另一大亮點。雙層或三層玻璃結構配合氬氣填充和低輻射玻璃涂層,共同構建一道堅固的節能防線,保證室內溫度穩定。熱反射或動態調光玻璃的使用更使得室內光線適宜,減少空調和照明的電負荷。綠色屋頂和植被覆蓋的外墻進一步降低建筑的熱島效應,提供宜人的微氣候,同時降低城市環境溫度,實現建筑與環境的和諧共生。

在考慮經濟性、防火性和使用壽命等因素的條件下,嚴寒地區教學樓節能改造的最優方案:教學樓外墻節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,教學樓對圍護結構進行綜合改造,相比改造前節能28.69%;改變教學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 優化建筑外遮陽

改變建筑外遮陽也是優化圍護結構的一種手段。 經實地調研,武漢市70棟既有高校教學建筑的外遮陽優化設計后,全年累計冷熱負荷均有降低。但是, 加設外遮陽措施影響采光通風,構件復雜,造價高,結構受力改變,影響空間利用和立面美觀,調整時需要綜合考慮既有建筑的各方面因素。

1.1.3 優化建筑自然通風和采光

自然通風和采光設計在降低能耗方面同樣至關重要。通過精心設計建筑朝向、窗戶大小和位置,可以最大限度地利用光照。天窗和側窗的布置能促進空氣流動,優化室內微氣候,降低空調和照明需求。風塔和熱壓、煙囪效應的通風設計有助于在炎熱季節排出室內熱氣,提升居住者的舒適度。使用光導管和淺色室內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,從而節約能源。

1.2 可再生能源的利用

在許多現代校園中,可再生能源的使用已經成為一種常見的環保和可持續發展策略。最為常見的有加裝光伏板和地源熱泵技術。

1.2.1 加裝光伏板

光伏板的加裝是建筑節能減排的另一重要策略, 需要結合建筑朝向和造型進行設計。浙江農林大學利用屋頂的平改坡,結合學校能源資源情況、電力系統狀況、屋頂可利用面積等因素安裝光伏發電系統,預計年發電量為101.7萬kW·h,解決平屋面防水問題。 節能改造后的學生公寓預計可以節能15%左右,學校還建立遠程智能監管平臺進行能源消費管理。山東理工大學改用電廠余熱進行冬季供暖,每年可減少煤炭用量8 000 t;學校在6.2萬m2的建筑屋頂上建設光伏發電工程,自發自用,余電上網,總裝機容量達 5.5 MW。每年可節約電費約16.5萬元,減少煤炭用量1 968 t,減少二氧化碳排放5 981 t。防城港市第一中學于2024年初完成綠色照明改造、辦公設備待機能耗改造、配電箱改造、光伏發電系統及太陽能路燈建設等5個節能項目改造。

1.2.2 地源熱泵技術運用

地源熱泵技術利用地下相對穩定的土壤溫度進行熱交換,夏季將建筑物內的熱量排入土壤,冬季從土壤中提取熱量為建筑物供暖。這種技術的節能效果顯著,系統運行穩定,對環境無污染。東營科技職業學院新校區一期建筑面積為286 128 m2,整個校區采用區域能源供冷供熱方式,分區供熱。項目全部采用地埋管地源熱泵供暖供冷,屬于淺層地熱能利用。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,節能效果明顯。 經綜合測算,全年運行總費用節約375.5萬元,節能量折合標準煤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 校園高效節能設備的應用

典型的大學校園一般有教學樓、實驗室、宿舍、圖書館和食堂等建筑,每個建筑內部都安裝各種電器設備,如照明系統、空調系統和實驗室設備等。

2.1 傳統校園的設備改造

作為傳統校園,長安大學渭水校區鴻遠教學樓對設備進行改造。照明系統進行節能改造后,其照明功率密度和目標照度最優方案節能率分別為5.37%和 5.85%,綜合改造后建筑總節能率為10.02%,節能效果較為明顯。采用中央空調系統供暖和制冷,總能耗節約13.38%。空調系統采取排風熱回收、調整通風時間和改變送風溫度的措施,最優方案節能率分別為 10.30%、8.3 1%和1.41%,綜合改造后節能25.16%, 節能效果比較顯著。

2.2 新型智慧校園建設

當前,新型智慧校園建設如火如荼,智能化建筑設備應運而生。例如,智能恒溫系統可以根據環境和使用者需求自動調整室內微氣候,提供最佳的學習環境。智能照明和通風系統通過感應器、時間控制和空氣質量監測,確保只有在必要時才啟動。安裝智能電表、水表等設備,在非教學時間關閉不常用的教室或實驗室的電源,有效避免能源浪費。通過物聯網技術的集成、智能設備間的數據共享和遠程控制,校園管理部門可以實時監控能效,優化能源使用,實現節能目標,同時為師生營造健康、舒適的生活空間。

2.3 校園能源管理系統的支持

為了實現智能建筑設備的穩定運行,校園需要建立能源管理系統。該系統通常由兩大部分組成,即能源監測和能源控制。監測方面,系統會實時采集和分析校園內每個設備和區域的能耗數據,如電流、電壓和功率等參數,然后通過云端平臺或者本地服務器進行數據處理和存儲。這些數據可以幫助學校管理層了解能源使用情況,找出能耗高的原因,如某些設備待機耗電過高、老舊設備需要更換等。能源控制方面, 系統可以設定規則和閾值,例如,在非教學時間自動調低空調溫度,關閉非重要區域的照明,以節約電力, 或者在檢測到電量使用異常時自動發送警報。系統還可以接入可再生能源,如太陽能或風能,以優化校園的碳足跡。通過綜合運用多種技術和設備,學校可以提高能源使用效率,降低能源成本,減少對環境的影響。

魯東大學成功應用能源管理系統,通過建設智慧供熱平臺實現對各樓宇供熱系統的精準預測和調控,顯著提高供熱效率,降低能耗。同時,魯東大學建立線上報修平臺和節能降碳關鍵發展績效目標任務考核獎勵機制,進一步推動節能工作的深入開展。能耗系統的應用不僅有助于學校提高能源使用效率和管理水平,還有助于培養學生的節能意識和環保意識, 推動校園綠色低碳發展。

3 零碳校園建設

校園節能減排的理想目標是達成零碳排放,即達到碳平衡。校園碳平衡是指在校園這一特定區域內, 碳的排放與吸收在數量或質量上達到相等或相抵的狀態。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常活動、建筑運營和能源消耗等產生的碳排放。目前,很多大學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——張掖中學零碳校園綜合能源項目。項目對校內照明系統進行升級改造,更換高效光源,新建風光儲電路燈系統,提升照明系統綜合能效。新建屋頂分布式光伏系統,建設電動汽車和電動自行車充電樁,結合儲能系統,提高綠色能源占比。同時,通過物聯網手段實現用能數據的實時更新和高效管理,提升能源利用效率,實現能源數字化轉型。項目成效喜人,每年節約用電80.26萬kW·h, 單位面積電耗下降19.5%,累計經濟收益可達450萬元, 實現每年減少碳排放約2 000 t的目標。

3.2 清華大學通州金融發展和人才培養基地

項目位于北京市通州區宋莊鎮,總建設用地面積約為14.16 hm2,總建筑規模約為46.68萬m 2。項目整體按照綠建三星級標準建設,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、可調節外遮陽、高效冷熱源和機電系統、光伏發電系統和能耗監測系統等專項技術。建筑綜合節能率達到較高水平,例如,千人報告廳建筑綜合節能率達100%, 金融學院學生宿舍和繼續教育學院學生宿舍建筑綜合節能率達7 1.23%。

3.3 斯坦福大學

在校園建筑的設計上,斯坦福大學盡可能采用自然采光和通風設計,減少電力和空調的使用。同時,雨水收集系統用于灌溉校園綠地,大大節約水資源。使用地源熱泵系統為建筑物提供冷暖氣,減少對傳統電網的依賴。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。學校設有電動汽車充電站,鼓勵學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能減排的創新實踐,為零碳校園建設和綠色建筑發展提供寶貴的經驗,對于推動綠色低碳校園建設、培養學生低碳消費意識以及促進社會的可持續發展具有重要意義。

4 校園節能減排的挑戰與展望

4.1 挑戰

在零碳校園建設中,已有的環保技術可以顯著提高能源利用率,改善校園環境,但仍需要克服多重難題。例如,動態玻璃等新型環保材料和自適應外墻技術的費用高昂,其對環境的潛在影響及長期經濟效益尚未得到充分探討。部分節能技術在小規模試點項目中展現潛力,但在更大范圍的校園建設中,其穩定性和耐用性仍有待深度驗證。未來,要加強技術創新, 建立適應校園環境的統一標準,以確保設計、施工的連續性和一致性。

4.2 展望

政策層面,政府補貼和稅務激勵等扶持政策和資金支持十分重要。要加強政策引導,推出行業前沿的舉措,如尋求綠色建筑認證,以響應環保建筑的市場需求。將建筑節能減排技術應用在零碳校園建設中, 采用超低能耗標準、更新的能效標準,提升新建教室和宿舍的效能。加強基層響應,舉辦研討會和工作坊, 提升教職員工對建筑的節能減排意識,以實現零碳校園的愿景。

5 結論

校園建筑作為能源消耗和碳排放的重要領域,其節能減排技術的應用顯得至關重要。通過對當前校園建筑節能減排技術應用案例的梳理,揭示其發展和應用現狀、面臨的挑戰以及未來趨勢。各項技術的不斷創新與實踐不僅為校園建筑節能減排提供有力支撐, 也為綠色建筑和可持續發展理念在校園中的普及與落實奠定堅實基礎。未來,更多創新技術將會涌現,共同助力校園建筑實現更為高效、環保的能源利用,為碳達峰碳中和貢獻力量。