隨著(zhù)全球氣候變化問(wèn)題日益凸顯,節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,其節能減排技術(shù)的應用對于推動(dòng)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(shù)的實(shí)際應用,系統梳理和評估現有技術(shù),為打造零碳校園提供科學(xué)依據,進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)社會(huì )實(shí)現碳達峰碳中和目標。

1 校園建筑主體部分節能減排技術(shù)

1.1 建筑的圍護結構優(yōu)化

建筑節能減排的關(guān)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(yōu)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(hù)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。高效節能門(mén)窗系統是校園建筑的另一大亮點(diǎn)。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(xiàn),保證室內溫度穩定。熱反射或動(dòng)態(tài)調光玻璃的使用更使得室內光線(xiàn)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(jìn)一步降低建筑的熱島效應,提供宜人的微氣候,同時(shí)降低城市環(huán)境溫度,實(shí)現建筑與環(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,嚴寒地區教學(xué)樓節能改造的最優(yōu)方案:教學(xué)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(xué)樓對圍護結構進(jìn)行綜合改造,相比改造前節能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(yáng)

改變建筑外遮陽(yáng)也是優(yōu)化圍護結構的一種手段。 經(jīng)實(shí)地調研,武漢市70棟既有高校教學(xué)建筑的外遮陽(yáng)優(yōu)化設計后,全年累計冷熱負荷均有降低。但是, 加設外遮陽(yáng)措施影響采光通風(fēng),構件復雜,造價(jià)高,結構受力改變,影響空間利用和立面美觀(guān),調整時(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)和采光設計在降低能耗方面同樣至關(guān)重要。通過(guò)精心設計建筑朝向、窗戶(hù)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(jìn)空氣流動(dòng),優(yōu)化室內微氣候,降低空調和照明需求。風(fēng)塔和熱壓、煙囪效應的通風(fēng)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(lài),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(jīng)成為一種常見(jiàn)的環(huán)保和可持續發(fā)展策略。最為常見(jiàn)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能減排的另一重要策略, 需要結合建筑朝向和造型進(jìn)行設計。浙江農林大學(xué)利用屋頂的平改坡,結合學(xué)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(fā)電系統,預計年發(fā)電量為101.7萬(wàn)kW·h,解決平屋面防水問(wèn)題。 節能改造后的學(xué)生公寓預計可以節能15%左右,學(xué)校還建立遠程智能監管平臺進(jìn)行能源消費管理。山東理工大學(xué)改用電廠(chǎng)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(wàn)m2的建筑屋頂上建設光伏發(fā)電工程,自發(fā)自用,余電上網(wǎng),總裝機容量達 5.5 MW。每年可節約電費約16.5萬(wàn)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、辦公設備待機能耗改造、配電箱改造、光伏發(fā)電系統及太陽(yáng)能路燈建設等5個(gè)節能項目改造。

1.2.2 地源熱泵技術(shù)運用

地源熱泵技術(shù)利用地下相對穩定的土壤溫度進(jìn)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(shù)的節能效果顯著(zhù),系統運行穩定,對環(huán)境無(wú)污染。東營(yíng)科技職業(yè)學(xué)院新校區一期建筑面積為286 128 m2,整個(gè)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(lái),項目運行正常,效果良好。年消耗用電約為243.12萬(wàn)kW·h,節能效果明顯。 經(jīng)綜合測算,全年運行總費用節約375.5萬(wàn)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(xué)校園一般有教學(xué)樓、實(shí)驗室、宿舍、圖書(shū)館和食堂等建筑,每個(gè)建筑內部都安裝各種電器設備,如照明系統、空調系統和實(shí)驗室設備等。

2.1 傳統校園的設備改造

作為傳統校園,長(cháng)安大學(xué)渭水校區鴻遠教學(xué)樓對設備進(jìn)行改造。照明系統進(jìn)行節能改造后,其照明功率密度和目標照度最優(yōu)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(fēng)熱回收、調整通風(fēng)時(shí)間和改變送風(fēng)溫度的措施,最優(yōu)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(zhù)。

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(huán)境和使用者需求自動(dòng)調整室內微氣候,提供最佳的學(xué)習環(huán)境。智能照明和通風(fēng)系統通過(guò)感應器、時(shí)間控制和空氣質(zhì)量監測,確保只有在必要時(shí)才啟動(dòng)。安裝智能電表、水表等設備,在非教學(xué)時(shí)間關(guān)閉不常用的教室或實(shí)驗室的電源,有效避免能源浪費。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成、智能設備間的數據共享和遠程控制,校園管理部門(mén)可以實(shí)時(shí)監控能效,優(yōu)化能源使用,實(shí)現節能目標,同時(shí)為師生營(yíng)造健康、舒適的生活空間。

2.3 校園能源管理系統的支持

為了實(shí)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(huì )實(shí)時(shí)采集和分析校園內每個(gè)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(guò)云端平臺或者本地服務(wù)器進(jìn)行數據處理和存儲。這些數據可以幫助學(xué)校管理層了解能源使用情況,找出能耗高的原因,如某些設備待機耗電過(guò)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(xué)時(shí)間自動(dòng)調低空調溫度,關(guān)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(shí)自動(dòng)發(fā)送警報。系統還可以接入可再生能源,如太陽(yáng)能或風(fēng)能,以?xún)?yōu)化校園的碳足跡。通過(guò)綜合運用多種技術(shù)和設備,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)成功應用能源管理系統,通過(guò)建設智慧供熱平臺實(shí)現對各樓宇供熱系統的精準預測和調控,顯著(zhù)提高供熱效率,降低能耗。同時(shí),魯東大學(xué)建立線(xiàn)上報修平臺和節能降碳關(guān)鍵發(fā)展績(jì)效目標任務(wù)考核獎勵機制,進(jìn)一步推動(dòng)節能工作的深入開(kāi)展。能耗系統的應用不僅有助于學(xué)校提高能源使用效率和管理水平,還有助于培養學(xué)生的節能意識和環(huán)保意識, 推動(dòng)校園綠色低碳發(fā)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(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(guò)程可以吸收碳,同時(shí)減少或抵消因師生日?；顒?dòng)、建筑運營(yíng)和能源消耗等產(chǎn)生的碳排放。目前,很多大學(xué)校園碳平衡項目研究能源碳排放和樹(shù)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(cháng)江電力股份有限公司合作, 打造零碳城市試點(diǎn)示范項目——張掖中學(xué)零碳校園綜合能源項目。項目對校內照明系統進(jìn)行升級改造,更換高效光源,新建風(fēng)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(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)充電樁,結合儲能系統,提高綠色能源占比。同時(shí),通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)手段實(shí)現用能數據的實(shí)時(shí)更新和高效管理,提升能源利用效率,實(shí)現能源數字化轉型。項目成效喜人,每年節約用電80.26萬(wàn)kW·h, 單位面積電耗下降19.5%,累計經(jīng)濟收益可達450萬(wàn)元, 實(shí)現每年減少碳排放約2 000 t的目標。

3.2 清華大學(xué)通州金融發(fā)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(wàn)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?chē)o系統、可調節外遮陽(yáng)、高效冷熱源和機電系統、光伏發(fā)電系統和能耗監測系統等專(zhuān)項技術(shù)。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(xué)院學(xué)生宿舍和繼續教育學(xué)院學(xué)生宿舍建筑綜合節能率達7 1.23%。

3.3 斯坦福大學(xué)

在校園建筑的設計上,斯坦福大學(xué)盡可能采用自然采光和通風(fēng)設計,減少電力和空調的使用。同時(shí),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(wǎng)的依賴(lài)。校園將大片的光伏板覆蓋在停車(chē)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)校設有電動(dòng)汽車(chē)充電站,鼓勵學(xué)生和教職員工使用電動(dòng)汽車(chē),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能減排的創(chuàng )新實(shí)踐,為零碳校園建設和綠色建筑發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗,對于推動(dòng)綠色低碳校園建設、培養學(xué)生低碳消費意識以及促進(jìn)社會(huì )的可持續發(fā)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(huán)保技術(shù)可以顯著(zhù)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)保材料和自適應外墻技術(shù)的費用高昂,其對環(huán)境的潛在影響及長(cháng)期經(jīng)濟效益尚未得到充分探討。部分節能技術(shù)在小規模試點(diǎn)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(lái),要加強技術(shù)創(chuàng )新, 建立適應校園環(huán)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(wù)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(yè)前沿的舉措,如尋求綠色建筑認證,以響應環(huán)保建筑的市場(chǎng)需求。將建筑節能減排技術(shù)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(huì )和工作坊, 提升教職員工對建筑的節能減排意識,以實(shí)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(lǐng)域,其節能減排技術(shù)的應用顯得至關(guān)重要。通過(guò)對當前校園建筑節能減排技術(shù)應用案例的梳理,揭示其發(fā)展和應用現狀、面臨的挑戰以及未來(lái)趨勢。各項技術(shù)的不斷創(chuàng )新與實(shí)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(fā)展理念在校園中的普及與落實(shí)奠定堅實(shí)基礎。未來(lái),更多創(chuàng )新技術(shù)將會(huì )涌現,共同助力校園建筑實(shí)現更為高效、環(huán)保的能源利用,為碳達峰碳中和貢獻力量。