校园建筑节能减排技术应用现状分析

随着全球气候变化问题日益凸显,节能减排已成为诸多社会领域关注的焦点。在校园环境中,建筑作为能源消耗和碳排放的主要源头之一,其节能减排技术的应用对于推动绿色校园建设具有重要意义。因此,有必要深入探讨校园建筑节能减排技术的实际应用,系统梳理和评估现有技术,为打造零碳校园提供科学依据,进而推动整个社会实现碳达峰碳中和目标。

1 校园建筑主体部分节能减排技术

1.1 建筑的围护结构优化

建筑节能减排的关键之一在于高效保温的围护结构。建筑围护结构包括墙体、屋顶和地面,是建筑能耗的主要影响因素。优化建筑围护结构涉及更改屋面隔热层、调整外墙保温材料、更换高性能的窗户等, 能有效减少冷桥和热桥,从而减少热量流失,降低能耗。

1.1.1 优化材料与构造

新型保温隔热材料在创建舒适且环保的校园建筑中起到决定性作用。以聚氨酯泡沫、岩棉和玻璃棉等材料为例,它们的低导热特性为教室和宿舍提供恒定的室温,大大减少能源消耗。更先进的气凝胶和真空绝热材料在隔热的同时增强建筑的气密性和耐候性,确保学生在四季更迭中都能保持舒适。高效节能门窗系统是校园建筑的另一大亮点。双层或三层玻璃结构配合氩气填充和低辐射玻璃涂层,共同构建一道坚固的节能防线,保证室内温度稳定。热反射或动态调光玻璃的使用更使得室内光线适宜,减少空调和照明的电负荷。绿色屋顶和植被覆盖的外墙进一步降低建筑的热岛效应,提供宜人的微气候,同时降低城市环境温度,实现建筑与环境的和谐共生。

在考虑经济性、防火性和使用寿命等因素的条件下,严寒地区教学楼节能改造的最优方案:教学楼外墙节能改造去除外墙表面砂浆,在其表面添加45 mm 厚的石墨聚苯板,屋面改造敷设90 mm厚的石墨聚苯板保温层,外窗改造采用充惰性气体的镀低辐射膜中空玻璃,并充氩气贴暖边。研究表明,教学楼对围护结构进行综合改造,相比改造前节能28.69%;改变教学楼外墙和屋顶保温材料厚度,外窗换为塑钢三玻窗后,建筑总能耗降低5.76%。

1.1.2 优化建筑外遮阳

改变建筑外遮阳也是优化围护结构的一种手段。 经实地调研,武汉市70栋既有高校教学建筑的外遮阳优化设计后,全年累计冷热负荷均有降低。但是, 加设外遮阳措施影响采光通风,构件复杂,造价高,结构受力改变,影响空间利用和立面美观,调整时需要综合考虑既有建筑的各方面因素。

1.1.3 优化建筑自然通风和采光

自然通风和采光设计在降低能耗方面同样至关重要。通过精心设计建筑朝向、窗户大小和位置,可以最大限度地利用光照。天窗和侧窗的布置能促进空气流动,优化室内微气候,降低空调和照明需求。风塔和热压、烟囱效应的通风设计有助于在炎热季节排出室内热气,提升居住者的舒适度。使用光导管和浅色室内饰面材料可以反射并充分利用自然光,减少对人工照明的依赖,从而节约能源。

1.2 可再生能源的利用

在许多现代校园中,可再生能源的使用已经成为一种常见的环保和可持续发展策略。最为常见的有加装光伏板和地源热泵技术。

1.2.1 加装光伏板

光伏板的加装是建筑节能减排的另一重要策略, 需要结合建筑朝向和造型进行设计。浙江农林大学利用屋顶的平改坡,结合学校能源资源情况、电力系统状况、屋顶可利用面积等因素安装光伏发电系统,预计年发电量为101.7万kW·h,解决平屋面防水问题。 节能改造后的学生公寓预计可以节能15%左右,学校还建立远程智能监管平台进行能源消费管理。山东理工大学改用电厂余热进行冬季供暖,每年可减少煤炭用量8 000 t;学校在6.2万m2的建筑屋顶上建设光伏发电工程,自发自用,余电上网,总装机容量达 5.5 MW。每年可节约电费约16.5万元,减少煤炭用量1 968 t,减少二氧化碳排放5 981 t。防城港市第一中学于2024年初完成绿色照明改造、办公设备待机能耗改造、配电箱改造、光伏发电系统及太阳能路灯建设等5个节能项目改造。

1.2.2 地源热泵技术运用

地源热泵技术利用地下相对稳定的土壤温度进行热交换,夏季将建筑物内的热量排入土壤,冬季从土壤中提取热量为建筑物供暖。这种技术的节能效果显著,系统运行稳定,对环境无污染。东营科技职业学院新校区一期建筑面积为286 128 m2,整个校区采用区域能源供冷供热方式,分区供热。项目全部采用地埋管地源热泵供暖供冷,属于浅层地热能利用。自 2020年12月基本建成以来,项目运行正常,效果良好。年消耗用电约为243.12万kW·h,节能效果明显。 经综合测算,全年运行总费用节约375.5万元,节能量折合标准煤922.63 t,减少二氧化碳排放2 300 t, 减少二氧化硫排放68.52 t,减少粉尘排放627.78 t。

2 校园高效节能设备的应用

典型的大学校园一般有教学楼、实验室、宿舍、图书馆和食堂等建筑,每个建筑内部都安装各种电器设备,如照明系统、空调系统和实验室设备等。

2.1 传统校园的设备改造

作为传统校园,长安大学渭水校区鸿远教学楼对设备进行改造。照明系统进行节能改造后,其照明功率密度和目标照度最优方案节能率分别为5.37%和 5.85%,综合改造后建筑总节能率为10.02%,节能效果较为明显。采用中央空调系统供暖和制冷,总能耗节约13.38%。空调系统采取排风热回收、调整通风时间和改变送风温度的措施,最优方案节能率分别为 10.30%、8.3 1%和1.41%,综合改造后节能25.16%, 节能效果比较显著。

2.2 新型智慧校园建设

当前,新型智慧校园建设如火如荼,智能化建筑设备应运而生。例如,智能恒温系统可以根据环境和使用者需求自动调整室内微气候,提供最佳的学习环境。智能照明和通风系统通过感应器、时间控制和空气质量监测,确保只有在必要时才启动。安装智能电表、水表等设备,在非教学时间关闭不常用的教室或实验室的电源,有效避免能源浪费。通过物联网技术的集成、智能设备间的数据共享和远程控制,校园管理部门可以实时监控能效,优化能源使用,实现节能目标,同时为师生营造健康、舒适的生活空间。

2.3 校园能源管理系统的支持

为了实现智能建筑设备的稳定运行,校园需要建立能源管理系统。该系统通常由两大部分组成,即能源监测和能源控制。监测方面,系统会实时采集和分析校园内每个设备和区域的能耗数据,如电流、电压和功率等参数,然后通过云端平台或者本地服务器进行数据处理和存储。这些数据可以帮助学校管理层了解能源使用情况,找出能耗高的原因,如某些设备待机耗电过高、老旧设备需要更换等。能源控制方面, 系统可以设定规则和阈值,例如,在非教学时间自动调低空调温度,关闭非重要区域的照明,以节约电力, 或者在检测到电量使用异常时自动发送警报。系统还可以接入可再生能源,如太阳能或风能,以优化校园的碳足迹。通过综合运用多种技术和设备,学校可以提高能源使用效率,降低能源成本,减少对环境的影响。

鲁东大学成功应用能源管理系统,通过建设智慧供热平台实现对各楼宇供热系统的精准预测和调控,显著提高供热效率,降低能耗。同时,鲁东大学建立线上报修平台和节能降碳关键发展绩效目标任务考核奖励机制,进一步推动节能工作的深入开展。能耗系统的应用不仅有助于学校提高能源使用效率和管理水平,还有助于培养学生的节能意识和环保意识, 推动校园绿色低碳发展。

3 零碳校园建设

校园节能减排的理想目标是达成零碳排放,即达到碳平衡。校园碳平衡是指在校园这一特定区域内, 碳的排放与吸收在数量或质量上达到相等或相抵的状态。植被的光合作用、土壤的碳积累以及水体对碳的吸收等自然过程可以吸收碳,同时减少或抵消因师生日常活动、建筑运营和能源消耗等产生的碳排放。目前,很多大学校园碳平衡项目研究能源碳排放和树木碳固定,深入分析校园碳平衡。

3.1 张掖中学零碳校园综合能源项目

张掖市政府与中国长江电力股份有限公司合作, 打造零碳城市试点示范项目——张掖中学零碳校园综合能源项目。项目对校内照明系统进行升级改造,更换高效光源,新建风光储电路灯系统,提升照明系统综合能效。新建屋顶分布式光伏系统,建设电动汽车和电动自行车充电桩,结合储能系统,提高绿色能源占比。同时,通过物联网手段实现用能数据的实时更新和高效管理,提升能源利用效率,实现能源数字化转型。项目成效喜人,每年节约用电80.26万kW·h, 单位面积电耗下降19.5%,累计经济收益可达450万元, 实现每年减少碳排放约2 000 t的目标。

3.2 清华大学通州金融发展和人才培养基地

项目位于北京市通州区宋庄镇,总建设用地面积约为14.16 hm2,总建筑规模约为46.68万m 2。项目整体按照绿建三星级标准建设,致力于打造超低能耗、近零能耗示范建筑,采用高性能围护系统、可调节外遮阳、高效冷热源和机电系统、光伏发电系统和能耗监测系统等专项技术。建筑综合节能率达到较高水平,例如,千人报告厅建筑综合节能率达100%, 金融学院学生宿舍和继续教育学院学生宿舍建筑综合节能率达7 1.23%。

3.3 斯坦福大学

在校园建筑的设计上,斯坦福大学尽可能采用自然采光和通风设计,减少电力和空调的使用。同时,雨水收集系统用于灌溉校园绿地,大大节约水资源。使用地源热泵系统为建筑物提供冷暖气,减少对传统电网的依赖。校园将大片的光伏板覆盖在停车场顶棚上,不仅有效利用闲置空间,还为校园提供大量的清洁能源。学校设有电动汽车充电站,鼓励学生和教职员工使用电动汽车,进一步减少碳排放。这些校园案例展示不同气候条件下全球建筑节能减排的创新实践,为零碳校园建设和绿色建筑发展提供宝贵的经验,对于推动绿色低碳校园建设、培养学生低碳消费意识以及促进社会的可持续发展具有重要意义。

4 校园节能减排的挑战与展望

4.1 挑战

在零碳校园建设中,已有的环保技术可以显著提高能源利用率,改善校园环境,但仍需要克服多重难题。例如,动态玻璃等新型环保材料和自适应外墙技术的费用高昂,其对环境的潜在影响及长期经济效益尚未得到充分探讨。部分节能技术在小规模试点项目中展现潜力,但在更大范围的校园建设中,其稳定性和耐用性仍有待深度验证。未来,要加强技术创新, 建立适应校园环境的统一标准,以确保设计、施工的连续性和一致性。

4.2 展望

政策层面,政府补贴和税务激励等扶持政策和资金支持十分重要。要加强政策引导,推出行业前沿的举措,如寻求绿色建筑认证,以响应环保建筑的市场需求。将建筑节能减排技术应用在零碳校园建设中, 采用超低能耗标准、更新的能效标准,提升新建教室和宿舍的效能。加强基层响应,举办研讨会和工作坊, 提升教职员工对建筑的节能减排意识,以实现零碳校园的愿景。

5 结论

校园建筑作为能源消耗和碳排放的重要领域,其节能减排技术的应用显得至关重要。通过对当前校园建筑节能减排技术应用案例的梳理,揭示其发展和应用现状、面临的挑战以及未来趋势。各项技术的不断创新与实践不仅为校园建筑节能减排提供有力支撑, 也为绿色建筑和可持续发展理念在校园中的普及与落实奠定坚实基础。未来,更多创新技术将会涌现,共同助力校园建筑实现更为高效、环保的能源利用,为碳达峰碳中和贡献力量。