碳中和背景下大學(xué)校園建筑設(shè)計(jì)策略研究

劉曉暉 李志紅 袁朵 LIU Xiaohui LI Zhihong YUAN Duo

在雙碳目標(biāo)背景下，以大學(xué)校園為研究對象，梳理我國可持續(xù)設(shè)計(jì)案例，對高星級校園綠色建筑綜合樓單體可持續(xù)設(shè)計(jì)及碳排放進(jìn)行評估，探索雙碳背景下的大學(xué)校園建筑設(shè)計(jì)策略。

校園建筑；可持續(xù)設(shè)計(jì)；碳排放；高品質(zhì)；綠色建筑

0 引言

2021年國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》，提出推動校園低碳轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)以校園轉(zhuǎn)型為起點(diǎn)，建立中國校園低碳轉(zhuǎn)型示范項(xiàng)目。2022年教育部印發(fā)《綠色低碳發(fā)展國民教育體系建設(shè)實(shí)施方案》，提出在新校區(qū)建設(shè)項(xiàng)目和既有建筑改造項(xiàng)目中優(yōu)先采用節(jié)能減排技術(shù)產(chǎn)品和服務(wù)，加快推進(jìn)超低能耗、近零能耗、低碳建筑規(guī)?；l(fā)展，提升學(xué)校建筑節(jié)能水平。

在我國雙碳目標(biāo)背景下，建設(shè)“碳中和”校園與國家戰(zhàn)略目標(biāo)高度契合，既可實(shí)現(xiàn)節(jié)能示范作用，又有利于可持續(xù)發(fā)展理念的推廣。探索大學(xué)校園建筑設(shè)計(jì)“碳中和”策略對實(shí)現(xiàn)校園建設(shè)雙碳目標(biāo)具有重要意義。

1 大學(xué)校園“碳中和”必要性與能耗特點(diǎn)

1.1 必要性

大學(xué)校園“碳中和”是大學(xué)踐行其社會責(zé)任的重要體現(xiàn)。大學(xué)作為培養(yǎng)人才與科技創(chuàng)新的高等學(xué)府，應(yīng)積極承擔(dān)社會責(zé)任，為應(yīng)對氣候變化作出積極貢獻(xiàn)。大學(xué)校園是能源消耗與碳排放的重要源頭之一，具有人員密度大、建筑類型多等特點(diǎn)，校園節(jié)能減排可推動資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會的可持續(xù)發(fā)展。大學(xué)校園實(shí)現(xiàn)“碳中和”既有助于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源，又能促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量與創(chuàng)新能力的提升，鼓勵大學(xué)師生積極參與到“碳中和”行動中去，為可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)作出積極的貢獻(xiàn)。

1.2 能耗特點(diǎn)

大學(xué)校園能源消耗主要包括教學(xué)樓、宿舍、食堂等電、水、氣的消耗。其中，電能為主要能源消耗，包括空調(diào)、照明、教學(xué)設(shè)備等用電；水耗主要用于日常生活與環(huán)境衛(wèi)生等方面，尤其在洗澡、洗衣服等時段用水量較大；用氣則來源于食堂等場所烹飪時的燃?xì)庀模绕湓谟貌透叻鍟r段，燃?xì)庥昧枯^大。

大學(xué)校園圖書館綜合樓能耗集中于照明、空調(diào)、供暖和IT設(shè)備等方面。由于圖書館需保證光線強(qiáng)度以滿足閱讀需求，同時，其內(nèi)溫濕度也需維持在適宜范圍，以保證圖書保存及讀者閱讀舒適性需求，因此圖書館中照明與空調(diào)能耗占比較大。同時，大學(xué)圖書館能耗具有季節(jié)性特點(diǎn)，冬季與夏季因供暖與制冷需求，能耗相對較高。春秋季節(jié)能耗相對較低。此外，在考試季或論文提交高峰期，因?qū)W生增多，照明與IT設(shè)備能耗相應(yīng)增加。

2 我國大學(xué)校園可持續(xù)建筑案例研究

2.1 臺灣成功大學(xué)“綠色魔法學(xué)?！?/h3>

臺灣成功大學(xué)“綠色魔法學(xué)校”是臺灣省首座零碳建筑，“綠色魔法學(xué)?！贝髽菫榈厣?層、地下1層，其主要功能空間為會議與辦公。經(jīng)運(yùn)行數(shù)據(jù)測算，實(shí)際節(jié)能率達(dá)65%。設(shè)計(jì)巧妙結(jié)合建筑形體與可再生能源應(yīng)用，采用葉片狀太陽能光伏板，屋面設(shè)置階梯式野生花園，顯著降低了空調(diào)能耗（見圖1）。設(shè)計(jì)秉承綠色理念，采用綠色建材，如高爐水泥、陶粒（由污泥燒制而成）、環(huán)保涂料、抗菌環(huán)保鋼板、環(huán)保石材、環(huán)保電線、環(huán)保地毯與窗簾等。大部分建材來自當(dāng)?shù)?，降低了建筑材料運(yùn)輸中的碳排放。室內(nèi)采用吊扇機(jī)械通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的方式降低建筑空調(diào)能耗。大樓內(nèi)的國際會議交流中心、中庭及博物館均設(shè)置通風(fēng)塔，利用高大空間熱壓通風(fēng)原理組織室內(nèi)自然通風(fēng)。

2.2 山東交通學(xué)院圖書館

山東交通學(xué)院圖書館是我國首家生態(tài)圖書館，榮獲多項(xiàng)綠色建筑獎項(xiàng)。項(xiàng)目建成并投入運(yùn)行后，其節(jié)能措施及能源利用技術(shù)均獲得良好效果。圖書館采用多種可持續(xù)設(shè)計(jì)策略，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱方面，外墻選用多孔磚與膨脹珍珠巖作為保溫隔熱材料，外窗采用中空塑鋼窗。建筑采用種植遮陽、遮陽墻、擋板遮陽及內(nèi)遮陽等措施。室內(nèi)設(shè)計(jì)采光中庭，促進(jìn)自然通風(fēng)及采光。圖書館南側(cè)玻璃邊廳外側(cè)設(shè)計(jì)水幕，利用噴淋設(shè)施降低玻璃表面溫度。結(jié)合地下人防通道進(jìn)行地道風(fēng)設(shè)計(jì)，將地面新風(fēng)引入地下并進(jìn)行預(yù)冷、預(yù)熱處理，以降低空調(diào)能耗。采用高性能水冷空調(diào)機(jī)組及湖水冷卻措施，湖水冷卻既減少了冷卻用水，又可作為景觀，實(shí)現(xiàn)雨水調(diào)蓄功能（見圖2）。

2 山東交通學(xué)院圖書館（圖片來源：THAD）

3 某醫(yī)學(xué)院綠色建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 項(xiàng)目概況

某醫(yī)學(xué)院校園內(nèi)建筑類型較多，包括圖書館禮堂綜合樓、教學(xué)中心、宿舍、實(shí)驗(yàn)中心、體育中心等。其中圖書館禮堂綜合樓功能復(fù)雜，須滿足閱覽、禮堂、演藝等需求。項(xiàng)目定位為高星級、高品質(zhì)綠色建筑，以綠色建筑三星級與美國LEED金級為目標(biāo)，通過采用場地微環(huán)境優(yōu)化、高效能源利用、室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化等措施，為師生營造健康、舒適、綠色的學(xué)習(xí)環(huán)境。

3.2 可持續(xù)設(shè)計(jì)策略

3.2.1 室外環(huán)境

項(xiàng)目場地充分利用可再生能源，設(shè)置太陽能光伏系統(tǒng)為場地內(nèi)部建筑提供電力，采用風(fēng)光互補(bǔ)為場地提供照明能源。通過以上措施降低了校園對不可再生能源的依賴，進(jìn)而減少碳排放。根據(jù)項(xiàng)目周圍生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，種植鄉(xiāng)土植物，采用喬灌草復(fù)層綠化等措施恢復(fù)場地原有自然生態(tài)系統(tǒng)，既美化了校園環(huán)境，又增加了生物多樣性。構(gòu)建人行道、健身跑道與自行車道等慢行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了室外環(huán)境的連通性與可達(dá)性，鼓勵師生綠色出行。項(xiàng)目場地通過下凹式綠地、雨水調(diào)蓄池、雨水?dāng)嘟拥却胧?，減少硬質(zhì)鋪裝與場地雨水外排，提升校園蓄水能力，避免校園產(chǎn)生內(nèi)澇問題。校園規(guī)劃設(shè)計(jì)尊重校園歷史文化特色，創(chuàng)造包容與多元的校園環(huán)境，使師生在學(xué)習(xí)生活中感受校園文化的傳承和歸屬。

3.2.2 建筑單體節(jié)能

校園圖書館在設(shè)計(jì)之初即設(shè)定高標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能目標(biāo)，即建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能較國家標(biāo)準(zhǔn)要求提升20%，節(jié)能目標(biāo)相較于ASHRAE 90.1標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)降低20%以上的建筑能源費(fèi)用。基于上述節(jié)能目標(biāo)，建筑外墻采用200mm厚蒸壓加氣混凝土條板，外側(cè)貼110mm厚巖棉板，外墻平均傳熱系數(shù)達(dá)0.39W/（m2·K）。屋面選用110mm厚巖棉板作為保溫材料，坡屋頂鋪設(shè)鏤空金屬瓦，為室內(nèi)提供遮陽與隔熱功能，使屋面平均傳熱系數(shù)降至0.30W/（m2·K）。建筑外窗選用隔熱鋁合金三玻兩中空充氬氣節(jié)能玻璃窗（5mm+12Ar+5mmLow-E+12Ar+5mmLow-E），傳熱系數(shù)為1.50 W/（m2·K），SHGC（太陽得熱系數(shù)）為0.33，外窗熱工性能優(yōu)于ASHRAE 90.1的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)限值。為增強(qiáng)室內(nèi)采光效果，坡屋面特別設(shè)計(jì)階梯天窗，以增加室內(nèi)活動平臺及中庭部分自然采光。

在機(jī)電設(shè)備方面，選用高性能螺桿機(jī)組和變頻風(fēng)機(jī)、水泵。其中螺桿機(jī)組COP值達(dá)6.01，新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置排風(fēng)熱回收裝置，熱回收效率達(dá)65%。中庭、門廳及會議室區(qū)域設(shè)置CO2濃度感應(yīng)新風(fēng)聯(lián)動裝置，根據(jù)室內(nèi)CO2濃度自動調(diào)節(jié)新風(fēng)量，進(jìn)一步降低新風(fēng)能耗。室內(nèi)設(shè)計(jì)充分考慮照明需求，所有房間均滿足照明標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)值。為實(shí)現(xiàn)整體節(jié)能目標(biāo)，項(xiàng)目在建筑兩側(cè)的風(fēng)雨連廊屋頂與建筑后側(cè)的停車場分別鋪設(shè)光伏瓦與光伏板，總面積約3300m2，將光伏產(chǎn)生的電能全部用于建筑的日常使用。

基于以上節(jié)能措施，本項(xiàng)目采用eQuest軟件對建筑節(jié)能目標(biāo)進(jìn)行初步評估，圖書館能耗模型及初步模擬估算結(jié)果如圖3所示，設(shè)計(jì)建筑較基準(zhǔn)建筑能耗費(fèi)降低約21%，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

3 圖書館能耗模型及模擬結(jié)果（圖片來源：作者自繪）

3.2.3 建筑自然通風(fēng)

由于圖書館進(jìn)深大，功能復(fù)雜，本項(xiàng)目通過增加內(nèi)區(qū)空間開窗面積、優(yōu)化外墻開窗大小及形式，充分利用中庭，屋頂天窗等措施，實(shí)現(xiàn)過渡季自然通風(fēng)換氣次數(shù)大于2次/h的使用空間面積達(dá)78%（不適用自然通風(fēng)的禮堂空間除外）。室內(nèi)通風(fēng)模型及模擬結(jié)果如圖4所示。

3.2.4 建筑可再生能源利用

根據(jù)我國太陽能資源區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，天津地區(qū)位于太陽能資源區(qū)劃II類地區(qū)，全年太陽能輻射總量為1400～1750kW·h/ (m·a），全年日照為2610～3090h，適宜使用太陽能技術(shù)。

建筑采用坡屋面形式，北向坡屋面受到遮擋，光伏板設(shè)置于北面坡屋頂效益不高?？紤]到建筑屋面風(fēng)格樣式的統(tǒng)一，放棄坡屋面大面積設(shè)置太陽能光伏板的方案，將大面積光伏板設(shè)置于建筑北側(cè)停車場處，停車場周邊較空曠，不受建筑遮擋的影響，同時光伏板還可實(shí)現(xiàn)車輛的遮陽擋雨效果，間接降低車輛的空調(diào)碳排。同時，停車場光伏系統(tǒng)所發(fā)電量就近供給建筑使用，從而降低建筑用電能耗。經(jīng)測算，建筑北側(cè)2塊停車場可設(shè)置光伏面積約3300m2，初步估計(jì)年發(fā)電量可達(dá)40萬kW·h。

3.3 建筑運(yùn)行碳排放估算

建筑碳排放主要包括設(shè)計(jì)建造階段的隱含碳與建筑運(yùn)行階段的碳排放。本項(xiàng)目采用降碳設(shè)計(jì)，通過應(yīng)用被動式通風(fēng)優(yōu)化、高效圍護(hù)結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)遮陽、高效冷熱源、光伏太陽能、高效照明、高效風(fēng)機(jī)等措施，使建筑運(yùn)行階段碳排放相較于參照建筑減少約48%，碳排放降低15kgCO2/(m2·a）。

4 結(jié)語

目前，諸多大學(xué)校園正圍繞“雙碳”目標(biāo)進(jìn)行積極有效的探索。由于校園建筑類型不同，其相應(yīng)節(jié)能減排技術(shù)體系側(cè)重點(diǎn)亦不同。本研究通過對大學(xué)校園中圖書館項(xiàng)目的低碳實(shí)踐，為進(jìn)一步推動校園的“低碳體驗(yàn)、低碳理念、低碳行動”提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)，以促進(jìn)碳中和大學(xué)校園的發(fā)展。