碳中和背景下大學校園建筑設計策略研究

劉曉暉 李志紅 袁朵 LIU Xiaohui LI Zhihong YUAN Duo

在雙碳目標背景下，以大學校園為研究對象，梳理我國可持續設計案例，對高星級校園綠色建筑綜合樓單體可持續設計及碳排放進行評估，探索雙碳背景下的大學校園建筑設計策略。

校園建筑；可持續設計；碳排放；高品質；綠色建筑

0 引言

2021年國務院發布《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》，提出推動校園低碳轉型，實現以校園轉型為起點，建立中國校園低碳轉型示范項目。2022年教育部印發《綠色低碳發展國民教育體系建設實施方案》，提出在新校區建設項目和既有建筑改造項目中優先采用節能減排技術產品和服務，加快推進超低能耗、近零能耗、低碳建筑規?；l展，提升學校建筑節能水平。

在我國雙碳目標背景下，建設“碳中和”校園與國家戰略目標高度契合，既可實現節能示范作用，又有利于可持續發展理念的推廣。探索大學校園建筑設計“碳中和”策略對實現校園建設雙碳目標具有重要意義。

1 大學校園“碳中和”必要性與能耗特點

1.1 必要性

大學校園“碳中和”是大學踐行其社會責任的重要體現。大學作為培養人才與科技創新的高等學府，應積極承擔社會責任，為應對氣候變化作出積極貢獻。大學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，校園節能減排可推動資源節約型與環境友好型社會的可持續發展。大學校園實現“碳中和”既有助于保護環境、節約資源，又能促進教學質量與創新能力的提升，鼓勵大學師生積極參與到“碳中和”行動中去，為可持續發展目標作出積極的貢獻。

1.2 能耗特點

大學校園能源消耗主要包括教學樓、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、照明、教學設備等用電；水耗主要用于日常生活與環境衛生等方面，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氣消耗，尤其在用餐高峰時段，燃氣用量較大。

大學校園圖書館綜合樓能耗集中于照明、空調、供暖和IT設備等方面。由于圖書館需保證光線強度以滿足閱讀需求，同時，其內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能耗占比較大。同時，大學圖書館能耗具有季節性特點，冬季與夏季因供暖與制冷需求，能耗相對較高。春秋季節能耗相對較低。此外，在考試季或論文提交高峰期，因學生增多，照明與IT設備能耗相應增加。

2 我國大學校園可持續建筑案例研究

2.1 臺灣成功大學“綠色魔法學?！?/h3>

臺灣成功大學“綠色魔法學?！笔桥_灣省首座零碳建筑，“綠色魔法學?！贝髽菫榈厣?層、地下1層，其主要功能空間為會議與辦公。經運行數據測算，實際節能率達65%。設計巧妙結合建筑形體與可再生能源應用，采用葉片狀太陽能光伏板，屋面設置階梯式野生花園，顯著降低了空調能耗（見圖1）。設計秉承綠色理念，采用綠色建材，如高爐水泥、陶粒（由污泥燒制而成）、環保涂料、抗菌環保鋼板、環保石材、環保電線、環保地毯與窗簾等。大部分建材來自當地，降低了建筑材料運輸中的碳排放。室內采用吊扇機械通風與空調系統相結合的方式降低建筑空調能耗。大樓內的國際會議交流中心、中庭及博物館均設置通風塔，利用高大空間熱壓通風原理組織室內自然通風。

2.2 山東交通學院圖書館

山東交通學院圖書館是我國首家生態圖書館，榮獲多項綠色建筑獎項。項目建成并投入運行后，其節能措施及能源利用技術均獲得良好效果。圖書館采用多種可持續設計策略，在圍護結構保溫隔熱方面，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、擋板遮陽及內遮陽等措施。室內設計采光中庭，促進自然通風及采光。圖書館南側玻璃邊廳外側設計水幕，利用噴淋設施降低玻璃表面溫度。結合地下人防通道進行地道風設計，將地面新風引入地下并進行預冷、預熱處理，以降低空調能耗。采用高性能水冷空調機組及湖水冷卻措施，湖水冷卻既減少了冷卻用水，又可作為景觀，實現雨水調蓄功能（見圖2）。

2 山東交通學院圖書館（圖片來源：THAD）

3 某醫學院綠色建筑設計實踐

3.1 項目概況

某醫學院校園內建筑類型較多，包括圖書館禮堂綜合樓、教學中心、宿舍、實驗中心、體育中心等。其中圖書館禮堂綜合樓功能復雜，須滿足閱覽、禮堂、演藝等需求。項目定位為高星級、高品質綠色建筑，以綠色建筑三星級與美國LEED金級為目標，通過采用場地微環境優化、高效能源利用、室內環境優化等措施，為師生營造健康、舒適、綠色的學習環境。

3.2 可持續設計策略

3.2.1 室外環境

項目場地充分利用可再生能源，設置太陽能光伏系統為場地內部建筑提供電力，采用風光互補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，進而減少碳排放。根據項目周圍生態環境現狀，種植鄉土植物，采用喬灌草復層綠化等措施恢復場地原有自然生態系統，既美化了校園環境，又增加了生物多樣性。構建人行道、健身跑道與自行車道等慢行系統，實現了室外環境的連通性與可達性，鼓勵師生綠色出行。項目場地通過下凹式綠地、雨水調蓄池、雨水斷接等措施，減少硬質鋪裝與場地雨水外排，提升校園蓄水能力，避免校園產生內澇問題。校園規劃設計尊重校園歷史文化特色，創造包容與多元的校園環境，使師生在學習生活中感受校園文化的傳承和歸屬。

3.2.2 建筑單體節能

校園圖書館在設計之初即設定高標準的節能目標，即建筑圍護結構性能較國家標準要求提升20%，節能目標相較于ASHRAE 90.1標準基準降低20%以上的建筑能源費用?；谏鲜龉澞苣繕?，建筑外墻采用200mm厚蒸壓加氣混凝土條板，外側貼110mm厚巖棉板，外墻平均傳熱系數達0.39W/（m2·K）。屋面選用110mm厚巖棉板作為保溫材料，坡屋頂鋪設鏤空金屬瓦，為室內提供遮陽與隔熱功能，使屋面平均傳熱系數降至0.30W/（m2·K）。建筑外窗選用隔熱鋁合金三玻兩中空充氬氣節能玻璃窗（5mm+12Ar+5mmLow-E+12Ar+5mmLow-E），傳熱系數為1.50 W/（m2·K），SHGC（太陽得熱系數）為0.33，外窗熱工性能優于ASHRAE 90.1的節能標準限值。為增強室內采光效果，坡屋面特別設計階梯天窗，以增加室內活動平臺及中庭部分自然采光。

在機電設備方面，選用高性能螺桿機組和變頻風機、水泵。其中螺桿機組COP值達6.01，新風系統設置排風熱回收裝置，熱回收效率達65%。中庭、門廳及會議室區域設置CO2濃度感應新風聯動裝置，根據室內CO2濃度自動調節新風量，進一步降低新風能耗。室內設計充分考慮照明需求，所有房間均滿足照明標準目標值。為實現整體節能目標，項目在建筑兩側的風雨連廊屋頂與建筑后側的停車場分別鋪設光伏瓦與光伏板，總面積約3300m2，將光伏產生的電能全部用于建筑的日常使用。

基于以上節能措施，本項目采用eQuest軟件對建筑節能目標進行初步評估，圖書館能耗模型及初步模擬估算結果如圖3所示，設計建筑較基準建筑能耗費降低約21%，達到節能目標。

3 圖書館能耗模型及模擬結果（圖片來源：作者自繪）

3.2.3 建筑自然通風

由于圖書館進深大，功能復雜，本項目通過增加內區空間開窗面積、優化外墻開窗大小及形式，充分利用中庭，屋頂天窗等措施，實現過渡季自然通風換氣次數大于2次/h的使用空間面積達78%（不適用自然通風的禮堂空間除外）。室內通風模型及模擬結果如圖4所示。

3.2.4 建筑可再生能源利用

根據我國太陽能資源區劃標準，天津地區位于太陽能資源區劃II類地區，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。

建筑采用坡屋面形式，北向坡屋面受到遮擋，光伏板設置于北面坡屋頂效益不高?？紤]到建筑屋面風格樣式的統一，放棄坡屋面大面積設置太陽能光伏板的方案，將大面積光伏板設置于建筑北側停車場處，停車場周邊較空曠，不受建筑遮擋的影響，同時光伏板還可實現車輛的遮陽擋雨效果，間接降低車輛的空調碳排。同時，停車場光伏系統所發電量就近供給建筑使用，從而降低建筑用電能耗。經測算，建筑北側2塊停車場可設置光伏面積約3300m2，初步估計年發電量可達40萬kW·h。

3.3 建筑運行碳排放估算

建筑碳排放主要包括設計建造階段的隱含碳與建筑運行階段的碳排放。本項目采用降碳設計，通過應用被動式通風優化、高效圍護結構、可調節遮陽、高效冷熱源、光伏太陽能、高效照明、高效風機等措施，使建筑運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 結語

目前，諸多大學校園正圍繞“雙碳”目標進行積極有效的探索。由于校園建筑類型不同，其相應節能減排技術體系側重點亦不同。本研究通過對大學校園中圖書館項目的低碳實踐，為進一步推動校園的“低碳體驗、低碳理念、低碳行動”提供一定的借鑒經驗，以促進碳中和大學校園的發展。