随着经济的快速增长, 1996～2014年间, 中国建筑碳排放量以6.78%的增速迅猛增长。为有效遏制建筑能耗过度消耗, 住建部发布了《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》 (建科[2017]53号) , 其目标是2020年建筑节能效果相较15年提升至少20%。

高校作为中国社会的重要组成部分, 其年度能源消耗量近3000万吨标准煤, 水资源消耗量近400万吨, 能耗总量占社会总能耗的8%。中国高校每名学生的能耗和水耗分别是中国居民的四倍和两倍。在高校总能耗中高校建筑所占比重最大, 为83.2%, 并呈刚性增长趋势。因此, 对高校既有建筑实施节能改造势在必行。

本文在梳理高校建筑能耗特点的基础上, 对高校既有建筑节能改造的内涵及常用技术进行分析梳理, 以江南大学教学楼建筑节能改造为例, 进行技术决策分析, 并提出节能改造的技术建议。

高等院校多样化的建筑种类、差异化的设计标准及建造技术决定了不同建筑能耗规律、能效水准的差异性较大。以长三角地区某综合性大学为例, 用能最多的建筑分别为科研楼、宿舍、教学楼, 而单位面积能耗最大的建筑为图书馆。研究者孙宇对北方高校教学楼用能情况进行调研, 得出照明系统及空调用能占比最大。高翔对复旦大学的20栋建筑的能源构成情况进行统计, 计算出空调的能耗最大, 占所有建筑总能耗的57.2%。

以笔者所在高校江南大学为例, 其用能种类为电能、自来水和市政天然气。2016年综合能源消耗总量为6393t标准煤, 电耗是主要的用能方式;年度用能最多的建筑分别为科研楼、宿舍、食堂、教学楼;单位面积能耗最大的建筑为图书馆、教学楼。

综合以上高校建筑的能耗特点, 作为用能大户的科研楼、宿舍、教学楼等可作为重点改造对象, 而照明系统、空调系统因能耗占比大具有较大的节能潜力。

建筑的节能改造, 是基于可持续发展思想的绿色改造。在建筑工业发展中, “可持续性”可分为三个方面, 即“环境的可持续性”、“经济的可持续性”、“社会的可持续性”。Marco Filippi等人认为建筑设施的可持续性包括5个层面:环境绩效、社会绩效、经济和社会性能、功能和技术质量、工艺质量。美国绿色建筑理事会 (United States Green Building Council, USGBC) 将既有建筑的节能改造定义为:在既有建筑中进行多种类型的升级, 其全部或部分用于改善能源和环境性能, 减少水资源的消耗和对自然生态环境的影响, 提高空间的舒适性 (空气环境、热环境、声环境、光环境) , 同时实现经济效益。

教育部同住房和城乡建设部于2008年联合发布了中国首部《高等学校节约型校园建设管理与技术导则》 (试行) , 导则对高等学校节能监管、能源审计、节能运行等作了详细的技术指导。近年来, 很多高校、科研机构、节能服务公司在高校既有建筑节能改造领域开展了大量研究和实践, 所形成的节能改造技术分类框架包括围护结构节能改造 (墙体、门窗、屋顶、遮阳系统等) 、采暖通风空调及生活热水供应系统节能改造、供配电与照明系统节能改造、可再生能源利用 (太阳能光伏、风能、地热能等) 。

采用文献研究法, 对高校既有建筑节能改造相关案例进行收集、分析, 在上述四类节能改造技术分类框架下进一步细分子类, 得出如表1所示的改造技术分布情况。

照明系统及空调系统改造是最常采用的改造技术;能耗监测系统是宿舍改造中普遍采用的技术;考虑到对外立面的保护及施工带来的使用影响等因素, 因而较少有高校对围护结构中的外墙进行改造。

江南大学教学楼具有单体建筑面积大、单位面积能耗较大、能源浪费现象较严重等特点, 因此以教学楼节能改造为例剖析技术决策过程。

建筑结构等基本情况调查:江南大学第一、二教学楼建于2004年, 建筑面积分别为3.6万平方米和4.9万平方米, 共有教室450余间, 为3万余名师生提供课堂服务。2014年, 江南大学教学楼总用电量116.09万k W·h, 单位建筑面积能耗为13.61k W·h/ (m²·a) 。

舒适性涵盖热舒适性、视觉舒适度、空气质量等方面。课堂舒适性对学生的学习效率有很大影响。通过问卷调查和仪器测量的方式对舒适性进行主客观调查。调查结果显示师生课堂环境舒适性的满意度高, 教学楼环境参数满足国家相关法律法规的要求。

建筑整体结构为框架剪力墙, 外墙主体为300mm厚空心砖, 保温层主体为25mm厚挤塑保温板, 外贴釉面砖 (300×200×5mm) 。通过现场观察得知, 外饰面整体结构完好, 未发现风化、酥松、开裂、脱落等现象, 外窗及玻璃完好, 未发现损坏、缺失等现象, 外围护结构整体系统完好。综合考虑教学等各方面需求, 决定不对围护结构进行改造。

教学楼能源消耗种类包括电力和自来水。分析各教学楼各个年度的用能情况, 以第一教学楼为例 (图1) , 用电呈现周期性规律, 在学生放假期间 (寒假2月, 暑假7月和8月) , 用电量较低;用电高峰是在学年的最冷 (1月、12月) 和最热 (9月) 月份。由此可见, 影响教学楼用能的主要因素是空调的使用。

江南大学建设有能源监管平台, 实现了对校园建筑及设施设备能耗数据的分户及分项计量。根据分项能耗统计数据 (图2) , 教学楼的能源消耗主要分为两部分:照明系统和空调系统。

照明系统:为方便学生自习, 江南大学教学楼教室采取开放式管理模式, 学生流动性较大, “长明灯现象”普遍存在, 浪费比较严重。且照明采用的T8灯管, 发光效率低, 节能改造潜力较大。初定改造方案从两个方面展开:

1) 采用高效照明节能装置。

针对教室等功能照明且有人员长期滞留的区域, 使用发光效率高的T5节能荧光灯替代T8普通荧光灯;针对走廊、楼道等非功能照明且无人员长期滞留区域, 使用LED灯具。

2) 配套采用智能照明控制系统。

暖通设施:教学楼暖通设施较为单一, 均为分体式空调, 据统计, 空调数量590台, 总功率6806.5kW。分体空调分散、独立的特点使其难以得到有效地监控和管理, 给物业管理人员带来工作不便的同时极易造成能源浪费。为此, 初定建设一套教室分体空调监管系统, 实现“结合课表、温度适当、杜绝浪费”的精细化管理。

水资源利用:教学楼水资源的使用来源是市政自来水, 未设置中水利用或雨水利用。本文将以水资源利用系统改造为例, 在下文中进行详细的技术决策分析。

在高校节能改造技术框架中, 水资源利用措施一般包括建设雨水回用系统或中水系统。雨水回用系统是自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵校园”概念下的衍生物, 包括雨水收集、净化、储存、利用等环节。中水系统以校园建筑或建筑群内的生活废水作为中水水源, 经适当处理后作为冲厕、绿化和消防用水等。中水的首选水源为优质杂排水, 高校的中水水源正是以盥洗、淋浴等优质杂排水为主。

既有公共教学建筑改造方案的可行性, 需要从技术和经济角度进行双重考虑, 以保证其在实际中发挥效用。

教学楼的优质杂排水量较少, 且需要改造排污管道, 工程量大、投入成本较高, 因此不采纳中水系统改造方案。江南大学地处多雨区, 年内降雨集中于夏季。从近五年的用水数据来看, 第一、第二教学楼用水高峰均出现在学年夏季的5、6、7月。降雨量大的月份与需水量的时段相吻合, 具有雨水利用的自然条件。并且江南大学内采用雨、污分流的排水机制, 地表及建筑屋面雨水能有效收集利用。因此, 加装雨水回用系统, 替代教学楼原冲厕用自来水, 技术方案可行。雨水回收利用的处理方法主要有物化法和生态处理法, 生态处理法需要建设生态滤床, 且施工周期长, 复杂程度高, 一般用于新建楼宇。因此, 本项目采用物化法, 采用技术成熟度较高的混凝-沉淀-过滤的工艺 (图3) 。

对改造前后成本进行测算, 得出雨水回用系统投资回收分析表 (表2) , 系统软硬件采购及安装费预计投入69.66万元, 年节约费用11.88万元, 静态投资回收期为5.86年, 满足经济要求。

改造工程于2017年竣工, 目前已投入运营一年以上, 师生使用感受良好。因本项目各节能措施互不影响, 且具有能耗监管平台进行分项计量, 故采用测量法进行节能量的计算, 本项目年节能量349545kW·h, 改造后减少碳排量264.5t, 综合节能率30.85% (表3) ;年节水量47953t, 节水率58.4%。总投资金额约261.74万元, 年节约费用约42.31万元, 投资回收期6.19年。

大学校园内建筑种类多、数量多, 改造路径的选择可遵循两个步骤。一是确定建筑能源消耗性能指标以得出准确的能效评估结论从而确定改造对象。二是挖掘能源消耗共性, 对同一类型且具有相似能源消耗特性的改造对象可采用同一种改造策略。如大阪大学按能源消耗量级将校内建筑设施分为文科建筑、理工科建筑、大型建筑三大类, 根据不同建筑类型的能耗特征研究出不同的改造技术路径, 最终实现建筑能耗不同程度的减少。

建筑节能改造的技术难点在于可以考虑数百种适用的能源措施组合来改造建筑物, 但难以在其中选择最佳策略。不同高校的不同建筑都具有独特的地理气候和运营特征, 也有不同的改造需求, 因此必须对每栋建筑物进行合理的改造技术选择。在确定改造方案前, 应通过实地勘察和测试, 必要时进行能耗模拟, 对影响能耗的各种因素进行分析, 在节能诊断的基础上制定节能改造方案。另外, 高校肩负技术革新的使命, 在建筑的可持续改造中须有意识地创新技术, 推动建筑的可持续性改造, 并向绿色化改造方向发展。

现有的建筑节能改造过多地关注投资者的利益, 而忽视了建筑使用者的利益。改造实践对建筑使用的影响主要体现在:健康、舒适性、生产力、安全性、满意度等五个方面。对使用者的利益关怀应体现在改造决策和实施过程的全周期。在低能耗和舒适性之间取得平衡, 实现投资者与建筑使用者的利益共赢。

教育建筑的数量逐年递增, 很多建筑建设时所参照的节能标准较低且老龄化严重, 具有巨大的节能潜力。本文全面介绍了教学楼建筑节能改造的技术决策过程及实施路径, 期望为类似高校的节能改造实施提供参考。