浅析高校图书馆建筑中低碳节能理念的运用——以2010年上海世博会为逻辑起点

刘 柯

(华中师范大学后勤集团,湖北武汉 430079)

浅析高校图书馆建筑中低碳节能理念的运用
——以2010年上海世博会为逻辑起点

刘 柯

(华中师范大学后勤集团,湖北武汉 430079)

举世瞩目的上海世博会是继北京奥运会之后我国举办的又一个世界盛会,世博会上的很多建筑体现着低碳节能的建筑理念。世博会过后,这样一种建筑理念也定会引领我国未来大型建筑的潮流。作为人类文化知识的宝库,高校图书馆传承着一个民族的优秀文化传统,记载着人类前进的脚步。进入21世纪以来,一股扩建、新建图书馆的浪潮席卷全国诸多高校。在今后高校图书馆建筑的实践中,低碳节能的建筑理念有得到越来越多地体现和运用的趋势。本文以2010年上海世博会为逻辑起点,对低碳节能理念在高校图书馆建筑中的运用试作分析。

高校图书馆;图书馆建筑;低碳;节能;世博会

一、问题由来

图书馆是搜集、整理、收藏图书资料供人阅览、参考的机构。早在公元前3000年就出现了最早的图书馆。图书馆有保存人类文化遗产、开发信息资源、参与社会教育等职能。珍藏人类文化遗产的图书馆建筑则被看作是艺术宫殿中的瑰宝之一,受到高度关注。世界建筑艺术之林中熠熠生辉的经典之作,无不包含图书馆建筑的倩影,其中不少建筑已成为国家和民族的象征和骄傲。作为一种大型公共建筑,图书馆的发展历史深刻地体现着人类文化、文明的历史进程和时代特征。

拥有一座高质量的图书馆,是办好一所大学的必备条件。作为学校的文献情报中心和直接为教学、科研服务的学术性机构,图书馆在高校的教学、科研工作中负有特殊的教育使命。高校图书馆是履行教育职能和信息服务职能的物质基础,其建筑也正在越来越多地受到人们的关注。高校图书馆的建筑理念与艺术水平使其成为整个学校建筑的璀璨明珠。

关于高校图书馆建筑的研究,有的学者是从图书馆建筑中的环境与布局方面着手的,如马宏伟等人认为,在图书馆建筑更新换代的今天,高校图书馆环境美应给予充分的重视。图书馆环境设计的优劣将直接影响到读者对图书馆的认同程度,而图书馆的布局与分区的基本原则是以读者为中心,通过科学、灵活的手段对馆舍进行合理分区,使读者以最简捷的方式和最快的速度找到自己所需要的文献,最大程度地享受到高校图书馆提供的优质服务。①有的学者是从图书馆建筑要遵循的若干原则方面着手的,如李进宅等人认为,高校图书馆是大学教学和科研的三大支柱之一,现代信息社会对高校图书馆提出了更高的要求,图书馆建筑要遵循开放性原则、灵活性原则、人文化原则、智能化原则和艺术美原则。②有的学者是从高校图书馆建筑的新特点方面着手的,如杨春等人认为,高校图书馆呈现出以下几个新特点:馆舍外观设计多姿多彩,独具标志性;馆舍功能设计多样性;智能化程度越来越高;以人为本和人性化办馆理念在高校图书馆建筑中越来越得以体现。③由此可以看出,虽然已有不少的学者对高校图书馆的建筑作了研究,发表了自己的见解,但是真正从低碳节能的角度来审视高校图书馆建筑的文章是不多的。

大型场馆向来是耗能大户,但是在2010年上海世博会参展的国家纷纷率先实践低碳节能的展馆建筑理念,充分展现了世博会参与国的科技创新成果。作为北京市入选上海世博会城市最佳实践区的代表,国奥村所用的建筑材料均来自国奥村等奥运赛后场馆改造产生的建筑废料,这充分体现了“低碳建筑理念”。在世博园区,还出现了“零碳馆”。落户世博园区的中国第一座零碳建筑——上海世博伦敦零碳馆运用了英国贝丁顿(BedZED)零碳社区零能耗体系的核心和关键技术,结合上海地区的气候特征,实现了节能环保,提高了建筑对于能源的使用率。上海世博会园区内最大的钢结构项目——世博中心也创造性地解决了国内外大型公共建筑节能减排的世界性难题。低碳节能生活离我们并不遥远。据估算,世博中心总能耗低于国家节能标准规定值的80%。这些“低碳一族”的建筑方式与理念,不仅十分环保,更掀起了一波又一波的低碳节能建筑浪潮。

伴随着人类文明和社会的进步,高校图书馆的内涵不断深化,外延不断扩大,基于此,高校图书馆建筑也经历了一个由简单到复杂、由封闭到开放,不断现代化的历程。以上海世博会的召开为契机,现代高校图书馆的建筑为适应时代的变革,理应弘扬现代设计思想,将低碳节能的建筑理念贯彻和落实好。

二、低碳节能:未来高校图书馆建筑的新理念

举世瞩目的哥本哈根世界气候大会上,包括中国在内的192个国家的谈判代表召开峰会,商讨了《京都议定书》一期承诺到期后的后续方案。虽然《哥本哈根协议》草案因为种种原因最终未获通过,但是它为发达国家和发展中国家共同实现减排目标指定了清晰的方向,使得走低碳经济和节能减排之路越来越成为各国的共识。期间,中国政府以积极的姿态向全世界展示了用政府行为推动低碳经济的高度责任感,提出到2020年要实现单位 GDP的CO2排放将比2005年下降40%—45%的目标,并将其作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划之中。哥本哈根峰会吹响了中国低碳节能的“集结号”。④在国家的十一五规划中,将建设节约环保型社会作为重要内容,实行限制与鼓励政策并举的方式,提高建筑物能源利用率和增强其环保生态功能。在建筑节能方面,在2010年,建筑物节能的节约率要达到50%,到2020年则要将这其提升至65%。国家发改委资源节约和环境保护司司长赵家荣对此表示,要完成这一任务,主要靠提高资源能效、发展可再生能源、走低碳节能之路。

在全社会对建筑低碳节能问题高度关注的大背景下,作为传播人类知识和文明的高校图书馆在建筑节能方面理应走在社会前列。高校图书馆建筑正处于由传统向现代过渡转变这一既往开来的发展变革时代,这将直接影响着高校图书馆本身结构和建筑设计对低碳节能的具体要求。低碳节能工作已成为高校图书馆建筑可持续发展的重要组成部分。在当前我国高校图书馆建筑中存在着因结构不合理、材料使用失当而引发的高耗能、高排放的问题。存在着这样一个事实,我国高校图书馆建筑的采暖、空调、通风、照明的能耗在全国建筑总能耗中占据不小的比例。

节能降耗,建设节约型社会,已成为当今社会发展的主要方向。高校图书馆建筑低碳节能作为建设节约型社会的重要组成部分,不仅是一种社会责任,同时也关系到高校图书馆自身的生存与发展。高校建筑物尤其是高校图书馆建筑过程中的低碳节能技术和理念,在我国发展低碳经济战略中不可忽略。建筑低碳节能的高校图书馆是大势所趋,一场由高校图书馆建筑引发的高校建筑物的低碳节能之风将不可避免。

在力求避免新而大的“能源杀手式”建筑的社会,目前许多大型的高校图书馆本着“求洋、求新、求大”的目的,片面追求外立面效果,从而超大面积地采用玻璃幕墙。在势必造成冬天冷、夏天热的后果之后,高校图书馆必须借助空调来调节室温,这便使得此类建筑的空调能耗比一般建筑要高出数倍。高校图书馆建筑中的高耗能结构对全社会节能起了不小的反面作用。

未来的高校图书馆在建筑时要走低碳经济和建筑节能之路。所谓低碳经济,就是指改变高碳排放的发展模式,实现绿色的低能耗、低污染、低排放的可持续健康发展的经济模式。低碳经济的实质是能源高效利用、清洁能源开发、追求绿色 GDP。其核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新,以及人类生存发展观念的根本性转变。随着全球人口和经济规模的不断增长,能源使用带来的环境问题及其诱因不断被人们所认识。能源与经济价值观大变革的结果,就为人类逐步迈向生态文明指出一条新路:通过低碳经济模式与低碳生活方式使人类社会实现可持续发展。低碳经济实现方式可概括为两种:一是改变能源使用结构,二是提高能源使用效率。所谓建筑节能,则是指建筑工程在规划、设计、施工、使用过程中,采用新型墙体材料,合理设计建筑围护结构的热工性能,提高采暖、制冷、照明、通风、给排水和管道系统的运行效率,降低建筑能源消耗,合理、科学、有效地利用能源的活动。简单地讲,就是用更少的能源,过更舒服的日子。建筑节能作为节能减排工作的重要组成部分,将在很大程度上影响节能减排目标的顺利实现。⑤

三、高校图书馆建筑中低碳节能理念的运用

(一)高校图书馆建筑中新能源的应用

当前,低碳节能正成为新一轮科技革命的主旋律,以低能耗、低污染、低排放为基本特征的低碳节能理念也因此广受重视。新能源是清洁能源,在转换中不会造成环境污染,不会破坏地球的生态环境。在建筑物中充分利用太阳能这种绿色清洁能源,是减少建筑能耗,改善我国能源结构,提高我国可持续发展能力的有力保障。高校图书馆建筑应高度重视有利于低碳节能的诸如太阳能和地热能等新能源的应用。

人类对太阳能的利用有着悠久的历史,我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火、利用太阳能来干燥农副产品。太阳能作为清洁的可再生能源,越来越受到人们的重视,应用领域也越来越广泛。探讨太阳能技术与高校图书馆建筑的结合,以及如何与其它低碳节能新技术嫁接,相得益彰,特别是提高太阳能等新能源在高校图书馆建筑中的年平均贡献率就显得更为重要。

太阳能作为可再生能源,和传统化石燃料相比有如下优势:对环境没有污染;可以源源不断地获得;可免费使用,且无需运输。在2010年上海世博会上,太阳能得以大范围利用。中国馆等主要场馆及部分设施,都已安装太阳能设施。其中,世博会主题馆屋面铺设了3万平方米的太阳能板,成为国内最大的单体面积太阳能屋面。世博园区内的太阳能发电,是目前国内在一个区域里面使用最集中的太阳能发电,且达到4.6兆瓦。然而,在高校图书馆建筑方面,太阳能与高校图书馆建筑的良性结合与应用开发则相对滞后,这对今后高校图书馆的建筑提出了更高的要求。根据太阳能的特点和实际应用的需要,目前它在高校图书馆建筑低碳节能方面的应用可分为光电转换和光热转换两种形式。

太阳能光电技术是指利用太阳能电池将白天的太阳能转化为电能由蓄电池储存起来,晚上在放电控制器的控制下释放出来,供室内照明和其他需要。太阳能光热技术则是指将太阳辐射能转化为热能进行利用的技术。太阳能光热技术的利用通常又可分为直接利用和间接利用两种形式。常见的直接利用方式有:利用太阳能空气集热器进行供暖或物料干燥;利用太阳能热水器提供生活热水;基于集热—储热原理的间接加热式被动太阳房;利用太阳能加热空气产生的热压增强建筑通风。太阳能间接利用的主要形式有:太阳能吸收式制冷;太阳能吸附式制冷;太阳能喷射制冷。⑥合理开发利用地热资源的作用和效益也是可观的,它可以节约大量的能源,减轻环境污染。地热供暖是以深部地下热水作为热源,通过间接或直接式供热系统将热源输送到图书馆需要暖气的地方。在建筑高校图书馆时,可以将地热水通过热交换器满足图书馆采暖或用热水等需求。

高校图书馆建筑过程中,利用太阳能、地热能等新能源作为主要能源供给,向图书馆提供采暖、空调和热水,这样可以大量节约电力和常规能源,减少CO2、SO2及粉尘的排放,对改善大气环境有十分明显的效果。此外,太阳能、地热能等新型能源的利用能够降低高校图书馆建筑的耗能指标。采用太阳能蓄热与地源热泵的联用技术实现采暖,采用太阳能吸收式制冷技术与地源热泵联合实现制冷,并集成其它新能源和节能技术是未来高校图书馆建筑的方向。

(二)高校图书馆建筑中的外墙保温技术

外墙保温技术于上世纪90年代初开始在我国推广使用,并表现出良好的保温和节能效果。近几年来,外墙保温技术日新月异不断成熟完善,保温材料不断更新、提高,外墙保温技术已广泛应用于建筑节能设计中,成为目前主要推广并广泛采用的一种建筑保温节能技术。其主要方法是在建筑物基层墙体的外侧设置保温层(一般厚度为60mm的膨胀聚苯泡沫板),在保温层外面做装饰层。基层墙体和聚苯板之间用专用粘接剂连接,聚苯板用尼龙锚栓固定,然后在保温层外抹聚合物水泥砂浆保护层,并压入耐碱涂塑玻纤网格布,最外层用抗裂腻子和涂料层平和装饰。

该外墙保温技术具有如下优点:(1)能够增加室内环境的舒适度,并能延长建筑物的使用寿命。由于采取了外保温技术,使得墙体的蓄热功能增大,当室外温度发生变化时,复合墙体的蓄热可以缓冲室内温度的变化,使人感到相对舒适;而且由于基层墙体的温度变化比较平缓,产生的热应力也大大减小,使得基层墙体产生裂缝和变形的可能性降低,因此能够延长建筑物的使用寿命。(2)施工工艺简单,使用范围广泛。该技术既适用于多层建筑,又适用于高层建筑;既能满足新建筑物的节能要求,也能满足旧建筑的墙体改造;通过采取一定的技术措施和工艺,还能满足建筑立面设计的装饰要求。(3)节能效果明显。由于保温层的敷设具有连续性,可以避免传统墙体结构所产生的热桥现象,而且聚苯板的导热系数较小,只有0.041W/m·K,能够有效地减少室内热损失和冷损失。(4)可以减薄墙体厚度和减轻墙体的重量,从而增大房屋的使用面积。采用外墙保温技术后,在满足节能要求的前提下,可以使普通砖墙的厚度从490mm减薄为320mm,从而增加使用面积2%—4%,同时也减少了土地等资源的消耗。⑦此外,还有ZL胶粉聚苯颗粒保温体系及AL建筑保温隔热材料保温体系、聚苯乙烯泡沫塑料板现浇混凝土外墙外保温体系、岩棉板外墙外保温体系、专威特外墙外保温体系等。在高校图书馆建筑的过程中因地制宜地运用上述保温技术,一定会达到减碳节能的效果。

(三)高校图书馆建筑中的节能门窗

门窗的功能主要是通风与采光,要科学设计,不宜过大,也不宜过小。在设计高校图书馆的窗户时应尽量减少大窗户,窗户大小以满足采光要求为限。门窗玻璃应避免使用可见光透光率低的深色镀膜玻璃或着色玻璃,而适宜采用普通透明玻璃或淡色低辐射镀膜玻璃的中空玻璃。门窗型材应采用塑料型材、断热彩钢及断热铝合金型材,不得采用非断热铝合金及彩钢型材。此外,还要求外门外窗具有良好的气密、水密性、不小于30dB的隔声性能和不小于2.5kPa的抗风压性能。

合理的窗墙比是自然采光、通风和降低热辐射的保证。按照节能设计标准,公共建筑的窗墙比不应大于0.7,小于0.4,可见光的透射比不应小于0.4。⑧透明围护结构的保温隔热,除提高玻璃和框扇本身的热工性能和保证中空玻璃的密闭性之外,还与玻璃和边框接缝,以及框扇搭接缝的严密程度有密切的关系。空气渗透是能量损失的重要途径之一,只有各部分接缝足够严密,才能保证尽量减少空气的渗透,使各种能量得以最优化地发挥。

节能门窗安装除符合一般门窗安装的技术规定外,尚应注意以下几点:(1)对金属框的窗,在保证有足够空间的条件下,用塑料、橡胶、尼龙隔热条等材料进行断桥处理,断桥的宽度不宜小于15mm,长度应与框相等,且在安装五金件和安装窗时不得破坏断桥结构;(2)如为塑料门窗,由于其对温度比较敏感,故门窗进入现场后应在50℃以下的库房(棚)内存放,并远离热源。要注意塑料门窗及玻璃的安装,应避免在低温下进行施工;(3)外门窗四周侧面与墙体之间的缝隙应采用EPS聚苯板或聚氨酯等高效保温材料嵌填,不得采用水泥砂浆嵌填;外门窗框内、外两侧面与墙体面层之间应预留5至8厘米深的槽口,用密封材料嵌填。

(四)绿化手段让高校图书馆更加低碳节能

高校图书馆在建筑时应充分考虑到一些绿化手段的应用,以此来达到减碳节能的目的。笔者认为,绿化手段可以在高校图书馆的馆舍外墙和馆舍内部两个方面加以运用。在图书馆馆舍外墙方面,绿色植被附着在馆舍外墙,可以在盛夏时节形成自然荫凉。这种自然荫凉的形成使外墙受太阳暴晒的程度大大降低,因此也降低了图书馆内制冷设备的运转时间和运转强度。使馆内室温下降的同时,厚厚的绿色植被还通过光合作用吸收了空气中的大量二氧化碳。这样既降低了能耗、减少了碳的排放量,又使图书馆的外观具有令人心旷神怡的视觉效果。在图书馆馆舍内部方面,图书馆在建筑时,要给绿色盆景植物预留出适当的空间,在楼宇入口及走廊等位置摆放适当数量的绿色盆景是很有必要的。比如芦荟、景天等,晚上不但能吸收二氧化碳,还能释放出氧气,使室内空气中的负离子浓度增加。绿化与建筑艺术水乳交融,使人能够接近自然,既学知识又淘治情操,起到了以人为本的作用。⑨总之,绿化手段的应用进一步体现了高校图书馆建筑时的低碳节能理念。

(五)高校图书馆建筑中的节电系统设计

高校图书馆的用电主要是照明、电梯和计算机用电。电能的控制要多方面入手,在图书馆总配电室有安装节电器的必要。

高校图书馆在结构设计中,在保障照度适度的同时,可采取以下几种方法节约电能:(1)加大自然采光,减少白天用电。在图书馆馆舍设计时,容入天井设计,充分利用顶光,利用多重反射将顶光反射到室内进深的部位。保持合理窗墙比的同时使用玻璃幕墙,增加入射光线。窗户应采用推开式或“埋入墙内”式,特别是采用双层玻璃的窗户这样可以扩大阳光射入房内的光;(2)使用节能灯。在走廊、厕所等区域使用光效高,显色性好,寿命长的节能灯代替传统的白炽灯。根据国家半导体照明研发及产业联盟的统计和预测,到2015年,我国半导体照明市场总体规模将达到5000亿元以上。半导体中的LED是未来最具发展潜力的节能照明设备。LED灯是高效节能的,耗能仅是普通灯的1%,它的流行是一种趋势。(3)实行区域控制。照明系统设计时,要便于管理人员的分区域控制,避免全开、全关的电路。电灯开关应按自然光能射入房内的程度而分组控制灯光。采用分层,分段电路设计,将图书按照使用频率分区摆放,依据读者的需求合理布局灯光,在保障充足的光线的前提下,最大限度的节约了电能。此外,为节约电能,高校图书馆应积极推广使用高光效、长寿命光源,如金属卤化灯、细管径直管型荧光灯、紧凑型荧光灯、高压钠灯等。同时,开发并使用低功耗、优性能的节能镇流器,它与传统电感镇流器相比,具有低功耗、噪声小、温升低、无电磁干扰及谐波污染等优点。⑩

此外,水循环利用可以大大减轻水资源短缺的压力,这是积极主动地保护水环境,解决生态用水和环境用水的最佳途径。高校图书馆在建筑时要设计一个水资源综合利用系统,将雨水的收集利用纳入设计施工,通过在地下建蓄水池将雨水收集处理,用于图书馆日常卫生、冲厕、楼道清洁、道路浇洒及周边绿化,实现水资源的循环再利用。在卫生间内使用按压式节水龙头,无水小便池和节水型蹲位,安装红外线感应节水器,可以做到有效节约用水。低碳节能的建筑理念应在高校图书馆的点滴之处得到体现,而不能仅仅是流于一种形式。

四、总结与建议

对于高校图书馆的建筑来说,运用好低碳节能理念应在以下几个方面做好工作:

一是在建筑高校图书馆时要充分意识到低碳节能的重要性,高校图书馆应主动承担减少碳排放,节约能源资源的责任。二是高校图书馆建筑行业内部加强低碳节能理念的交流,使一些成熟的低碳节能的新技术、新工艺尽快得到推广和应用。三是高校图书馆建筑时要制定各种完善的有利于低碳节能理念贯彻和实施的管理措施、规章制度。四是充分调动高校图书馆建筑时相关人员的工作积极性,让他们积极参与到低碳节能的工作中来。

高校图书馆建筑是一项复杂而艰巨的系统工程,内容涉及建筑材料、设备、照明、采暖、电器等诸多方面。要实现高校图书馆低碳节能的建筑理念,需要设计、施工和管理多方的密切配合。我国当前经济发展迅速,能源相对紧张,节能降耗已经成为关系的国计民生的首要问题。低碳节能,任重道远,在2010年上海“低碳世博”的推动下,高校图书馆要以强烈的历史使命感和社会责任感主动承担起这份责任。

注释

①马宏伟:《环境与布局是图书馆整体形象的灵魂》,《当代图书馆》2004年第2期。

②李进宅:《现代高校图书馆建筑设计应注意的问题》,《科学大众科学教育》2009年第4期。

③杨春:《对52所高校新(扩)建图书馆的调查分析》,《图书馆建筑》2005年第6期。

④在2009年12月29日刊发的中国企业报的第6版上,该报记者陈玮英在结合哥本哈根世界气候大会论述节能减排时进行了如此描述。

⑤张连芬:《推广建筑节能,做好可持续发展》,《内蒙古科技与经济》2010年第1期。

⑥⑦罗万军、徐承立、马洪亭:《几种主要建筑节能技术的发展现状和应用前景》,《安徽农学通报》2007年第11期。

⑧潘向泷:《关于图书馆建筑节能的研究与实践》,《图书馆论坛》2007年第3期。

⑨程微:《图书馆建筑节能环保建设刍议》,《高校图书馆工作》2009年第2期。

⑩孙秀菊、齐雪洁:《对高校图书馆建筑节能的思考》,《河北科技图苑》2007年第6期。

责任编辑平乐

2010-03-10