双碳背景下零碳实验室建设的探索与实践★

杜欢欢，崔雪洁

(1.温州理工学院,浙江 温州 325035; 2.温州理工学院绿色建筑与节能研究所,浙江 温州 325035)

2020年9月,国家主席习近平在出席第七十五届联合国大会一般性辩论时提出,《巴黎协定》[1]是全球绿色低碳转型的主要方针,各国必须迈出决定性步伐,共同保卫地球家园。同时宣布,中国将提高自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,CO2排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和[2]。在“碳达峰、碳中和”目标背景下,各行各业都迎来了新的机遇和挑战。为贯彻党中央、国务院重大战略部署,引导高校把发展科技第一生产力、培养人才第一资源更好地结合起来,做好“双碳”工作提供科技支撑和人才保障,2021年7月,教育部印发了《高等学校碳中和科技创新行动计划》,进一步将“双碳”理念和实践融入高校各环节[3]。

目前学校在新校区开展的各类工程建设工作,是建筑与能源工程学院学生实训实践最直接也是最重要的实验场地。在实验室建设过程中,应重点结合基建部门工作,在校园建设过程中融入教学实践相关内容,把建工学院实验室建在校园的一土一木之中。作为培养学生创新创业能力的关键孵化场所,高校实验室更应该以“双碳”目标为契机,全面贯彻新发展理念,重点关注如何保证实验室的低碳可持续发展、如何培养具有“双碳”意识的高素质人才等问题[4]。在双碳背景下,结合校园基建工作,开展零碳实验室建设工作,可为建工学院学子在日后的《建筑构造》《建筑物理》《土木工程施工》及低碳建设,绿色建筑相关实训实践课程提供重要学习场地,建好零碳实验室,能够提升相关课程的教学效果、支撑教师带领学生开展创新活动、支持教师科研工作,为学院发展赢得机会。

1 “双碳”背景下零碳实验室建设的必要性

1.1 双碳目标与实验室建设的关系分析

对于推动我国碳达峰、碳中和目标的实现,建筑领域的节能减碳至关重要。政府间气候变化专门委员会统计数据表明,全国总碳排放量有将近1/3是建筑碳领域排放量。随着城市化程度的提高,我国每年约新增建筑面积20万ha,这说明建筑领域的温室气体排放量将会持续升高。若仍然采用现有政策标准与建筑节能技术,约在2038年左右达到建筑领域的碳达峰时间,这将对我国兑现“2060碳中和”目标构成巨大挑战[5]。

中共中央、国务院宣传发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》对城乡建设的绿色低碳发展做出顶层部署,意见第七部分围绕提升城乡建设绿色低碳发展质量这一重要发展建设目标,分门别类的从“大力发展节能低碳建筑”“推进城乡建设和管理模式低碳转型”“加快优化建筑用能结构”三个方面对城乡建设绿色低碳发展做出了顶层规划和部署[6]。

包括在城乡规划建设管理各环节全面落实绿色低碳要求;推进县城和农村绿色低碳发展;提升城市绿化水平,推动城市组团式发展;严格管控高能耗公共建筑建设;合理规划城镇建筑面积发展目标;加快推进绿色社区建设;实施工程建设全过程绿色建造。大力发展低碳节能建筑,发展绿色农房;全面推广绿色低碳建材;提升建筑节能低碳水平;开展建筑领域低碳发展绩效评估。加快优化建筑用能结构,因地制宜推进热泵、燃气、生物质能、地热能等清洁低碳供暖;大幅提高建筑采暖、生活热水、炊事等电气化普及率。

上述意见对城乡建设的全过程提出了绿色低碳、节能减排的要求。无论是低碳建筑,还是超低能耗、近零能耗建筑,从建筑的全生命周期看,一定是涵盖了设计、施工、材料及设备、维修改造、拆除等各个阶段。

1.2 零碳实验室建设的意义

目前我校在滨海校区的使用面积紧张,实验室建设过程中已有相关问题显现出。本项目通过把建工学院的实验室建设在校园基建项目中,不仅缓解了实验室用地紧张的问题,最重要的是建设了一个非常有特色的实验室,并且此实验室的建设工作不需要进行另外的投资,可以为建工学院学子与教师提供很好的教学实践场所。项目建成后,零碳示范中心不仅仅是开展普通教学的场所,还是我们建工学院培养全过程绿色建造、超低能耗、专业人才的重要场所,更是学校在温州市的示范工程,响应国家双碳战略的典范。

2 零碳实验室的实际建设

2.1 技术策略

1)以“被动优先,主动优化”为原则,采用目标为导向,结合不同地方的环境、人文、气候特点,根据不同建筑的使用功能,采取性能化的设计方法,对症下药,制订相应的近零能耗建筑技术方案。

2)使用性能化设计方法。针对不同性能参数要求的建筑物,对其建筑方案和关键部分的性能指标进行综合比选,通过对组合方案的优化比选,针对性的制定适合本项目的技术路线,做到全局最优。

3)以定量分析和优化为核心进行性能化设计,结合建筑全寿命期的经济效益,除此之外,还要进行建筑和设备的关键参数对建筑能耗及负荷的敏感性分析,这个敏感性分析尤为重要,需要在此基础上,对该性能化设计进行性能参数和技术措施的优化选取。

2.2 零碳实验室建设方案

本项目采用的总体近零能耗建筑方案如下:

1)使其外墙综合传热系数达到0.60 W/(m2·K),屋面综合传热系数达到0.29 W/(m2·K)。

本项目为改造类项目,拟按照现有设计方案设置建筑外墙及外窗产品,考虑到本项目改造条件,因此主要采用内保温方式实现建筑保温性能。

a.项目技术方案采用高性能围护结构,优化后外围护结构做法如表1所示。

表1 建筑与能源工程学院零碳实验室围护结构传热系数设计指标

外墙一:抗裂砂浆(5.0 mm)+无机保温砂浆B型保温层(20.0 mm)+非黏土烧结多孔砖/蒸压加气砌块B07(240.0 mm)+M15水泥砂浆(15.0 mm)+真空绝热板(15.0 mm)。

外墙二:发泡陶瓷保温板(30.0 mm)+非黏土烧结多孔砖/蒸压加气砌块B07(240.0 mm)+M15水泥砂浆(15.0 mm)+真空绝热板(15.0 mm)。

楼地面:C20细石混凝土(40.0 mm)+XPS保温板(10.0 mm)+现浇钢筋混凝土(120.0 mm)。

平屋面:C20细石混凝土(50.0 mm)+自黏聚合物改性沥青防水卷材(3 mm)+XPS 保温板(140.0 mm)+泡沫混凝土找坡层(30 mm)+钢筋混凝土(120.0 mm)。

b.项目技术方案采用窗构造为隔热铝合金5+12A+5Low-E+12A+5Low-E中空玻璃,传热系数为1.5 W/(m2·K),太阳光得热系数为0.24。

c.方案中东向窗墙比为0.51,西向窗墙比为0.41,北向窗墙比为0.32,南向窗墙比为0.17。总体外窗做法如表2所示。

表2 项目外窗做法

2)选用性能更优的窗户,传热系数1.5 W/(m2·K),SHGC达到0.24。

3)通过对建筑走廊区域进行改造,形成走廊造型固定遮阳且东、西、南立面外窗设置中置活动遮阳。

本项目作为改造类建筑,原始建筑走廊为普通连廊,无围护结构遮挡,因此在最大程度保留原有建筑的情况下,本项目改造通过在走廊增加围护结构形成固定遮阳效果,可以有效起到遮阳、隔热作用,作为建筑外形构件的一部分,在实现功能的同时保证了建筑的外形美观。同时东、西、南立面外窗设置中置活动遮阳。百叶角度、高度均可根据天气情况进行自动或手动调节。

4)进行建筑无热桥和气密性设计,提高建筑整体性能。建筑围护结构中热流密度显著增大的部位,称为热桥。超低能耗建筑设计时,需要对热桥的产生进行更严格地控制,无热桥设计建筑外围护结构。为了确保各建筑屋面、外墙、外窗、地面等部位无热桥处理,本项目在设计和施工时,将面断为线,线断为点。需要注意的重点施工环节包括:悬挑阳台、幕墙、门窗、穿外墙管道、穿外墙风道、外墙结构固定件、穿屋面的风道、穿屋面管道固定处。为避免保温材料间出现通缝,外墙保温的双层保温施工方法显得尤为重要,需要采用错缝粘接的方式进行;墙角处采用成型保温构件进行施工;预埋断热桥的锚固件在外墙上,为降低传热损失,采用增加隔热间层、减少接触面积及使用非金属材料等措施;采用断热桥锚栓固定保温层;管道穿外墙部位预留套管并预留足够的保温间隙;避免在外墙上固定导轨、龙骨、支架等可能导致热桥的部件;施工图中给出节点设计大样及详细做法说明;为避免影响外墙保温性能,插座接线盒、户内开关等不置于外墙上。

本项目气密层设置如图1,图2所示。

5)采取新风热回收措施,全热热回收效率达到75%。本项目是学校建筑,来往人员较多,需要较多的新风量,本方案设置新风热回收,利用系统方案中热回收技术对排风的余冷余热,实现了较高的节能减排效果,做到了全热热回收效率不低于75%。

6)采取自然通风措施,降低空调能耗。本项目可以采用自然通风技术降低过渡季的空调能耗,过渡季考虑分时段进行建筑空调使用,降低空调能耗,一般来说自然通风技术在合理应用的条件下可节约过渡季空调能耗约5%～10%。

7)采用(污)水源热泵系统实现建筑供冷和供暖。本项目在温州理工学院教学楼建设一座污水源热泵热源站,为教学楼夏季供冷、冬季供热。污水源热泵供暖系统拟选用2台热泵(单台制冷量为324 kW),222台型号为JTHR-WLT-90的污水换热器,此外还包含系统水循环泵、污水引水泵及定压补水装置等,用以满足系统运行要求。

8)采用空气源热泵系统满足生活热水需求。生活热水系统:一层室外设置空气源热泵系统。热水使用温度为55 ℃。本工程热水定额10 L/(人·d),最高日热水用水量12.54 t/d(55 ℃)。

9)采用智能照明,将照明密度降至4 W/m2。建筑能耗的20%～40%是照明系统的能耗所占,在居住建筑中节能潜力较大,对本项目进行计算分析可知,想要形成显著的节能效益,可采用智能照明系统。

随着时代的发展,人们对环境保护的关注度越来越高,LED照明成为最具市场潜力的行业热点。LED照明节约能源,不仅具有可靠耐用、维护费用极为低廉等优点,而且没有辐射,光线质量高,节能也在70%以上,是典型的绿色照明光源。在住宅中使用LED照明系统不仅可以降低室内空调负荷,减少能源消耗,降低电费,减少二氧化碳排放量,还可以减小室内发热量,达到保护环境的目的。同时本项目将根据室外日照情况和人员活动情况采用智能的照明控制技术,对其进行智能化控制。

10)采用316 m2屋面太阳能光伏系统,探索产能建筑示范。本项目拟设置316 m2太阳能光伏发电系统,为充分提高能源利用率,实现能源的高效利用,电力系统相关设计及方案由相关厂家进行深化。屋顶太阳能光伏布置图见图3。

2.3 零碳实验室建设成果

本项目为温州理工学院提升改造2号教学楼A栋项目,根据零碳实验室的功能,参照我国首部引领性建筑节能国家标准GB/T 51350—2019近零能耗建筑技术标准[7]的要求,该项目按近零能耗建筑进行设计。本次项目方案最大程度地保留了原有项目的立面造型,对建筑方案进行了优化设计,以《近零能耗建筑技术标准》中冬冷夏热地区近零能耗公共建筑能效指标为导向,采用高性能保温体系和门窗加强建筑围护结构热工性能,结合固定建筑造型形成遮阳系统,并在方案阶段综合考虑自然通风和自然采光的应用,降低建筑能耗需求。同时,建筑能源系统方面,结合业主的具体要求,以(污)水源热泵系统作为独立冷热源。并利用高性能LED灯具及智能照明控制系统降低建筑照明能耗,设置316 m2的屋面光伏系统为区域供电,在保证室内舒适度的前提下降低建筑能耗,实现近零能耗建筑的目标。

为研究适用于本项目的技术方案,在充分分析项目自身资源条件的基础上,对项目设计方案在不同近零能耗技术方案下的节能效果进行分析,并按照《近零能耗建筑技术标准》规定的近零能耗建筑申报要求,采用了性能化评价和强制性指标方法相结合的方式,通过与满足GB 50189—2015公共建筑节能设计标准[8]限值要求的参照建筑进行能耗对比,建筑综合节能率达到60.02%,建筑本体节能率达到41.34%,可再生能源利用达到31.85%,符合近零能耗建筑示范项目的目标要求。

本项目将热泵及太阳能系统等技术应用在近零能耗建筑项目中,从建筑低能耗、环境优化、室内外舒适度等方面进行建筑整体性能提升。本工程探索、研究先进的近零能耗技术实施方案,为今后其他相关项目提供了技术参考,具有示范效益。

3 零碳实验室建设对我院教学工作开展和高素质人才培养的促进

从培养高素质人才的要求出发,要重视学生能力与素质培养[9]。为促进我校教学工作的开展,提高学生的学习能力、动手能力、解决问题能力,将零碳实验室建设内容分为以下三个阶段:

1)基础建设:协助基建处建设零碳教学楼,从设计方案阶段介入,融入被动式节能技术、节能保温做法、可再生能源利用、高效机房、海绵城市、立体绿化、热桥设计等技术,为项目建设提供技术支撑。设计方案确立后,对施工过程进行记录,并做好相关资料的整理,为后期教学工作提供素材。零碳教学楼建设完后,除了平时正常的教学任务外,同时可作为建工学院相关课程的实训实践基地,发挥其实践教学作用。2)教学节点细化:由于工程建设完成后,许多关键技术与节点构造均已封闭,考虑在零碳实验室外部设置关键技术展示点位或建立关键技术的图纸与效果图,为教学提供更直观的展示资料。3)教学科研融入:将相关资料整理备案,交给相关教师,助力提升相关课程的教学效果、支撑教师带领学生开展创新活动、支持教师科研工作,为学院发展赢得机会。

通过融入建工学院师资,在项目建设阶段提出相关技术需求与教学需求,并配合基建处工作,对某些建设内容进行分析与计算,同时运用相关节能策划软件对项目进行建模,确保项目建设工作的顺利进行。实验室建设完成后,教师在教学过程中结合土木工程、建筑环境与能源工程及建筑学专业的特点,进行课程设计[10]。

4 结语

如何实现“双碳”目标是当今时代的一个热门话题。在“双碳”背景下,大家越来越注重双碳目标建设,其中,实验室的建设、应用需对“双碳”目标特别关注[11],因此对高校零碳实验室进行探索与实践具有非常重要的意义。高校教学过程中,需针对“双碳”这一目标,多维度、多角度的向学生灌输“碳达峰、碳中和”意识,并在此基础上,针对性的制订零碳实验室建设方案,加强学生对零碳实验室建设的认识,对学生以身作则,为培养更多有能力、有水平的专业人才作出更大的贡献,推进我国“双碳”目标早日实现[12]。