碳中和背景下大学校园建筑设计策略研究

刘晓晖 李志红 袁朵 LIU Xiaohui LI Zhihong YUAN Duo

在双碳目标背景下，以大学校园为研究对象，梳理我国可持续设计案例，对高星级校园绿色建筑综合楼单体可持续设计及碳排放进行评估，探索双碳背景下的大学校园建筑设计策略。

校园建筑；可持续设计；碳排放；高品质；绿色建筑

0 引言

2021年国务院发布《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》，提出推动校园低碳转型，实现以校园转型为起点，建立中国校园低碳转型示范项目。2022年教育部印发《绿色低碳发展国民教育体系建设实施方案》，提出在新校区建设项目和既有建筑改造项目中优先采用节能减排技术产品和服务，加快推进超低能耗、近零能耗、低碳建筑规模化发展，提升学校建筑节能水平。

在我国双碳目标背景下，建设“碳中和”校园与国家战略目标高度契合，既可实现节能示范作用，又有利于可持续发展理念的推广。探索大学校园建筑设计“碳中和”策略对实现校园建设双碳目标具有重要意义。

1 大学校园“碳中和”必要性与能耗特点

1.1 必要性

大学校园“碳中和”是大学践行其社会责任的重要体现。大学作为培养人才与科技创新的高等学府，应积极承担社会责任，为应对气候变化作出积极贡献。大学校园是能源消耗与碳排放的重要源头之一，具有人员密度大、建筑类型多等特点，校园节能减排可推动资源节约型与环境友好型社会的可持续发展。大学校园实现“碳中和”既有助于保护环境、节约资源，又能促进教学质量与创新能力的提升，鼓励大学师生积极参与到“碳中和”行动中去，为可持续发展目标作出积极的贡献。

1.2 能耗特点

大学校园能源消耗主要包括教学楼、宿舍、食堂等电、水、气的消耗。其中，电能为主要能源消耗，包括空调、照明、教学设备等用电；水耗主要用于日常生活与环境卫生等方面，尤其在洗澡、洗衣服等时段用水量较大；用气则来源于食堂等场所烹饪时的燃气消耗，尤其在用餐高峰时段，燃气用量较大。

大学校园图书馆综合楼能耗集中于照明、空调、供暖和IT设备等方面。由于图书馆需保证光线强度以满足阅读需求，同时，其内温湿度也需维持在适宜范围，以保证图书保存及读者阅读舒适性需求，因此图书馆中照明与空调能耗占比较大。同时，大学图书馆能耗具有季节性特点，冬季与夏季因供暖与制冷需求，能耗相对较高。春秋季节能耗相对较低。此外，在考试季或论文提交高峰期，因学生增多，照明与IT设备能耗相应增加。

2 我国大学校园可持续建筑案例研究

2.1 台湾成功大学“绿色魔法学校”

台湾成功大学“绿色魔法学校”是台湾省首座零碳建筑，“绿色魔法学校”大楼为地上3层、地下1层，其主要功能空间为会议与办公。经运行数据测算，实际节能率达65%。设计巧妙结合建筑形体与可再生能源应用，采用叶片状太阳能光伏板，屋面设置阶梯式野生花园，显著降低了空调能耗（见图1）。设计秉承绿色理念，采用绿色建材，如高炉水泥、陶粒（由污泥烧制而成）、环保涂料、抗菌环保钢板、环保石材、环保电线、环保地毯与窗帘等。大部分建材来自当地，降低了建筑材料运输中的碳排放。室内采用吊扇机械通风与空调系统相结合的方式降低建筑空调能耗。大楼内的国际会议交流中心、中庭及博物馆均设置通风塔，利用高大空间热压通风原理组织室内自然通风。

2.2 山东交通学院图书馆

山东交通学院图书馆是我国首家生态图书馆，荣获多项绿色建筑奖项。项目建成并投入运行后，其节能措施及能源利用技术均获得良好效果。图书馆采用多种可持续设计策略，在围护结构保温隔热方面，外墙选用多孔砖与膨胀珍珠岩作为保温隔热材料，外窗采用中空塑钢窗。建筑采用种植遮阳、遮阳墙、挡板遮阳及内遮阳等措施。室内设计采光中庭，促进自然通风及采光。图书馆南侧玻璃边厅外侧设计水幕，利用喷淋设施降低玻璃表面温度。结合地下人防通道进行地道风设计，将地面新风引入地下并进行预冷、预热处理，以降低空调能耗。采用高性能水冷空调机组及湖水冷却措施，湖水冷却既减少了冷却用水，又可作为景观，实现雨水调蓄功能（见图2）。

2 山东交通学院图书馆（图片来源：THAD）

3 某医学院绿色建筑设计实践

3.1 项目概况

某医学院校园内建筑类型较多，包括图书馆礼堂综合楼、教学中心、宿舍、实验中心、体育中心等。其中图书馆礼堂综合楼功能复杂，须满足阅览、礼堂、演艺等需求。项目定位为高星级、高品质绿色建筑，以绿色建筑三星级与美国LEED金级为目标，通过采用场地微环境优化、高效能源利用、室内环境优化等措施，为师生营造健康、舒适、绿色的学习环境。

3.2 可持续设计策略

3.2.1 室外环境

项目场地充分利用可再生能源，设置太阳能光伏系统为场地内部建筑提供电力，采用风光互补为场地提供照明能源。通过以上措施降低了校园对不可再生能源的依赖，进而减少碳排放。根据项目周围生态环境现状，种植乡土植物，采用乔灌草复层绿化等措施恢复场地原有自然生态系统，既美化了校园环境，又增加了生物多样性。构建人行道、健身跑道与自行车道等慢行系统，实现了室外环境的连通性与可达性，鼓励师生绿色出行。项目场地通过下凹式绿地、雨水调蓄池、雨水断接等措施，减少硬质铺装与场地雨水外排，提升校园蓄水能力，避免校园产生内涝问题。校园规划设计尊重校园历史文化特色，创造包容与多元的校园环境，使师生在学习生活中感受校园文化的传承和归属。

3.2.2 建筑单体节能

校园图书馆在设计之初即设定高标准的节能目标，即建筑围护结构性能较国家标准要求提升20%，节能目标相较于ASHRAE 90.1标准基准降低20%以上的建筑能源费用。基于上述节能目标，建筑外墙采用200mm厚蒸压加气混凝土条板，外侧贴110mm厚岩棉板，外墙平均传热系数达0.39W/（m2·K）。屋面选用110mm厚岩棉板作为保温材料，坡屋顶铺设镂空金属瓦，为室内提供遮阳与隔热功能，使屋面平均传热系数降至0.30W/（m2·K）。建筑外窗选用隔热铝合金三玻两中空充氩气节能玻璃窗（5mm+12Ar+5mmLow-E+12Ar+5mmLow-E），传热系数为1.50 W/（m2·K），SHGC（太阳得热系数）为0.33，外窗热工性能优于ASHRAE 90.1的节能标准限值。为增强室内采光效果，坡屋面特别设计阶梯天窗，以增加室内活动平台及中庭部分自然采光。

在机电设备方面，选用高性能螺杆机组和变频风机、水泵。其中螺杆机组COP值达6.01，新风系统设置排风热回收装置，热回收效率达65%。中庭、门厅及会议室区域设置CO2浓度感应新风联动装置，根据室内CO2浓度自动调节新风量，进一步降低新风能耗。室内设计充分考虑照明需求，所有房间均满足照明标准目标值。为实现整体节能目标，项目在建筑两侧的风雨连廊屋顶与建筑后侧的停车场分别铺设光伏瓦与光伏板，总面积约3300m2，将光伏产生的电能全部用于建筑的日常使用。

基于以上节能措施，本项目采用eQuest软件对建筑节能目标进行初步评估，图书馆能耗模型及初步模拟估算结果如图3所示，设计建筑较基准建筑能耗费降低约21%，达到节能目标。

3 图书馆能耗模型及模拟结果（图片来源：作者自绘）

3.2.3 建筑自然通风

由于图书馆进深大，功能复杂，本项目通过增加内区空间开窗面积、优化外墙开窗大小及形式，充分利用中庭，屋顶天窗等措施，实现过渡季自然通风换气次数大于2次/h的使用空间面积达78%（不适用自然通风的礼堂空间除外）。室内通风模型及模拟结果如图4所示。

3.2.4 建筑可再生能源利用

根据我国太阳能资源区划标准，天津地区位于太阳能资源区划II类地区，全年太阳能辐射总量为1400～1750kW·h/ (m·a），全年日照为2610～3090h，适宜使用太阳能技术。

建筑采用坡屋面形式，北向坡屋面受到遮挡，光伏板设置于北面坡屋顶效益不高。考虑到建筑屋面风格样式的统一，放弃坡屋面大面积设置太阳能光伏板的方案，将大面积光伏板设置于建筑北侧停车场处，停车场周边较空旷，不受建筑遮挡的影响，同时光伏板还可实现车辆的遮阳挡雨效果，间接降低车辆的空调碳排。同时，停车场光伏系统所发电量就近供给建筑使用，从而降低建筑用电能耗。经测算，建筑北侧2块停车场可设置光伏面积约3300m2，初步估计年发电量可达40万kW·h。

3.3 建筑运行碳排放估算

建筑碳排放主要包括设计建造阶段的隐含碳与建筑运行阶段的碳排放。本项目采用降碳设计，通过应用被动式通风优化、高效围护结构、可调节遮阳、高效冷热源、光伏太阳能、高效照明、高效风机等措施，使建筑运行阶段碳排放相较于参照建筑减少约48%，碳排放降低15kgCO2/(m2·a）。

4 结语

目前，诸多大学校园正围绕“双碳”目标进行积极有效的探索。由于校园建筑类型不同，其相应节能减排技术体系侧重点亦不同。本研究通过对大学校园中图书馆项目的低碳实践，为进一步推动校园的“低碳体验、低碳理念、低碳行动”提供一定的借鉴经验，以促进碳中和大学校园的发展。