长沙某大学校园建筑能耗实测与绿色校园建设分析

长沙某大学校园建筑能耗实测与绿色校园建设分析
湖南大学土木工程学院 周慧 李念平 倪吉 胡丽君 魏小清
摘要：大学校园建筑普遍存在功能多样、系统复杂、能耗大的特点。美国与欧洲有关绿色校园及生态校园的成功经验表明，绿色校园建筑不仅能保证学生及教师健康、高效的学习工作，还能有效的降低能耗费用及运行成本，整体建筑成本也大大下降，本文通过对长沙市某大学校园建筑的能耗情况进行调查实测，进一步分析其进行绿色校园建设的必要性和可行性。
关键词：绿色校园 实测调查 绿色特征
1 引言
近年来，随着我国高校教育制度的改革，大学校园的建设进入了一个高峰期，校园建筑从1978年的330万㎡发展到2001年的近2.6亿㎡[1]。鉴于其特定的功能，校园建筑不仅人员密集，能源消耗大，且在建设环境、建筑策划、使用管理诸方面也有其独特的需求和特色。欧美有关绿色校园及生态校园建设的成功经验表明，要想实现校园建设的可持续发展，必须考虑应用新技术、新工艺、新材料，以实现节能、节水、节材、节地及资源综合利用的目标，促进资源的高效利用和循环利用。
然而我国在校园建筑能耗方面的研究还没有全面展开，且研究水平地域差别大。因此，我国各地区进行关于校园建筑能耗状况以及节能潜力的研究是十分必要的。本文通过对具有冬冷夏热气候特征的长沙市一所大学校园建筑的建筑特征、能耗结构及各终端能耗进行现场调查及测试，分析总结了长沙高校校园建筑的能耗特征及存在的问题，提出绿色节能改造的建议，在此基础上，进一步分析阐明建设节能、环保、生态的绿色校园的必要性与可行性。
2 能耗实测数据分析
为了获取准确、详实的校园能源使用情况，2007年10月－12月，笔者对长沙市某大学进行现场实测和能耗调查，获得相关建筑特征、各终端能耗及2006年度各项能源逐月消耗情况等基础资料。
2.1 学校概况

图1 校园景观鸟瞰图[2]
该校位于长沙市岳麓山山麓，校内各功能区规划布置紧凑合理，见图1。此次选取校内12幢具代表性建筑对其进行调查研究，总面积为169536㎡，竣工时间集中在1980至2003年间，其中建筑的围护结构以钢筋混凝土为主，其比例达到66％，此外约有34％的建筑为砖混结构，4％得为其他结构。
2.2 当地气候条件
长沙市属亚热带季风性湿润气候, 季节变化明显，冬寒夏热，四季分明。年平均气温16.8～17.2℃，最热月平均温度29.3 ℃,夏季极端温度高达42.7 ℃。最冷月平均温度为4.6 ℃,冬季极端温度达- 11.3 ℃。夏季日平均气温在30℃以上约有85天，气温高35℃的炎热日，约有30天。全年相对湿度维持在70 %～80 %之间[3]， 属于典型的夏热冬冷地区。长沙市历年平均温度及相对湿度见表1。
表1 长沙市历年月平均温度及相对湿度[4]
月份 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月
平均温度（℃） 3.3 3.6 11.2 20.8 22.9 27.5 30.4 27.3 24.8 18.4 15.4 6.9
相对湿度（%） 84 82 84 82 82 84 78 80 82 82 80 79
2.3 学校用能情况
2.3.1 能耗概况
该校能源供给方式为电力及管道天然气。为便于统一比较计算，将各类能源的一次能源热量值换算成统一能量单位GJ。一次能源热量换算值为：电能(3.6×10－3GJ/kWh) [5]，管道天然气(46.047×10－3GJ/m3) [6]。图2为逐月能耗变化图，可以看出，电力能耗高峰冬季集中在1月份，而夏季集中在9月份；供冷、供暖季节的能耗高于过渡季节，夏季能耗高于冬季。夏季能耗高峰时间段与气象最热时间段有所出入，主要原因在于7、8月为暑假，学生大部分离校，用电量减少。而天然气主要为该校新建食堂使用，除2、9月停业修整期，其它各月用量较为平均。

图2 学校逐月能耗变化图
2.3.2 终端电耗分布
显然，电力消耗在该校总能耗中所占比重最大。据调查发现，该校的电力消耗设备主要为空调器、照明、计算机、饮水机、电风扇、电采暖器、实验设备、电梯、生活水泵等。在全年电能的消耗中，各种能耗的比例见图3，。其中将计算机、饮水机、电采暖器及电风扇的能耗计入办公能耗中，电梯和生活水泵的能耗算作其他能耗。从图3中我们发现，空调能耗占电能消耗的绝大多数达65.5％，照明、办公及其他能耗依次降低，分别为14.8%、14.4%和5％。

图3 电能消耗比例图
2.3.2 空调设备情况
显然，空调消耗在总的电力消耗中所占比重最大。据调查发现，该校基本采用分体式壁挂以及柜式空调机，无集中式空调系统，其空调设备统计情况见表2。其中，空调器的使用主要集中在由行政办公、图书馆、会议厅以及培训中心等组成的公共活动区。
表2 空调设备统计表
空调类型 台数 容量（KW） 年实际耗能量（KW/年）
1 216 238.14 257191.2
2 87 127.89 138121.2
3 49 108.045 116688.6
4 15 55.125 59535
2.4 能源使用的现存问题
2.4.1 电力与水的能耗指标过高
该校2006年度单位面积电耗、水耗情况见表3。2006年度长沙市大型科研教育类建筑抽样能耗调查情况显示，该类建筑单位面积电耗、水耗分别为13～269kWh/m2.a、5.9 m3/m2.a[7]。可见，该校单位面积电耗及水耗均处于较高水平，其中单位面积水耗指标为同类建筑水耗指标的3倍多，节能潜力巨大。
表3 2006年度单位面积电耗、水耗情况
建筑面积(m2) 2006年电耗（MWh） 2006年水耗（m3） 单位面积电耗（kWh/m2.a） 单位面积水耗（m3/m2.a）
169536 33520 3323296 197.7 19.6
2.4.2 日常基本运行能耗量大
虽然因春节假期，校内的行政办公与教学工作基本停止，故该校2月的电力与水的消耗量均为全年最低值，分别为：2560MWh与218968 m3，可以看出，学校用于维持日常基本运行（路灯、景观射灯、清洁冲洗用水等）能源消耗不容小觑。
3 绿色校园建设潜力分析
美国学者诺伯特•莱希纳曾经提出“绿色建筑”设计的3个层面[8]：首先应该考虑通过建筑设计减少对于采暖、降温和照明的需求，即合理的建筑空间和形态设计；其次在合理的前提下尽可能利用自然能源提供建筑的需求（太阳能、风能、地热能等），即被动式节能设计层面；只有在前2个层面都不能满足需求的情况下才用机械设备来满足要求。
针对该校的实际情况，可先由节电、节水的绿色节能改造出发，逐步实现绿色校园的建设。
3.1 加强垂直绿化和屋顶绿化
虽然该校绿化建设已取得一定成效，但仍未引入屋顶绿化，垂直绿化所占比重亦不够。垂直绿化和屋顶绿化具有占地少，绿化面积大，见效快，遮荫效果显著等特点，因此应尽可能地利用可供绿化的墙面、围墙、护栏、屋顶等，加强屋顶绿化和垂直绿化，在提高校园环境质量的同时，改善建筑外墙及屋顶的热工性能。
3.2 室内空调温度的设定
该校基本采用单体壁挂式或柜式空调机，分散控制虽然比较灵活，但电能的浪费严重，据调查显示，该校大部分办公室夏季设定温度为20～24℃，冬季为26～28℃。美国国家标准局认为把夏季设定温度从24℃改为26.7℃,约可节约能量15 % ,冬季设定温度从24.4～26.7℃,改为21～22℃,约可节能18 %[9]。可见,为降低能耗,在满足工作学习要求和人体健康的情况下,空调房间室内温度设定,夏季应尽可能提高,冬季应尽可能降低。
另外建议会议室、会客室、阅览室再增加红外线感应器，即室内没有人时，如果这些房间忘记关闭空调，红外线感应器检测到房间没有人，也照样可以自行关机。
3.3 充分利用水资源
据调查发现，该校未采用任何循环用水措施，且每日的日常生活排水、排污都进入了湘江，造成极大的环境污染。实际上，采用建设屋面雨水集蓄与回用系统和中水的再生利用技术，这些污水经沉淀和过滤等简易处理后还可用于非饮用水，如消防用水、地面冲洗用水、绿化用水、厕所冲洗水。开展污水回用技术，具有开源节水和减轻水污染的双重功能，同时也是培养广大师生员工的节水意识的实例。
3.4 太阳能的利用
3.4.1 太阳能光电板
建议在学校建筑的屋顶和玻璃墙上铺设光电板，可为校内低压网络及部分日常用电提供能量。以清华大学超低能耗示范楼南侧立面上安装的30㎡的光电玻璃为例：其峰值发电功率可达3千瓦[10]。
3.4.1 太阳能热水器
采用太阳能热水器可解决校内一部分热水供应压力，且其经济效益明显，表4为以该校一栋7层的宿舍楼（共252间寝室）的太阳能改造方案为例，通过对太阳能与常规能源技术进行经济分析对比，算得不足3年就可收回投资。
表4 太阳能与常规能源方案经济分析对比表
太阳能加热 电加热
初投资 223200～241800 —
每吨热水成本 6.17 32.67
年节约费用 64438
投资回收期 2.56～2.76
3.5 风能的利用
该校位于湘江畔，常年有源源不断的江风吹来，长沙市多年平均风速2.6m/s，主导风向为西北风，可以考虑利用风力涡轮为学校提供一部分能源。以往的风力发电常因风速过低而限制发电效率，现有可变速运行的同步风力发电技术，在风速低至2.5m/s条件下仍可保证高效率发电[11]。
4 结语
大学校园是个功能分区复杂的微型社会，包括各院系集中布置的教学区及实验楼，由行政办公、图书馆、以及培训中心等组成的公共活动区，由学生公寓、食堂、配套服务设施等组成的生活区，产研结合的科技园区，以及体育运动区和公共绿化区。由于建筑使用群体一致且流动性大，各功能分区的单体建筑间既相互独立又相互影响，这是绿色校园建筑区别于其他绿色建筑的最大特点。因此绿色校园的建设决不是单个绿色建筑的简单叠加，而应综合考虑校园总体规划与建筑设计。
绿色校园建筑应遵循可持续发展原则，体现绿色平衡理念，通过科学的整体设计，集成绿色配置，自然通风、自然采光、低能耗围护结构、太阳能利用、中水利用、绿色建材和智能控制等高新技术。具有选址规划合理，资源利用高效循环，节能措施综合有效，建筑环境健康舒适，废物排放减量无害，建筑功能灵活适宜等特点。不仅满足了教育者和受教育者的生理和心理需求，而且对绿色环境的冲击最小，有利于保护生态环境，节约能源，充分展示了人文与建筑、环境与科技的和谐统一。

参考文献
[1] 叶琳. 节约型大学校园建筑的规划设计. 山西建筑, 2007.10
[2] Google Earth
[3] 建设部. 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准. 北京：中国建筑工业出版社，2001
[4] 中华人民共和国国家统计局. 中国统计年鉴-2006. 北京：中国统计出版社，2006
[5] 国家技术监督局. 电学和磁学的量和单位. 北京：机械工业出版社，1994
[6] 中华人民共和国. 城市燃气分类. 北京：中国标准出版社，1993
[7] 长沙市建设委员会. 长沙市节能监管体系建设实施方案, 2007
[8] 诺伯特•莱希纳. 建筑师技术设计指南——采暖降温照明[M] . 第2版,张利,等译. 北京:中国建筑工业出版社,2004.
[9] 陈丽茹. 高层建筑空调节能设计的探讨. 能源与环境, 2004,(3)
[10] 江亿. 清华大学超低能耗示范楼实践. 房地产导刊, 2005.7
[11] 谭恢曾. 风能与风力发电. 湖南电力, 2002. 02