高校既有建筑改造的綠色節能技術應用策略研究

劉東棟，金淙立，朱嘉浩 ，張蓁睿 (合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 前言

隨著現代建筑建設標準的不斷提高，人們對建筑的功能需求也隨之提高。但隨之而來不可避免地帶來建筑整體能耗迅速增加，高校作為有著較多老舊建筑的代表，將綠色節能技術應用到既有建筑改造上成為目前符合可持續發展戰略的一個熱門趨勢。

1 現代高校建筑設計理念

現代高校建筑因包括教學樓、辦公樓、宿舍樓等，具有復雜性和綜合性的特征，體現出建筑本體設計理念和綠色設計理念這兩個最基本的設計理念。

1.1 建筑本體設計理念

建筑本體設計理念就是設計師在設計建筑時想要表達的思想理念通過所設計的建筑表達出來。設計師通過思考建筑以后的用途、功能、選址等因素來完善自己的設計理念，從而更好地將建筑的設計理念以及價值表現出來。無論是何類用途的建筑，還是建筑本身的內部空間設計以及建筑外部與周圍環境的聯系，都要遵循以人為本的設計理念。建筑服務人，人的使用才能體現建筑本身的價值。同時建筑的造型要設計得簡潔、大方、莊重，簡單明了的造型能讓人能夠清楚地了解各個區域的功能，大方莊重的外觀能夠體現出高校校園悠久的歷史背景和濃厚的文化內涵。

1.2 綠色設計理念

人口的不斷增加使得人們對建筑的數量需求不斷增加，環境的不斷惡化與能源的消耗又對建筑行業提出了新的挑戰，這時綠色建筑這一理念出現在人們面前。所謂綠色建筑，即在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源（節能、節地、節水、節材），保護環境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑[1]。我國于20世紀90年代開始推廣“可持續發展”的基本戰略，綠色校園建設是可持續發展戰略的具體體現。1998年清華大學成為國內第一所開展綠色校園建設的大學[2]，后來許多其他高校也紛紛跟隨清華大學，在其建筑設計中體現出綠色設計理念。

2 既有建筑改造的趨勢

2.1 既有建筑現狀分析

目前我國的既有建筑大部分都是21世紀初建造而成，普遍存在著設施年久老化，功能不達標，建筑總能耗過大，外圍護結構功能隨著使用時間的累積造成的保溫隔熱效果下降等問題。受到傳統設計理念的影響，設計師會更加追求建筑結構的美觀性，致使窗戶與墻面面積比會增加，無法體現出綠色節能特征。這些設計沒有遵循可持續發展的思想，高能耗、高污染、低環保這些問題是目前大部分既有建筑的通病。

2.2 既有建筑改造趨勢

在目前全球提倡綠色節能環保的大背景下，建筑行業也在積極推行綠色建筑的建設與改造。建筑改造整體呈現低碳化、多元化、智能化的趨勢。低碳化符合綠色環保的可持續發展戰略思想，通過對舊材料、舊設備的循環利用，減少對生態環境的破壞；多元化的改造不僅僅是針對建筑本身的改造，同時更多的是對建筑更深層次的功能與價值的深化改造。

既有建筑使用對象的更新、對建筑使用功能要求的提高都體現出使用人群與使用功能的多元化趨勢；隨著時代的發展與科技的創新，建筑的改造成為許多新技術、新結構、新材料集中使用的載體。建筑改造絕非簡單意義上的舊建筑翻新，將來的趨勢之一就是智能化系統的引入。建筑將借助通信技術、計算機技術、自動化控制技術、圖形顯示技術等，使改造后的舊工業建筑滿足更加人性化的、舒適的、節能的要求[3]。

3 高校建筑綠色節能改造

高校有著悠久的歷史底蘊，大多數建筑都是年代久遠的老舊建筑，在對這些老舊建筑改造時要因地制宜，考慮當地的氣候環境與地理環境，制定出符合地區特點，適合高校建筑綠色節能的有效措施。

3.1 綠色節能技術應用策略

3.1.1 可再生能源利用

隨著能源的日益短缺，作為一種新的能源類型，可再生能源在建筑行業的應用可以有效地改善建筑行業能耗高的現狀。目前能夠利用的可再生能源主要包括太陽能、風能、地熱能等非化石再生能源。

對于高校建筑而言最適合利用的可再生能源就是太陽能。太陽能是較為常見且人們接觸最多的可再生能源，與其他的再生能源相比，太陽能有著獲取難度小、可利用價值高的優勢。因此，太陽能是建筑設計中應用范圍最廣的一種可再生能源類型[4]。太陽能最普遍的利用就是太陽能熱水器，通過在高校宿舍樓屋頂鋪設太陽能集熱板，將太陽能轉化成熱能用于宿舍衛生間的淋浴設施以及水龍頭，減少了在加熱水時天然氣或煤炭資源的消耗，也能夠讓學生方便地在宿舍就可以使用到熱水。同時太陽所產生的自然光也是一種自然資源。

高校建筑物對于自然光的利用，可以直接通過太陽光照射提高建筑物對于光纖的利用，同時可以通過一些新技術來豐富建筑采光，比如通過導光管、棱形鏡以及反光鏡與光線進行結合擴大采光面積，有效利用所有自然光線[5]。

3.1.2 圍護結構改造

圍護結構是指建筑及房間各面的圍擋物，如門、窗、墻等。按照是否與室外空氣接觸，一般又可分為外圍護結構和內圍護結構。而在建筑改造中，外圍護結構的改造顯得格外重要。因為外圍護結構是直接與室外空氣相接觸，建筑物內的溫度熱量與外界空氣熱量交換的媒介就是外圍護結構，性能優越的圍護結構可以有效地降低建筑能耗，實現綠色節能的理念，所以外圍護結構應具有保溫、隔熱、隔聲、防水、防潮、耐火、耐久等性能。

建筑圍護結構改造主要分為窗墻比改造、外墻改造、屋面改造以及窗戶的選擇這四個方面。窗墻比是指窗戶洞口面積與外墻（含外窗）面積之比。一方面窗戶的導熱性比墻體的導熱性更好，所以在處于夏、冬季節時，建筑內外溫差較大，窗戶面積越大所帶來房間的熱量負荷就越大；但是另一方面，較大的窗戶面積會有更好的采光性能，使得房間獲取更多的自然光。所以要因地制宜地根據建筑本身的特征屬性來選擇合適的窗墻比。外墻、屋面改造的關鍵就是保溫層的翻新與改造。傳熱系數更低、保溫隔熱效果更好、耐火耐久性更好的保溫層是目前保溫做法的趨勢。

3.1.3 雨水的回收利用

與其他可再生能源相比，水資源不是取之不盡用之不竭的，因此對目前的比較容易獲取的雨水進行回收利用成為了建筑綠色節能改造的熱門方向。通過對收集來的雨水進行二次回收及利用，一種是雨水收集經過處理后用于景觀水體的補水、綠化和空調補水，主要通過收集屋面、地面等較為清潔的雨水進行回收利用；另一種就是雨水通過地表入滲補充地下水，亦或是兩種方式的結合使用。雨水的回收利用一定程度上減小了地面徑流量，降低城市發生雨洪災害的可能性，同時也是對建筑綠色節能改造理念的體現。

3.2 改造實例分析

在對合肥工業大學屯溪路校區既有建筑的實際調研后，選出了功能不同的3棟建筑（5#宿舍樓、西二教學樓、管理樓）首先進行了綠色節能改造技術的分析，并且根據實際情況來判斷改造是否合理且是否可行。

3.2.1 太陽能技術的應用

在對3棟既有建筑分析時發現，5#宿舍樓和西二教學樓屋面面積較大，可以在屋面鋪設太陽能集熱板，用于建筑內熱水的供應；而管理樓屋面面積小且屋面坡度較大，不宜太陽能集熱板的鋪設，同時其相比于學生公寓與教學樓，人流密度小、消耗能源、夜間幾乎零使用，采用太陽能用于供電與供熱，其成本與需求相差過大故不進行太陽能改造。

考慮資金成本預算，如果是采用光電轉化，一開始的投入造價很高，光電轉化節省的資金相比于前期投入而言改造性價比不高，所以在5#宿舍樓應采用光熱轉化技術。在南北兩側的兩棟宿舍樓屋頂鋪設太陽能集熱板，在宿舍內衛生間安裝太陽能淋浴器及冷熱水龍頭，利用太陽能的光熱轉化為宿舍衛生間改造的熱水洗浴間提供熱水。這樣對于太陽能板的鋪設只需要屋面局部設置。考慮到太陽能集熱板的安置與維護問題，在屋頂加建上屋面樓梯以便于前期的安置與日后維護。

3.2.2 門窗的改造

目前西二教學樓由于教室空間大，學生上課較為擁擠，而窗戶面積較小導致教室空氣流通性較差。夏季天氣炎熱，學生在教室會感覺悶熱不適。建筑通風按空氣的流動動力可分為機械通風和自然通風。對于西二教學樓可采用自然通風的方法，增大窗墻比以及開啟扇窗的面積。因西二教學樓所處環境周圍并無較多高層建筑，同時教室內桌椅布置并不會影響空氣的流動，所以可以采用這種被動式節能技術。

在門窗更換時將所有建筑的普通鋁合金門窗換成斷橋鋁合金門窗。斷橋鋁合金窗采用雙層玻璃內真空的設計，降低了門窗的導熱性能同時提高其隔熱保溫效果，能夠有效地減小建筑熱量負荷降低能耗。

3.2.3 外墻保溫技術的應用

外墻的保溫技術形式主要分為以下3種：外墻外保溫、外墻內保溫、外墻夾心保溫。對于合肥工業大學既有建筑的改造是采用外墻外保溫，其優點為適用范圍大、減少熱橋問題的發生、延長主體結構的壽命、改善室內環境、增強建筑外表面的裝飾效果、綜合效益高。

圖1 外墻外保溫施工工藝[6]

在選擇外墻外保溫材料時考慮到高校建筑建造時間久，人員密度大，且老舊建筑存在電路老化、用電需求量大這些情況，具有一定的火災隱患，并且合肥所處地域秋冬季節氣溫沒有過低，所以外墻保溫層采用防火性能更為優良的巖棉保溫系統或聚氨酯保溫系統。

3.2.4 雨水的回收利用

在選擇雨水回收方式時考慮到建筑周圍的環境，每個建筑的雨水回收方案都不盡相同。管理樓東側緊鄰斛兵塘，建筑占地面積小，屋頂采用的是女兒墻檐溝外排水方式，雨水可以通過路面直接流進斛兵塘中，但是長期雨水會對路面造成沖刷，對路面造成破壞，所以可以將管理樓的雨水管與地下管道相連接的方式，通過地下管道再匯入斛兵塘中。而且管理樓附近的植物因靠近斛兵塘，不需要再進行澆灌。

5#宿舍樓和西二教學樓可以在屋面鋪設檐溝、收集管、水落管、連接管對屋頂的雨水進行收集，并可在地面安置蓄水PE桶儲存雨水用于建筑周圍植物的灌溉。

而在5#宿舍樓的中心花園可以鋪設透水性好的草磚。中間鏤空的植草磚有供綠草生長的空間，同時讓土地也能適度呼吸。植草磚具有良好的透水性，可防止雨水沖刷土壤，還能夠儲水保持草皮濕度供植被存活生長所需水分，并安置蓄水PE桶收集植草磚所保留的雨水。

圖2 建筑雨水收集示意圖[7]

4 結論

綜上所述，高校既有建筑設計及改造是根據以人為本的理念，呈現出具有低碳化、多元化、智能化特征的綠色節能改造趨勢。在高校既有建筑綠色節能改造中，因地制宜合理地應用綠色節能技術顯得尤為重要。