雙碳背景下零碳實驗室建設(shè)的探索與實踐★

杜歡歡，崔雪潔

(1.溫州理工學(xué)院,浙江 溫州 325035; 2.溫州理工學(xué)院綠色建筑與節(jié)能研究所,浙江 溫州 325035)

2020年9月,國家主席習(xí)近平在出席第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論時提出,《巴黎協(xié)定》[1]是全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的主要方針,各國必須邁出決定性步伐,共同保衛(wèi)地球家園。同時宣布,中國將提高自主貢獻(xiàn)力度,采取更加有力的政策和措施,CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[2]。在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)背景下,各行各業(yè)都迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為貫徹黨中央、國務(wù)院重大戰(zhàn)略部署,引導(dǎo)高校把發(fā)展科技第一生產(chǎn)力、培養(yǎng)人才第一資源更好地結(jié)合起來,做好“雙碳”工作提供科技支撐和人才保障,2021年7月,教育部印發(fā)了《高等學(xué)校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》,進(jìn)一步將“雙碳”理念和實踐融入高校各環(huán)節(jié)[3]。

目前學(xué)校在新校區(qū)開展的各類工程建設(shè)工作,是建筑與能源工程學(xué)院學(xué)生實訓(xùn)實踐最直接也是最重要的實驗場地。在實驗室建設(shè)過程中,應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合基建部門工作,在校園建設(shè)過程中融入教學(xué)實踐相關(guān)內(nèi)容,把建工學(xué)院實驗室建在校園的一土一木之中。作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的關(guān)鍵孵化場所,高校實驗室更應(yīng)該以“雙碳”目標(biāo)為契機(jī),全面貫徹新發(fā)展理念,重點(diǎn)關(guān)注如何保證實驗室的低碳可持續(xù)發(fā)展、如何培養(yǎng)具有“雙碳”意識的高素質(zhì)人才等問題[4]。在雙碳背景下,結(jié)合校園基建工作,開展零碳實驗室建設(shè)工作,可為建工學(xué)院學(xué)子在日后的《建筑構(gòu)造》《建筑物理》《土木工程施工》及低碳建設(shè),綠色建筑相關(guān)實訓(xùn)實踐課程提供重要學(xué)習(xí)場地,建好零碳實驗室,能夠提升相關(guān)課程的教學(xué)效果、支撐教師帶領(lǐng)學(xué)生開展創(chuàng)新活動、支持教師科研工作,為學(xué)院發(fā)展贏得機(jī)會。

1 “雙碳”背景下零碳實驗室建設(shè)的必要性

1.1 雙碳目標(biāo)與實驗室建設(shè)的關(guān)系分析

對于推動我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實現(xiàn),建筑領(lǐng)域的節(jié)能減碳至關(guān)重要。政府間氣候變化專門委員會統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,全國總碳排放量有將近1/3是建筑碳領(lǐng)域排放量。隨著城市化程度的提高,我國每年約新增建筑面積20萬ha,這說明建筑領(lǐng)域的溫室氣體排放量將會持續(xù)升高。若仍然采用現(xiàn)有政策標(biāo)準(zhǔn)與建筑節(jié)能技術(shù),約在2038年左右達(dá)到建筑領(lǐng)域的碳達(dá)峰時間,這將對我國兌現(xiàn)“2060碳中和”目標(biāo)構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)[5]。

中共中央、國務(wù)院宣傳發(fā)布的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》對城鄉(xiāng)建設(shè)的綠色低碳發(fā)展做出頂層部署,意見第七部分圍繞提升城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳發(fā)展質(zhì)量這一重要發(fā)展建設(shè)目標(biāo),分門別類的從“大力發(fā)展節(jié)能低碳建筑”“推進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)和管理模式低碳轉(zhuǎn)型”“加快優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)”三個方面對城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳發(fā)展做出了頂層規(guī)劃和部署[6]。

包括在城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)管理各環(huán)節(jié)全面落實綠色低碳要求;推進(jìn)縣城和農(nóng)村綠色低碳發(fā)展;提升城市綠化水平,推動城市組團(tuán)式發(fā)展;嚴(yán)格管控高能耗公共建筑建設(shè);合理規(guī)劃城鎮(zhèn)建筑面積發(fā)展目標(biāo);加快推進(jìn)綠色社區(qū)建設(shè);實施工程建設(shè)全過程綠色建造。大力發(fā)展低碳節(jié)能建筑,發(fā)展綠色農(nóng)房;全面推廣綠色低碳建材;提升建筑節(jié)能低碳水平;開展建筑領(lǐng)域低碳發(fā)展績效評估。加快優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu),因地制宜推進(jìn)熱泵、燃?xì)狻⑸镔|(zhì)能、地?zé)崮艿惹鍧嵉吞脊┡?大幅提高建筑采暖、生活熱水、炊事等電氣化普及率。

上述意見對城鄉(xiāng)建設(shè)的全過程提出了綠色低碳、節(jié)能減排的要求。無論是低碳建筑,還是超低能耗、近零能耗建筑,從建筑的全生命周期看,一定是涵蓋了設(shè)計、施工、材料及設(shè)備、維修改造、拆除等各個階段。

1.2 零碳實驗室建設(shè)的意義

目前我校在濱海校區(qū)的使用面積緊張,實驗室建設(shè)過程中已有相關(guān)問題顯現(xiàn)出。本項目通過把建工學(xué)院的實驗室建設(shè)在校園基建項目中,不僅緩解了實驗室用地緊張的問題,最重要的是建設(shè)了一個非常有特色的實驗室,并且此實驗室的建設(shè)工作不需要進(jìn)行另外的投資,可以為建工學(xué)院學(xué)子與教師提供很好的教學(xué)實踐場所。項目建成后,零碳示范中心不僅僅是開展普通教學(xué)的場所,還是我們建工學(xué)院培養(yǎng)全過程綠色建造、超低能耗、專業(yè)人才的重要場所,更是學(xué)校在溫州市的示范工程,響應(yīng)國家雙碳戰(zhàn)略的典范。

2 零碳實驗室的實際建設(shè)

2.1 技術(shù)策略

1)以“被動優(yōu)先,主動優(yōu)化”為原則,采用目標(biāo)為導(dǎo)向,結(jié)合不同地方的環(huán)境、人文、氣候特點(diǎn),根據(jù)不同建筑的使用功能,采取性能化的設(shè)計方法,對癥下藥,制訂相應(yīng)的近零能耗建筑技術(shù)方案。

2)使用性能化設(shè)計方法。針對不同性能參數(shù)要求的建筑物,對其建筑方案和關(guān)鍵部分的性能指標(biāo)進(jìn)行綜合比選,通過對組合方案的優(yōu)化比選,針對性的制定適合本項目的技術(shù)路線,做到全局最優(yōu)。

3)以定量分析和優(yōu)化為核心進(jìn)行性能化設(shè)計,結(jié)合建筑全壽命期的經(jīng)濟(jì)效益,除此之外,還要進(jìn)行建筑和設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)對建筑能耗及負(fù)荷的敏感性分析,這個敏感性分析尤為重要,需要在此基礎(chǔ)上,對該性能化設(shè)計進(jìn)行性能參數(shù)和技術(shù)措施的優(yōu)化選取。

2.2 零碳實驗室建設(shè)方案

本項目采用的總體近零能耗建筑方案如下:

1)使其外墻綜合傳熱系數(shù)達(dá)到0.60 W/(m2·K),屋面綜合傳熱系數(shù)達(dá)到0.29 W/(m2·K)。

本項目為改造類項目,擬按照現(xiàn)有設(shè)計方案設(shè)置建筑外墻及外窗產(chǎn)品,考慮到本項目改造條件,因此主要采用內(nèi)保溫方式實現(xiàn)建筑保溫性能。

a.項目技術(shù)方案采用高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu),優(yōu)化后外圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法如表1所示。

表1 建筑與能源工程學(xué)院零碳實驗室圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)設(shè)計指標(biāo)

外墻一:抗裂砂漿(5.0 mm)+無機(jī)保溫砂漿B型保溫層(20.0 mm)+非黏土燒結(jié)多孔磚/蒸壓加氣砌塊B07(240.0 mm)+M15水泥砂漿(15.0 mm)+真空絕熱板(15.0 mm)。

外墻二:發(fā)泡陶瓷保溫板(30.0 mm)+非黏土燒結(jié)多孔磚/蒸壓加氣砌塊B07(240.0 mm)+M15水泥砂漿(15.0 mm)+真空絕熱板(15.0 mm)。

樓地面:C20細(xì)石混凝土(40.0 mm)+XPS保溫板(10.0 mm)+現(xiàn)澆鋼筋混凝土(120.0 mm)。

平屋面:C20細(xì)石混凝土(50.0 mm)+自黏聚合物改性瀝青防水卷材(3 mm)+XPS 保溫板(140.0 mm)+泡沫混凝土找坡層(30 mm)+鋼筋混凝土(120.0 mm)。

b.項目技術(shù)方案采用窗構(gòu)造為隔熱鋁合金5+12A+5Low-E+12A+5Low-E中空玻璃,傳熱系數(shù)為1.5 W/(m2·K),太陽光得熱系數(shù)為0.24。

c.方案中東向窗墻比為0.51,西向窗墻比為0.41,北向窗墻比為0.32,南向窗墻比為0.17。總體外窗做法如表2所示。

表2 項目外窗做法

2)選用性能更優(yōu)的窗戶,傳熱系數(shù)1.5 W/(m2·K),SHGC達(dá)到0.24。

3)通過對建筑走廊區(qū)域進(jìn)行改造,形成走廊造型固定遮陽且東、西、南立面外窗設(shè)置中置活動遮陽。

本項目作為改造類建筑,原始建筑走廊為普通連廊,無圍護(hù)結(jié)構(gòu)遮擋,因此在最大程度保留原有建筑的情況下,本項目改造通過在走廊增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成固定遮陽效果,可以有效起到遮陽、隔熱作用,作為建筑外形構(gòu)件的一部分,在實現(xiàn)功能的同時保證了建筑的外形美觀。同時東、西、南立面外窗設(shè)置中置活動遮陽。百葉角度、高度均可根據(jù)天氣情況進(jìn)行自動或手動調(diào)節(jié)。

4)進(jìn)行建筑無熱橋和氣密性設(shè)計,提高建筑整體性能。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱流密度顯著增大的部位,稱為熱橋。超低能耗建筑設(shè)計時,需要對熱橋的產(chǎn)生進(jìn)行更嚴(yán)格地控制,無熱橋設(shè)計建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。為了確保各建筑屋面、外墻、外窗、地面等部位無熱橋處理,本項目在設(shè)計和施工時,將面斷為線,線斷為點(diǎn)。需要注意的重點(diǎn)施工環(huán)節(jié)包括:懸挑陽臺、幕墻、門窗、穿外墻管道、穿外墻風(fēng)道、外墻結(jié)構(gòu)固定件、穿屋面的風(fēng)道、穿屋面管道固定處。為避免保溫材料間出現(xiàn)通縫,外墻保溫的雙層保溫施工方法顯得尤為重要,需要采用錯縫粘接的方式進(jìn)行;墻角處采用成型保溫構(gòu)件進(jìn)行施工;預(yù)埋斷熱橋的錨固件在外墻上,為降低傳熱損失,采用增加隔熱間層、減少接觸面積及使用非金屬材料等措施;采用斷熱橋錨栓固定保溫層;管道穿外墻部位預(yù)留套管并預(yù)留足夠的保溫間隙;避免在外墻上固定導(dǎo)軌、龍骨、支架等可能導(dǎo)致熱橋的部件;施工圖中給出節(jié)點(diǎn)設(shè)計大樣及詳細(xì)做法說明;為避免影響外墻保溫性能,插座接線盒、戶內(nèi)開關(guān)等不置于外墻上。

本項目氣密層設(shè)置如圖1,圖2所示。

5)采取新風(fēng)熱回收措施,全熱熱回收效率達(dá)到75%。本項目是學(xué)校建筑,來往人員較多,需要較多的新風(fēng)量,本方案設(shè)置新風(fēng)熱回收,利用系統(tǒng)方案中熱回收技術(shù)對排風(fēng)的余冷余熱,實現(xiàn)了較高的節(jié)能減排效果,做到了全熱熱回收效率不低于75%。

6)采取自然通風(fēng)措施,降低空調(diào)能耗。本項目可以采用自然通風(fēng)技術(shù)降低過渡季的空調(diào)能耗,過渡季考慮分時段進(jìn)行建筑空調(diào)使用,降低空調(diào)能耗,一般來說自然通風(fēng)技術(shù)在合理應(yīng)用的條件下可節(jié)約過渡季空調(diào)能耗約5%～10%。

7)采用(污)水源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)建筑供冷和供暖。本項目在溫州理工學(xué)院教學(xué)樓建設(shè)一座污水源熱泵熱源站,為教學(xué)樓夏季供冷、冬季供熱。污水源熱泵供暖系統(tǒng)擬選用2臺熱泵(單臺制冷量為324 kW),222臺型號為JTHR-WLT-90的污水換熱器,此外還包含系統(tǒng)水循環(huán)泵、污水引水泵及定壓補(bǔ)水裝置等,用以滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

8)采用空氣源熱泵系統(tǒng)滿足生活熱水需求。生活熱水系統(tǒng):一層室外設(shè)置空氣源熱泵系統(tǒng)。熱水使用溫度為55 ℃。本工程熱水定額10 L/(人·d),最高日熱水用水量12.54 t/d(55 ℃)。

9)采用智能照明,將照明密度降至4 W/m2。建筑能耗的20%～40%是照明系統(tǒng)的能耗所占,在居住建筑中節(jié)能潛力較大,對本項目進(jìn)行計算分析可知,想要形成顯著的節(jié)能效益,可采用智能照明系統(tǒng)。

隨著時代的發(fā)展,人們對環(huán)境保護(hù)的關(guān)注度越來越高,LED照明成為最具市場潛力的行業(yè)熱點(diǎn)。LED照明節(jié)約能源,不僅具有可靠耐用、維護(hù)費(fèi)用極為低廉等優(yōu)點(diǎn),而且沒有輻射,光線質(zhì)量高,節(jié)能也在70%以上,是典型的綠色照明光源。在住宅中使用LED照明系統(tǒng)不僅可以降低室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷,減少能源消耗,降低電費(fèi),減少二氧化碳排放量,還可以減小室內(nèi)發(fā)熱量,達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。同時本項目將根據(jù)室外日照情況和人員活動情況采用智能的照明控制技術(shù),對其進(jìn)行智能化控制。

10)采用316 m2屋面太陽能光伏系統(tǒng),探索產(chǎn)能建筑示范。本項目擬設(shè)置316 m2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),為充分提高能源利用率,實現(xiàn)能源的高效利用,電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計及方案由相關(guān)廠家進(jìn)行深化。屋頂太陽能光伏布置圖見圖3。

2.3 零碳實驗室建設(shè)成果

本項目為溫州理工學(xué)院提升改造2號教學(xué)樓A棟項目,根據(jù)零碳實驗室的功能,參照我國首部引領(lǐng)性建筑節(jié)能國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51350—2019近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7]的要求,該項目按近零能耗建筑進(jìn)行設(shè)計。本次項目方案最大程度地保留了原有項目的立面造型,對建筑方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,以《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中冬冷夏熱地區(qū)近零能耗公共建筑能效指標(biāo)為導(dǎo)向,采用高性能保溫體系和門窗加強(qiáng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能,結(jié)合固定建筑造型形成遮陽系統(tǒng),并在方案階段綜合考慮自然通風(fēng)和自然采光的應(yīng)用,降低建筑能耗需求。同時,建筑能源系統(tǒng)方面,結(jié)合業(yè)主的具體要求,以(污)水源熱泵系統(tǒng)作為獨(dú)立冷熱源。并利用高性能LED燈具及智能照明控制系統(tǒng)降低建筑照明能耗,設(shè)置316 m2的屋面光伏系統(tǒng)為區(qū)域供電,在保證室內(nèi)舒適度的前提下降低建筑能耗,實現(xiàn)近零能耗建筑的目標(biāo)。

為研究適用于本項目的技術(shù)方案,在充分分析項目自身資源條件的基礎(chǔ)上,對項目設(shè)計方案在不同近零能耗技術(shù)方案下的節(jié)能效果進(jìn)行分析,并按照《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的近零能耗建筑申報要求,采用了性能化評價和強(qiáng)制性指標(biāo)方法相結(jié)合的方式,通過與滿足GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[8]限值要求的參照建筑進(jìn)行能耗對比,建筑綜合節(jié)能率達(dá)到60.02%,建筑本體節(jié)能率達(dá)到41.34%,可再生能源利用達(dá)到31.85%,符合近零能耗建筑示范項目的目標(biāo)要求。

本項目將熱泵及太陽能系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用在近零能耗建筑項目中,從建筑低能耗、環(huán)境優(yōu)化、室內(nèi)外舒適度等方面進(jìn)行建筑整體性能提升。本工程探索、研究先進(jìn)的近零能耗技術(shù)實施方案,為今后其他相關(guān)項目提供了技術(shù)參考,具有示范效益。

3 零碳實驗室建設(shè)對我院教學(xué)工作開展和高素質(zhì)人才培養(yǎng)的促進(jìn)

從培養(yǎng)高素質(zhì)人才的要求出發(fā),要重視學(xué)生能力與素質(zhì)培養(yǎng)[9]。為促進(jìn)我校教學(xué)工作的開展,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、動手能力、解決問題能力,將零碳實驗室建設(shè)內(nèi)容分為以下三個階段:

1)基礎(chǔ)建設(shè):協(xié)助基建處建設(shè)零碳教學(xué)樓,從設(shè)計方案階段介入,融入被動式節(jié)能技術(shù)、節(jié)能保溫做法、可再生能源利用、高效機(jī)房、海綿城市、立體綠化、熱橋設(shè)計等技術(shù),為項目建設(shè)提供技術(shù)支撐。設(shè)計方案確立后,對施工過程進(jìn)行記錄,并做好相關(guān)資料的整理,為后期教學(xué)工作提供素材。零碳教學(xué)樓建設(shè)完后,除了平時正常的教學(xué)任務(wù)外,同時可作為建工學(xué)院相關(guān)課程的實訓(xùn)實踐基地,發(fā)揮其實踐教學(xué)作用。2)教學(xué)節(jié)點(diǎn)細(xì)化:由于工程建設(shè)完成后,許多關(guān)鍵技術(shù)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)造均已封閉,考慮在零碳實驗室外部設(shè)置關(guān)鍵技術(shù)展示點(diǎn)位或建立關(guān)鍵技術(shù)的圖紙與效果圖,為教學(xué)提供更直觀的展示資料。3)教學(xué)科研融入:將相關(guān)資料整理備案,交給相關(guān)教師,助力提升相關(guān)課程的教學(xué)效果、支撐教師帶領(lǐng)學(xué)生開展創(chuàng)新活動、支持教師科研工作,為學(xué)院發(fā)展贏得機(jī)會。

通過融入建工學(xué)院師資,在項目建設(shè)階段提出相關(guān)技術(shù)需求與教學(xué)需求,并配合基建處工作,對某些建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行分析與計算,同時運(yùn)用相關(guān)節(jié)能策劃軟件對項目進(jìn)行建模,確保項目建設(shè)工作的順利進(jìn)行。實驗室建設(shè)完成后,教師在教學(xué)過程中結(jié)合土木工程、建筑環(huán)境與能源工程及建筑學(xué)專業(yè)的特點(diǎn),進(jìn)行課程設(shè)計[10]。

4 結(jié)語

如何實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)是當(dāng)今時代的一個熱門話題。在“雙碳”背景下,大家越來越注重雙碳目標(biāo)建設(shè),其中,實驗室的建設(shè)、應(yīng)用需對“雙碳”目標(biāo)特別關(guān)注[11],因此對高校零碳實驗室進(jìn)行探索與實踐具有非常重要的意義。高校教學(xué)過程中,需針對“雙碳”這一目標(biāo),多維度、多角度的向?qū)W生灌輸“碳達(dá)峰、碳中和”意識,并在此基礎(chǔ)上,針對性的制訂零碳實驗室建設(shè)方案,加強(qiáng)學(xué)生對零碳實驗室建設(shè)的認(rèn)識,對學(xué)生以身作則,為培養(yǎng)更多有能力、有水平的專業(yè)人才作出更大的貢獻(xiàn),推進(jìn)我國“雙碳”目標(biāo)早日實現(xiàn)[12]。