高校既有建筑改造的绿色节能技术应用策略研究

刘东栋，金淙立，朱嘉浩 ，张蓁睿 (合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 前言

随着现代建筑建设标准的不断提高，人们对建筑的功能需求也随之提高。但随之而来不可避免地带来建筑整体能耗迅速增加，高校作为有着较多老旧建筑的代表，将绿色节能技术应用到既有建筑改造上成为目前符合可持续发展战略的一个热门趋势。

1 现代高校建筑设计理念

现代高校建筑因包括教学楼、办公楼、宿舍楼等，具有复杂性和综合性的特征，体现出建筑本体设计理念和绿色设计理念这两个最基本的设计理念。

1.1 建筑本体设计理念

建筑本体设计理念就是设计师在设计建筑时想要表达的思想理念通过所设计的建筑表达出来。设计师通过思考建筑以后的用途、功能、选址等因素来完善自己的设计理念，从而更好地将建筑的设计理念以及价值表现出来。无论是何类用途的建筑，还是建筑本身的内部空间设计以及建筑外部与周围环境的联系，都要遵循以人为本的设计理念。建筑服务人，人的使用才能体现建筑本身的价值。同时建筑的造型要设计得简洁、大方、庄重，简单明了的造型能让人能够清楚地了解各个区域的功能，大方庄重的外观能够体现出高校校园悠久的历史背景和浓厚的文化内涵。

1.2 绿色设计理念

人口的不断增加使得人们对建筑的数量需求不断增加，环境的不断恶化与能源的消耗又对建筑行业提出了新的挑战，这时绿色建筑这一理念出现在人们面前。所谓绿色建筑，即在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材），保护环境和减少污染，为人们提供健康、舒适和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑[1]。我国于20世纪90年代开始推广“可持续发展”的基本战略，绿色校园建设是可持续发展战略的具体体现。1998年清华大学成为国内第一所开展绿色校园建设的大学[2]，后来许多其他高校也纷纷跟随清华大学，在其建筑设计中体现出绿色设计理念。

2 既有建筑改造的趋势

2.1 既有建筑现状分析

目前我国的既有建筑大部分都是21世纪初建造而成，普遍存在着设施年久老化，功能不达标，建筑总能耗过大，外围护结构功能随着使用时间的累积造成的保温隔热效果下降等问题。受到传统设计理念的影响，设计师会更加追求建筑结构的美观性，致使窗户与墙面面积比会增加，无法体现出绿色节能特征。这些设计没有遵循可持续发展的思想，高能耗、高污染、低环保这些问题是目前大部分既有建筑的通病。

2.2 既有建筑改造趋势

在目前全球提倡绿色节能环保的大背景下，建筑行业也在积极推行绿色建筑的建设与改造。建筑改造整体呈现低碳化、多元化、智能化的趋势。低碳化符合绿色环保的可持续发展战略思想，通过对旧材料、旧设备的循环利用，减少对生态环境的破坏；多元化的改造不仅仅是针对建筑本身的改造，同时更多的是对建筑更深层次的功能与价值的深化改造。

既有建筑使用对象的更新、对建筑使用功能要求的提高都体现出使用人群与使用功能的多元化趋势；随着时代的发展与科技的创新，建筑的改造成为许多新技术、新结构、新材料集中使用的载体。建筑改造绝非简单意义上的旧建筑翻新，将来的趋势之一就是智能化系统的引入。建筑将借助通信技术、计算机技术、自动化控制技术、图形显示技术等，使改造后的旧工业建筑满足更加人性化的、舒适的、节能的要求[3]。

3 高校建筑绿色节能改造

高校有着悠久的历史底蕴，大多数建筑都是年代久远的老旧建筑，在对这些老旧建筑改造时要因地制宜，考虑当地的气候环境与地理环境，制定出符合地区特点，适合高校建筑绿色节能的有效措施。

3.1 绿色节能技术应用策略

3.1.1 可再生能源利用

随着能源的日益短缺，作为一种新的能源类型，可再生能源在建筑行业的应用可以有效地改善建筑行业能耗高的现状。目前能够利用的可再生能源主要包括太阳能、风能、地热能等非化石再生能源。

对于高校建筑而言最适合利用的可再生能源就是太阳能。太阳能是较为常见且人们接触最多的可再生能源，与其他的再生能源相比，太阳能有着获取难度小、可利用价值高的优势。因此，太阳能是建筑设计中应用范围最广的一种可再生能源类型[4]。太阳能最普遍的利用就是太阳能热水器，通过在高校宿舍楼屋顶铺设太阳能集热板，将太阳能转化成热能用于宿舍卫生间的淋浴设施以及水龙头，减少了在加热水时天然气或煤炭资源的消耗，也能够让学生方便地在宿舍就可以使用到热水。同时太阳所产生的自然光也是一种自然资源。

高校建筑物对于自然光的利用，可以直接通过太阳光照射提高建筑物对于光纤的利用，同时可以通过一些新技术来丰富建筑采光，比如通过导光管、棱形镜以及反光镜与光线进行结合扩大采光面积，有效利用所有自然光线[5]。

3.1.2 围护结构改造

围护结构是指建筑及房间各面的围挡物，如门、窗、墙等。按照是否与室外空气接触，一般又可分为外围护结构和内围护结构。而在建筑改造中，外围护结构的改造显得格外重要。因为外围护结构是直接与室外空气相接触，建筑物内的温度热量与外界空气热量交换的媒介就是外围护结构，性能优越的围护结构可以有效地降低建筑能耗，实现绿色节能的理念，所以外围护结构应具有保温、隔热、隔声、防水、防潮、耐火、耐久等性能。

建筑围护结构改造主要分为窗墙比改造、外墙改造、屋面改造以及窗户的选择这四个方面。窗墙比是指窗户洞口面积与外墙（含外窗）面积之比。一方面窗户的导热性比墙体的导热性更好，所以在处于夏、冬季节时，建筑内外温差较大，窗户面积越大所带来房间的热量负荷就越大；但是另一方面，较大的窗户面积会有更好的采光性能，使得房间获取更多的自然光。所以要因地制宜地根据建筑本身的特征属性来选择合适的窗墙比。外墙、屋面改造的关键就是保温层的翻新与改造。传热系数更低、保温隔热效果更好、耐火耐久性更好的保温层是目前保温做法的趋势。

3.1.3 雨水的回收利用

与其他可再生能源相比，水资源不是取之不尽用之不竭的，因此对目前的比较容易获取的雨水进行回收利用成为了建筑绿色节能改造的热门方向。通过对收集来的雨水进行二次回收及利用，一种是雨水收集经过处理后用于景观水体的补水、绿化和空调补水，主要通过收集屋面、地面等较为清洁的雨水进行回收利用；另一种就是雨水通过地表入渗补充地下水，亦或是两种方式的结合使用。雨水的回收利用一定程度上减小了地面径流量，降低城市发生雨洪灾害的可能性，同时也是对建筑绿色节能改造理念的体现。

3.2 改造实例分析

在对合肥工业大学屯溪路校区既有建筑的实际调研后，选出了功能不同的3栋建筑（5#宿舍楼、西二教学楼、管理楼）首先进行了绿色节能改造技术的分析，并且根据实际情况来判断改造是否合理且是否可行。

3.2.1 太阳能技术的应用

在对3栋既有建筑分析时发现，5#宿舍楼和西二教学楼屋面面积较大，可以在屋面铺设太阳能集热板，用于建筑内热水的供应；而管理楼屋面面积小且屋面坡度较大，不宜太阳能集热板的铺设，同时其相比于学生公寓与教学楼，人流密度小、消耗能源、夜间几乎零使用，采用太阳能用于供电与供热，其成本与需求相差过大故不进行太阳能改造。

考虑资金成本预算，如果是采用光电转化，一开始的投入造价很高，光电转化节省的资金相比于前期投入而言改造性价比不高，所以在5#宿舍楼应采用光热转化技术。在南北两侧的两栋宿舍楼屋顶铺设太阳能集热板，在宿舍内卫生间安装太阳能淋浴器及冷热水龙头，利用太阳能的光热转化为宿舍卫生间改造的热水洗浴间提供热水。这样对于太阳能板的铺设只需要屋面局部设置。考虑到太阳能集热板的安置与维护问题，在屋顶加建上屋面楼梯以便于前期的安置与日后维护。

3.2.2 门窗的改造

目前西二教学楼由于教室空间大，学生上课较为拥挤，而窗户面积较小导致教室空气流通性较差。夏季天气炎热，学生在教室会感觉闷热不适。建筑通风按空气的流动动力可分为机械通风和自然通风。对于西二教学楼可采用自然通风的方法，增大窗墙比以及开启扇窗的面积。因西二教学楼所处环境周围并无较多高层建筑，同时教室内桌椅布置并不会影响空气的流动，所以可以采用这种被动式节能技术。

在门窗更换时将所有建筑的普通铝合金门窗换成断桥铝合金门窗。断桥铝合金窗采用双层玻璃内真空的设计，降低了门窗的导热性能同时提高其隔热保温效果，能够有效地减小建筑热量负荷降低能耗。

3.2.3 外墙保温技术的应用

外墙的保温技术形式主要分为以下3种：外墙外保温、外墙内保温、外墙夹心保温。对于合肥工业大学既有建筑的改造是采用外墙外保温，其优点为适用范围大、减少热桥问题的发生、延长主体结构的寿命、改善室内环境、增强建筑外表面的装饰效果、综合效益高。

图1 外墙外保温施工工艺[6]

在选择外墙外保温材料时考虑到高校建筑建造时间久，人员密度大，且老旧建筑存在电路老化、用电需求量大这些情况，具有一定的火灾隐患，并且合肥所处地域秋冬季节气温没有过低，所以外墙保温层采用防火性能更为优良的岩棉保温系统或聚氨酯保温系统。

3.2.4 雨水的回收利用

在选择雨水回收方式时考虑到建筑周围的环境，每个建筑的雨水回收方案都不尽相同。管理楼东侧紧邻斛兵塘，建筑占地面积小，屋顶采用的是女儿墙檐沟外排水方式，雨水可以通过路面直接流进斛兵塘中，但是长期雨水会对路面造成冲刷，对路面造成破坏，所以可以将管理楼的雨水管与地下管道相连接的方式，通过地下管道再汇入斛兵塘中。而且管理楼附近的植物因靠近斛兵塘，不需要再进行浇灌。

5#宿舍楼和西二教学楼可以在屋面铺设檐沟、收集管、水落管、连接管对屋顶的雨水进行收集，并可在地面安置蓄水PE桶储存雨水用于建筑周围植物的灌溉。

而在5#宿舍楼的中心花园可以铺设透水性好的草砖。中间镂空的植草砖有供绿草生长的空间，同时让土地也能适度呼吸。植草砖具有良好的透水性，可防止雨水冲刷土壤，还能够储水保持草皮湿度供植被存活生长所需水分，并安置蓄水PE桶收集植草砖所保留的雨水。

图2 建筑雨水收集示意图[7]

4 结论

综上所述，高校既有建筑设计及改造是根据以人为本的理念，呈现出具有低碳化、多元化、智能化特征的绿色节能改造趋势。在高校既有建筑绿色节能改造中，因地制宜合理地应用绿色节能技术显得尤为重要。