奉化市莼湖镇初中“绿色学校”改建
 
 
 “绿色学校”(Green School)是指在实现其基本教育功能的基础上,以可持续发展战略为指导,在建设中因地制宜地采用各类节能环保技术,并在工作中纳入有益于环境的管理和教学措施,充分利用校内外有利条件,全面提高师生环境素质的学校。“绿色学校”将各类主动、被动绿色生态技术措施及管理手段进行合理、优化整合,在强调节能效益、环境效益的同时,还融入了人文管理效益。
为服务宁波市“能效乡镇”建设需要,奉化市莼湖镇选取莼湖初级中学作为改造试点。奉化市莼湖镇初中位于奉化以东,九峰山下,象山港畔的莼湖镇街东村,是浙江省首批农村示范初中。学校前身为莼湖区校初中部,于1991年迁至现校址,学校三面依山一面傍水,占地面积33996m2,人均20.1m2,建筑面积17230m2,人均10.2m2。莼湖初中目前校舍的基本情况如表1所示。本次改造主要针对校内建造年代较为久远,设施较为陈旧的老教学楼、综合实验楼及教师宿舍。
表1 莼湖初级中学基本情况
单体名称
建筑面积(m2
楼层数
结构形式
建造年代
教学楼
2200
4层
砖混结构
1989
实验楼
2200
4层
砖混结构
1995
教师宿舍
1156
4层
砖混结构
1996
教学楼
2400
4层
框架结构
2002
食堂
2200
2层
框架结构
2003
学生公寓(男)
2339
5层
砖混结构
2005
学生公寓(女)
2339
5层
砖混结构
2005
办公楼
1996
4层
框架结构
2008
 
1 学校现状调研及分析
“绿色学校”改造是涉及到建筑围护结构、给排水系统、校园公用设施、可再生能源利用等多方面的系统工程。需改造的3栋楼建造年代久远,早期未考虑节能设计,外墙、屋面隔热保温性能差。教师宿舍改造前没有独立的卫生设备,只有公共冷水洗浴设施。此外,改造前学校整体上存在绿化率不达标、无节水措施、校园环境不佳等诸多问题。通过改造,实现建筑节能50%、节水30%、垃圾资源化及《绿色建筑评价标准》一星级目标。改造前存在问题如表2所示。
表2 莼湖初中改造项目调研情况分析汇总表
序号
问题分类
具体问题
1
围护结构
外墙、屋顶无保温措施
2
不节能外窗
3
节能与可再生能源利用
不节能照明
4
无可再生能源利用
5
绿化
绿化率未达标,且形式单一
6
给排水
未设置透水地面
7
无雨水收集系统
8
给排水管道陈旧老化
9
水龙头漏水严重
10
校园环境
未合理设置分类垃圾回收设施
11
室内电线布置混乱
12
休闲健身设施不完善
13
内墙粉刷层脱落、发霉
 
2 “绿色学校”改造方案
2.1 围护结构改造
宁波位于夏热冬冷地区,多年平均气温16.5℃,历史上最高气温38℃,最低气温-6℃。围护结构改造要兼顾冬季保温和夏季隔热。
2.1.1外墙保温隔热改造
需改造三栋楼外墙饰面有三种类型:外贴马赛克/面砖(主要为南向墙、东西向墙)、珍珠岩(北向墙)和石灰(走廊外墙)。原外墙构造为粘土实心砖240mm+黄沙水泥10mm+水泥石灰8mm+面砖(或马赛克),均无保温层。
外墙保温对节能效果的影响较为明显,但外墙外贴保温板难度较大,尤其像学校建筑南北向窗墙面积比较大,外贴保温板会产生热桥问题,不仅会增加造价,还会对节能产生一定负面影响。由于面砖表面比较光滑,在面砖外粉刷无机保温砂浆在粘结性方面不满足相关标准要求。因此,需将原有面砖层敲掉,再粉刷无机保温砂浆,外层饰面层粉刷隔热保温涂料,起到双重保温隔热效果。
经计算分析,确定外墙保温砂浆层厚度为30mm,反射涂料层厚度为5mm。同时,为提高涂料反射率,采用浅色隔热反射涂料。
2.1.2 屋面保温隔热改造
需要改造的三栋楼原屋面采用SBS隔热、防水层,由于年代较为久远,屋顶材料老化,其保温隔热和防水效果较差,经计算屋顶传热系数为3.85W/(m·K),超过当地现行节能设计标准限值。
此次改造采用倒置式屋面。与传统施工法相比该工法能使防水层无热胀冷缩现象,延长了防水层的使用寿命,而且保温层对防水层提供一层物理性保护,防止其受到外力破坏。保温层选用挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS),主要考虑XPS板材具有很好的保温隔热性能,强度高,耐候性好,具有良好的抗湿性。经计算,屋面需加设30mm厚 XPS板材。由于原有屋面SBS防水卷材老化、开裂,导致最外层水泥砂浆收光层破坏严重,因此需要将原有水泥砂浆层和SBS防水层刮掉,将屋面清洗处理干净,风干后,再施工防水层、保温材料,并粉刷隔热保温涂料。
2.1.3外窗改造
外窗是围护结构保温的薄弱环节。墙体采用保温材料热阻增大后,窗的热损失占建筑总能耗的比例更大,是影响建筑热环境和造成能耗过高的主要原因之一。
改造前的教学楼、实验楼及教师宿舍楼均采用上世纪八十年代大量使用的钢框架窗。玻璃均为3mm厚单层普通玻璃,整窗传热系数达6.4 W/(m2·K)。部分外窗玻璃破损严重。塑钢窗具有隔声性能好、价格便宜的优势,将所有外窗统一更换为塑钢中空玻璃窗(5+9A+5型),框传热系数为2.7W/(m2﹒K),整窗传热系数为3.0W/(m2﹒K),遮阳系数为0.85。三栋改造主体南向均采用外走廊形式,西向无外窗,不再加装外遮阳装置。
2.2 绿色照明改造
照明质量的高低直接影响学生的视力和学习效率。莼湖初中教学楼、实验楼、教师宿舍楼改造前采用的灯具分为3种:①教室、实验室和宿舍内均设置光效低、寿命短的40W普通T12日光灯;②走廊设置40W吸顶灯;③楼梯间设置15W白炽灯泡。不满足《建筑照明设计标准》(GB 50034-2004)中对教室照明节能功率密度的目标值要求。此外,灯具使用时间较长,照度明显降低,对学生视力产生不利影响。
根据老教学楼教室目前灯具种类及布置情况对教室的照度情况进行分析,结果表明教室照明主要存在以下问题:①教室照度不足,如图1所示,模拟结果为150Lx以下,远低于GB 300Lx的要求;黑板照度更低,远低于GB 500Lx的要求。②使用电感镇流器和卤粉灯管,电感镇流器能耗高达8w;光源效率低,仅为 59 lm/w。③灯具老化较为严重,反射效率低。根据上述结论,制定如下改造方案。
(a)改造前                        (b)改造后
图1 莼湖初中改造前后教室照度模拟结果
(1)将日光灯、吸顶灯全部更换为光效高、寿命长和显色性好的双管学校专用格栅灯和黑板专用灯具,灯具光通量为104lm/w,改造前后教室内的照度模拟结果如图1所示。
(2)为了防止眩光,使学生能够清晰地阅读黑板,同时应该让老师能够看清学生的面部表情,24°遮光角是理想的角度,如图2所示。
     
(a)灯具断面图                     (b)灯具侧面图
图2 防眩光灯具遮光角设计
(3)由于黑板是垂直的,若单靠顶棚照明,黑板面的垂直照度是不够的,因此必须设置专用灯具。教室黑板上的垂直照度不低于水平照度的1.5倍,此外对黑板照明的要求有:①学生不应受到黑板的反射眩光,并能很容易地看清黑板上的字迹;②教师讲课及在黑板上书写时不感到眩光;③黑板上的垂直照度要上下左右均匀布置。在黑板面的照度越均匀越能够看清。照亮最容易变暗的黑板最下端是使照度尽可能均匀(改善均匀度)的一个方法。经计算,55°的下射角是均匀度最好的角度。遮光角在45°以上,确保学生直接看不到光源。
(4)教学楼、实验楼及教师宿舍走廊部位白炽灯泡更换为LED照明灯,并配合使用时间控制器。
2.3 太阳能热水系统
宁波太阳能资源处于丰富区到贫乏区的过渡带,可利用太阳能资源丰富。气象资料显示,宁波近十年年均日照时数约1900小时,年均太阳辐射约为4585MJ/m2。为有效利用太阳能资源,在教师公寓楼安装太阳能热水系统,以改善教师生活水平,建成低能耗、低运行成本的节能公寓楼。
基于全玻璃真空管式太阳能集热器具有成本低,太阳能吸收比高和红外发射比低的特点。真空集热管的真空夹层具有良好的保温性能,圆柱形的吸热层对太阳具有自然跟踪性,只要有太阳辐射真空集热管就可以工作,一年四季可正常供应热水。因此,选择直插承压式全玻璃真空管型集热器。
本项目中太阳能集热器采光面安装方向与建筑朝向相同,为南向偏西约15°。为了接受的太阳辐射量最大,设计太阳能集热器与水平屋面间的安装倾角为30°,前后排集热器之间的间距最小为0.45L(L为集热器南北向长度,有效避免集热器间的自身遮挡)。根据《居住建筑太阳能热水系统设计、安装及验收规范》(DB33/1034-2007),每100L热水量的系统集热器总面积推荐值为1.8m2,本项目根据系统类型的不同,户均集热器面积取为1.5~1.8m2左右。
历年来,宁波当地最低温度-6℃左右,而真空管在-10℃气温下可抗冻,无结冻问题。为保证宿舍24小时生活热水供应,采用电加热为辅助加热措施,在由于阴天下雨等天气致使太阳能不足以提供55℃的生活热水时使用。
2.4 节水改造
2.4.1更换给排水管道及水龙头
需要改建的3栋楼给排水管道采用普通排水铸铁管,这种材质易锈蚀、自重大、运输施工不便,已基本淘汰。给排水管道有的已经生锈,有的漏水严重,造成墙面开裂等问题。统一改用UPVC(Ø150mm)管材。当用同样管径的管输送同样液体时,UPVC管比镀锌管、铸铁管的阻力小30%左右;当水头损失相同时,UPVC管的输水能力比铸铁管大20%以上。另外,校内水龙头存在严重漏水现象,有的无法关闭,有的水池积水现象明显,水资源浪费现象严重,全部更换为陶瓷阀芯水龙头或感应龙头,节约用水5%以上。
2.4.2设置雨水收集系统
莼湖初中现有屋面及路面雨水均通过排水沟统一排放于市政下水道管网中。宁波年平均降雨量约为1400mm,月降雨量最多为190mm(特殊暴雨季节除外)。莼湖初中可收集雨水的屋面及路面面积之和约为3572m2,其中可收集屋面雨水面积为2640m2。结合已有的道路排水沟和各栋楼四周的排水沟设置雨水收集路线,经统计计算,集雨管总长度约360m,雨水收集沟总长度约875m。将蓄水池设于学校北面靠围墙处的空地上,便于施工和管理,蓄水池面积60m2。收集的雨水经处理后用于学校绿化灌溉及路面冲洗。
2.4.3 透水地面
改造前校园内主要有四种地面:道路路面为硬质水泥路面;两栋教学楼前地面为铺装不久的水泥砖地面;绿化地面;新建综合楼前以及操场上的裸露地面。透水地面有利于地表水的回灌,减轻了下水道管网的压力,对于提高环境质量、减少燥热、预留水资源有重要的作用。将道路两侧人行道处的水泥路面改造为透水地面,铺设透水方砖,可与路面雨水收集排水沟的施工相结合。在新建综合楼南向的空地处适当设置植草透水砖。新增透水地面的面积约1210m2
2.5 校园环境改造
2.5.1 地面绿化和垂直绿化
经统计,莼湖初中现有绿化面积4736m2,整个学校占地面积33996m2,绿化率仅为14%,且绿化形式单一,因此在校园内合理增设绿化,增设绿化面积约为910 m2
图3 外走廊垂直绿化构造图
走廊是三栋改造主体的重要部分,走廊外沿的装饰方式直接关系着建筑的外观。将走廊外沿绿化后,既能起到一定的遮阳效果,又能改善建筑外观,美化校区环境。三栋改造主体外走廊外立面为马赛克或面砖,未设置任何装饰性构件,显得较为单调。在原有走廊外沿侧做种植槽,种植多种适合莼湖当地的耐旱观赏性植物,如图3所示,达到让人耳目一新的效果。
考虑人员不常在实验楼,不便于日常维护,故在该楼选择种植迎春花。此种植物喜光,较耐寒,喜湿润,耐干旱,对土壤要求不严。教学楼和教师宿舍常有人在,利于进行日常维护,选择其它观赏性较好的植物如:栀子花、月季等。
2.5.2 垃圾分类回收
现代的分解回收技术使得一部分生活垃圾可以回收。为了节约资源,必须大力提倡垃圾分类回收。经走访了解,整个校园内仅设置了8个垃圾桶,其中分类回收垃圾桶3个,简单的塑料垃圾桶4个,不锈钢垃圾桶1个。大部分学生没有垃圾分类的意识。现有垃圾桶不仅数量有限,摆放位置也散乱,实验楼北侧没有设置垃圾桶。在校园内统一设置分类回收垃圾桶,替换简易塑料垃圾桶和不锈钢垃圾桶,并增设分类回收垃圾桶。此外,在主要分类回收垃圾桶旁边设置告示牌,告知学生如何对垃圾进行有机和无机的分类。
2.6 行为节能
行为节能是通过使用者的主动性行为,来挖掘生活中可能的节能空间和潜力,达到主动节能的效果。校园是社会的重要组成部分,是教学育人、为国家提供科技支撑力量的重要摇篮和基地,建设“绿色学校”可以降低办学成本,保护和优化生态环境,形成校园的可持续发展。这需要师生共同参与,从点滴做起,真正实现行为节能。
 
3 改造成本和收益
3.1 改造成本
莼湖初中绿色生态技术体系的改造成本如表3所示。围护结构改造成本占总投资比例约48%,其中外窗改造占总投资比例约18%。
表3 莼湖初中改造经济性分析汇总表
具体问题
单位建筑面积成本/元
数量
总投资/元
20元/m2
2, 305m2
46, 100
外墙粉刷无机保温砂浆
70元/m2
2, 305m2
161, 350
屋面保温
230元/m2
1, 325m2
304, 750
外窗改造
280元/m2
1, 111m2
311, 080
学校专用灯+黑板专用灯+高效荧光灯(宿舍用)
510/415/240元/盏
160/40/56盏
111, 640
太阳能热水系统
1, 800元/m2
57.5m2
103, 500
更换给排水管道
50元/m
357m
17, 850
更换节水龙头
150元/个
80个
12, 000
增设垂直绿化
330元/ m
180m
59, 400
增设透水地面
60元/ m2
1, 210 m2
72, 600
增设雨水收集利用系统
500, 000元/套
1套
500, 000
垃圾分类回收
700元/个
6个
4, 200
增设休闲健身设备
1, 500元/台
10台
15, 000
行为节能
50元/ m2
40 m2
2, 000
总计
1, 721, 470元
单位建筑面积初投资
约100元/m2
 
3.2 改造收益
对三栋改造主体进行围护结构单项改造技术及总体改造方案能耗模拟,结果如表4所示,改造后三栋建筑全部满足《浙江省公共建筑节能设计标准》中对公共建筑节能50%的要求。
表4 三栋改造主体节能率分析结果
改造建筑
单项节能率
总体节能率
隔热反射涂料
无机保温砂浆
塑钢中空玻璃窗
屋面XPS保温
教学楼
3.04%
8.65%
15.05%
8.92%
52.40%
实验楼
3.23%
8.92%
15.15%
9.03%
52.76%
教师宿舍
3.35%
9.04%
14.92%
9.14%
52.85%
 
室内热舒适性是评价教室环境的重要指标,直接影响学生的听课情绪和身心健康。最冷月(2月)和最热月(7、8月)为寒暑假,使用过程中室内热舒适性最差的为1月和9月。对三栋建筑改造前后的自然室温进行模拟分析。宁波市1月室外平均该干球温度5.2℃,9月室外平均干球温度26.8℃。结果表明,改造后室内热舒适性有显著改善(表5)。
表5 改造前后自然室温对比分析结果
改造建筑
1月室内平均气温/℃
9月室内平均气温/℃
改造前
改造后
改造前
改造后
教学楼
14.9
16.6
26.8
24.2
实验楼
13.8
14.7
26.5
24.7
教师宿舍
13.5
15.7
27.5
24.7
 
4 结语
因地制宜是“绿色学校”技术应用的灵魂,莼湖初中“绿色学校”改造根据具体环境和学校特点,合理选用适合当地的绿色生态技术体系,在学校的全寿命周期内确保节能、节水、节地和节材,营造健康、适用和高效的学习空间,并对学生具有节能环保的教育意义。各类生态技术的采用降低了建筑能耗、提高了室内环境质量,且改造成本控制在合理范围内,为我国“绿色学校”建设及改造提供了重要参考,具有示范意义和推广价值。
 
参考文献:
[1] 《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2006),2006年
[2] 《建筑照明设计标准》(GB 50034-2004),2004年
[3] 《居住建筑太阳能热水系统设计、安装及验收规范》(DB33/1034-2007),2007年
[4] 《浙江省公共建筑节能设计标准》(DB33/1036-2007),2007年
 
来源:田慧峰

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