萬 皓，林智莉，吳明紅，張 萌，何 歡，吳成武，徐 寧，馬 振

上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上海 200444

高校校園生態(tài)系統(tǒng)可控性

萬 皓，林智莉，吳明紅*，張 萌，何 歡，吳成武，徐 寧，馬 振

上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上海 200444

在環(huán)境問題日趨嚴(yán)重的背景下，人類一直在探索將城市生態(tài)系統(tǒng)改造成能夠自身循環(huán)、更好利用可再生能源、同時(shí)大幅減少排放的受控系統(tǒng)，但由于該系統(tǒng)的復(fù)雜度太高，可控程度較低，其實(shí)現(xiàn)難度很大。高校校園可視為比較典型的城市生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，在合理的管控與現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下，高校校園最有可能實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)可控化建設(shè)。對四個(gè)主要生態(tài)流(物質(zhì)流、能量流、人口流、信息流)在高校生態(tài)系統(tǒng)中的作用進(jìn)行理論闡述，針對具有中國特色、學(xué)生大規(guī)模集中居住的高校校園，提出了一種新的受控生態(tài)系統(tǒng)改造方案。通過對現(xiàn)有校園生態(tài)工程技術(shù)進(jìn)行組裝，完成校園生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)筑。利用綜合的校園生態(tài)系統(tǒng)信息流管理平臺(tái)監(jiān)管校園物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、人口流動(dòng)，探討了可實(shí)現(xiàn)的高校受控生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)模式，最終提出了高校受控生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的理論模型，以期達(dá)到高校校園物質(zhì)與能源利用效率最大化，降低碳排放，改善局部小型氣候群，進(jìn)而改善環(huán)境大氣候。研究結(jié)果如能較好的應(yīng)用到實(shí)踐中，將為城市生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)提供重要參考，意味著現(xiàn)代生態(tài)學(xué)將為人類發(fā)展作出一定的貢獻(xiàn)。

受控校園生態(tài)系統(tǒng)；生態(tài)流；信息流系統(tǒng)

自20世紀(jì)60年代以來，人口危機(jī)、能源危機(jī)、資源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)等已引起世人的矚目，生態(tài)學(xué)被認(rèn)為是解決這些危機(jī)的科學(xué)基礎(chǔ)。生態(tài)學(xué)與人類環(huán)境問題的結(jié)合是20世紀(jì)70年代后應(yīng)用生態(tài)學(xué)中的最重要領(lǐng)域，新的交叉學(xué)科如環(huán)境生態(tài)學(xué)、城市生態(tài)學(xué)等應(yīng)運(yùn)而生。系統(tǒng)生態(tài)學(xué)，被著名生態(tài)學(xué)家E.P.Odum譽(yù)為“生態(tài)學(xué)中的革命”，更是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)在方法論上的突破。生態(tài)模型是系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的核心[1]，多變量、非線性的系統(tǒng)分析和數(shù)學(xué)模型融入生態(tài)系統(tǒng)模型中，使生態(tài)系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)可控化。高校作為一種比較典型的城市生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，因其占地面積大，人口集中，帶有明顯的區(qū)域群落生態(tài)系統(tǒng)特征，可視為一個(gè)多種因素相互作用獨(dú)立完整的人工生態(tài)系統(tǒng)，具有較高的可控性與可操作性。本文將系統(tǒng)生態(tài)學(xué)理論和高校校園管理實(shí)踐相結(jié)合，認(rèn)為高校是最佳的人工受控生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)踐地。對此系統(tǒng)的進(jìn)一步拓展，將可以適用于所有可全面或部分管理下的大規(guī)模人類生活區(qū)，以拓展現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的應(yīng)用空間，達(dá)到改善人類生存環(huán)境的目的。

1 國內(nèi)外相關(guān)理念與實(shí)施現(xiàn)狀

Richard Register的生態(tài)城市理論[2]運(yùn)用到高校校園建設(shè)[3]，主要強(qiáng)調(diào)生態(tài)可持續(xù)性。各國應(yīng)用環(huán)境管理系統(tǒng)于校園管理的研究[4-7]也不少，主要強(qiáng)調(diào)高校生態(tài)管理。國際上從1960 年代的“生態(tài)建筑(Arology)”到1993 年《芝加哥宣言》所倡導(dǎo)的“可持續(xù)建筑(Sustainable Construction)”，再經(jīng)過其后多年的實(shí)踐、研討、總結(jié)發(fā)展到現(xiàn)階段的“綠色建筑(Green Building)”，進(jìn)而提出具有可操作性的設(shè)計(jì)原則、技術(shù)措施和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。具有代表性的是美國的《綠色建筑評(píng)估體系》(LEED)。

2001年北美432所高校簽署Talloires Declaration 協(xié)議，加入高?？沙掷m(xù)發(fā)展建設(shè)。2005年成立SEI(Sustainable Endowments Institute)，該組織實(shí)時(shí)記錄各大高校生態(tài)、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展建設(shè)或改建狀況，形成green report card定期匯報(bào)各大高校生態(tài)節(jié)能改造項(xiàng)目。其中，耶魯大學(xué)(Yale University)、迪金森學(xué)院(Dickinson College)、美國明尼蘇達(dá)大學(xué)(University of Minnesota)等實(shí)行了校園可持續(xù)性改造：構(gòu)建雨水管理系統(tǒng)；生物鍋爐改造，發(fā)展生物柴油廠、大型校園地?zé)崮?；新建或者改造樓宇必須符合LEED Gold standards及以上要求；采取節(jié)能措施, 如能源管理系統(tǒng)、電力計(jì)量、節(jié)能照明、溫控等；從節(jié)能教育管理著手，通過可替代燃料校車改造，以及學(xué)生教職工乘車優(yōu)惠激勵(lì)政策[8]。

國內(nèi)相關(guān)理念以生態(tài)校園、綠色校園為主，并在我國創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)背景下提出節(jié)約型校園建設(shè)，部分高校實(shí)踐已卓有成效。香港大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等已在建筑節(jié)能、能耗監(jiān)測、運(yùn)行管理節(jié)能、中水回用系統(tǒng)[9]、雨水?dāng)r截、餐廚垃圾資源化利用等多個(gè)方面做出示范。

我國目前建有各類高校近2000多所，學(xué)生總數(shù)超過2500萬人，各高校逐漸成為重點(diǎn)能源消耗大戶，建設(shè)綠色節(jié)約型高校勢在必行，此外，高校是高新科技的發(fā)源地，高校學(xué)生是未來社會(huì)的精英，為這個(gè)群體提供生態(tài)服務(wù)有利于對未來社會(huì)生態(tài)可持續(xù)環(huán)境的友好發(fā)展打下思想基礎(chǔ)。建設(shè)高校受控生態(tài)系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必然選擇。中國高校整體可控生態(tài)系統(tǒng)化建設(shè)與國外分散式、開放式校園相較的優(yōu)勢是：中國高校普遍具有半封閉特征，大規(guī)模人群集中居住、活動(dòng)(約95%的學(xué)生宿居校園)，形成“圍墻”模式，其內(nèi)部可控性較強(qiáng)。高校生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜多樣性促進(jìn)可再生能源利用，集中可控性實(shí)現(xiàn)了受控生態(tài)系統(tǒng)理論物質(zhì)能源管理模式和技術(shù)體系的創(chuàng)新。由國內(nèi)外的科研與實(shí)踐可見，高校都是通過局部節(jié)能減排措施以達(dá)成某一單方面的可持續(xù)性發(fā)展建設(shè)目標(biāo)，但未進(jìn)行整體規(guī)劃和可控化構(gòu)建，容易顧此失彼。因此，形成整體可控化構(gòu)建有利于平衡各項(xiàng)目標(biāo)，Yong Geng等[10]在沈陽大學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)一定程度上填補(bǔ)了這一研究空缺，本文進(jìn)一步提出受控高校生態(tài)系統(tǒng)的整體建設(shè)框架。

2 高校受控生態(tài)系統(tǒng)理論模型

2.1 受控校園生態(tài)系統(tǒng)

受控生態(tài)系統(tǒng)是指受人工控制的規(guī)模較大的生態(tài)系統(tǒng)，通過對輸入以及系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的管理調(diào)控，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)產(chǎn)出。在人類生活中，由于系統(tǒng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，難以對其進(jìn)行精確地度量，更難實(shí)現(xiàn)理想的管理。高校作為獨(dú)立完整的人工生態(tài)系統(tǒng)，存在大規(guī)模聚居人群，生活方式相似，日?；顒?dòng)集中，廢棄物產(chǎn)生也較為集中，師生行為的可控性強(qiáng)，使得能源輸入與輸出的可控性十分顯著。因此，構(gòu)建受控校園生態(tài)系統(tǒng)可行性顯著，該系統(tǒng)的復(fù)雜多樣性促進(jìn)可再生能源利用，集中可控性實(shí)現(xiàn)了受控生態(tài)系統(tǒng)理論、物質(zhì)、能源管理模式和技術(shù)體系的創(chuàng)新。

校園生態(tài)系統(tǒng)的功能是由其中互相聯(lián)系、互相作用、互相促進(jìn)的物質(zhì)流、能量流、人口流、資金流和信息流來完成的，這些流稱為生態(tài)流[11]。本文以校園生態(tài)系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，以校園生態(tài)工程為技術(shù)依托，構(gòu)建受控校園生態(tài)系統(tǒng)，具體框架示意如下。

如圖1所示，通過校園生態(tài)工程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流與能量流以及信息流的基礎(chǔ)構(gòu)筑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對人口流的生態(tài)教育與管控。每個(gè)生態(tài)流之間相互作用、相互依托組合形成高級(jí)受控生態(tài)系統(tǒng)。隨著理論與技術(shù)日趨成熟，高校受控生態(tài)系統(tǒng)脫離空想，逐步成為可實(shí)現(xiàn)的建設(shè)模式。

圖1 高校校園受控生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)示意圖Fig.1 Construction of controlled ecological system of colleges and universities

2.2 物質(zhì)流

I.G. Mason等提出校園物質(zhì)循環(huán)的“零排放”構(gòu)想[12]，“零排放”是一種理想狀態(tài)，以高校生態(tài)系統(tǒng)作為實(shí)踐地，構(gòu)建豐富層次的生態(tài)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其自我更新和抵抗外來干擾的能力，并形成小型生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部自循環(huán)，逐步實(shí)現(xiàn) “趨零排放”。高校生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)主要包括水循環(huán)，碳循環(huán)，固廢循環(huán)。

2.2.1 校園水循環(huán)

校園水循環(huán)如圖2所示，涵蓋市政供水系統(tǒng)，中水系統(tǒng)，雨水收集系統(tǒng)三方面。

圖2 校園水循環(huán)示意圖Fig.2 Water circulation on campus

市政供水系統(tǒng)主要包括日常盥洗用水、食堂用水；加裝過濾系統(tǒng)的直飲水；中高標(biāo)準(zhǔn)用水需求(如澡堂、游泳池、實(shí)驗(yàn)室等)。

中水系統(tǒng)，高校建設(shè)中水系統(tǒng)有其獨(dú)特優(yōu)勢。首先高校建筑用水點(diǎn)集中(宿舍區(qū)用水量約占學(xué)?？傆盟康?0%左右)，雜排水來源容易，多為優(yōu)質(zhì)排水，可生化性強(qiáng)(對實(shí)驗(yàn)室特殊污水要另行處置)。其次，在高校中中水管道鋪設(shè)較容易，成本較低，經(jīng)過中水系統(tǒng)的回收水也可就地消化，作為校園綠化用水、景觀用水、以及沖廁用水。

雨水收集系統(tǒng)，可通過屋頂、道路來收集雨水，而后可相應(yīng)儲(chǔ)存于地下?；旧厦恳粋€(gè)屋頂都能成為綠色空間，開放空間和校園綠地也是主要集中儲(chǔ)存雨水的理想空間，雨水能提供自然通風(fēng)、植物灌溉的功能。雨量過大時(shí)，設(shè)施應(yīng)能將多余的淡水滲透至地下用以補(bǔ)充地下水位。

校園水循環(huán)通過信息流建設(shè)，對每個(gè)用水、排水點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，管制，節(jié)流，從而達(dá)到水資源最大化利用。將水循環(huán)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合到信息流系統(tǒng)中，形成校園生態(tài)系統(tǒng)受控水循環(huán)。

2.2.2 校園碳循環(huán)

如圖3所示，校園生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)較之自然界的碳循環(huán)有更多的人工參與度，也相對簡單，從外界輸入糧食、辦公用品等物質(zhì)，經(jīng)過人、動(dòng)植物的共同作用，產(chǎn)生固體廢棄物、餐廚垃圾等可利用資源。通過建立合理有效的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化設(shè)施，將餐廚、糞便、植被枯落物等資源化為沼氣，甚至是生物燃料，提供鍋爐房、汽車等的能量來源，處理后的污泥可作為植物肥料。高校具備教育的基本職能，可發(fā)動(dòng)學(xué)生的環(huán)保積極性，將所產(chǎn)生的全部垃圾進(jìn)行分類，其中的可生化處理濕垃圾都納入沼氣轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

圖3 校園碳循環(huán)示意圖Fig.3 Carbon circulation on campus

有機(jī)碳主要以食材的形式進(jìn)入校園，將后勤物流信息系統(tǒng)升級(jí)為定量化核算系統(tǒng)，計(jì)算每天進(jìn)入校園生態(tài)系統(tǒng)的含碳物質(zhì)總量，通過對購入食材的總量與廚房產(chǎn)生的廚余垃圾與泔水的差值得出師生共消耗的物質(zhì)總量，通過對食材的消耗和轉(zhuǎn)化形式的定量化分析，可以達(dá)到對校園碳循環(huán)進(jìn)行合理管控的目的。另一方面，校園綠化系統(tǒng)固定二氧化碳，運(yùn)用自然生態(tài)系統(tǒng)理論，通過對校園綠化面積和種類的分析以及氣候條件的分析，定量化得出校園綠化系統(tǒng)對碳循環(huán)的貢獻(xiàn)。將有機(jī)碳的量化信息整合到信息流系統(tǒng)中，形成校園生態(tài)系統(tǒng)受控碳循環(huán)。

2.2.3 固體廢棄物——校園典型耗材的循環(huán)

高校耗材具有典型性、集中性、重復(fù)性等特征，人流物流具有周期性，倡導(dǎo)、組織學(xué)生進(jìn)行校園垃圾分類工作，實(shí)現(xiàn)可回收垃圾的最大化分揀，形成校園垃圾分類系統(tǒng)[13]，提高利用效率的同時(shí)還可以將垃圾輸出量減到最低；其次，以信息流為核心，結(jié)合電子商務(wù)等技術(shù)手段搭建二手物品交易平臺(tái)，對自行車、書籍、電子產(chǎn)品[14]等耗材進(jìn)行實(shí)時(shí)回收利用，在高校內(nèi)部形成自循環(huán)[15]；建立校園宣傳無紙化環(huán)境等等，這些舉措都可以在降低物質(zhì)和能源輸入、減少廢棄物輸出的同時(shí)不影響甚至改善學(xué)生的生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的校園建設(shè)。

2.3 能量流

高校生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)多種因素相互作用的高級(jí)生態(tài)系統(tǒng)，高校的人居、建筑、景觀生態(tài)、設(shè)備具有極強(qiáng)的交互性，人居的節(jié)能行為、建筑的全生命周期能源管理、景觀綠化的多樣化、設(shè)備的節(jié)能改造與系統(tǒng)化信息控制、能源設(shè)備的環(huán)境管理及可再生能源利用之間的細(xì)小優(yōu)化都可對整個(gè)高校能源系統(tǒng)產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。

如圖4所示，校園建設(shè)及運(yùn)行供能以市政供能為主，輔以太陽能、風(fēng)能等可再生能源，餐廚垃圾、生活垃圾、生活污水等生物質(zhì)能可作為潛在的能源來源，通過技術(shù)組裝實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化再利用。高校市政供能以水、電、煤、天然氣、成品油等為主，通過校園能耗使用平臺(tái)，對校園內(nèi)各建筑、鍋爐等能量轉(zhuǎn)換設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一管理，分析其用能特性，找出節(jié)能空間，并制定技術(shù)改造方案措施，以達(dá)到用能減量化的目的。

圖4 校園能源流動(dòng)簡圖Fig.4 Energy flow on campus

2.4 人口流

人口流作為生態(tài)流的核心，一方面人對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用；另一方面，以人為本的思想指導(dǎo)下，建立良好的生態(tài)系統(tǒng)最終服務(wù)對象是人類本身。提升高校師生對生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的參與度，形成“3E(Environment, Education，Economic)”良性循環(huán)，將有效地促進(jìn)新型高校受控生態(tài)系統(tǒng)的形成。

調(diào)控人口流動(dòng)，縮減能耗。由于高校建筑中的時(shí)間和空間利用率與一般公共和商業(yè)建筑有很大區(qū)別，因此套用一般建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和管理方式行不通，必須結(jié)合人員流動(dòng)來對建筑內(nèi)的用能設(shè)施進(jìn)行有效管理。管控耗能建筑內(nèi)部人口流動(dòng)來縮減能耗量，如山東建筑大學(xué)等一些高校，建設(shè)室內(nèi)能耗管理系統(tǒng)，通過對人流進(jìn)出和移動(dòng)的分析，對教室、辦室內(nèi)的燈光和空調(diào)進(jìn)行控制。

高校特色生態(tài)教育是輔助管控人口流的有效手段。首先，現(xiàn)有的教育生態(tài)學(xué)表明，學(xué)校所具有的規(guī)模和組織結(jié)構(gòu)、所提供的物質(zhì)環(huán)境、推崇的價(jià)值觀念、熔鑄的行為模式等等，構(gòu)成了受教育個(gè)體的學(xué)習(xí)情境，他們對受教育者行為造成了明顯的影響[16]。其次，生態(tài)舒適度的提高，讓人們感受到生態(tài)、節(jié)能帶來的便捷舒適的同時(shí)，能夠讓人們直接、間接地受到環(huán)境熏陶，進(jìn)而影響人口流動(dòng)與人口的用能方式。

2.5 信息流

2008年，財(cái)政部撥款對清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等12所示范高校建筑節(jié)能審計(jì)和能耗監(jiān)測平臺(tái)建設(shè)給予補(bǔ)助，從示范效果看成效顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年全國近百所高校人均每年建筑能耗在37kWh/a，而開展示范的高校人均能耗僅有12kWh左右，表明建立高校能源管理體系，在高校開展節(jié)約型高校建設(shè)活動(dòng)有廣闊的空間。該項(xiàng)目近年來進(jìn)展較快，現(xiàn)已有幾百所高校得到了該項(xiàng)資助。

本文以高校建筑能源利用監(jiān)測平臺(tái)的全國推廣為契機(jī)，提出將其擴(kuò)展升級(jí)為一個(gè)綜合的校園生態(tài)系統(tǒng)信息流管理平臺(tái)，對全校物質(zhì)流、能量流、人口流的輸入輸出進(jìn)行全過程、全周期監(jiān)控，從而構(gòu)建能流平衡圖、物流平衡圖。同時(shí)提出以校園生態(tài)工程建設(shè)為落實(shí)手段，通過新技術(shù)應(yīng)用和多種技術(shù)組裝，盡可能實(shí)現(xiàn)能量高效利用和物質(zhì)循環(huán)的最佳形態(tài)。將其作為系統(tǒng)性管理校園生態(tài)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)全過程可控化的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)校園生態(tài)信息監(jiān)管系統(tǒng)的最大化利用，該系統(tǒng)通過人口流、物質(zhì)流、能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)集成，以完成數(shù)據(jù)原料的收集，如圖5所示，收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析，形成物流平衡圖、能流平衡圖、以及個(gè)人消耗量統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而指導(dǎo)人群的行為，具體如下：(1)物質(zhì)流方面，監(jiān)控校園用水量、用電量以及糧食消耗量、餐廚垃圾量、污水量等可循環(huán)資源量，達(dá)到可計(jì)算，可控，避免浪費(fèi)的目的。(2)能量流方面，能耗監(jiān)管為能源管理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，為能源審計(jì)、能源公示提供相應(yīng)報(bào)表，為節(jié)能技術(shù)改造提供數(shù)據(jù)參考。(3)人口流方面，通過一卡通門禁卡實(shí)現(xiàn)校園人口活動(dòng)的監(jiān)管，計(jì)算個(gè)人能耗，物質(zhì)消耗量，并以此為依據(jù)劃定節(jié)能指標(biāo)。

圖5 校園生態(tài)信息監(jiān)管系統(tǒng)示意圖Fig.5 Ecological information monitoring system on campus

3 校園生態(tài)工程

H.T. Odum最早提出生態(tài)工程并定義為“為了控制生態(tài)系統(tǒng)，人類應(yīng)用來自自然的能源作為輔助能對環(huán)境的控制”，“人類利用少量的輔助能對環(huán)境進(jìn)行管理，來控制以自然資源為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)”，“管理自然就是生態(tài)工程，它是對傳統(tǒng)工程的一個(gè)補(bǔ)充，是自然生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)側(cè)面?！薄ｑR世駿將生態(tài)工程定義為，應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生與物質(zhì)循環(huán)再生原理，結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，結(jié)合系統(tǒng)分析的最優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的促進(jìn)分層多級(jí)利用物質(zhì)的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)。生態(tài)工程的目標(biāo)是促進(jìn)自然界良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防治環(huán)境污染，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益同步發(fā)展。它可以是縱向的層次結(jié)構(gòu)，也可以發(fā)展為幾個(gè)縱向工藝鏈鎖橫向聯(lián)系而成的網(wǎng)狀工程系統(tǒng)[17]。

生態(tài)工程理論融入校園生態(tài)系統(tǒng)實(shí)踐中，即校園生態(tài)工程，利用自然能源作為輔能，充分發(fā)揮可再生資源的生產(chǎn)潛力，是受控校園生態(tài)系統(tǒng)的技術(shù)支撐。本文探討校園生態(tài)工程技術(shù)集成數(shù)據(jù)庫的建立，以期提供全國范圍的校園生態(tài)校際技術(shù)交流平臺(tái)。

3.1 高校生態(tài)建筑

合理的生態(tài)建筑可更新能源系統(tǒng)、促進(jìn)內(nèi)部物資的循環(huán)再生，并與周邊建筑或社區(qū)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)功能相輝映。映射氣候的建筑規(guī)劃，充分利用有利氣候、太陽能等可再生能源和自然條件，降低不利氣候的影響，并能連續(xù)調(diào)整室內(nèi)微氣候以適應(yīng)天氣的反復(fù)無常，清潔低耗，綠色環(huán)保。

3.1.1 建筑節(jié)能

采用建筑節(jié)能技術(shù)提高自然能源的利用率，形成大型生態(tài)空調(diào)設(shè)施，具體措施包含：自然通風(fēng)、自然采光；建筑外墻外窗保溫；建筑室外照明：采用風(fēng)能結(jié)合太陽能方式，有效降低對傳統(tǒng)電力的需求；太陽能光電系統(tǒng)發(fā)電遮陽結(jié)合建筑外壁綠化[18]，增加陰涼面積，以減少屋頂太陽能輻射。此外，綠色照明也是建筑節(jié)能的重要部分，引進(jìn)更為節(jié)能、高效、智能的照明產(chǎn)品，以達(dá)到降低能耗、節(jié)約能源的目的，打造綠色、環(huán)保、低碳、節(jié)能的生態(tài)模式。

3.1.2 建筑景觀生態(tài)

根據(jù)建筑物特點(diǎn)，建筑景觀生態(tài)以屋面綠化和墻面綠化為主。高校存在大面積建筑屋面和墻面，利用生物氣候?qū)W改善建筑能源效率，根據(jù)建筑屋頂和墻體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載以及生態(tài)環(huán)境條件，選擇生長習(xí)性與之相適應(yīng)的植物[19]，通過一定技藝[20]，在建筑物屋頂、墻面及一切可資利用的空間建造綠色景觀。眾多科研成果表明屋面綠化有多方面積極作用: 夏季降低室內(nèi)溫度[21- 22]，減少空調(diào)等能耗，減少城市“熱島效應(yīng)”[23]；通過屋頂綠化中的土壤層與排水層，儲(chǔ)存雨水[24]，使城市雨水徑流變得緩和，減輕雨水排水管壓力；利用植物與土壤聯(lián)合作用，去除屋面雨水徑流中的污染物[25- 26]，提高雨水資源利用。此外，屋面綠化還可以補(bǔ)償土地、美化環(huán)境、改善校園面貌，為人們提供休閑去處，提升生態(tài)舒適度。

3.2 可再生能源的利用

太陽能是地球上的主要能源來源，也是潔凈、安全、可持續(xù)供給、應(yīng)用最廣、最具開發(fā)前景的可再生能源。高校建筑特點(diǎn)明顯：校園面積大，高層建筑少，容積率小，屋面面積大，如圖6所示，太陽能照明系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能采暖系統(tǒng)、太陽能通風(fēng)系統(tǒng)、太陽能空調(diào)系統(tǒng)、太陽能光電系統(tǒng)在高校中有巨大的應(yīng)用可行性。合理充分地利用太陽能，可以實(shí)現(xiàn)校園部分用電自供，建立太陽能路燈系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)建筑樓宇太陽能供暖，提供大型空調(diào)系統(tǒng)的用電，例如，新型太陽能復(fù)合超導(dǎo)冷暖空調(diào)，制熱時(shí)以太陽能和可再生的生物質(zhì)燃料為主要能源。制冷時(shí)借助少量的電能利用地源低溫，采用超導(dǎo)能量輸送系統(tǒng)直接制冷，達(dá)到最合理的節(jié)能的制冷效果。此外，利用太陽能和熱泵循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)合，通過熱泵循環(huán)提高其能源品位，克服太陽能熱水器陰雨天不能工作的缺點(diǎn)，為校園辦公樓宇提供熱水。充分利用這些可再生自然資源，為校園供水、供電，達(dá)到節(jié)能環(huán)保，降低能耗和成本的效果。例如，上海大學(xué)將其寶山校區(qū)的4臺(tái)共32蒸噸的燃油鍋爐廢棄，使用太陽能熱水系統(tǒng)為浴室、食堂、賓館和游泳池提供熱水，并輔以空氣能熱泵和天然氣系統(tǒng)，其中的所有環(huán)節(jié)都通過遠(yuǎn)程計(jì)量系統(tǒng)發(fā)送到中心機(jī)房進(jìn)行分析后以自動(dòng)加人工的方式進(jìn)行調(diào)配。通過一年的精確化運(yùn)行，已為學(xué)校節(jié)省1700t標(biāo)準(zhǔn)煤的能源，并且提高了各類用戶的滿意度，實(shí)現(xiàn)了非常好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。近來，很多學(xué)校已在試點(diǎn)建設(shè)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，甚至可以達(dá)到兆瓦級(jí)別。

圖6 太陽能綜合利用系統(tǒng)示意圖Fig.6 Solar energy utilization system

校園內(nèi)的另一類可再生能源是生物質(zhì)能，如校園的綠化枯落物經(jīng)干燥壓縮后可作為環(huán)保型燃料[27]。而餐廚垃圾也是一種生物質(zhì)能的資源，其產(chǎn)生時(shí)間、地點(diǎn)集中，便于建設(shè)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化設(shè)施，上海大學(xué)已經(jīng)試點(diǎn)建設(shè)了日處理量1t的餐廚垃圾沼氣發(fā)生設(shè)備，在無害化處理垃圾的同時(shí)每年可獲得超過20t標(biāo)準(zhǔn)煤的再生能源。

部分地區(qū)的校園內(nèi)可能有獨(dú)特的天然可再生能源如風(fēng)力發(fā)電、地?zé)豳Y源等，也可以加以利用。這些再生能源都可通過信息系統(tǒng)納入用能集中管理，更進(jìn)一步，可通過氣象信息預(yù)測可再生能源產(chǎn)生情況以精確調(diào)配對其他能源的投入，達(dá)到最大化利用可再生能源、減少二次能源的投入。

3.3 校園生態(tài)工程技術(shù)數(shù)據(jù)庫

探討校園生態(tài)工程技術(shù)集成數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。各高校根據(jù)自身實(shí)際情況：水文、地貌、資金力度等以及每個(gè)校區(qū)不同目標(biāo)，不同需求，從技術(shù)集成數(shù)據(jù)庫中選擇合適的技術(shù)，減少為了低品質(zhì)的目標(biāo)使用高品質(zhì)的產(chǎn)品的現(xiàn)象[28]，從而節(jié)約成本，避免浪費(fèi)。

結(jié)合信息流系統(tǒng)搭建高校間生態(tài)工程技術(shù)交流平臺(tái)，支持各大高校共享技術(shù)與建設(shè)成果、效益，實(shí)時(shí)更新，對在建或待建高校起到指導(dǎo)作用，促進(jìn)大范圍高校受控生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。

4 高校生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)原則與評(píng)價(jià)體系的建立

國內(nèi)高校生態(tài)工程建設(shè)還處于試點(diǎn)高校試運(yùn)行階段，將這些成果歸納總結(jié)，探討建立統(tǒng)一的、規(guī)范化的生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)原則與評(píng)價(jià)體系，可有效指導(dǎo)即將開展的各項(xiàng)高校生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保項(xiàng)目。首先，建立高校生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)原則，在規(guī)劃建設(shè)階段予以理論指導(dǎo)；其次，完善評(píng)價(jià)方法，現(xiàn)有研究將能值法[29]、熵權(quán)法[30- 31]、生態(tài)足跡[32]、碳足跡[33-34]、投影尋蹤[35]、模糊層次綜合評(píng)價(jià)法[36]等用于城市與校園生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)，但是目前對各種評(píng)價(jià)方法應(yīng)用到高校生態(tài)系統(tǒng)中的利弊分析方面還缺乏研究，應(yīng)完善并規(guī)范評(píng)價(jià)方法形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；再者，關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究已有不少[37- 40]，都各成一家之言，統(tǒng)一評(píng)價(jià)指標(biāo)以及其在整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的權(quán)重分配，形成校園生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系樹狀圖，有據(jù)可查；最后，構(gòu)建高校校園受控生態(tài)系統(tǒng)成果展示平臺(tái)，記錄、匯報(bào)各大高校生態(tài)、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展建設(shè)或改建狀況，加強(qiáng)各高校技術(shù)交流，完善評(píng)價(jià)體系，能夠有效促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的理論與技術(shù)發(fā)展。

5 總結(jié)

高校受控生態(tài)系統(tǒng)的核心是信息流，如圖7所示，校園生態(tài)系統(tǒng)中各生態(tài)流之間相互作用，通過物質(zhì)流、能量流內(nèi)循環(huán)模式對校園生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行可持續(xù)生態(tài)化建設(shè)，對人口流動(dòng)的監(jiān)管，以及生態(tài)節(jié)能意識(shí)教育，促使高校形成高級(jí)受控生態(tài)系統(tǒng)。

圖7 高校受控生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)流模型簡圖Fig.7 Ecological-flow model in university′s controlled ecosystem

高校校園受控生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)具有較高的可行性，本文作者及其團(tuán)隊(duì)正在以某大學(xué)為實(shí)踐地，將本文核心思想——校園受控生態(tài)系統(tǒng)，落實(shí)到高校校園中。硬件上，正在逐步構(gòu)建校園水循環(huán)、碳循環(huán)，在已有的雨水收集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步試行中水回用項(xiàng)目、樓層直飲水、生物質(zhì)能回用；學(xué)校的多項(xiàng)大、中型節(jié)能造項(xiàng)目、校園生態(tài)信息流管理也已開始試運(yùn)行，與此同時(shí)，生態(tài)校園宣教工作、學(xué)生相關(guān)實(shí)踐活動(dòng)等也逐步展開。

利用高校受控生態(tài)系統(tǒng)模型可診斷、分析高校校園的可改造點(diǎn)，在該系統(tǒng)得到一定數(shù)量的高校應(yīng)用之后，可形成相關(guān)高校的大數(shù)據(jù)庫，通過對此類大數(shù)據(jù)的進(jìn)一步挖掘分析，可以從中得出更多的信息，以提出更好的節(jié)能環(huán)保改造方案。

而隨著未來智慧城市概念的進(jìn)一步落實(shí)，許多今日在高校中可以獲取但在城市生活中難以獲得的數(shù)據(jù)信息都將逐步通過技術(shù)發(fā)展而為人類掌握，我們現(xiàn)在所建設(shè)的校園受控生態(tài)系統(tǒng)就可能擴(kuò)展到更多人類聚居的空間，為拓展現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)改善城市生態(tài)系統(tǒng)的整體功能，為人類提供更加美好的生活環(huán)境起到更多貢獻(xiàn)。

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Realization of a controlled campus ecosystem

WAN Hao, LIN Zhili, WU Minghong*, ZHANG Meng, HE Huan, WU Chengwu, XU Ning, MA Zhen

SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200444,China

The increasing seriousness of environmental problems is becoming a pressing social issue. Much attention is given to exploring ways to change this situation, with ecology being considered the most effective and sustainable solution. With increasing human development, cities have become the most important form of human settlement. Many studies have examined how to reform cities into managed ecosystems that are more self-contained, achieving a greater utilization of renewable resources and less contamination and emissions. In practice, it is difficult to realize such a system, due to the complex and uncontrollable behavior of city flows. However, college and university campuses may be viewed as representing a simplified eco-city that, through human intervention, is most likely to be reformed into a controlled ecological system through modern information technology and effective management. Thus, the authors investigated the possibility of realizing a controlled campus ecosystem. The study examined the main ecological flows within the ecosystem, which include flows of material, energy, population, and information. The role of the four ecological flows in the metabolism of a campus ecosystem is delineated in this article. At present, a university campus in China typically has many students, faculty, and staff who study, live, and produce there. The campus system has become increasingly energy-intensive and resource-intensive, subsequently discharging increasing quantities of waste to the environment. Therefore, it is necessary to find ways to reduce these outflows, such that the campus system becomes more sustainable. By recycling and reusing waste-water and solid waste, the campus may be transformed into an independent ecosystem. This process raises the possibility of a new approach to reform typical Chinese campuses. Ecological engineering technologies, such as solar energy, green roofs, the use of heat pumps, and high-tech information collection systems, etc., were applied to optimize the construction of the campus ecosystem. The Information Flow System (IFS) utilized data on human activities and the flows of energy and matter to more efficiently manage matter circulation and energy flow. This paper presents a theoretical model of how to form a controlled ecological system, and discusses the possibility of realizing the construction and management of an ecologically controlled campus. These efforts are expected to maximize the efficiency of energy and material use; thus, reducing carbon emissions and associated climatic and environmental impacts. If this theoretical model could be realized, it would provide a valuable reference for eco-city construction. Furthermore, this model would make a significant contribution the modern ecology of humans.

controlled campus ecosystem; ecological flow; information flow system

2014- 01- 04;

日期:2015- 04- 14

10.5846/stxb201401040026

*通訊作者Corresponding author.E-mail: mhwu@staff.shu.edu.cn

萬皓，林智莉，吳明紅，張萌，何歡，吳成武，徐寧，馬振.高校校園生態(tài)系統(tǒng)可控性.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(21):7172- 7181.

Wan H, Lin Z L, Wu M H, Zhang M, He H, Wu C W, Xu N, Ma Z.Realization of a controlled campus ecosystem.Acta Ecologica Sinica,2015,35(21):7172- 7181.