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国际高校校园碳中和规划比较研究
Comparative Analysis of Carbon Neutrality Plans of International Universities
文/张维 李懿 梁思思(通讯作者)
张维/清华大学建筑设计研究院有限公司
李懿/清华大学建筑设计研究院有限公司
梁思思/清华大学建筑学院
摘要:在全球气候变化的背景下,全球各大高校开展碳中和规划探索。本文在梳理校园碳中和背景基础上,对美国斯坦福大学、哈佛大学、伦敦政治经济学院等为代表的八所国际顶尖高校的碳中和规划及行动展开分析调查,从能源、建造、运营和教育等方面对其举措和侧重点展开比较分析,并进一步提出我国高校开展碳中和规划的建议。
关键词:高校、校园、碳中和、规划、零碳、低碳
一、引言:高校校园碳中和规划背景
当前,碳中和低碳发展已成为全球城市发展的重要目标。2016年应对气候变化背景下签订的《巴黎协定》代表着全球绿色低碳转型的大方向,截至2023年9月,全球已有150多个国家做出了碳中和承诺,覆盖了全球80%以上的二氧化碳排放量、GDP和人口[1]。2020年9月22日,习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话中首次提出中国碳达峰、碳中和目标,即“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”2021年,《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》相继发布,为实现我国“双碳”目标做出顶层设计。
在上述背景下,我国高校将碳中和行动纳入校园发展规划的重要内容。2019年,由清华大学作为首届主席学校的世界大学气候变化联盟[2]成立,包括9个国家12所大学,围绕联合研究、人才培养、学生活动、绿色校园、公众参与等方面开展工作。2021年,教育部发布《高等学校碳中和科技创新行动计划》[3],强调高校应当在我国碳中和进程中发挥引领作用。大学作为科技和思想的引领者和创新的源泉,应该为碳中和提供实践的典范,推进在人才培养提质、基础研究突破、关键技术攻关、创新能力提升、科技成果转化、国际合作交流、战略研究创新等方面的工作。2021年在国内“高等学校校园3060双碳目标与路径”论坛上发布了《中国高等学校校园碳中和行动宣言》。但至今仍未有一个高校公布校园碳中和详细的行动计划。我国高校校园碳中和如何顶层设计以及落地实施,仍面临巨大的挑战。
二、国际高校校园碳中和规划行动
1.美国斯坦福大学
斯坦福大学(Stanford)2015年发布了《气候与能源行动计划》(Climate and Energy Action Plan)[4],解决了范围1和范围2[5]的排放问题,2019年发布了《范围3排放相关的燃料与能源活动》(Scope 3 Emissions from Fuel & Energy Activities)[6]白皮书,并承诺2050年实现净零碳排放。斯坦福的碳中和规划主要包括能源、水、交通、土地与建筑、饮食与生活、固废等六个方面,在能源、水、土地与建筑方面的专项规划较为详细,其中能源方面的规划与成效较为突出。
斯坦福的能源系统创新结合了北美和欧洲区域供热和制冷系统的先进技术,将斯坦福大学改造成世界上最高效的区域能源系统之一。能源系统创新的核心为中央能源设施,拥有多项突破性的创新。2015年建成以来,实现了将校园总排放量减少68%,饮用水使用量减少18%,从而在未来35年内节省约4.2亿美元[7]。在水资源管理、园区土地利用及建筑节能等方面也有详细的规划及措施。
2.美国麻省理工学院
麻省理工学院(MIT)在2015年首次发布气候变化行动计划,并于2021年发布了最新的气候行动计划《麻省理工学院十年气候行动计划》(Fast Forward: MIT’s Climate Action Plan for the Decade)[8],承诺2026年实现校园净零碳排放,到2050年消除所有直接排放。其规划主要包括气候、建筑、能源、交通等四个方面。
MIT在气候方面推出校园温室气体清单梳理各项排放情况并制定相应的减排策略;在建筑方面推动可持续设计及建造措施并要求所有新建筑和重大改造项目必须至少获得LEEDv4认证,要求所有设计、建造、翻新的建筑实现净零排放;同时推动绿色实验室计划及绿色校园交通计划等。
3.美国加州大学伯克利分校
2016年,美国加州伯克利(UC Berkeley)发布了2025年碳中和规划框架,并提出三阶段目标:2028年,建筑能源碳排放量减少70%;2030年,碳排放量显著减少85%;2045年,实现零碳排放,相比2019年实现总排放量(范围1、2和3)至少减少90%。伯克利的碳中和规划主要包括气候与能源、建筑与环境、服务、健康、文化与学习等五个方面[9]。
在气候与能源方面,建设清洁能源园区以取代天然气燃料热电联产工厂,扩大对低碳和非碳能源供应的使用,同时减少交通带来的碳排放;在建筑与环境方面,推动绿色建筑改造、加强土地使用管理及校园生态系统建设,并加强水资源管理;在服务方面,提倡绿色运营、加强固废管理及供应链管理,并提出绿色实验室计划。此外,伯克利在文化与学习方面的规划较为详细,在学术研究、主题活动、员工培训、学生课程、学生社团等方面都有涉及,还推出了“校园可持续发展实践旅行”计划。
4.美国哈佛大学
2014年,哈佛大学(Harvard)首次通过了可持续发展行动计划,并于2023年发布更新的计划,做出2026年实现化石燃料零排放(范围1和2),2050年不再使用化石燃料,实现温室气体净零排放的承诺。哈佛的碳中和规划包括能源、建造、运营、引领四个方面[10]。
哈佛在能源方面除了通过可再生电力采购、绿氢、地热装置、屋顶太阳能光伏系统等方式实现区域能源系统的零排放之外,还进一步计划在2050年实现建筑中的系统电气化,这一点要求相比其他高校更为严格。在建造方面,提倡对减少建筑材料有害的化学物质、减少隐含碳排放、雨水收集利用及节水装置等,并在2021年建成的哈佛大学科学与工程综合体中积极实践。
5.澳大利亚国立大学
澳大利亚国立大学(ANU)承诺到2025年实现直接校园活动的净零排放,包括能源、商务旅行和垃圾等方面;到2030年通过减少校内排放或使用碳抵消持续减少上述范围的排放;2030年之后逐步减少整个生命周期累积的排放量。该校碳中和规划包括减排与能源、建筑、水、垃圾、生物多样性、除碳等六个方面[11]。
在减排与能源方面,通过废热利用、安装电热泵等方式将天然气替换为可再生电力,电热泵除了实现碳中和外,其运行效率是天然气锅炉的2.5~3倍。在生物多样性方面,通过树林数据库管理、保护动植物、化学品使用评估等实现可持续校园管理。在除碳方面,积极资助除碳研究项目,包括本地化传统、生物多样性、水生态系统健康、可持续农业、可再生能源生产、土壤稳定性、气候适应性等方面的研究。
6.荷兰代尔夫特理工大学
荷兰代尔夫特理工大学(TUDelft)2021年提出气候行动计划,承诺到2030年实现校园碳中和。该校的碳中和规划包括生态校园、建筑与改造、能源系统、交通出行、餐饮、采购及垃圾管理、IT数据管理和人工智能、社会参与等八个方面[12]。
代尔夫特的能源系统改造规划较为详细且具有一定的技术前瞻性,在供电、供热、制冷和燃料等领域都尝试了多项前沿技术,如供电系统的外墙光伏系统、储能电池、开放式地热能源系统、水资源冷却储存潜力挖掘、生物质燃料和电子燃料等。在生态校园建设方面,通过屋顶雨水收集系统和废水过滤器实现水资源再利用;并通过在校内建造气候植物园开展生物多样性、保水、城市小气候和冷却、颗粒过滤、碳封存、生物基材料等领域的研究;还通过混合种植及引入昆虫鸟类实现生物多样性。
7.伦敦政治经济学院
伦敦政治经济学院(LSE)承诺在2030年实现最直接排放(范围1和2)的净零碳排放,在2050年实现间接排放(范围3)的净零碳排放。该校的碳中和规划包括能源、垃圾、建筑、教育、水、餐饮、采购、污染、交通、生物多样性、社会参与等多个方面[13]。
伦敦政治经济学院在建筑节能设计方面比较突出,比如绿色屋顶对建筑热性能的改善、与光伏发电设备的结合、绿植应对过量降雨、还可提供生物多样性研究;建筑材料的循环利用,由建筑工地材料再利用形成绿墙;通过雨水污水收集、节水厕所、传感器水龙头等措施实现建筑节水;在建筑设备管理上,提供节能的供暖和制冷设备控制自然通风,并通过LED照明升级和控制、锅炉和冷却器升级、管道保温、低能耗电梯等实现设备改造;在建筑能源上,热电联产发动机使用垃圾回收的生物质燃料提供热量和电力。2022年建成的马歇尔大厦获得高能效评级,其低碳设计采用被动式设计以保证热舒适,并减少加热、冷却、机械通风和照明负荷,还使用屋顶植物作为可持续城市排水方案。
8.东京大学
东京大学(Utokyo)在2022年发布《东京大学气候行动》(UTokyo Climate Action)[14],对比2013年的温室气体排放量(包括范围1、2、3),承诺将在2030年减少34%,2040年减少67%,2050年实现净零排放目标。该校的碳中和规划包括能源、采购、食物、建筑、垃圾、商务旅行、通勤、研究等多个方面。
在能源方面,东京大学对于区域能源系统更新还未提出具体的解决方案,但提出了校内的屋顶安装太阳能光伏系统,研究蓄电池、储热罐等能源储存方式,以及购买光伏和风力发电等绿电协议等能源替代方案。在建筑方面,提出新建造和旧建筑改造以零能耗建筑为目标,在建筑节能设计、建筑能源更新、采用低碳材料等方面有所考虑。
三、国际校园碳中和专项规划比较
1.规划范围比较
碳排放范围1、2、3的概念出自温室气体核算体系,这是由世界资源研究所(World Resources Institute)和世界可持续发展工商理事会(World Business Council for Sustainable Development)自1998年起开始逐步制定和完善的企业温室气体排放核算标准。结合校园碳中和的相关活动,各范围的涵义如表1所示。国际高校的校园碳中和规划都是基于这个标准,并根据自身特点对校园相关活动进行相应规划并有所侧重。进而,本文梳理了以上八所学校的碳中和规划范围,大致可分为能源、建造、运营和教育四个维度,但在各个细分项的侧重内容上又有所区别。
表1 碳排放范围定义及校园相关活动[15]
表2 八所高校的碳中和规划范围
2.能源规划比较
校园碳中和的能源规划主要包括能源系统、能源设施、能源购买和智能化等方面。
能源系统更新是能源规划的核心,除东京大学外,其他学校均公布了能源系统的更新措施。能源系统更新主要包括废热回收、绿电使用、跨季储能、制冷效能提升、新燃料研发等方式,斯坦福和代尔夫特的能源系统改造规划较为完善及超前,其他学校也尝试了一些新能源方式,如绿氢、地热装置、电热泵等。
斯坦福的中央能源设施包括热储存系统、高压变电站、实时热回收系统3个部分。热储存系统是北美最大的热能储存系统,与492兆瓦时的电力存储相当。系统包括2个冷冻水箱和1个热水箱,通过平衡校园的能源需求来最大限度地利用热回收,储水箱可保证水可以在最佳时间加热或冷却,成为热回收系统优化的关键。高压变电站一方面接收来自电网的电力,占校园总用电量的36%;另一方面与光伏能源公司签订协议,在校外建造2座太阳能发电站获取绿电,占总用电量的62%。变电站能够产生大约两倍于当前校园负荷的电力,为未来的电力需求增长留出空间。变电站还使用监控和数据采集系统对电力流进行实时诊断。实时热回收系统显著减少了整个供水系统的热损失。校园70%的加热和冷却需求实时重叠,通过热回收系统,校园供暖负荷的88%完全是由废热产生的,该系统还可减少校园饮用水使用量。系统设置全天候监控控制室,通过模型预测平台基于1220多个变量对潜在的能量需求进行建模,并每隔15分钟发送最佳性能建议,对能源优化至关重要[16]。
1 斯坦福大学中央能源设施(CEF)
2 斯坦福大学热回收系统 | 3 斯坦福大学模型预测平台 |
代尔夫特在能源系统方面做出多项前瞻性的规划及尝试。供电系统方面,通过扩大屋顶、外墙、停车场的光伏太阳能设施安装规模,以及探索新型电池、燃料电池等能源储存方式实现升级;供热系统方面,通过代替天然气的地热井作为可持续热源实现了减少产热过程中60%的碳排放,以及通过开发开放式地热能源系统的跨季储能方式减少30%的碳排放;制冷系统方面,通过遮阳、反照率、隔热、自然气流、流水、植物和热质量等被动式解决方案提升制冷系统性能,并挖掘校园周围的运河和泵站中的水的冷却储存潜力实现周边水资源的利用;新燃料开发方面,研究有机垃圾和藻类等生物质燃料,以及可储存来自可再生能源的电能的电子燃料(包括合成甲烷、合成煤油和氢等)[17]。
4 代尔夫特跨季储能的开放式地热能源系统
5 代尔夫特校园光伏太阳能设施规划
此外,在安装能源设施方面,所有学校均会安装太阳能光伏设施,以屋顶安装为主,也有个别学校尝试在停车场和建筑墙面安装,也有学校尝试安装储能电池装置。在能源购买方面,因为仅靠能源系统更新和校内安装新能源设施无法满足碳中和的目标,所有学校均需要通过协议购买校外的绿色电力,如太阳能或风能发电。如MIT通过校外农场绿电协议购买的太阳能发电量占总用电量的40%[18]。在智能化方面,校园碳中和工作需要长期、动态、精准地监测校内能源使用数据,因此6个高校都规划有智能化能源控制系统,推动智慧校园建设。即在能源系统智能化改造的基础上,对各项能耗数据实时监测、上报、统计,不仅有助于提高能源效率,也可实时测量碳排放数据、核算碳成本。
3.建造规划比较
校园碳中和的建造规划主要包括园区及建筑两个方面。其中,园区规划主要包括生态系统保护、土地合理利用等内容。建筑节能措施主要包括围护结构、建筑材料、隐含碳管理、节水、设备系统维护及改造等方面。
在园区规划中,生态系统保护是最主要的部分,包括自然植被的保护和恢复、树木清单数据库管理、限制有害化学品使用、生物多样性的维护等方式。代尔夫特建造的气候植物园可以开展生物多样性、保水、城市小气候和冷却、颗粒过滤、碳封存、生物基材料等领域的研究,将园区建设和学术研究结合起来。
在建筑的围护结构方面,伦敦政治经济学院的绿色屋顶实现了改善建筑热性能、与光伏发电结合、使用屋顶植物以应对过量降雨、提供生物多样性的研究项目等多项尝试,并且通过由原有建筑工地材料再利用制成的绿墙明显改善建筑热性能;斯坦福通过立面玻璃和遮阳装置增加光摄入、减少吸热以及建立能量模型确定最佳隔热结构。此外,所有学校都实现了建筑屋顶与太阳能光伏装置的结合,立面与太阳能光伏装置结合也是重要的尝试。
在建筑材料方面,提倡采用低碳材料,主要包括严格控制材料中的有害化学物质成分、使用可循环再利用或生物降解的建筑材料、建立材料档案以实现最优更新策略、回收建筑拆迁的材料并再利用等措施。2021年建成的哈佛大学科学与工程综合体项目在测试材料的有害化学物质时,评估6000种建筑材料后选用其中的1700种[19]。
在隐含碳方面,哈佛、代尔夫特和伦敦政治经济学院都对建筑材料开采、生产、运输、建设和废物处理过程中使用的隐含碳进行关注及管理。在节水方面,主要包括了雨水及污水收集再利用、节水型厕所、循环水源灌溉、水龙头安装节水装置及传感器等措施。斯坦福采用双冲水马桶和建筑双管道,并使用循环水;伦敦政治经济学院通过雨水污水收集、节水厕所、传感器水龙头等措施节约水资源。在设备系统维护及改造上,哈佛通过安装最先进空气净化技术、维修蒸汽疏水阀、住房节水装置改造等提高能源效率;伦敦政治经济学院通过LED照明升级和控制、锅炉和冷却器升级、管道保温、低能耗电梯等实现设备改造,在建筑能源上,热电联产发动机使用垃圾回收的生物质燃料提供热量和电力。
4.运营规划比较
校园碳中和的运营规划主要包括实验室、办公室、通勤、商务旅行、水、餐饮、固废、采购等方面。在实验室方面,斯坦福提倡的绿色实验室行动较为突出,主要包括购买节能型设备、绿色化学品管理、实验室用品共享与回收等设备用品管理,通过时间表和传感器进行气流管理、安装可以自动启动和关闭设备的插座定时器及节水装置等节能管理措施,以及进行垃圾分类、废水处理等垃圾管理措施。涉及办公室的内容中,伯克利提出了绿色办公室计划,主要包括节水节电、减少垃圾等方面的措施。
各所高校碳中和规划在涉及到绿色通勤方面的举措较为一致,一方面更新校园车辆,使用替代燃料、使用低排放和零排放车辆,安装电动车充电装置等;另一方面鼓励学生和教职员工使用公共交通、拼车、步行和骑自行车等绿色交通方式。在绿色商务旅行方面,澳大利亚国立大学的措施较为全面,包括通过利用在线工具、建立本地合作网络减少旅行次数;在旅行中优选铁路、长途车、混合动力或电动交通工具、低碳排放飞机等低碳出行方式;选择可持续性认证酒店等。
水资源利用上,一方面提倡节约用水的行为,包括冲洗车辆、景观用水及灌溉、餐厅饮用水等;另一方面提倡使用再循环灌溉用水,如利用地表水、井水、溪流资源和雨水收集等;还可以增加用水效率设施,如斯坦福通过增加基于天气的灌溉控制器来监测和提升灌溉、建筑的用水效率。
各学校的绿色餐饮倡议各有特点,伦敦政治经济学院的较为全面,包括1)提倡素食:菜单加碳影响标签、增加素食菜品、推广素食生活方式的宣传活动;2)食材:采购健康可持续食材;3)垃圾:食物垃圾堆肥、减少食物浪费、控制一次性用品、垃圾循环利用;4)节水:鼓励饮水机;5)采购:可持续供应链管理、使用清洁产品、运输方式可持续。此外,各高校的固废管理主要包括加强垃圾分类管理、减少一次性包装、使用环保耐用材料、垃圾堆肥利用、防止浪费减少垃圾、建筑拆除和危险垃圾管理等。
5.教育规划比较
校园碳中和的教育规划主要包括学术研究、可持续课程、社团活动、成果宣传等方面。伯克利、代尔夫特、伦敦政治经济学院在教育规划方面比较全面,其中伯克利最为突出。伯克利一方面加强碳中和的学术研究,包括跨学科合作、成果应用、学生培养等;另一方面,开展可持续主题活动,在员工培训、学生课程、学生社团等方面都有详细规划。此外推出独具特色的“校园可持续发展实践旅行”计划,主要通过实地展示学校节能减排的实践成果,推广校园碳中和的先进技术和发展理念。旅行节点包括:学生会的零废物垃圾箱、补水站、多元文化社区中心、回收站、学生环境资源中心;Lower Sproul广场的蓄水池和雨水花园、自行车社区;草莓溪的植被恢复生态;清洁能源园区的地下供暖制冷的新电气化中央工厂;经健康生态系统认证的蜜蜂校园花园;美国第一个获得LEED白金认证、WELL认证、“TRUE零废弃物”白金认证的学术建筑周堂(Chou Hall);绿色屋顶吸收污染物、进行雨水管理的柏克德工程中心(Bechtel Engineering Center);安装屋顶太阳能电池的雅各布斯大厅(Jacobs Hall)[20]。
四、对我国高校碳中和规划的建议
1.推进校园碳中和专项规划编制
校园碳中和工作是包括数据统计、能源审计、工程建设、设备采购、日常管理以及制度建设等在内的系统工程,并且需要长期的持续推进,以逐步实现目标,因此系统性的碳中和专项规划的编制十分重要。应由专职机构统筹,对校园碳中和工作进行科学、严谨、可持续的总体规划,并同步有序推进各项专项规划,是各项工作顺利进行的重要前提。另外,需建立后勤、资产、采购、财务等多部门统筹协调机制,共同参与到制度设计中来,齐抓共管,形成合力。
2.建立智慧校园能源管理系统
建立校园能源管理平台,实时监控校园内能源使用数据、统计碳排放量和碳汇量。建立碳评估管理系统,设定碳排放目标,实行碳排放绩效考核,评估校园碳排放量、碳排放强度,分析相关影响因素。通过能源管理集成系统不仅有助于提高能源效率,还可以改进业务流程,促进数据驱动的决策,并提供分析工具来优化效率。
3.开展前瞻技术研究与试验
碳中和目标的实现需要碳中和应用基础研究的重大创新和关键技术的重大突破,这就需要高校不断探索各相关学科建设的新高度,开展碳减排、碳零排、碳负排新技术原理研究,加大零碳能源、零碳原料/燃料与工艺替代、二氧化碳捕集/利用/封存、集成耦合与优化技术等关键技术创新力度,在校园碳中和工作中积极试点、推进落地,在我国碳中和进程中发挥引领作用。在校园碳中和建设是一个长期过程,要为颠覆性技术应用适度留白。
4.发挥资源优势将研究、实践、教育相结合
国内高校应充分发挥资源优势,将大学作为一个实验室,不仅达到校园减排目标,还可作为可推广技术、方法或政策的中试环境,推动低碳技术的开发应用。高校应选择做一些零碳建筑或碳中和设施的示范工程,让师生、社会公众能直观感受。在推动碳中和工作的过程中,将学科研究、教育培养、学术交流、员工培训、成果展示、社会宣传等各环节有机整合、协调推进,形成校园碳中和工作的完整闭环。
5.强化碳中和校园规划的操作性和执行力
碳中和校园规划要切实考虑规划的可操作性,要管用并符合实际。要考虑我国高校在经济、社会、环境发展水平上的差异,不能简单的本本主义完全照搬。另一方面,由于高校体制的差别,需要有较强的执行力。需要在管控过程中,科学合理地把碳排放指标分解给二级部门,强化执行和监管。摸索一套符合国情的、科学的操作指标体系,作为标准在全国高校内推广,进而为全社会的碳中和建设提供样本和标杆。
参考文献
[1] 清华大学碳中和研究院.2023全球碳中和年度进展报告[R]. 2023:4.
[2] 王彬彬. 世界大学气候变化联盟[J]. 世界环境, 2020(4):90-91.
[3] 教育部.高等学校碳中和科技创新行动计划[OL].2021.
http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/moe_784/202107/t20210728_547451.html.
[4] Stanford University. Energy and Climate Action Plan[R]. 2015:1-5.
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[6] Stanford University. Scope 3 Emissions from Fuel & Energy Activities[R]. 2019:1-3.
https://sustainable.stanford.edu/sites/g/files/sbiybj26701/files/media/file/scope_3_emissions_from_fuel_and_energy_activities_public_0.pdf.
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https://www.u-tokyo.ac.jp/content/400200095.pdf.
[15] The World Resources Institute(WRI), World Business Council for Sustainable Development(WBCSD). Technical Guidance for Calculating Scope 3 Emissions [R]. 2013:6.
https://ghgprotocol.org/scope-3-calculation-guidance-2.
[16] Stanford University. Stanford Energy System Innovations (SESI)-Central Energy Facility [OL].
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[17] Technische Universiteit Delft. TUDelft Sustainability Energy Systems[OL].
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[18] Massachusetts Institute of Technology. Summit Farms: Investing in off-site renewable energy [OL].
https://sustainability.mit.edu/site-solarfarm.
[19] Harvard University. Harvard University Sustainability Action Plan-Building Sustainably[OL].
https://sustainable.harvard.edu/our-plan/howwe-build.
[20] University of Calofornia, Berkeley. Sustainability Walking Tour[OL].
https://sustainability.berkeley.edu/engage/sustainability-walking-tour.
图片来源
图1、2、3 来源于参考文献16
图4 来源于网站文章
https://www.tudelft.nl/en/2021/sustainability/tu-delftexplores-options-for-large-scale-underground-heat-storage
图5 来源于网站文章
https://www.tudelft.nl/en/2021/sustainability/solarenergy-on-campus
本文刊登于《住区》杂志总第118期 “街区生长:机制与更新”
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