清華大學(xué)超低能耗示范樓節(jié)能設(shè)計(jì)與方案

清華大學(xué)超低能耗示范樓節(jié)能設(shè)計(jì)與方案

清超低能耗示范樓是北京市科委科研項(xiàng)目。作為2008年奧運(yùn)會(huì)的“初始示范工程”，它的目的是反映奧運(yùn)會(huì)建筑的“高科技”、“綠色”和“人性化”。同時(shí)，超低能耗示范樓是國(guó)家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)研究”的技術(shù)集成平臺(tái)，用于展示和實(shí)驗(yàn)各種低能耗、生態(tài)化、人性化的建筑形式及先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品。超低能耗示范樓座落于清華大學(xué)校園東區(qū)，建筑設(shè)計(jì)總建筑面積3000m2，地下一層，地上四層。由辦公室、開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)臺(tái)及相關(guān)輔助用房組成。從建筑全生命周期的觀點(diǎn)出發(fā)，采用了鋼框架結(jié)構(gòu)。建筑物內(nèi)部為靈活隔斷，空調(diào)和強(qiáng)弱電系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，從而可根據(jù)不同使用要求極其方便地改變空間布局。1.不同環(huán)境條件下的推薦形式對(duì)比超低能耗示范樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系主要是針對(duì)可調(diào)控的“智能型”外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，使其能夠自動(dòng)適應(yīng)氣候條件的變化和室內(nèi)環(huán)境控制要求的變化。從采光、保溫、隔熱、通風(fēng)、太陽(yáng)能利用等進(jìn)行綜合分析，給出不同環(huán)境條件下的推薦形式。如圖1標(biāo)明了示范樓外各個(gè)外立面采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方式。通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)，使得冬季建筑物的平均熱負(fù)荷僅為0.7W/m2，最冷月的平均熱負(fù)荷也只有2.3W/m2,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷指標(biāo)遠(yuǎn)小于常規(guī)建筑，如果考慮室內(nèi)人員燈光和設(shè)備等的發(fā)熱量，基本可實(shí)現(xiàn)冬季零采暖能耗。夏季最熱月整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均得熱也只有5.2W/m2。1.1夏季熱壓調(diào)控東立面和南立面采用雙層皮幕墻及玻璃幕墻加水平或垂直遮陽(yáng)兩種方式，綜合得熱系數(shù)1W/m2K，太陽(yáng)能得熱系數(shù)0.5。雙層皮幕墻按照室內(nèi)室外的溫度差別，調(diào)節(jié)室外空氣進(jìn)出風(fēng)口的開(kāi)合，夏季室外空氣經(jīng)過(guò)熱的玻璃表面加熱后升溫，在幕墻夾層形成熱壓通風(fēng)，帶走向室內(nèi)傳遞的熱量，冬季進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)口關(guān)閉后，可減少向室內(nèi)的冷風(fēng)滲透。水平遮陽(yáng)和垂直遮陽(yáng)葉片寬度600mm，每個(gè)葉片均設(shè)置單獨(dú)得自控系統(tǒng)，分別根據(jù)采光、視野、能量收集、太陽(yáng)能集熱的不同區(qū)域功能要求進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)冬季最大限度利用太陽(yáng)能、夏季遮擋太陽(yáng)輻射，同時(shí)滿足室內(nèi)自然采光的最佳設(shè)計(jì)。西北向采用300mm厚的輕質(zhì)保溫外墻，鋁幕墻外飾面，傳熱系數(shù)0.35W/m2K。外窗采用雙層中空玻璃，外設(shè)保溫卷簾。1.2．變質(zhì)堅(jiān)持蓄熱體設(shè)計(jì)示范樓的圍護(hù)結(jié)構(gòu)由玻璃幕墻、輕質(zhì)保溫外墻組成，熱容較小，低熱慣性容易導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動(dòng)大，尤其是在冬季，晝夜溫差會(huì)超過(guò)10℃。為增加建筑熱慣性，以使室內(nèi)熱環(huán)境更加穩(wěn)定，示范樓采用了相變蓄熱地板的設(shè)計(jì)方案。具體做法是將相變溫度為20～22℃的定形相變材料放置于常規(guī)的活動(dòng)地板內(nèi)作為部分填充物，由此形成的蓄熱體在冬季的白天可蓄存由玻璃幕墻和窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱，晚上材料相變向室內(nèi)放出蓄存的熱量，這樣室內(nèi)溫度波動(dòng)將不超過(guò)6℃?；顒?dòng)地板架空層高度1.2米，空調(diào)風(fēng)道、各類(lèi)水管、電纜、綜合布線等均隱藏在架空層內(nèi)。保證室內(nèi)干凈整潔，而且不需要吊頂，房間凈空高度大，有效利用空間多。1.3植屋頂技術(shù)為提高屋頂?shù)母魺岜匦阅?，同時(shí)改善生態(tài)與環(huán)境質(zhì)量，采用種植屋面技術(shù)，結(jié)合防水及承重要求，選用喜光、耐干燥、根系淺的低矮灌木和草皮，適合于北京地區(qū)氣候特征。屋頂同時(shí)設(shè)置光導(dǎo)管采光系統(tǒng)，利用太陽(yáng)光為地下室提供采光，減少白天照明電耗。2.環(huán)境控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.1．通風(fēng)閥設(shè)置室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)有限考慮被動(dòng)方式，用自然手段維持室內(nèi)熱舒適環(huán)境。根據(jù)北京地區(qū)的氣候特點(diǎn)，春秋兩季可通過(guò)大換氣量的自然通風(fēng)來(lái)帶走余熱，保證室內(nèi)較為舒適的熱環(huán)境，縮短空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。利用熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)的結(jié)合，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)形式及周?chē)h(huán)境的特點(diǎn)，在樓梯間和走廊設(shè)置通風(fēng)豎井，負(fù)責(zé)不同樓層的熱壓通風(fēng)。在建筑頂端設(shè)計(jì)玻璃煙囪，利用太陽(yáng)能強(qiáng)化通風(fēng)。此外在建筑外立面合適部位設(shè)置開(kāi)啟扇，使得室外空氣在風(fēng)壓通風(fēng)的作用下可順暢地貫穿流過(guò)建筑。2.2溶劑除臭法超低能耗示范樓共設(shè)置4臺(tái)4000m3/h新風(fēng)機(jī)組，通過(guò)溶液除濕設(shè)備的處理，可提供干燥的新風(fēng)，用來(lái)消除室內(nèi)的濕負(fù)荷，同時(shí)滿足室內(nèi)人員的新風(fēng)要求。目前空調(diào)工程中采用的除濕方法基本上是冷凍除濕，這種方法首先將空氣溫度降低到露點(diǎn)以下，除去空氣中的水分后再通過(guò)加熱將空氣溫度回升，由此帶來(lái)冷熱抵消的高能耗。此外為了達(dá)到除濕要求的低露點(diǎn)，要求制冷設(shè)備產(chǎn)生較低的溫度使得設(shè)備的制冷效率低，因而也導(dǎo)致高能耗。溶液除濕方式能夠?qū)⒊凉襁^(guò)程從降溫過(guò)程中獨(dú)立出來(lái)，利用較低品位能源進(jìn)行除濕，同時(shí)減少顯熱冷負(fù)荷，不僅能夠保證室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，而且還能降低空調(diào)能耗。此外為保證室內(nèi)空氣質(zhì)量要求有足夠的新風(fēng)，隨之而來(lái)的新風(fēng)負(fù)荷是空調(diào)系統(tǒng)高能耗的原因。示范樓的新風(fēng)機(jī)組同時(shí)可實(shí)現(xiàn)全熱回收效率超過(guò)80%的高效熱回收，可充分利用排風(fēng)中的全熱同時(shí)又保證新風(fēng)不被排風(fēng)污染。2.3空調(diào)末端配置通過(guò)溶液除濕后的新風(fēng)可帶走室內(nèi)的濕負(fù)荷，房間內(nèi)的末端裝置僅負(fù)責(zé)顯熱部分（冷凍水溫度可采用18℃），按照干工況運(yùn)行，不存在結(jié)露現(xiàn)象，徹底避免了潮濕表面滋長(zhǎng)霉菌，惡化空氣質(zhì)量。示范樓內(nèi)提供模塊化的空調(diào)末端配置，根據(jù)房間實(shí)際使用功能靈活組合。辦公室室內(nèi)人員密度低，人員工作時(shí)間及活動(dòng)區(qū)域相對(duì)固定，個(gè)人的舒適要求不盡相同，采用冷輻射吊頂或者輻射墻來(lái)消除室內(nèi)的基本顯熱負(fù)荷，溶液除濕后的新風(fēng)通過(guò)置換通風(fēng)來(lái)消除室內(nèi)的基本濕負(fù)荷。工位送風(fēng)則提供每個(gè)辦公人員個(gè)人活動(dòng)區(qū)域的送風(fēng)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)口角度、出風(fēng)速度來(lái)滿足自身的要求。示范樓內(nèi)另一類(lèi)房間為報(bào)告廳和會(huì)議室，室內(nèi)人員密度高，散熱散濕集中，單位面積冷負(fù)荷大，且使用時(shí)間不穩(wěn)定。因此除冷輻射吊頂和置換通風(fēng)外，采用仿自然風(fēng)的動(dòng)態(tài)風(fēng)FCU來(lái)消除室內(nèi)尖峰負(fù)荷。3.能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1源、電、熱技術(shù)供應(yīng)超低能耗樓采用固體燃料電池及內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)，清潔燃料天然氣作為能源供應(yīng)，BCHP系統(tǒng)總的熱能利用效率可達(dá)到85%，其中發(fā)電效率43%?；竟╇娪蓛?nèi)燃機(jī)或者氫燃料電池供應(yīng)，尖峰電負(fù)荷由電網(wǎng)補(bǔ)充。發(fā)電后的余熱冬季用于供熱，夏季則當(dāng)作低溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)液體除濕新風(fēng)機(jī)組，用于溶液的再生。3.2地下水開(kāi)源節(jié)能型op配合獨(dú)立濕度控制的新風(fēng)機(jī)組，夏季冷凍水溫度18℃即可滿足供冷的要求。采用電制冷，冷凍機(jī)COP可達(dá)到9以上，高效節(jié)能。另一種方式更為簡(jiǎn)單，就是直接利用地下水，超低能耗樓所在清華大學(xué)校園東區(qū)地表淺層水溫基本穩(wěn)定在15℃，單口井出水量可達(dá)70m3/h，完全能夠滿足示范樓的供冷要求。地下水通過(guò)板換換熱后全部回灌，僅利用土壤中蓄存的的冷量，不會(huì)造成地下水資源的流失。3.3玻璃幕墻開(kāi)啟扇和婦人雙側(cè)分配超低能耗樓南側(cè)立面裝有30平米的光伏玻璃，發(fā)電用于驅(qū)動(dòng)玻璃幕墻開(kāi)啟扇和遮陽(yáng)百葉。屋頂設(shè)有太陽(yáng)能集熱器，所獲得的熱量用于除濕系統(tǒng)的溶液再生。此外屋面還裝有太陽(yáng)能高溫?zé)岚l(fā)電裝置，該系統(tǒng)為拋物面碟式雙軸跟蹤聚焦，峰值發(fā)電功率3KW。4.測(cè)量和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案4.1室外氣象參數(shù)控制系統(tǒng)自動(dòng)采集室外的日照情況，根據(jù)不同的朝向方位，調(diào)節(jié)遮陽(yáng)百葉的狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)室外氣象參數(shù)，決定外窗、熱壓通風(fēng)風(fēng)道、雙層皮幕墻進(jìn)出風(fēng)口的開(kāi)閉。控制系統(tǒng)采集工作區(qū)各點(diǎn)的照度數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)百葉的角度和人工照明的燈具。室內(nèi)的新風(fēng)量根據(jù)房間內(nèi)的CO2濃度和濕度來(lái)調(diào)節(jié)。其余能源設(shè)備、水泵、太陽(yáng)能裝置等均根據(jù)負(fù)荷情況自動(dòng)調(diào)節(jié)。4.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)的測(cè)試示范樓屋頂布置氣象參數(shù)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量數(shù)據(jù)包括室外溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的測(cè)