2008年奧運(yùn)會(huì)清華大學(xué)超低能耗示范樓技術(shù)集成平臺(tái)

2008年奧運(yùn)會(huì)清華大學(xué)超低能耗示范樓技術(shù)集成平臺(tái)

清華大學(xué)超級(jí)低能耗示范樓（以下簡(jiǎn)稱示范樓）是北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研項(xiàng)目。2008年，作為奧運(yùn)會(huì)的初期示范工程，它的目的是反映奧運(yùn)會(huì)建筑的高科技、綠色和人文特征。同時(shí),作為國(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),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,開展建筑技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)與應(yīng)用性研究,研究和示范系列的節(jié)能、生態(tài)、智能技術(shù)在辦公建筑上的應(yīng)用,包括建筑物理環(huán)境控制與設(shè)施研究(聲、光、熱、空氣品質(zhì)等),建筑材料與構(gòu)造(窗、遮陽、屋頂、建筑節(jié)點(diǎn)、鋼結(jié)構(gòu)等)研究,建筑環(huán)境控制系統(tǒng)的研究(高效能源系統(tǒng),新的供暖、通風(fēng)、空調(diào)方式及設(shè)備開發(fā)等),建筑智能化系統(tǒng)研究。示范樓坐落于清華大學(xué)校園東區(qū),建筑外形如圖1所示,總建筑面積3000m2,地下1層,地上4層。由辦公室、開放式實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)臺(tái)及相關(guān)輔助用房組成。建筑采用鋼框架結(jié)構(gòu),內(nèi)部可靈活隔斷,空調(diào)和強(qiáng)弱電系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)。1不同環(huán)境條件下的推薦形式為使示范樓能夠自動(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)、太陽能利用等方面進(jìn)行了綜合研究,給出不同環(huán)境條件下的推薦形式。圖2為示范樓各個(gè)外立面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。通過節(jié)能設(shè)計(jì),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、照明和設(shè)備等的發(fā)熱量,基本可實(shí)現(xiàn)冬季零供暖能耗。夏季最熱月整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均得熱只有5.2W/m2。1.1夏季活動(dòng)口開+熱壓保護(hù)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兩種方式,綜合得熱系數(shù)為1W/(m2·K),太陽能得熱因數(shù)為0.5。雙層皮幕墻根據(jù)室內(nèi)外的溫差,調(diào)節(jié)空氣進(jìn)出風(fēng)口的開合,夏季室外空氣經(jīng)過熱的玻璃表面加熱后升溫,在幕墻夾層內(nèi)形成熱壓通風(fēng),帶走向室內(nèi)傳遞的熱量,冬季進(jìn)出風(fēng)口關(guān)閉后,可減少向室內(nèi)的冷風(fēng)滲透。水平遮陽和垂直遮陽葉片寬度600mm,每個(gè)葉片均設(shè)置單獨(dú)的自控系統(tǒng),分別根據(jù)采光、視野、能量收集、太陽能集熱的不同區(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能、夏季遮擋太陽輻射,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/(m2·K)。外窗采用雙層中空玻璃,外設(shè)保溫卷簾。1.2增加蓄熱體熱量示范樓的圍護(hù)結(jié)構(gòu)由玻璃幕墻、輕質(zhì)保溫外墻組成,熱容較小,熱慣性小,會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動(dòng),尤其在冬季,晝夜溫差會(huì)超過10℃。為增加建筑熱慣性,提高室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定性,示范樓采用了相變蓄熱地板的設(shè)計(jì)方案。如圖3所示,具體做法是將相變溫度為20~22℃的定形相變材料置于常規(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蓄存由玻璃幕墻和窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱,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6℃?；顒?dòng)地板架空層高度1.2m,空調(diào)風(fēng)道、各類水管、電纜、綜合布線等均隱藏在架空層內(nèi),室內(nèi)不需要吊頂,房間凈空高度大,有效利用空間多。1.3屋頂技術(shù)的選用為提高屋頂?shù)母魺岜匦阅?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、耐干旱、根系淺的低矮灌木和草皮,適合于北京地區(qū)氣候特征。屋頂還設(shè)置光導(dǎo)管采光系統(tǒng),利用太陽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)2.1空調(diào)系統(tǒng)的通風(fēng)根據(jù)北京地區(qū)的氣候特點(diǎn),春秋兩季可通過自然通風(fēng)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。利用熱壓和風(fēng)壓通風(fēng)的原理,根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)形式及周圍環(huán)境的特點(diǎn),在樓梯間和走廊設(shè)置通風(fēng)豎井,形成不同樓層的熱壓通風(fēng);在建筑頂端設(shè)計(jì)玻璃煙囪,利用太陽能強(qiáng)化通風(fēng);在建筑外立面合適部位設(shè)置開啟窗扇,使室外空氣順暢地穿過建筑。2.2后整理后的空調(diào)系統(tǒng)溶液除臭法示范樓共設(shè)置4臺(tái)風(fēng)量為4000m3/h的新風(fēng)機(jī)組,通過溶液除濕設(shè)備的處理,可提供干燥的新風(fēng),用來消除室內(nèi)的濕負(fù)荷,同時(shí)滿足室內(nèi)人員的新風(fēng)要求。溶液除濕方式能夠?qū)⒊凉襁^程從降溫過程中獨(dú)立出來,利用較低品位能源進(jìn)行除濕,同時(shí)減少顯熱冷負(fù)荷,不僅能保證室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量,而且還能降低空調(diào)能耗。為保證室內(nèi)空氣品質(zhì)要求有足夠的新風(fēng),因此通常情況下新風(fēng)負(fù)荷大是空調(diào)系統(tǒng)高能耗的原因。示范樓的新風(fēng)機(jī)組的全熱回收效率超過80%,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小體積、小密度大時(shí)人工未使用通過溶液除濕后的新風(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(冷水溫度可采用18℃),按照干工況運(yùn)行,不存在結(jié)露現(xiàn)象。示范樓內(nèi)提供模塊化的空調(diào)末端配置,可根據(jù)房間實(shí)際使用功能靈活組合。辦公室內(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消除室內(nèi)的基本顯熱負(fù)荷,溶液除濕后的新風(fēng)通過置換通風(fēng)方式來消除室內(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),通過調(diào)節(jié)風(fēng)口角度、出風(fēng)速度來滿足要求。示范樓內(nèi)另一類房間為報(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)風(fēng)機(jī)盤管來消除室內(nèi)尖峰負(fù)荷。3電力系統(tǒng)見圖43.1hp系統(tǒng)基本供電和供電設(shè)備示范樓采用固體燃料電池及內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)(燃料為天然氣),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冷機(jī)高效節(jié)能技術(shù)配合獨(dú)立濕度控制的新風(fēng)機(jī)組,夏季冷水溫度18℃即可滿足供冷的要求。采用電制冷,制冷機(jī)COP可達(dá)到9以上,高效節(jié)能。另一種方式是直接利用地下水,示范樓所在地地表淺層水溫基本穩(wěn)定在15℃,單口井出水量可達(dá)70m3/h,完全能夠滿足供冷要求。地下水通過板式換熱器換熱后全部回灌,僅利用土壤中蓄存的冷量,不會(huì)造成地下水資源的流失。3.3玻璃幕墻設(shè)置示范樓南側(cè)立面裝有30m2的光伏玻璃,所發(fā)的電用于驅(qū)動(dòng)玻璃幕墻開啟窗扇和遮陽百葉。屋頂設(shè)有太陽能集熱器,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能高溫?zé)岚l(fā)電裝置,為拋物面碟式雙軸跟蹤聚焦形式,峰值發(fā)電功率3kW。4測(cè)量和系統(tǒng)監(jiān)控4.1室外氣象參數(shù)控制系統(tǒng)自動(dòng)采集室外的日照參數(shù),根據(jù)不同的朝向方位,調(diào)節(jié)遮陽百葉的狀態(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)口的開閉?？刂葡到y(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燈具的亮度。新風(fēng)量根據(jù)房間內(nèi)CO2的濃度和空氣相對(duì)濕度來調(diào)節(jié)。其余能源設(shè)備、水泵、太陽能裝置等均根據(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)包括室外空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、太陽輻射照度。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的測(cè)試包括各玻璃、窗框、遮陽百葉、保溫墻體的表面溫度、熱流。