清华大学超低能耗示范楼节能技术

清华大学超低能耗示范楼节能技术（专业版）清华大学超低能耗示范楼是北京市科委科研项目，作为2008年奥运会办公建筑的“前期示范工程”，旨在通过其体现奥运建筑的“高科技”、“绿色”、“人性化”。同时，超低能耗示范楼是国家“十五”科技攻关项目“绿色建筑关键技术研究”的技术集成平台，用于展示和实验各种低能耗、生态化、人性化的建筑形式及先进的技术产品。在此基础上陆续开展建筑技术科学领域的基础与应用性研究，研究和示范系列的节能、生态、智能技术在办公建筑上的应用。包括建筑物理环境控制与设施研究（声、光、热、空气质量等），建筑材料与构造（窗、遮阳、屋顶、建筑节点、钢结构等），建筑环境控制系统的研究（高效能源系统、新的采暖、通风、空调方式及设备开发等），建筑智能化系统研究。超低能耗楼还将成为展示与宣传各种最新技术的舞台，为技术交流、产研挂钩、知识普及搭建桥梁；成为清华大学与企业界合作开发、展示新产品的平台，以及向社会、大众宣传、展示建筑节能和可持续发展建筑概念、技术和产品的展台。超低能耗示范楼座落于清华大学校园东区，建筑设计如图1所示，总建筑面积3000m2，地下一层，地上四层。由办公室、开放式实验室或实验台及相关辅助用房组成。从建筑全生命周期的观点出发，采用了钢框架结构。建筑物内部为灵活隔断，空调和强弱电系统为模块化结构，从而可根据不同使用要求极其方便地改变空间布局。清华大学超低能耗示范楼效果图1．围护结构方案超低能耗示范楼外围护结构体系主要示针对对可调控的“智能型”外围护结构进行研究，使其能够自动适应气候条件的变化和室内环境控制要求的变化。从采光、保温、隔热、通风、太阳能利用等进行综合分析，给出不同环境条件下的推荐形式。图2标明了示范楼外各个外立面采用的围护结构方式。通过围护结构的节能设计，使得冬季建筑物的平均热负荷仅为0.7W/m2，最冷月的平均热负荷也只有2.3W/m2,围护结构的负荷指标远小于常规建筑，如果考虑室内人员灯光和设备等的发热量，基本可实现冬季零采暖能耗。夏季最热月整个围护结构的平均得热也只有5.2W/m2。清华大学超低能耗示范楼围护结构设计方案1.1玻璃幕墙和保温墙体东立面和南立面采用双层皮幕墙及玻璃幕墙加水平或垂直遮阳两种方式，综合得热系数1W/m2K，太阳能得热系数0.5。双层皮幕墙按照室内室外的温度差别，调节室外空气进出风口的开合，夏季室外空气经过热的玻璃表面加热后升温，在幕墙夹层形成热压通风，带走向室内传递的热量，冬季进风口出风口关闭后，可减少向室内的冷风渗透。水平遮阳和垂直遮阳叶片宽度600mm，每个叶片均设置单独得自控系统，分别根据采光、视野、能量收集、太阳能集热的不同区域功能要求进行控制调节，实现冬季最大限度利用太阳能、夏季遮挡太阳辐射，同时满足室内自然采光的最佳设计。西北向采用300mm厚的轻质保温外墙，铝幕墙外饰面，传热系数0.35W/m2K。外窗采用双层中空玻璃，外设保温卷帘。1.2相变蓄热活动地板【1】示范楼的围护结构由玻璃幕墙、轻质保温外墙组成，热容较小，低热惯性容易导致室内温度波动大，尤其是在冬季，昼夜温差会超过10℃。为增加建筑热惯性，以使室内热环境更加稳定，示范楼采用了相变蓄热地板的设计方案。如图3所示，具体做法是将相变温度为20～22℃的定形相变材料放置于常规的活动地板内作为部分填充物，由此形成的蓄热体在冬季的白天可蓄存由玻璃幕墙和窗户进入室内的太阳辐射热，晚上材料相变向室内放出蓄存的热量，这样室内温度波动将不超过6℃。活动地板架空层高度1.2米，空调风道、各类水管、电缆、综合布线等均隐藏在架空层内。保证室内干净整洁，而且不需要吊顶，房间净空高度大，有效利用空间多。清华大学超低能耗示范楼相变蓄热地板设计方案1.3植被屋面和光导采光系统为提高屋顶的隔热保温性能，同时改善生态与环境质量，采用种植屋面技术，结合防水及承重要求，选用喜光、耐干燥、根系潜的低矮灌木和草皮，适合于北京地区气候特征。屋顶同时设置光导管采光系统，利用太阳光为地下室提供采光，减少白天照明电耗。2．室内环境控制系统方案2.1自然通风利用【2】室内环境控制系统有限考虑被动方式，用自然手段维持室内热舒适环境。根据北京地区的气候特点，春秋两季可通过大换气量的自然通风来带走余热，保证室内较为舒适的热环境，缩短空调系统运行时间。利用热压通风和风压通风的结合，根据建筑结构形式及周围环境的特点，在楼梯间和走廊设置通风竖井，负责不同楼层的热压通风。在建筑顶端设计玻璃烟囱，利用太阳能强化通风。此外在建筑外立面合适部位设置开启扇，使得室外空气在风压通风的作用下可顺畅地贯穿流过建3．能源系统方案3.1BCHP系统超低能耗楼采用固体燃料电池及内燃机热电联供系统，清洁燃料天然气作为能源供应，BCHP系统总的热能利用效率可达到85％，其中发电效率43％。基本供电由内燃机或者氢燃料电池供应，尖峰电负荷由电网补充。发电后的余热冬季用于供热，夏季则当作低温热源驱动液体除湿新风机组，用于溶液的再生。3.2高温冷水机组或直接利用地下水配合独立湿度控制的新风机组，夏季冷冻水温度18℃即可满足供冷的要求。采用电制冷，冷冻机COP可达到9以上，高效节能。另一种方式更为简单，就是直接利用地下水，超低能耗楼所在清华大学校园东区地表浅层水温基本稳定在15℃，单口井出水量可达70m3/h，完全能够满足示范楼的供冷要求。地下水通过板换换热后全部回灌，仅利用土壤中蓄存的的冷量，不会造成地下水资源的流失。3.3太阳能利用超低能耗楼南侧立面装有30平米的光伏玻璃，发电用于驱动玻璃幕墙开启扇和遮阳百叶。屋顶设有太阳能集热器，所获得的热量用于除湿系统的溶液再生。此外屋面还装有太阳能高温热发电装置，该系统为抛物面碟式双轴跟踪聚焦，峰值发电功率3kW。4．测量和控制系统方案4.1智能化的控制系统控制系统自动采集室外的日照情况，根据不同的朝向方位，调节遮阳百叶的状态，同时根据室外气象参数，决定外窗、热压通风风道、双层皮幕墙进出风口的开闭。控制系统采集工作区各点的照度数据，调节百叶的角度和人工照明的灯具。室内的新风量根据房间内的CO2浓度和湿度来调节。其余能源设备、水泵、太阳能装置等均根据负荷情况自动调节。4.2实时测量系统示范楼屋顶布置气象参数测点，测量数据包括室外温度、湿度、风速、太阳辐射强度。围护结构的测试包括各玻璃、窗框、遮阳百叶、保温墙体的表面温度、热流。环境控制系统和能源系统的测试包括各设备的运行参数，如冷辐射吊顶表面温度、送回风温度湿度、盘管出水温度、溶液除湿系统的溶液浓度等。合作企业合作内容1清华同方股份有限公司智能楼宇控制系统、LED照明系统、空调节能设备2北京新立基真空玻璃技术有限公司真空玻璃3秦皇岛耀华玻璃股份有限公司高性能玻璃4美国Truseal公司及辽宁晟祥节能科技公司高性能玻璃5上海门普来新材料实业有限公司防腐涂料6凯讯实业有限公司并网柜7河北鑫磊机械制造有限公司钢结构制作安装8北京青云空调设备公司空调末端设备9美国Caterpilar公司内燃机10格兰富水泵有限公司空调冷冻泵、冷却泵11北京清华捷源科技开发有限公司空调水处理设备12深圳方大幕墙装饰公司幕墙工程设计安装13德州亚太空调设备公司空调节能设备14北京涂料厂钢结构防火涂料、内墙涂料15北京东方雨虹防水技术有限公司彩色橡胶屋面防水材料16北京世纪中核建筑材料有限公司高效防水材料17意大利Permasteelisa公司玻璃幕墙工程18德国艾思玛公司光伏玻璃百姓解读清华大学超低能耗示范楼（普通版）奥运建筑的“前期示范”仿佛是清华建筑馆向东的延展体，超低能耗示范楼紧临建筑馆，地下１层，地上４层。南面看去，透明的玻璃幕墙，感觉很像普通的现代式建筑。但幕墙外“支棱”着巨大的可调节遮阳板，由此提醒参观者——它与众不同。别看示范楼的体量不大，可它是北京市科委重点科研项目，作为２００８年奥运建筑的“前期示范工程”，这座总面积３０００平方米的示范楼集中体现了“科技奥运、绿色奥运”的理念。同时，该楼还是国家“十五”科技攻关项目“绿色建筑关键技术研究”的技术集成平台，用于展示、实验和推广各种低能耗、生态化、人性化的建筑形式及先进的技术产品。最值得称道的是，示范楼在建筑材料、能源供应和温湿调节设备系统中采用多项节能措施和可再生能源技术，冬季可基本实现零采暖能耗，把照明、办公设备、空调通风系统通通考虑上，示范楼单位面积全年总电耗约为每平方米４０千瓦，而北京市高档办公建筑则为每平方米１００千瓦至３００千瓦。平均起来，建筑物全年电耗仅是北京市同类建筑物的３０％，真是一座名副其实的“超级节能楼”。集中世界上８０％节能技术超低能耗示范楼项目中，包括了对建筑物理环境控制与设施研究，声、光、热、空气质量等、建筑材料与构造，窗、遮阳、屋顶、建筑节点、钢结构等、建筑环境控制系统的研究，高效能源系统、新的采暖通风和空调方式及设备开发等、建筑智能化系统研究等。中国工程院院士、清华大学建筑学院教授江亿说起来很兴奋，“我们把世界上能找得着的、能放到楼里去的最新节能产品、设备以及相关技术都搁进去了。示范楼囊括了世界上８０％的节能技术、产品，其实就是一个以真实建筑物搭建的节能技术集成平台。”示范楼集成了国内外科研单位和制造企业的近百项建筑节能和绿色建筑相关的最新技术，中国、美国、德国、日本、丹麦等国家的近５０家企业捐赠了产品。其中还有近十项产品和技术为国内首次采用。走进示范楼，节能化、生态化、人性化的设计细节随处可见。耳目一新的节能亮点：地下室里也能有阳光示范楼南侧有３个彩色立柱，其上将被安装自动跟踪太阳光的透射式采光机。这种采光机能自动跟踪太阳，进行阳光采集，再通过光纤传导，就能把太阳光引进地下室，最远阳光传导距离可达２００米。此外，示范楼屋顶还将设置碟式太阳光收集器，利用抛面反射镜将平行的太阳光汇聚，通过传输也能为地下室提供照明。“神奇”玻璃能发电示范楼的南外墙装上了３０平方米的单晶硅光电玻璃，这是最新型的建筑用高科技玻璃产品，它竟然能把太阳光转化为可被人们利用的电能，是一种能发电的玻璃。３０平方米发电玻璃的峰值发电能力为５千瓦。光电玻璃位于结构夹层外侧，不影响采光，同时与双层皮幕墙组成光电幕墙。光电幕墙的电能是一种净能源，发电过程无废气、无噪音、也不会污染环境，是一种“绿色幕墙”。相变地板收放太阳能把特殊的相变材料作为蓄热体，填充到常规的活动地板就制成了相变地板。冬季，蓄热体白天可以蓄存照进室内的太阳光热量，晚上又向室内放出蓄存的热量，这样室内温度波动将不超过６摄氏度。相变地板、Low－e镀膜玻璃、真空玻璃、遮阳装置等各种材料配合使用，可使我国各类建筑的冬季采暖能耗降低到每平方米１０瓦，仅为目前采暖能耗的三分之一。由于围护结构导致的建筑耗冷耗热电量仅为常规建筑的１０％。在非潮湿地区，甚至可以建造出接近“零能耗”的建筑。地板送风更快更直接示范楼２层铺的蓄热地板中有几块“特殊分子”，它们的表面布满小孔，跟其它地板不一样。其实，它们是孔板送风地板，可以把新风送到二楼。比起从头顶天花板送风，从地板送风的好处是可以更快、更直接到达人的活动区域。孔板送风地板的送风量和风速由藏在其下的控制系统控制，而控制系统连着屋顶测二氧化碳浓度的装置，作用是测试出屋内的人数，并由此决定送风的多少。Low－e玻璃冬保暖夏隔热玻璃幕墙中用到一种Low－e玻璃，它是由秦皇岛一家企业生产的。这种玻璃表面所镀的膜层厚度还不到头发丝百分之一，它的低辐射膜层能将８０％以上的远红外热辐射反射回去。就像一面反射镜，冬季，它将室内热量的绝大部分反射回室内，由此保暖，夏季，它又可以阻止室外的热量进入室内，隔热效果很棒。客观说来，玻璃幕墙可不招节能设计人员的“待见”，在保温、隔热等方面透光型外围护显然不如非透光型的。不过，北京街头透光型外围护的建筑已经越来越多。记者从市建委节能办了解到，新型Low－e镀膜玻璃已经引起政府注意。发电还可同时供热制冷示范楼的大部分能源来自地下室的美国产燃气内燃机，机组看上去也就半人来高，延伸出大大小小的管道。它燃烧天然气发电，再由发电后的烟气余热产生热水供热或作为