清华大学超低能耗楼建筑技术方案

清华大学超低能耗楼建筑技术方案

清超低能耗建筑位于清校园东侧，靠近南楼东侧的墙。建筑地下1层,地上4层,总建筑面积约2930m2,地下1层为试验及设备用房,地上4层均为开放式的展示和办公用房。作为清华大学绿色建筑的科研基地,开放式实验室及高新技术、产品的示范展台,超低能耗楼汇集了多种国内外最新的科研成果,使这一建筑尽可能少地消耗不可再生资源,尽可能利用可再生资源,降低对外界环境的污染,并为使用者提供健康、舒适、与自然和谐的工作及生活空间。在此基础上,将开展各项与绿色建筑相关的科学研究,示范世界上各种先进的绿色建筑技术,展示各种绿色建筑的相关产品,并进行有关绿色建筑技术的培训和宣传工作。在超低能耗楼的围护结构、环境控制、能源系统、自控测量等方面使用了多种新的建筑技术(表1),通过这些技术方案措施,将使得整个建筑物照明、空调、采暖的总能耗控制在常规建筑物能耗的1/3以下。一、幕墙外含量的设计从建筑全生命周期的观点出发,超低能耗楼采用了钢结构和高性能玻璃幕墙,使地面以上建筑材料的可再生利用率超过80%。利用各层的结构高度形成1.2m高的架空楼面,并将其作为设备夹层,在其中布置设备和管道。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。在外立面的设计上,使用了可调节外遮阳百叶、双层皮幕墙、中空玻璃幕墙、高效保温隔热墙体等多种具有不同针对性的技术来满足高标准的节能要求。东立面采用3种幕墙方案设计。其南侧采用中空玻璃幕墙加可调节的水平百叶外遮阳方案设计,遮阳百叶叶片宽60cm,根据需要可自动及手动控制,夏季能遮挡90%以上的太阳总辐射,冬季白天可充分让阳光进入室内,夜间可完全关闭以减少室内的热量散失。其它部分的1到3层为双层皮幕墙,内外玻璃墙体之间使用内遮阳百叶和反光板。各层内遮阳百叶下部固定,向上打开,反光板可调角度,能在一定程度上将自然光反射到房间深处。双层皮幕墙内侧玻璃墙体上设开启扇,在过渡季需要自然通风时开启;外侧玻璃墙体上设通风口,过渡季时全部开启,冬季全部关闭,夏季一半开启从而形成双层皮幕墙中的热压通风,带走热量。第4层则采用中空玻璃幕墙加可调节的垂直百叶外遮阳方案设计。南立面采用两种幕墙方案设计,其一是双层皮幕墙中间加内百叶遮阳方案,双层皮内外玻璃墙体之间的净空与东立面双层皮幕墙相同,但是其中不设反光板,外侧玻璃墙体的通风口可根据季节调节开启;其二是中空玻璃幕墙加可调节的水平百叶外遮阳方案。这样的方案设计可以为今后的研究、比较两种遮阳方案提供实验基础。西、北立面主要采用轻质保温复合墙体方案,外饰面为铝幕墙,并采用双层中空玻璃窗,外设保温卷帘,在冬季夜间,放下卷帘,可阻挡室外冷辐射,提高窗的保温效果。屋顶主要部分为植被屋面,可以提高屋顶的夏季隔热冬季保温性能,吸收二氧化碳,释放氧气,吸收射线,并可以蓄存雨水,减少对周边环境的排水压力。根据北京当地的气候特征以及屋顶所具有的光照时间长、强度大、温度变化大、风力大、土层薄、湿度小、易干旱、易受冻害和日灼、生态环境比地面差等特点,选择喜光、耐干燥气候、耐旱、耐贫瘠、根系浅、水平根系发达、生长缓慢、能抗风、耐寒的杂生草类。这样可以减少屋面的覆土厚度,也减少一年中对植被维护的次数。在建筑1层北部设置生态舱,将绿色植物引入室内,创造与自然接触的人性化空间,还可以在一定程度上改善室内的空气质量。在生态舱的斜玻璃屋顶内安装卷帘式内遮阳,根据夏季与冬季、白天与夜间的不同环境特征,调节开启扇和卷帘的状态,以满足不同的保温隔热和通风的要求。超低能耗楼的围护结构主要由热容较小的玻璃幕墙、轻质保温外墙、轻质楼板等组成,其较小的热惯性会使建筑物的室温波动特别大。为增加建筑的热惯性,采用了相变蓄热地板的方案设计,将相变温度为20～22℃的定型相变材料放置于常规地板下侧作为蓄热体,减小室内的温差变化。二、空调系统设计室内环境控制系统设计包括自然通风设计和空调系统设计,从节能舒适考虑,优先采用被动方式,用自然手段维持室内热舒适环境。大换气量的自然通风,可带走室内的余热,保证室内较为舒适的热环境,从而缩短空调系统运行时间;通过合理的建筑设计,可以优化自然通风效果。自然通风主要驱动力是风压和热压,风压通风具有通风量大、冷却效果好的特点,但由于室外自然风的不确定性,风压具有不确定性;与风压通风相比,热压通风换气量比较小,但却更为稳定。根据建筑本身以及周围环境的特点,建筑2、3、4层北侧利用风压进行通风,建筑2、3、4层的南侧及1层全部利用热压进行自然通风。在热压通风系统的设计中,结合楼梯间和走廊设置3个通风竖井,分别负责不同楼层的热压通风,保证每个楼层的换气次数达到设计值,并在热压通风竖井顶端设计玻璃的集热顶,利用太阳能强化通风。风压通风的设计比较简单,在建筑物表面正压区和负压区的适当部位设置通风开口,使室外空气可以顺畅地贯穿流过建筑内部。空调系统设计贯彻节能、舒适、模块化的理念。为满足节能的要求,在建筑中采用热湿独立处理的方式,将室内热湿负荷分别处理。新风通过液体除湿设备的处理,提供干燥新风,用来消除室内的湿负荷,同时满足室内人员的新风要求。室内显热负荷用18℃的冷水消除(常规空调采用7℃的冷冻水),空调系统节能效果显著。同时,热湿独立控制的空调系统通过送干燥新风降低室内湿度,在较高温度下也可以实现同样的热舒适水平,并彻底改变了高湿度带来的空气质量问题。基于多种使用功能及其今后使用过程中的功能变化,在建筑中采用了模块化的空调方案设计,提供灵活的空调末端组合方式,既使建筑内各个区域的使用功能发生变化,也能够满足空调的要求。具体空调末端形式根据房间功能要求采用地板置换通风或个性化送风。地板置换通风的方式可以在地板附近形成新鲜空气区域,人体周围空气质量好;空气温度还可以在室内沿高度分层,仅需控制人员活动区温度,降低了能耗。个性化送风设计可以直接将新风送至人员主要活动区域,保证了空气质量,人员舒适性好,还可以分别调节送风量,实现个性化控制。新风承担了室内的全部湿负荷及其部分显热负荷,其余的显热负荷由温度较高的18℃冷水来承担,建筑内的活动隔墙中布置细水管形成冷辐射隔墙,利用辐射和对流双重换热效果,在室内形成均匀的室内空气温度分布,人体舒适性好,满足节能要求。三、太阳能处理系统超低能耗楼的能源主要来自太阳能和天然气。天然气通过SOFC固体燃料电池转化为电能、热能、CO2和水,热能再进一步作为新风温湿度处理的动力。太阳能再生器用于浓缩溴化锂溶液,为新风干燥、杀菌系统提供动力;阳光传导系统可以充分地利用自然光照明;另外,智能化的围护系统也可以最大限度地利用太阳能补充冬季的采暖。在建筑中采用固体燃料电池热冷电三联供系统,容量为50kw,尖峰电负荷由电网补充,其总的热能利用效率可达到85%,其中发电效率43%,二氧化硫和氮氧化合物可以做到零排放;在燃料电池设备到位以前先使用内燃机作为替代方案。液体除湿系统由燃料电池的废热和太阳能驱动,采用集中再生的方式,并使用溶液蓄能装置把浓溶液送入各架空楼面设备夹层中新风机的除湿器中,对新风进行除湿处理。浓溶液吸收空气中的水分以后变为低浓度的溶液,经太阳能和废热驱动再生后循环使用。太阳能再生系统的再生器布置在与超低能耗楼紧邻的建筑馆屋面上,总面积约250m2,低浓度溶液在此再生为浓溶液。阳光传导系统可以把阳光传递到建筑室内自然光照不足的区域,这样可以降低人工采光的照明能耗。其中采用了3种阳光传导技术:结合楼梯间利用聚光传导设备把自然光传导到地下层;利用光导纤维把自然光传导到1～3层;利用光导管把自然光传导到4层和生态舱夹层。四、开启/被压通风竖井控制的状态超低能耗楼的控制系统本着舒适、节能的原则,根据建筑环境的变化调节建筑物各部分状态,实现建筑智能化控制和实时测量。控制系统可以自动采集各室外测点的日照情况,根据不同的朝向方位调节遮阳百叶的状态,减少建筑负荷;也可以采集室外气象参数,决定外窗的开启状态和热压通风竖井的开启状态;另外,还可以控制建筑中采光系统、能源输配管理系统、智能新风系统等的工作状态。测量系统在屋顶布置气象参数测点,测量室外温度、湿度、风速、太阳辐射强度、太阳高度角和方位角等;在建筑的围护结构内布置测点,测量各种围护结构的表面温度、热流、气流等参数;在建筑内部布置测点,测量房间、楼梯间、通风竖井中的温度、湿度、风速等参数。超低能