清華大學超低能耗樓建筑技術(shù)方案

清華大學超低能耗樓建筑技術(shù)方案

清超低能耗建筑位于清校園東側(cè)，靠近南樓東側(cè)的墻。建筑地下1層,地上4層,總建筑面積約2930m2,地下1層為試驗及設(shè)備用房,地上4層均為開放式的展示和辦公用房。作為清華大學綠色建筑的科研基地,開放式實驗室及高新技術(shù)、產(chǎn)品的示范展臺,超低能耗樓匯集了多種國內(nèi)外最新的科研成果,使這一建筑盡可能少地消耗不可再生資源,盡可能利用可再生資源,降低對外界環(huán)境的污染,并為使用者提供健康、舒適、與自然和諧的工作及生活空間。在此基礎(chǔ)上,將開展各項與綠色建筑相關(guān)的科學研究,示范世界上各種先進的綠色建筑技術(shù),展示各種綠色建筑的相關(guān)產(chǎn)品,并進行有關(guān)綠色建筑技術(shù)的培訓和宣傳工作。在超低能耗樓的圍護結(jié)構(gòu)、環(huán)境控制、能源系統(tǒng)、自控測量等方面使用了多種新的建筑技術(shù)(表1),通過這些技術(shù)方案措施,將使得整個建筑物照明、空調(diào)、采暖的總能耗控制在常規(guī)建筑物能耗的1/3以下。一、幕墻外含量的設(shè)計從建筑全生命周期的觀點出發(fā),超低能耗樓采用了鋼結(jié)構(gòu)和高性能玻璃幕墻,使地面以上建筑材料的可再生利用率超過80%。利用各層的結(jié)構(gòu)高度形成1.2m高的架空樓面,并將其作為設(shè)備夾層,在其中布置設(shè)備和管道。建筑物內(nèi)部為靈活隔斷,空調(diào)和強弱電系統(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。在外立面的設(shè)計上,使用了可調(diào)節(jié)外遮陽百葉、雙層皮幕墻、中空玻璃幕墻、高效保溫隔熱墻體等多種具有不同針對性的技術(shù)來滿足高標準的節(jié)能要求。東立面采用3種幕墻方案設(shè)計。其南側(cè)采用中空玻璃幕墻加可調(diào)節(jié)的水平百葉外遮陽方案設(shè)計,遮陽百葉葉片寬60cm,根據(jù)需要可自動及手動控制,夏季能遮擋90%以上的太陽總輻射,冬季白天可充分讓陽光進入室內(nèi),夜間可完全關(guān)閉以減少室內(nèi)的熱量散失。其它部分的1到3層為雙層皮幕墻,內(nèi)外玻璃墻體之間使用內(nèi)遮陽百葉和反光板。各層內(nèi)遮陽百葉下部固定,向上打開,反光板可調(diào)角度,能在一定程度上將自然光反射到房間深處。雙層皮幕墻內(nèi)側(cè)玻璃墻體上設(shè)開啟扇,在過渡季需要自然通風時開啟;外側(cè)玻璃墻體上設(shè)通風口,過渡季時全部開啟,冬季全部關(guān)閉,夏季一半開啟從而形成雙層皮幕墻中的熱壓通風,帶走熱量。第4層則采用中空玻璃幕墻加可調(diào)節(jié)的垂直百葉外遮陽方案設(shè)計。南立面采用兩種幕墻方案設(shè)計,其一是雙層皮幕墻中間加內(nèi)百葉遮陽方案,雙層皮內(nèi)外玻璃墻體之間的凈空與東立面雙層皮幕墻相同,但是其中不設(shè)反光板,外側(cè)玻璃墻體的通風口可根據(jù)季節(jié)調(diào)節(jié)開啟;其二是中空玻璃幕墻加可調(diào)節(jié)的水平百葉外遮陽方案。這樣的方案設(shè)計可以為今后的研究、比較兩種遮陽方案提供實驗基礎(chǔ)。西、北立面主要采用輕質(zhì)保溫復合墻體方案,外飾面為鋁幕墻,并采用雙層中空玻璃窗,外設(shè)保溫卷簾,在冬季夜間,放下卷簾,可阻擋室外冷輻射,提高窗的保溫效果。屋頂主要部分為植被屋面,可以提高屋頂?shù)南募靖魺岫颈匦阅?吸收二氧化碳,釋放氧氣,吸收射線,并可以蓄存雨水,減少對周邊環(huán)境的排水壓力。根據(jù)北京當?shù)氐臍夂蛱卣饕约拔蓓斔哂械墓庹諘r間長、強度大、溫度變化大、風力大、土層薄、濕度小、易干旱、易受凍害和日灼、生態(tài)環(huán)境比地面差等特點,選擇喜光、耐干燥氣候、耐旱、耐貧瘠、根系淺、水平根系發(fā)達、生長緩慢、能抗風、耐寒的雜生草類。這樣可以減少屋面的覆土厚度,也減少一年中對植被維護的次數(shù)。在建筑1層北部設(shè)置生態(tài)艙,將綠色植物引入室內(nèi),創(chuàng)造與自然接觸的人性化空間,還可以在一定程度上改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量。在生態(tài)艙的斜玻璃屋頂內(nèi)安裝卷簾式內(nèi)遮陽,根據(jù)夏季與冬季、白天與夜間的不同環(huán)境特征,調(diào)節(jié)開啟扇和卷簾的狀態(tài),以滿足不同的保溫隔熱和通風的要求。超低能耗樓的圍護結(jié)構(gòu)主要由熱容較小的玻璃幕墻、輕質(zhì)保溫外墻、輕質(zhì)樓板等組成,其較小的熱慣性會使建筑物的室溫波動特別大。為增加建筑的熱慣性,采用了相變蓄熱地板的方案設(shè)計,將相變溫度為20～22℃的定型相變材料放置于常規(guī)地板下側(cè)作為蓄熱體,減小室內(nèi)的溫差變化。二、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計包括自然通風設(shè)計和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計,從節(jié)能舒適考慮,優(yōu)先采用被動方式,用自然手段維持室內(nèi)熱舒適環(huán)境。大換氣量的自然通風,可帶走室內(nèi)的余熱,保證室內(nèi)較為舒適的熱環(huán)境,從而縮短空調(diào)系統(tǒng)運行時間;通過合理的建筑設(shè)計,可以優(yōu)化自然通風效果。自然通風主要驅(qū)動力是風壓和熱壓,風壓通風具有通風量大、冷卻效果好的特點,但由于室外自然風的不確定性,風壓具有不確定性;與風壓通風相比,熱壓通風換氣量比較小,但卻更為穩(wěn)定。根據(jù)建筑本身以及周圍環(huán)境的特點,建筑2、3、4層北側(cè)利用風壓進行通風,建筑2、3、4層的南側(cè)及1層全部利用熱壓進行自然通風。在熱壓通風系統(tǒng)的設(shè)計中,結(jié)合樓梯間和走廊設(shè)置3個通風豎井,分別負責不同樓層的熱壓通風,保證每個樓層的換氣次數(shù)達到設(shè)計值,并在熱壓通風豎井頂端設(shè)計玻璃的集熱頂,利用太陽能強化通風。風壓通風的設(shè)計比較簡單,在建筑物表面正壓區(qū)和負壓區(qū)的適當部位設(shè)置通風開口,使室外空氣可以順暢地貫穿流過建筑內(nèi)部?？照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計貫徹節(jié)能、舒適、模塊化的理念。為滿足節(jié)能的要求,在建筑中采用熱濕獨立處理的方式,將室內(nèi)熱濕負荷分別處理。新風通過液體除濕設(shè)備的處理,提供干燥新風,用來消除室內(nèi)的濕負荷,同時滿足室內(nèi)人員的新風要求。室內(nèi)顯熱負荷用18℃的冷水消除(常規(guī)空調(diào)采用7℃的冷凍水),空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。同時,熱濕獨立控制的空調(diào)系統(tǒng)通過送干燥新風降低室內(nèi)濕度,在較高溫度下也可以實現(xiàn)同樣的熱舒適水平,并徹底改變了高濕度帶來的空氣質(zhì)量問題?；诙喾N使用功能及其今后使用過程中的功能變化,在建筑中采用了模塊化的空調(diào)方案設(shè)計,提供靈活的空調(diào)末端組合方式,既使建筑內(nèi)各個區(qū)域的使用功能發(fā)生變化,也能夠滿足空調(diào)的要求。具體空調(diào)末端形式根據(jù)房間功能要求采用地板置換通風或個性化送風。地板置換通風的方式可以在地板附近形成新鮮空氣區(qū)域,人體周圍空氣質(zhì)量好;空氣溫度還可以在室內(nèi)沿高度分層,僅需控制人員活動區(qū)溫度,降低了能耗。個性化送風設(shè)計可以直接將新風送至人員主要活動區(qū)域,保證了空氣質(zhì)量,人員舒適性好,還可以分別調(diào)節(jié)送風量,實現(xiàn)個性化控制。新風承擔了室內(nèi)的全部濕負荷及其部分顯熱負荷,其余的顯熱負荷由溫度較高的18℃冷水來承擔,建筑內(nèi)的活動隔墻中布置細水管形成冷輻射隔墻,利用輻射和對流雙重換熱效果,在室內(nèi)形成均勻的室內(nèi)空氣溫度分布,人體舒適性好,滿足節(jié)能要求。三、太陽能處理系統(tǒng)超低能耗樓的能源主要來自太陽能和天然氣。天然氣通過SOFC固體燃料電池轉(zhuǎn)化為電能、熱能、CO2和水,熱能再進一步作為新風溫濕度處理的動力。太陽能再生器用于濃縮溴化鋰溶液,為新風干燥、殺菌系統(tǒng)提供動力;陽光傳導系統(tǒng)可以充分地利用自然光照明;另外,智能化的圍護系統(tǒng)也可以最大限度地利用太陽能補充冬季的采暖。在建筑中采用固體燃料電池熱冷電三聯(lián)供系統(tǒng),容量為50kw,尖峰電負荷由電網(wǎng)補充,其總的熱能利用效率可達到85%,其中發(fā)電效率43%,二氧化硫和氮氧化合物可以做到零排放;在燃料電池設(shè)備到位以前先使用內(nèi)燃機作為替代方案。液體除濕系統(tǒng)由燃料電池的廢熱和太陽能驅(qū)動,采用集中再生的方式,并使用溶液蓄能裝置把濃溶液送入各架空樓面設(shè)備夾層中新風機的除濕器中,對新風進行除濕處理。濃溶液吸收空氣中的水分以后變?yōu)榈蜐舛鹊娜芤?經(jīng)太陽能和廢熱驅(qū)動再生后循環(huán)使用。太陽能再生系統(tǒng)的再生器布置在與超低能耗樓緊鄰的建筑館屋面上,總面積約250m2,低濃度溶液在此再生為濃溶液。陽光傳導系統(tǒng)可以把陽光傳遞到建筑室內(nèi)自然光照不足的區(qū)域,這樣可以降低人工采光的照明能耗。其中采用了3種陽光傳導技術(shù):結(jié)合樓梯間利用聚光傳導設(shè)備把自然光傳導到地下層;利用光導纖維把自然光傳導到1～3層;利用光導管把自然光傳導到4層和生態(tài)艙夾層。四、開啟/被壓通風豎井控制的狀態(tài)超低能耗樓的控制系統(tǒng)本著舒適、節(jié)能的原則,根據(jù)建筑環(huán)境的變化調(diào)節(jié)建筑物各部分狀態(tài),實現(xiàn)建筑智能化控制和實時測量?？刂葡到y(tǒng)可以自動采集各室外測點的日照情況,根據(jù)不同的朝向方位調(diào)節(jié)遮陽百葉的狀態(tài),減少建筑負荷;也可以采集室外氣象參數(shù),決定外窗的開啟狀態(tài)和熱壓通風豎井的開啟狀態(tài);另外,還可以控制建筑中采光系統(tǒng)、能源輸配管理系統(tǒng)、智能新風系統(tǒng)等的工作狀態(tài)。測量系統(tǒng)在屋頂布置氣象參數(shù)測點,測量室外溫度、濕度、風速、太陽輻射強度、太陽高度角和方位角等;在建筑的圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)布置測點,測量各種圍護結(jié)構(gòu)的表面溫度、熱流、氣流等參數(shù);在建筑內(nèi)部布置測點,測量房間、樓梯間、通風豎井中的溫度、濕度、風速等參數(shù)。超低能