清華大學(xué)超低能耗示范樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

清華大學(xué)超級低能耗示范樓是北京市科學(xué)技術(shù)委員會科研項目。作為2008年奧運(yùn)會的“初始示范工程”，它的目的是通過奧運(yùn)會建筑反映“高科技”、“綠色”和“人性化”。同時,超低能耗示范樓是國家“十五”科技攻關(guān)項目“綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)研究”的技術(shù)集成平臺,用于展示和實驗各種低能耗、生態(tài)化、人性化的建筑形式及先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上陸續(xù)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、空氣質(zhì)量等),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),建筑環(huán)境控制系統(tǒng)的研究(高效能源系統(tǒng)、新的采暖、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。超低能耗樓還將成為展示與宣傳各種最新技術(shù)的舞臺,為技術(shù)交流、產(chǎn)研掛鉤、知識普及搭建橋梁,成為清華大學(xué)與企業(yè)界合作開發(fā)、展示新產(chǎn)品的平臺,以及向社會、大眾宣傳、展示建筑節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展建筑概念、技術(shù)和產(chǎn)品的展臺。超低能耗示范樓座落于清華大學(xué)校園東區(qū),建筑設(shè)計如圖所示,總建筑面積3000m2,地下一層,地上四層。由辦公室、開放式實驗室或?qū)嶒炁_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。玻璃幕墻和保溫墻體的景觀與綠化設(shè)計超低能耗示范樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系主要對可調(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)、太陽能利用等進(jìn)行綜合分析,給出不同環(huán)境條件下的推薦形式。如圖標(biāo)明了示范樓外各個外立面采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方式。通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計,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)備等所發(fā)出的熱量,基本可實現(xiàn)冬季零采暖能耗。在夏季最熱的月份整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均得熱也只有5.2W/m2。玻璃幕墻和保溫墻體東立面和南立面采用雙層屏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)1W/m2K,太陽能得熱系數(shù)0.5。雙層屏幕墻按照室內(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)口和出風(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),實現(xiàn)冬季最大限度利用太陽能、夏季遮擋太陽輻射,同時滿足室內(nèi)自然采光的最佳設(shè)計。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。相變蓄熱活動地板示范樓的圍護(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)溫度波動大,尤其是在冬季,晝夜溫差會超過10℃。為增加建筑的熱慣性,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)計方案。如圖所示,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)溫度波動將不超過6℃。活動地板架空層高度1.2米,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)。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。植被屋面和光導(dǎo)采光系統(tǒng)為提高屋頂?shù)母魺岜匦阅?同時改善生態(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?？照{(diào)風(fēng)選系統(tǒng)設(shè)計自然通風(fēng)利用室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)優(yōu)先考慮被動方式,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),春秋兩季可通過大換氣量的自然通風(fēng)來帶走余熱,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)形式及周圍環(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)計玻璃煙囪,利用太陽能強(qiáng)化通風(fēng)。此外在建筑外立面合適部位設(shè)置開啟扇,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建筑。濕度獨(dú)立控制的新風(fēng)處理方式超低能耗示范樓共設(shè)置4臺4000m3/h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零點(diǎn)以下,除去空氣中的水分后再通過加熱將空氣溫度回升,由此帶來冷熱抵消的高能耗。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)備的制冷效率降低,因而也導(dǎo)致高能耗。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)組同時可實現(xiàn)全熱回收效率超過80%的高效熱回收,可充分利用排風(fēng)中的全熱同時又保證新風(fēng)不被排風(fēng)污染。模塊化的末端調(diào)節(jié)設(shè)備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,人員工作時間及活動區(qū)域相對固定,個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)來消除室內(nèi)的基本濕負(fù)荷。工位送風(fēng)則提供每個辦公人員個人活動區(qū)域的送風(fēng),通過調(diào)節(jié)風(fēng)口角度、出風(fēng)速度來滿足自身的要求。示范樓內(nèi)另一類房間為報告廳和會議室,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)的動態(tài)風(fēng)FCU來消除室內(nèi)尖峰負(fù)荷。在校園基層社會能量系統(tǒng)冷凍機(jī)組的應(yīng)用BCHP系統(tǒng)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%。基本供電由內(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)動液體除濕新風(fēng)機(jī)組,用于溶液的再生。高溫冷水機(jī)組或直接利用地下水配合獨(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。地下水通過板換換熱后全部回灌,僅利用土壤中蓄存的冷量,不會造成地下水資源的流失。太陽能利用超低能耗樓南側(cè)立面裝有30平米的光伏玻璃,發(fā)電用于驅(qū)動玻璃幕墻開啟扇和遮陽百葉。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,該系統(tǒng)為拋物面碟式雙軸跟蹤聚焦,峰值發(fā)電功率3kW。試驗系統(tǒng)和測點(diǎn)布置智能化的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)自動采集室外的日照情況,根據(jù)不同的朝向方位,調(diào)節(jié)遮陽百葉的狀態(tài),同時根據(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,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