绿色建筑关键技术综合应用
时间： 2016-01-07
超低能耗示范楼坐落于清华大学校园东区，总建筑面积2920平方米，作为2008年奥运建筑“前期示范工程”，旨在通过其体现奥运建筑“高科技”、“绿色”、“人性化”。同时，该楼是国家“十五”科技攻关项目“绿色建筑关键技术研究”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技术产品，并在此基础上开展建筑技术科学领域基础与应用性研究，并作为展示与宣传各种最新技术的舞台。
作为绿色建筑的示范，超低能耗楼在设计方案中主要考虑了如下几方面关键技术应用。
智能围护结构
超低能耗楼外围护结构体系主要是针对可调控的“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。
东立面有三种幕墙方式，分别为宽通道外循环式双层皮幕墙、玻璃幕墙＋水平外遮阳、玻璃幕墙＋垂直外遮阳。东立面大型外遮阳装置，叶片宽度为600毫米，叶片间距同样是600毫米，单片遮阳板长度可达6米。根据采光、视野和能量收集的不同要求，水平外遮阳板分为三组，能够根据室内采光度和太阳光的不同照射角度等，及时调整外遮阳百叶开启角度，从而达到室内采光与外遮阳两者间的最佳和谐。示范楼东侧内开窗采用隔热铝合金窗，选用20毫米宽隔热条铝合金型材及暖边密封系统，具有良好的窗扇的整体刚性和保温性能。
南立面的幕墙方式有三种，一种与东立面玻璃幕墙＋水平外遮阳类似，区别是双中空玻璃幕墙的中间一片采用真空玻璃。南立面另外两种幕墙则和东立面不同，一是其安装方式为单元式，另外则是采用窄通道的通风方式。其中一层和二层为内循环方式，通风夹层为200毫米，通风系统与空调排风系统相结合，房间空调回风通过双层皮之间的通道后进入排风道，达到夏季利用排风中的冷量而冬季利用排风中的热量实现节能。
西立面和北立面采用轻质保温外墙，从外到内依次为铝幕墙、保温棉、石膏砌块。其中石膏砌块利用发电厂烟气脱硫的副产品，粉碎后还可回收利用，而聚氨酯保温材料的原料之一也是废旧塑料瓶、光盘等产品回用，体现了在材料选择上全生命周期的环保理念。
西立面及北立面外窗采用多腔结构的PVC塑钢窗，并统一安装卷帘外遮阳。
屋面有两类，一类为种植屋面，其中有保温层。另一部分透光屋面是生态仓屋顶，屋顶斜面部分采用了自洁净玻璃。
示范楼采用了高架活动地板的方式，架空层高度1.2米，此高度远大于常规项目，具有试验性质，旨在为今后空调风道、各类水管、电缆、综合布线等均隐藏在架空层内的各类管线的移动调整提供便利。
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，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℃。
室内环境控制系统方案
一是自然通风利用。
超低能耗示范楼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三个通风竖井，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。为实现自然通风、自然采光同时又满足防火要求，室内楼梯间成为一个多功能综合体，楼梯间井道利用高强度单片铯钾防火玻璃建成，使得玻璃通风道同时解决了室内楼梯间的自然采光需求。此外在建筑外立面合适部位设置开启扇，室外空气在风压通风的作用下可顺畅地贯穿流过建筑。
二是湿度独立控制的新风处理方式。
超低能耗示范楼共设置4台4000立方米/小时新风机组，通过溶液除湿设备的处理，可提供干燥的新风，用来消除室内的湿负荷，同时满足室内人员的新风要求。此外示范楼的新风机组同时可实现全热回收效率超过80％的高效热回收。
三是模块化的末端调节设备。
通过溶液除湿后的新风可带走室内的湿负荷，房间内的末端装置仅负责显热部分（冷冻水温度可采用18℃），按照干工况运行，不存在结露现象，彻底避免了潮湿表面滋长霉菌，恶化空气质量。示范楼内提供模块化的空调末端配置，根据房间实际使用功能灵活组合。
四是室内照明系统。
照明系统采用背景照明与桌面台灯相结合。其中全楼背景照明系统能自动补充日照水平，高效荧光灯在每个阶段提供300lx，整体感应器测量内部光线度和光线运动情况，如果有足够的日光则使灯变暗，如果没有人使用这一房间，则把该房间的灯关掉。感应器还有红外线接收器，允许使用者通过电脑来控制照明度。
能源和设备系统方案
示范楼能源和设备系统采用多项节能措施和可再生能源技术。在设计阶段的模拟分析表明，包括照明和办公设备在内，示范楼单位面积全年总用电量指标为40千瓦时/平方米，是北京市高档办公建筑总用电量指标的30％。
一是BCHP系统。
示范楼的能源系统采用楼宇式热电联供系统BCHP，大楼所发电力除供应本楼使用，还可并入校园电网供校内其他建筑使用。发电后的废热冬季可直接用于供热或用于驱动吸收式热泵，此外烟气冷凝余热充分回收，热电联产系统的总用能效率可接近100％。夏季溴化锂溶液除湿系统承担室内潜热负荷，显热负荷可以通过三种方式（微离心式电制冷机、利用内燃机废热的吸收式热泵、直接利用溴化锂浓溶液产生冷冻水的制冷机）产生18℃～21℃的冷冻水来承担。
冬季四种热电联产方式交替运行，夏季三种制冷机可联合或交替运行，这样冬季及夏季为满足试验需求及负荷特性，可有近十种不同的运行模式，通过多种组合的详细运行数据可为北京市乃至全国各类建筑的能源系统总结推荐的系统方案。
二是高温冷水机组。
由于多项节能措施的采用，示范楼夏季最大供冷量仅需120千瓦，而且大多数时间为部分负荷。另外，由于采用了独立湿度控制的新风机组，除湿任务由溶液除湿系统承担，冷机仅承担显热负荷，夏季冷水温度18℃即可满足要求。基于这样的供冷需求，示范楼选用了小型高效率离心式压缩机，在一个夏天运行后，可比常规的制冷方式节省50％以上的电量。
三是空调末端控制调节措施与输配系统。
示范楼空调系统根据负荷需求调节，其中新风根据室内二氧化碳浓度或回风湿度调节，新风机变频调速，排风机与新风机同步变化。
可再生能源利用
可再生能源的利用表现在以下几方面。一是光电玻璃。楼南立面装有约30平方米的光电玻璃，设计峰值发电能力为5千瓦。位于结构夹层外侧，不影响采光，同时与双层皮幕墙结合组成光电幕墙，作为集合太阳能光伏发电技术与幕墙技术的新型功能性建筑幕墙示范。二是太阳能空气集热器。利用联集管式太阳能空气集热器，日集热效率可达到50％。三是太阳能庭院灯。选用太阳能庭院灯为大楼入口处提供夜间照明，选用LED光源。四是太阳光采光技术。南侧室外设置自动跟踪太阳光的阳光采集系统，为地下室提供采光，减少白天照明电耗。
测量和控制系统
超低能耗楼实现了消防、保安、照明、空调、办公、通讯等多个系统的智能化，其中重点内容为完善的设备节能管理系统，其控制管理的任务可以归纳为以下几个方面：
一是对照明系统、围护结构、冷热源系统等系统设备进行调节，保证系统设备的安全可靠运行，实现室内的舒适性要求，优化系统运行和设备调节，降低能耗。
二是对整个建筑电耗、燃气量、城市热网热用量的统计，内燃机等发电、供热量的计量，以及各子系统和子系统设备电耗的分支计量。
三是气象参数监测、围护结构热工性能逐时监测，反映室内环境舒适度的温湿度、二氧化碳浓度、照度等参数的测试以及反映系统运行状况的水温、风温、烟气温度、烟气流量等参数的监测。
四是提供对设备的管理机制。建立系统设备的数据库，使研究人员能够方便地查询到设备的出厂信息，在示范楼系统图中的位置和空间位置，当前工作状态和历史运行记录。
五是根据实验研究的需要以及设备研究的需要，楼控系统应提供多种操作模式。包括现场手动操作、手自动模式切换、通过控制系统对设备的人工调节、程序自动控制等。
示范楼各系统设备会经常改变，楼控系统需要为人工设定传感器与执行器的关联途径，编辑控制算法提供改变的接口。为满足上述要求，楼控系统由测量网、控制网和办公网组成。该楼是我国首个综合了示范、展示、试验功能的绿色建筑，将文中提及技术与产品全部考虑在内，其建安成本单位建筑面积为10000元。该楼2005年1月竣工并投入使用，多种生态与节能措施实际应用效果将通过详细的测试及计量结果验证，从这种意义上讲，示范楼是一个以真实建筑为基础的试验台，在大楼方案论证阶段，就贯穿可更新、可调节、可拓展思路，为未来更深入的试验及科研创造条件。
作为绿色建筑的示范，超低能耗楼在设计方案中主要考虑了如下几方面关键技术应用。
智能围护结构
超低能耗楼外围护结构体系主要是针对可调控的“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。
东立面有三种幕墙方式，分别为宽通道外循环式双层皮幕墙、玻璃幕墙＋水平外遮阳、玻璃幕墙＋垂直外遮阳。东立面大型外遮阳装置，叶片宽度为600毫米，叶片间距同样是600毫米，单片遮阳板长度可达6米。根据采光、视野和能量收集的不同要求，水平外遮阳板分为三组，能够根据室内采光度和太阳光的不同照射角度等，及时调整外遮阳百叶开启角度，从而达到室内采光与外遮阳两者间的最佳和谐。示范楼东侧内开窗采用隔热铝合金窗，选用20毫米宽隔热条铝合金型材及暖边密封系统，具有良好的窗扇的整体刚性和保温性能。
南立面的幕墙方式有三种，一种与东立面玻璃幕墙＋水平外遮阳类似，区别是双中空玻璃幕墙的中间一片采用真空玻璃。南立面另外两种幕墙则和东立面不同，一是其安装方式为单元式，另外则是采用窄通道的通风方式。其中一层和二层为内循环方式，通风夹层为200毫米，通风系统与空调排风系统相结合，房间空调回风通过双层皮之间的通道后进入排风道，达到夏季利用排风中的冷量而冬季利用排风中的热量实现节能。
西立面和北立面采用轻质保温外墙，从外到内依次为铝幕墙、保温棉、石膏砌块。其中石膏砌块利用发电厂烟气脱硫的副产品，粉碎后还可回收利用，而聚氨酯保温材料的原料之一也是废旧塑料瓶、光盘等产品回用，体现了在材料选择上全生命周期的环保理念。
西立面及北立面外窗采用多腔结构的PVC塑钢窗，并统一安装卷帘外遮阳。
屋面有两类，一类为种植屋面，其中有保温层。另一部分透光屋面是生态仓屋顶，屋顶斜面部分采用了自洁净玻璃。
示范楼采用了高架活动地板的方式，架空层高度1.2米，此高度远大于常规项目，具有试验性质，旨在为今后空调风道、各类水管、电缆、综合布线等均隐藏在架空层内的各类管线的移动调整提供便利。
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，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℃。
室内环境控制系统方案
一是自然通风利用。
超低能耗示范楼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三个通风竖井，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。为实现自然通风、自然采光同时又满足防火要求，室内楼梯间成为一个多功能综合体，楼梯间井道利用高强度单片铯钾防火玻璃建成，使得玻璃通风道同时解决了室内楼梯间的自然采光需求。此外在建筑外立面合适部位设置开启扇，室外空气在风压通风的作用下可顺畅地贯穿流过建筑。
二是湿度独立控制的新风处理方式。
超低能耗示范楼共设置4台4000立方米/小时新风机组，通过溶液除湿设备的处理，可提供干燥的新风，用来消除室内的湿负荷，同时满足室内人员的新风要求。此外示范楼的新风机组同时可实现全热回收效率超过80％的高效热回收。
三是模块化的末端调节设备。
通过溶液除湿后的新风可带走室内的湿负荷，房间内的末端装置仅负责显热部分（冷冻水温度可采用18℃），按照干工况运行，不存在结露现象，彻底避免了潮湿表面滋长霉菌，恶化空气质量。示范楼内提供模块化的空调末端配置，根据房间实际使用功能灵活组合。
四是室内照明系统。
照明系统采用背景照明与桌面台灯相结合。其中全楼背景照明系统能自动补充日照水平，高效荧光灯在每个阶段提供300lx，整体感应器测量内部光线度和光线运动情况，如果有足够的日光则使灯变暗，如果没有人使用这一房间，则把该房间的灯关掉。感应器还有红外线接收器，允许使用者通过电脑来控制照明度。
能源和设备系统方案
示范楼能源和设备系统采用多项节能措施和可再生能源技术。在设计阶段的模拟分析表明，包括照明和办公设备在内，示范楼单位面积全年总用电量指标为40千瓦时/平方米，是北京市高档办公建筑总用电量指标的30％。
一是BCHP系统。
示范楼的能源系统采用楼宇式热电联供系统BCHP，大楼所发电力除供应本楼使用，还可并入校园电网供校内其他建筑使用。发电后的废热冬季可直接用于供热或用于驱动吸收式热泵，此外烟气冷凝余热充分回收，热电联产系统的总用能效率可接近100％。夏季溴化锂溶液除湿系统承担室内潜热负荷，显热负荷可以通过三种方式（微离心式电制冷机、利用内燃机废热的吸收式热泵、直接利用溴化锂浓溶液产生冷冻水的制冷机）产生18℃～21℃的冷冻水来承担。
冬季四种热电联产方式交替运行，夏季三种制冷机可联合或交替运行，这样冬季及夏季为满足试验需求及负荷特性，可有近十种不同的运行模式，通过多种组合的详细运行数据可为北京市乃至全国各类建筑的能源系统总结推荐的系统方案。
二是高温冷水机组。
由于多项节能措施的采用，示范楼夏季最大供冷量仅需120千瓦，而且大多数时间为部分负荷。另外，由于采用了独立湿度控制的新风机组，除湿任务由溶液除湿系统承担，冷机仅承担显热负荷，夏季冷水温度18℃即可满足要求。基于这样的供冷需求，示范楼选用了小型高效率离心式压缩机，在一个夏天运行后，可比常规的制冷方式节省50％以上的电量。
三是空调末端控制调节措施与输配系统。
示范楼空调系统根据负荷需求调节，其中新风根据室内二氧化碳浓度或回风湿度调节，新风机变频调速，排风机与新风机同步变化。
可再生能源利用
可再生能源的利用表现在以下几方面。一是光电玻璃。楼南立面装有约30平方米的光电玻璃，设计峰值发电能力为5千瓦。位于结构夹层外侧，不影响采光，同时与双层皮幕墙结合组成光电幕墙，作为集合太阳能光伏发电技术与幕墙技术的新型功能性建筑幕墙示范。二是太阳能空气集热器。利用联集管式太阳能空气集热器，日集热效率可达到50％。三是太阳能庭院灯。选用太阳能庭院灯为大楼入口处提供夜间照明，选用LED光源。四是太阳光采光技术。南侧室外设置自动跟踪太阳光的阳光采集系统，为地下室提供采光，减少白天照明电耗。
测量和控制系统
超低能耗楼实现了消防、保安、照明、空调、办公、通讯等多个系统的智能化，其中重点内容为完善的设备节能管理系统，其控制管理的任务可以归纳为以下几个方面：
一是对照明系统、围护结构、冷热源系统等系统设备进行调节，保证系统设备的安全可靠运行，实现室内的舒适性要求，优化系统运行和设备调节，降低能耗。
二是对整个建筑电耗、燃气量、城市热网热用量的统计，内燃机等发电、供热量的计量，以及各子系统和子系统设备电耗的分支计量。
三是气象参数监测、围护结构热工性能逐时监测，反映室内环境舒适度的温湿度、二氧化碳浓度、照度等参数的测试以及反映系统运行状况的水温、风温、烟气温度、烟气流量等参数的监测。
四是提供对设备的管理机制。建立系统设备的数据库，使研究人员能够方便地查询到设备的出厂信息，在示范楼系统图中的位置和空间位置，当前工作状态和历史运行记录。
五是根据实验研究的需要以及设备研究的需要，楼控系统应提供多种操作模式。包括现场手动操作、手自动模式切换、通过控制系统对设备的人工调节、程序自动控制等。
示范楼各系统设备会经常改变，楼控系统需要为人工设定传感器与执行器的关联途径，编辑控制算法提供改变的接口。为满足上述要求，楼控系统由测量网、控制网和办公网组成。该楼是我国首个综合了示范、展示、试验功能的绿色建筑，将文中提及技术与产品全部考虑在内，其建安成本单位建筑面积为10000元。该楼2005年1月竣工并投入使用，多种生态与节能措施实际应用效果将通过详细的测试及计量结果验证，从这种意义上讲，示范楼是一个以真实建筑为基础的试验台，在大楼方案论证阶段，就贯穿可更新、可调节、可拓展思路，为未来更深入的试验及科研创造条件。
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