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清华超低能耗示范建筑示范

文:admin 发表时间2005-7-7

    为实现建筑可持续发展思想，许多国家通过建造Intger示范楼将建筑节能新技术融入绿色建筑之中，意在寻求自然、建筑和人三者之间的和谐统一，即在“以人为本”的基础上，利用自然条件和人工手段来创造一个有利于们舒适、健康的生活环境，同时又要控制对于自然资源的使用，实现向自然索取与回报之间的平衡，使建筑物更舒适、健康、高效和美观。如美国匹兹堡的CCI中心，德国柏林的新议会大厦、法兰克福商业银行，澳大利亚悉尼的奥林匹克村，我国香港的科学公园等绿色智能建筑。

　英国于九十年代末分别建造了著名的住宅和办公Intger示范建筑。据测算，该示范工程，可比传统节能建筑节能50%，节水1/3，其太阳能热水装置可提供60%供热需求。英国建筑研究署BRE的环境大楼为21世纪的办公建筑提供了一个Intger样板。该大楼为三层框架结构，建筑面积6000m2，其设计新颖，环境保护先进，展示了今后低能耗建筑的发展方向。该大楼的目的不仅为了提供低能耗办公场所，而且用作评定各种新颖技术的大规模实验设施。它的能耗和CO2排放性能指标定为：燃气47kWh/m2；用电36kWh/m2；CO2排放量34kg/m2。

　加拿大的“绿色建筑挑战”（GREEN BUILDING CHALLENGE）行动，采用新技术、新材料、新工艺，实行综合优化设计，使建筑在满足使用需要的基础上所消耗的资源、能源最少。日本颁布了《住宅建设计划法》，提出“重新组织大城市居住空间（环境）”的要求，满足21世纪人们对居住环境的需求，适应对住房需求变化。德国在90年代开始推行适应生态环境的住区政策，以切实贯彻可持续发展的战略。法国在80年代进行了包括改善居住区环境为主要内容的大规模住区改造工作。瑞典实施了“百万套住宅计划”，在住区建设与生态环境协调方面取得了令人瞩目的成就。

　美国卡梅迪隆大学在90年代末在一座建筑物顶上搭建了一层约1000m2的示范性节能办公空间“integent working space”，该建筑周边采用高隔热性能的玻璃墙以获得良好的采光效果，墙外为外廊及可控遮阳板实现了有效的阻挡太阳辐射，遮阳板上敷有太阳能电池提供辅助电能，通过可控制的自然通风系统能实现夜间通风蓄冷，架空地板和工位空调等有使每个使用者可根据自己的要求随心对送风状况及温度进行调节；……。该示范建筑白天完全不需要人工照明，冬季采暖仅依靠同时充当外玻璃墙框架的部分钢管通过50℃热水实现，建筑物能耗仅为常规办公室建筑的五分之一。近年来该建筑获得美国能源部DOE等机构的多项大奖。目前准备再建设一座独立的示范性办公大楼，同时以SOFC燃料电池为动力，实现全部能源供给，提出“Building is a power plant”，在通过各种技术在提供健康舒适的建筑环境的同时，还可向外输出富裕的电力。

　我国超低能耗建筑尚属空白，与欧美先进国相比尚有较大差距。目前，上海、深圳等地已积极开展立项，建立超低能耗建筑。例如，上海已通过市建委立项，要建一栋1000 m2左右的超低能耗建筑办公楼和一栋600m2左右的超低能耗建筑住宅。科技部与美国DOE合作，目前已开始建一座低能耗办公建筑，但由于建筑规模较大，许多内容又要照顾使用方的意见，因此许多有效的生态与节能措施不能在此项目中实施。

二、项目简介

　示范建筑通过集成目前的各种技术和研究成果，具体实验和展现绿色与人性化的新理念、途径与方法。本建筑的建筑面积约为3000m2，建于清华大学校园内现建筑学院大厦东南侧，建成后作为绿色建筑研究基地用于绿色建筑的研究、教学与培训推广。主要的技术内容为：智能化的围护结构系统；全新的能源和环控系统；人性化末端方式；最优化空气质量控制；可持续发展理念的全面贯彻；智能化控制与智能化服务。

　目前国内办公建筑中的主要问题之一是夏季室内温度低、相对湿度高，这尽管满足热舒适要求，但由于室内外过大的温差容易给居住者造成热冲击，导致健康上的问题。同时潮湿表面（冷却面、风道）又成为滋长霉菌的生息地，恶化室内空气质量，本示范项目将采用基于新型液体除湿方法的“独立湿度控制”空调方式，通过提高空气温度，降低湿度，实现同样的热舒适水平，但彻底改变高湿度带来的空气质量问题。这一空调方式还将以90～100℃的热水为动力源，示范和展示在夏季怎样用热电联产的低温热水型热源高效地解决空调问题，这对北京市七千万平米建筑面积的热电联产热网的夏季利用具有重要的示范作用。

　高效、清洁、经济地利用天然气也是我市面临的一个重大问题，尤其是夏季燃气的大规模利用，将为均衡天然气冬季负荷，大幅度降低天然气输送成本起重要作用。本示范项目将是国内第一个在建筑内大规模使用SOFC燃料电池的示范工程。燃料电池将直接将天然气转化为电和热。这部分电将承担建筑物内70％以上的用电量，而热将成为冬季采暖和夏季空调所需全部动力。与小型内燃式发动机相比，SOFC无噪音，不排放氮氧化合物，能源转换的结果只生成水和CO2。通过适当的装置还能使排放的CO2成为可利用的液态CO2。因此是最理想的天然气在建筑中的应用方式，这一示范工程将成为我国在建筑物中应用燃料电池的有益尝试。同时也将是在奥运建筑中使用燃料电池系统的先期实验与示范。

三、示范建筑的特点

（1）建筑优化设计

　通过建筑设计及围护结构的研究与优化，使建筑在冬季能最大限度的利用太阳能，最大程度减少采暖耗热量；夏季能有效地隔绝太阳辐射，减少冷负荷，春秋季和夏季的夜间又能有效地利用自然通风排除建筑内部发热量，维持建筑内舒适的热环境，为实现这一目标主要的技术措施为：

　可调节的外墙及屋顶的外遮阳装置，使其夏季对太阳直射辐射的遮挡率达90％，同时又能保证室内的良好采光和冬季太阳光的利用。这将在目前美国产品的基础上进一步改进完善。

　高隔热性全玻璃外墙及可开启外窗，通过中空充气，低辐射膜及对钢框架的断热设计，使综合传热系数小于1w/m2.k。这将在分析计算的基础上引进德国产品。

　采用相变温度为22~24℃的固固相变材料制成的蓄热地板（项目建议人国家自然科学基金项目研究成果），可以在冬季蓄存透过玻璃墙进入室内的太阳辐射，夏季夜间通风蓄冷。

　建筑内采光分析与设计，通过布置适当的散射板建筑内任何一点都能在白天得到足够的自然采光。

　自然通风分析与设计，通过自动开闭可调节外窗及排风天窗，实现有组织的和可调节的自然通风，有效换气次数可在0～30次/hr之间可调。

　　建筑的整体热分析与热设计，通过动态模拟计算和三维传热分析保证建筑物具有良好的动态热性能，并且避免各种冷桥出现。

（2）能源系统和采暖空调系统

　采用SOFC燃料电池（从西门子公司引进）将天然气转化为电、热、水和液态CO2，实现真正的零排放。所产生的热为建筑提供供热、空调及生活热水所需全部热量，所发出电能满足80％以上时间的用电负荷，仅在尖峰期由外电网适当补充。

　采用与作为外围护结构的玻璃框架一体化的末端采暖放热装置，以实现在外围护结构内表面接近于均匀布置的采暖散热，改善冬季热舒适性。

　采用液体除湿装置，以燃料电池产出的热量为动力对室外空气除湿，产生干的清洁空气以置换式通风方式向室内提供新风，并消除人体产湿量，实现湿度的独立控制。

　采用冷辐射板或模拟自然风的末端冷却装置（均为建议人研究成果）消除显热负荷，并实现各个工位可自行调节温度的人性化空调控制。

　采用贮存浓溶液的方法，贮存能量，通过浓溶液变为稀溶液的过程中释放化学热的途径释放出贮存的能量。

　在可调式外遮阳板上敷装太阳能电池，在冬季使遮挡的阳光一部分转化为电能而利用。

　在冬夏季采用最小新风量进行通风换气时，用液体回热装置全面回收排风中的有用能。

（3）室内环境空气质量及控制调节系统的优化设计

　根据目前建议人研究小组的研究成果，全面对室内空气质量进行分析和优化设计，以保证最佳空气品质并消耗量少的能源，这包括：

　严格选择建筑材料，装饰材料和家具，严格控制各种VOC产生量

　设计合理的通风过滤装置，在室外可吸入颗粒物超标时停止自然通风，实行最小通风换气量，并通过过滤装置消除室外可吸入颗粒物。

　采用吸附净化器及光触媒净化器，在室外最小通风换气量工况下消除室内人体及其他污染源产生的污染物，以维持室内空气质量。

（4）可持续发展的建筑材料

　整个建筑将采用全生命周期分析的方法，对所采用的建筑材料从生成过程中的能源消费，对资源的利用，可再生性和可重要使用性等多方面考查，对材料的选择进行优选。为提高建筑材料的可重复使用性，初步考虑采用钢结构和隔热玻璃外围护。

（5）建筑环境的智能化控制

　对可调试外遮阳板、通风无窗、外窗都安装电动执行机构，根据测出的室内外温湿度、太阳辐射情况、室内光照度、室外空气污染情况等方面参数自动通过对外遮阳板的调节和通风窗的调节实现对室内采光、粉尘、隔热的智能控制。在本课题中将研究合理的传感器布置位置，如何根据传感器输出判断系统的真实状况，最佳的控制调节算法等。
  

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