Study on the integration of building energy saving technology
--- Introduction of low-energy consumption project in Tsinghua University

By Jiang Yi, Xue Zhifeng, Zeng Jianlong, Gen Kechen, Jiang Ziyan

Department of Building Science Architecture School Tsinghua University Beijing 100084
Abstract: Low energy consumption project was one demo building constructed by the building science department of Tsinghua University. The energy saving technology integration used in this project included intelligent fa?ade, natural ventilation, personal ventilation air-conditioning terminal, humid dependent air supply mode, BCHP system and intelligent control system. This article introduced the building and technology scheme used in this project.
Key words: energy saving, technology integration , demo building
联系人： 薛志峰 清华大学建筑学院建筑技术科学系 62781339

　　清华大学超低能耗示范楼是北京市科委科研项目，作为 2008 年奥运会办公建筑的 “ 前期示范工程 ” ，旨在通过其体现奥运建筑的 “ 高科技 ” 、 “ 绿色 ” 、 “ 人性化 ” 。同时，超低能耗示范楼是国家 “ 十五 ” 科技攻关项目 “ 绿色建筑关键技术研究 ” 的技术集成平台，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的技术产品。在此基础上陆续开展建筑技术科学领域的基础与应用性研究，研究和示范系列的节能、生态、智能技术在办公建筑上的应用。包括建筑物理环境控制与设施研究（声、光、热、空气质量等），建筑材料与构造（窗、遮阳、屋顶、建筑节点、钢结构等），建筑环境控制系统的研究（高效能源系统、新的采暖、通风、空调方式及设备开发等），建筑智能化系统研究。超低能耗楼还将成为展示与宣传各种最新技术的舞台，为技术交流、产研挂钩、知识普及搭建桥梁；成为清华大学与企业界合作开发、展示新产品的平台，以及向社会、大众宣传、展示建筑节能和可持续发展建筑概念、技术和产品的展台。

　　超低能耗示范楼座落于清华大学校园东区，建筑设计如图 1 所示，总建筑面积 3000m²，地下一层，地上四层。由办公室、开放式实验室或实验台及相关辅助用房组成 。从建筑全生命周期的观点出发，采用了钢框架结构。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。

图 1 清华大学超低能耗示范楼效果图

1 ．围护结构方案
　 　超低能耗示范楼外围护结构体系主要示针对对可调控的 “ 智能型 ” 外围护结构进行研究，使其能够自动适应气候条件的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。 图 2 标明了示范楼外各个外立面采用的围护结构方式。 通过围护结构的节能设计，使得冬季建筑物的平均热负荷仅为 0.7W/m²，最冷月的平均热负荷也只有 2.3 W/m² , 围护结构的负荷指标远小于常规建筑，如果考虑室内人员灯光和设备等的发热量，基本可实现冬季零采暖能耗。夏季最热月整个围护结构的平均得热也只有 5.2 W/m²。

图 2 清华大学超低能耗示范楼围护结构设计方案

　　1.1 玻璃幕墙和保温墙体
　　 东立面和南立面采用双层皮幕墙及玻璃幕墙加水平或垂直遮阳两种方式，综合得热系数 1W/m²K ，太阳能得热系数 0.5 。双层皮幕墙按照室内室外的温度差别，调节室外空气进出风口的开合，夏季室外空气经过热的玻璃表面加热后升温，在幕墙夹层形成热压通风，带走向室内传递的热量，冬季进风口出风口关闭后，可减少向室内的冷风渗透。水平遮阳和垂直遮阳叶片宽度 600mm ，每个叶片均设置单独得自控系统，分别根据采光、视野、能量收集、太阳能集热的不同区域功能要求进行控制调节，实现冬季最大限度利用太阳能、夏季遮挡太阳辐射，同时满足室内自然采光的最佳设计。
　　 西北向采用 300mm 厚的轻质保温外墙，铝幕墙外饰面，传热系数 0.35W/m²K 。外窗采用双层中空玻璃，外设保温卷帘。

　　1.2 相变蓄热活动地板 【 1 】
　　 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。如图 3 所示，具体做法是将相变温度为 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℃ 。
　　 活动地板架空层高度 1.2 米，空调风道、各类水管、电缆、综合布线等均隐藏在架空层内。保证室内干净整洁，而且不需要吊顶，房间净空高度大，有效利用空间多。

图 3 清华大学超低能耗示范楼相变蓄热地板设计方案

　　1.3 植被屋面和光导采光系统
　　 为提高屋顶的隔热保温性能，同时改善生态与环境质量，采用种植屋面技术，结合防水及承重要求，选用喜光、耐干燥、根系潜的低矮灌木和草皮，适合于北京地区气候特征。
　　 屋顶同时设置光导管采光系统，利用太阳光为地下室提供采光，减少白天照明电耗。

2 ．室内环境控制系统方案
　　2.1 自然通风利用 【 2 】
　　 室内环境控制系统有限考虑被动方式，用自然手段维持室内热舒适环境。根据北京地区的气候特点，春秋两季可通过大换气量的自然通风来带走余热，保证室内较为舒适的热环境，缩短空调系统运行时间。
　　 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。此外在建筑外立面合适部位设置开启扇，使得室外空气在风压通风的作用下可顺畅地贯穿流过建筑。

　　2.2 湿度独立控制的新风处理方式 【 3 】
　　 超低能耗示范楼共设置 4 台 4000m³/h 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。
　　 目前空调工程中采用的除湿方法基本上是冷冻除湿，这种方法首先将空气温度降低到露点以下，除去空气中的水分后再通过加热将空气温度回升，由此带来冷热抵消的高能耗。此外为了达到除湿要求的低露点，要求制冷设备产生较低的温度使得设备的制冷效率低，因而也导致高能耗。
　　 溶液除湿方式能够将除湿过程从降温过程中独立出来，利用较低品位能源进行除湿，同时减少显热冷负荷，不仅能够保证室内环境质量，而且还能降低空调能耗。
　　 此外为保证室内空气质量要求有足够的新风，随之而来的新风负荷是空调系统高能耗的原因。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，可充分利用排风中的全热同时又保证新风不被排风污染。
　　2.3 模块化的末端调节设备 【 4 】

　　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。
　　 办公室室内人员密度低，人员工作时间及活动区域相对固定，个人的舒适要求不尽相同，采用冷辐射吊顶或者辐射墙来消除室内的基本显热负荷，溶液除湿后的新风通过置换通风来消除室内的基本湿负荷。工位送风则提供每个办公人员个人活动区域的送风，通过调节风口角度、出风速度来满足自身的要求。
　　 示范楼内另一类房间为报告厅和会议室，室内人员密度高，散热散湿集中，单位面积冷负荷大，且使用时间不稳定。因此除冷辐射吊顶和置换通风外，采用仿自然风的动态风 FCU 来消除室内尖峰负荷。

3 ．能源系统方案

　　 3.1 BCHP 系统
　　 超低能耗楼采用固体燃料电池及内燃机热电联供系统，清洁燃料天然气作为能源供应， BCHP 系统总的热能利用效率可达到 85 ％，其中发电效率 43 ％。基本供电由内燃机或者氢燃料电池供应，尖峰电负荷由电网补充。发电后的余热冬季用于供热，夏季则当作低温热源驱动液体除湿新风机组，用于溶液的再生。
　　 3.2 高温冷水机组或直接利用地下水
　　 配合独立湿度控制的新风机组，夏季冷冻水温度 18℃ 即可满足供冷的要求。采用电制冷，冷冻机 COP 可达到 9 以上，高效节能。另一种方式更为简单，就是直接利用地下水，超低能耗楼所在清华大学校园东区地表浅层水温基本稳定在 15℃ ，单口井出水量可达 70m³/h ，完全能够满足示范楼的供冷要求。地下水通过板换换热后全部回灌，仅利用土壤中蓄存的的冷量，不会造成地下水资源的流失。
　　 3.3 太阳能利用
　　 超低能耗楼南侧立面装有 30 平米的光伏玻璃，发电用于驱动玻璃幕墙开启扇和遮阳百叶。屋顶设有太阳能集热器，所获得的热量用于除湿系统的溶液再生。此外屋面还装有太阳能高温热发电装置，该系统为抛物面碟式双轴跟踪聚焦，峰值发电功率 3kW 。
　　 4 ．测量和控制系统方案
　　 4.1 智能化的控制系统
　　 控制系统自动采集室外的日照情况，根据不同的朝向方位，调节遮阳百叶的状态，同时根据室外气象参数，决定外窗、热压通风风道、双层皮幕墙进出风口的开闭。控制系统采集工作区各点的照度数据，调节百叶的角度和人工照明的灯具。室内的新风量根据房间内的 CO2 浓度和湿度来调节。其余能源设备、水泵、太阳能装置等均根据负荷情况自动调节。
　　 4.2 实时测量系统
　　 示范楼屋顶布置气象参数测点，测量数据包括室外温度、湿度、风速、太阳辐射强度。围护结构的测试包括各玻璃、窗框、遮阳百叶、保温墙体的表面温度、热流。环境控制系统和能源系统的测试包括各设备的运行参数，如冷辐射吊顶表面温度、送回风温度湿度、盘管出水温度、溶液除湿系统的溶液浓度等。
　　 5 ．小结
　　 清华大学超低能耗示范楼是建筑节能各项技术和新产品的集成应用，在实施过程中得到了北京市政府、北京市科委、国家科技部的大力支持，同时要感谢在示范楼建设过程中提供技术和产品支持的国内外企业。 2004 年 6 月示范楼将全面建成，服务于今后我国绿色建筑的深入研究。

　　参考文献
　　 •  定形相变材料的热性能 张寅平 清华大学学报 （自然科学版） 2003.6
　　 •  太阳辐射下建筑外微气候的实验研究 李晓锋 太阳能学报 2001.3
　　 •  溶液空调及热湿独立控制空调系统：李震 刘晓华 暖通空调 2003 .6
　　 •  室内空气流动数值模拟的 N 点风口动量模型 赵彬 . 计算力学学报 2003.01

附 件：

合 作 企 业