清华大学超低能耗示范楼节能分析

　　摘要：本文通过对清华大学超低能耗楼从外围护结构到内部结构的节能设计揭示了它们的节能原理并予以分析。对可持续建筑的围护结构设计技术和方法进行分析与探讨,重点探讨相关的详细技术,包括双层呼吸式双通道幕墙(宽通道和窄通道呼吸幕墙)、高性能玻璃技术、屋顶种植技术、自然采光技术、相变蓄能楼面技术、太阳能利用等。
　　关键词：超低耗能楼；节能分析
　　1、项目概况介绍。
　　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。
　　超低能耗示范楼座落于清华大学校园东区，紧邻建筑馆(图1)总建筑面积2900多m2。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。
　　在建筑设计中选择生态策略时,设计人主张“被动式策略(自然通风、相变蓄热体、阳光房、保温隔热墙体等)优先,主动式策略(太阳能电池板、空调系统等)优化”。节能楼采用可循环利用的钢结构体系,外围护是以金属为饰面的多层复合轻质墙体和玻璃幕墙,钢构件支承外遮阳百叶,体现了钢结构建筑精密、细致的技术美感。同时尽可能选择可回收利用的材料,如石膏、加气混凝土、金属、玻璃等,在不同的方向、甚至相同朝向的不同开间、相同方向的不同层采用的围护做法也不尽相同,为今后开展各项与绿色建筑相关的实验数据的测量作了准备。
　　2、低能耗楼外围护结构节能分析。
　　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2.3W/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5.2W/m2。
　　2-1双层玻璃幕墙设计和遮阳设计。
　　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。
　　节能楼在南立面1～2轴之间,1、2层采用内循环式窄通道双层幕墙,通道宽度为200mm,中间设宽50mm的电动百叶,为加速通道内风速,采用小型风机连通到室内通风系统;3、4层采用外循环式窄通道双层幕墙,夹层110mm宽,中间电动百叶宽度为25mm,在每层上下端分设排风口和进风口。无论是内循环还是外循环式,内层幕墙均可开启,以便清洁;在凸出部分的两个侧面设置进风百叶,用以在过渡季节有更多的自然通风。
　　东立面1～3层为双层皮幕墙,外层为单层隐框幕墙,内层为双LowE双中空玻璃,两层幕墙间隔约为600mm,人员可进入检修。以每层和每个开间划为一个独立单元,上下层以及左右开间不连通,噪音不会在通道内传播,在每层上部和下部分别设出气和进气的外旋窗,这样可在立面上形成不同的进风和出风口的位置关系,以便对比测量结果,但较好的方式为进气口和出气口错开开启,减小下层出风口对上层进风口的污染,同时有利于双层通道内部风的循环。其中B～C轴间采用可拆卸盖板,能够把单层通风变为多层串联式通风,串联式通道热压通风效果优于单层循环式通风效果。在外侧幕墙的竖梃上设折光板,调节角度,可增加室内深部照度,紧靠内层幕墙玻璃以外100mm处设铝合金遮阳百叶在每层的1.2m管道夹层位置,为遮挡层间防火,采用磨砂玻璃。
　　2-2高性能玻璃和智能遮阳设计。
　　玻璃幕墙的保温隔热功能与很多因素有关,其中影响最大的是传热系数和遮阳系数。传热系数受材质和厚度的影响,而遮阳系数受玻璃本身特性(太阳得热系数)的控制,又受到遮阳构件、窗帘等影响。清华节能楼玻璃采用高性能玻璃,采用了低热传导率的玻璃边部密封材料;窗外设外保温卷帘。智能化遮阳是一套较为复杂的系统工程,是从功能要求—控制模式—信息采集—执行命令—传动机构的全过程控制系统。它涉及到气候测量、制冷继续运行状况的采集、电力系统配置、楼宇系统、计算机控制、外立面构造等多方面因素。节能楼单层幕墙外部设可控水平或垂直遮阳板,遮阳板的支承钢构件必须从主体钢柱相连,在连接点处,尽管填塞了保温棉,但冷桥并没有完全避免。在冬天,叶片平行于入
　　射光线,太阳入射光线进入室内,使室内升温。夜间,百叶叶片平行外幕墙,呈闭合状态,减少室内热量向室外散失。水平遮阳板分为3个不同的功能区———采光、视野、遮阳能量收集进行分别控制。每层较高位置的叶片控制角度,光线通过在百叶叶片和顶棚反射,提高室内深部照度;夏季较低位置的叶片转动到基本和入射光线垂直的位置,阻挡直射光线的进入并遮挡室外的太阳辐射热,在冬季则平行入射光线。由于空气间层的存在,无论是宽通道还是窄通道双层幕墙均能够在缓冲空间提供一个保护空间用以安置遮阳设施。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,控制系统可以采集室外各个测点的日照情况,以调节遮阳百叶的状态,减少建筑负荷。
　　2-3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。节能楼屋顶种植土厚度为250mm,构造依次向下为滤水层(无纺布),排水层(陶粒30～50)、防水保护层、防水层(EPDM)、找坡层、保温层(130聚氨酯)、防水层(SBS)和结构层,综合传热系数达到0.1W(m2•K)。在靠近女儿墙部位及屋顶中间纵横双向每6m间距设600mm宽走道走道以两道砖墙架空,上铺活动盖板作为人行通道走道下设屋面内排水口,砖墙最下一皮留空缝,以便滤水。(图4)楼梯顶部采用玻璃,楼梯间和室内空间相连强化室内热压通风效果。在植物种类选择上,屋顶绿化以种植低矮的灌木、地被植物和宿根花卉、藤本植物等为主。为防止植物根系穿破建筑防水层,宜选择须根发达的植物,不宜选直根系植物或根系穿刺性较强的植物。
　　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。
　　在楼顶设置主动式集光器，通过传感器控制来跟踪太阳，最大限度地采集阳光。在楼梯间垂直敷设直径约500mm的管体，利用全反射或镜面反射把自然光传导到地下室，导光管的出光部分采用漫反射的方式控制光线进入地下室（图5）。
　　2-4采光搁板。
　　采光搁板是在侧窗上部安装1个或1组反射装置,使窗口附近的直射阳光经过1次或多次反射进入室内,以提高房间内部照度的采光系统。房间进深不大时,采光搁板的结构可以十分简单,仅是在窗户上部安装1个或1组反射面,使窗口附近的直射阳光,经过一次反射,到达房间内部的天花板,利用天花板的漫反射作用,使整个房间的照度和照度均匀度都有所提高。
　　2-5景观水体————人工湿地
　　节能楼入口处有一方水池，看似与普通的金鱼池无异，其实它不仅仅用于观赏，而是一个“景观水体—人工湿地”复合生态系统。常规的人工水体由于循环性很差，再加上雨水含有许多污染物，景观效果很容易被破坏。而节能楼采用人工湿地与景观水池串连的方式，利用人工湿地内的填料、植物和微生物的共同作用，对水池的水进行循环处理，去除水中的有机物、病原微生物等多种污染物，使水池能长期保证较好的水质，也减少了维护管理的费用。
　　3、室内环境控制节能分析。
　　3-1自然通风的利用。
　　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。
　　3-2相变蓄热活动地板
　　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6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。
　　3-3“空调”天花板。
　　节能楼一层的天花板上，密布着“抢眼”的蓝色网栅。设计人员管它们叫“辐射吊顶”，其实就是一根根直径6毫米的塑料管，里面充满一定温度的水，通过水循环带给房间加热或者降温。冬季取暖时，循环在系统中的是32℃的热水，夏季水温则为18℃。“辐射吊顶”系统免除了人们吹“空调风”的不适，舒适度大大提高（图7）。
　　4、结语。
　　清华大学超低能耗示范楼是各种绿色建筑新技术的集成，不仅是清洁能源、节能设备和材料的示范基地，而且也是智能化系统和网络技术的研究平台。虽然相对于一般建筑而言，示范楼在能源利用、智能化系统网络结构等方面有着特殊的地方，但是作为一座办公楼，其设计出发点与一般公共建筑是基本一致的。相信低耗能楼将会为我国建筑节能起到一个良好的示范作用。
　　
　　参考文献：
　　[1]《可持续建筑围护设计———以清华大学低能耗建筑为例》，李海英,北方工业大学建筑学院；洪菲，中国建筑科学研究院。
　　[2]《清华大学超低能耗示范楼》，武毅、王磊、孙熙琳，清华大学建筑设计研究院。