摘要：本文通過對清華大學超低能耗樓從外圍護結構到內(nèi)部結構的節(jié)能設計揭示了它們的節(jié)能原理并予以分析。對可持續(xù)建筑的圍護結構設計技術和方法進行分析與探討,重點探討相關的詳細技術,包括雙層呼吸式雙通道幕墻(寬通道和窄通道呼吸幕墻)、高性能玻璃技術、屋頂種植技術、自然采光技術、相變蓄能樓面技術、太陽能利用等。
　　關鍵詞：超低耗能樓；節(jié)能分析
　　1、項目概況介紹。
　　清華大學超低能耗示范樓是北京市科委科研項目，作為2008年奧運會辦公建筑的“前期示范工程”，旨在通過其體現(xiàn)奧運建筑的“高科技”、“綠色”、“人性化”。同時，超低能耗示范樓是國家“十五”科技攻關項目“綠色建筑關鍵技術研究”的技術集成平臺，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的技術產(chǎn)品。
　　超低能耗示范樓座落于清華大學校園東區(qū)，緊鄰建筑館(圖1)總建筑面積2900多m2。地下一層，地上四層。由辦公室、開放式實驗室或實驗臺及相關輔助用房組成。從建筑全生命周期的觀點出發(fā)，采用了鋼框架結構。建筑物內(nèi)部為靈活隔斷，空調(diào)和強弱電系統(tǒng)為模塊化結構，從而可根據(jù)不同使用要求極其方便地改變空間布局。
　　在建筑設計中選擇生態(tài)策略時,設計人主張“被動式策略(自然通風、相變蓄熱體、陽光房、保溫隔熱墻體等)優(yōu)先,主動式策略(太陽能電池板、空調(diào)系統(tǒng)等)優(yōu)化”。節(jié)能樓采用可循環(huán)利用的鋼結構體系,外圍護是以金屬為飾面的多層復合輕質(zhì)墻體和玻璃幕墻,鋼構件支承外遮陽百葉,體現(xiàn)了鋼結構建筑精密、細致的技術美感。同時盡可能選擇可回收利用的材料,如石膏、加氣混凝土、金屬、玻璃等,在不同的方向、甚至相同朝向的不同開間、相同方向的不同層采用的圍護做法也不盡相同,為今后開展各項與綠色建筑相關的實驗數(shù)據(jù)的測量作了準備。
　　2、低能耗樓外圍護結構節(jié)能分析。
　　超低能耗示范樓外圍護結構體系主要示針對對可調(diào)控的“智能型”外圍護結構進行研究，使其能夠自動適應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、太陽能利用等進行綜合分析，給出不同環(huán)境條件下的推薦形式。圖2標明了示范樓外各個外立面采用的圍護結構方式。通過圍護結構的節(jié)能設計，使得冬季建筑物的平均熱負荷僅為0.7W/m2，最冷月的平均熱負荷也只有2.3W/m2,圍護結構的負荷指標遠小于常規(guī)建筑，如果考慮室內(nèi)人員燈光和設備等的發(fā)熱量，基本可實現(xiàn)冬季零采暖能耗。夏季最熱月整個圍護結構的平均得熱也只有5.2W/m2。
　　2-1雙層玻璃幕墻設計和遮陽設計。
　　東立面和南立面采用雙層皮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。雙層皮幕墻按照室內(nèi)室外的溫度差別，調(diào)節(jié)室外空氣進出風口的開合，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，帶走向室內(nèi)傳遞的熱量，冬季進風口出風口關閉后，可減少向室內(nèi)的冷風滲透。水平遮陽和垂直遮陽葉片寬度600mm，每個葉片均設置單獨得自控系統(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)自然采光的最佳設計。
　　西北向采用300mm厚的輕質(zhì)保溫外墻，鋁幕墻飾面，傳熱系數(shù)0.35W/m2K。外窗采用雙層中空玻璃，外設保溫卷簾。
　　節(jié)能樓在南立面1～2軸之間,1、2層采用內(nèi)循環(huán)式窄通道雙層幕墻,通道寬度為200mm,中間設寬50mm的電動百葉,為加速通道內(nèi)風速,采用小型風機連通到室內(nèi)通風系統(tǒng);3、4層采用外循環(huán)式窄通道雙層幕墻,夾層110mm寬,中間電動百葉寬度為25mm,在每層上下端分設排風口和進風口。無論是內(nèi)循環(huán)還是外循環(huán)式,內(nèi)層幕墻均可開啟,以便清潔;在凸出部分的兩個側面設置進風百葉,用以在過渡季節(jié)有更多的自然通風。
　　東立面1～3層為雙層皮幕墻,外層為單層隱框幕墻,內(nèi)層為雙LowE雙中空玻璃,兩層幕墻間隔約為600mm,人員可進入檢修。以每層和每個開間劃為一個獨立單元,上下層以及左右開間不連通,噪音不會在通道內(nèi)傳播,在每層上部和下部分別設出氣和進氣的外旋窗,這樣可在立面上形成不同的進風和出風口的位置關系,以便對比測量結果,但較好的方式為進氣口和出氣口錯開開啟,減小下層出風口對上層進風口的污染,同時有利于雙層通道內(nèi)部風的循環(huán)。其中B～C軸間采用可拆卸蓋板,能夠把單層通風變?yōu)槎鄬哟��?lián)式通風,串聯(lián)式通道熱壓通風效果優(yōu)于單層循環(huán)式通風效果。在外側幕墻的豎梃上設折光板,調(diào)節(jié)角度,可增加室內(nèi)深部照度,緊靠內(nèi)層幕墻玻璃以外100mm處設鋁合金遮陽百葉在每層的1.2m管道夾層位置,為遮擋層間防火,采用磨砂玻璃。
　　2-2高性能玻璃和智能遮陽設計。
　　玻璃幕墻的保溫隔熱功能與很多因素有關,其中影響最大的是傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)。傳熱系數(shù)受材質(zhì)和厚度的影響,而遮陽系數(shù)受玻璃本身特性(太陽得熱系數(shù))的控制,又受到遮陽構件、窗簾等影響。清華節(jié)能樓玻璃采用高性能玻璃,采用了低熱傳導率的玻璃邊部密封材料;窗外設外保溫卷簾。智能化遮陽是一套較為復雜的系統(tǒng)工程,是從功能要求—控制模式—信息采集—執(zhí)行命令—傳動機構的全過程控制系統(tǒng)。它涉及到氣候測量、制冷繼續(xù)運行狀況的采集、電力系統(tǒng)配置、樓宇系統(tǒng)、計算機控制、外立面構造等多方面因素。節(jié)能樓單層幕墻外部設可控水平或垂直遮陽板,遮陽板的支承鋼構件必須從主體鋼柱相連,在連接點處,盡管填塞了保溫棉,但冷橋并沒有完全避免。在冬天,葉片平行于入
　　射光線,太陽入射光線進入室內(nèi),使室內(nèi)升溫。夜間,百葉葉片平行外幕墻,呈閉合狀態(tài),減少室內(nèi)熱量向室外散失。水平遮陽板分為3個不同的功能區(qū)———采光、視野、遮陽能量收集進行分別控制。每層較高位置的葉片控制角度,光線通過在百葉葉片和頂棚反射,提高室內(nèi)深部照度;夏季較低位置的葉片轉動到基本和入射光線垂直的位置,阻擋直射光線的進入并遮擋室外的太陽輻射熱,在冬季則平行入射光線。由于空氣間層的存在,無論是寬通道還是窄通道雙層幕墻均能夠在緩沖空間提供一個保護空間用以安置遮陽設施。圍護結構的測試包括各玻璃、窗框、遮陽百葉、保溫墻體的表面溫度、熱流,控制系統(tǒng)可以采集室外各個測點的日照情況,以調(diào)節(jié)遮陽百葉的狀態(tài),減少建筑負荷。
　　2-3植被屋面和光導采光系統(tǒng)。
　　為提高屋頂?shù)母魺岜�溫性能，同時改善生態(tài)與環(huán)境質(zhì)量，采用種植屋面技術，結合防水及承重要求，選用喜光、耐干燥、根系潛的低矮灌木和草皮，適合于北京地區(qū)氣候特征。節(jié)能樓屋頂種植土厚度為250mm,構造依次向下為濾水層(無紡布),排水層(陶粒30～50)、防水保護層、防水層(EPDM)、找坡層、保溫層(130聚氨酯)、防水層(SBS)和結構層,綜合傳熱系數(shù)達到0.1W(m2•K)。在靠近女兒墻部位及屋頂中間縱橫雙向每6m間距設600mm寬走道走道以兩道磚墻架空,上鋪活動蓋板作為人行通道走道下設屋面內(nèi)排水口,磚墻最下一皮留空縫,以便濾水。(圖4)樓梯頂部采用玻璃,樓梯間和室內(nèi)空間相連強化室內(nèi)熱壓通風效果。在植物種類選擇上,屋頂綠化以種植低矮的灌木、地被植物和宿根花卉、藤本植物等為主。為防止植物根系穿破建筑防水層,宜選擇須根發(fā)達的植物,不宜選直根系植物或根系穿刺性較強的植物。
　　屋頂同時設置光導管采光系統(tǒng)，利用太陽光為地下室提供采光，減少白天照明電耗。
　　在樓頂設置主動式集光器，通過傳感器控制來跟蹤太陽，最大限度地采集陽光。在樓梯間垂直敷設直徑約500mm的管體，利用全反射或鏡面反射把自然光傳導到地下室，導光管的出光部分采用漫反射的方式控制光線進入地下室（圖5）。
　　2-4采光擱板。
　　采光擱板是在側窗上部安裝1個或1組反射裝置,使窗口附近的直射陽光經(jīng)過1次或多次反射進入室內(nèi),以提高房間內(nèi)部照度的采光系統(tǒng)。房間進深不大時,采光擱板的結構可以十分簡單,僅是在窗戶上部安裝1個或1組反射面,使窗口附近的直射陽光,經(jīng)過一次反射,到達房間內(nèi)部的天花板,利用天花板的漫反射作用,使整個房間的照度和照度均勻度都有所提高。
　　2-5景觀水體————人工濕地
　　節(jié)能樓入口處有一方水池，看似與普通的金魚池無異，其實它不僅僅用于觀賞，而是一個“景觀水體—人工濕地”復合生態(tài)系統(tǒng)。常規(guī)的人工水體由于循環(huán)性很差，再加上雨水含有許多污染物，景觀效果很容易被破壞。而節(jié)能樓采用人工濕地與景觀水池串連的方式，利用人工濕地內(nèi)的填料、植物和微生物的共同作用，對水池的水進行循環(huán)處理，去除水中的有機物、病原微生物等多種污染物，使水池能長期保證較好的水質(zhì)，也減少了維護管理的費用。
　　3、室內(nèi)環(huán)境控制節(jié)能分析。
　　3-1自然通風的利用。
　　室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)有限考慮被動方式，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，春秋兩季可通過大換氣量的自然通風來帶走余熱，保證室內(nèi)較為舒適的熱環(huán)境，縮短空調(diào)系統(tǒng)運行時間。
　　利用熱壓通風和風壓通風的結合，根據(jù)建筑結構形式及周圍環(huán)境的特點，在樓梯間和走廊設置通風豎井，負責不同樓層的熱壓通風。在建筑頂端設計玻璃煙囪，利用太陽能強化通風。此外在建筑外立面合適部位設置開啟扇，使得室外空氣在風壓通風的作用下可順暢地貫穿流過建筑。
　　3-2相變蓄熱活動地板
　　示范樓的圍護結構由玻璃幕墻、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計方案。如圖6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。
　　3-3“空調(diào)”天花板。
　　節(jié)能樓一層的天花板上，密布著“搶眼”的藍色網(wǎng)柵。設計人員管它們叫“輻射吊頂”，其實就是一根根直徑6毫米的塑料管，里面充滿一定溫度的水，通過水循環(huán)帶給房間加熱或者降溫。冬季取暖時，循環(huán)在系統(tǒng)中的是32℃的熱水，夏季水溫則為18℃。“輻射吊頂”系統(tǒng)免除了人們吹“空調(diào)風”的不適，舒適度大大提高（圖7）。
　　4、結語。
　　清華大學超低能耗示范樓是各種綠色建筑新技術的集成，不僅是清潔能源、節(jié)能設備和材料的示范基地，而且也是智能化系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術的研究平臺。雖然相對于一般建筑而言，示范樓在能源利用、智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡結構等方面有著特殊的地方，但是作為一座辦公樓，其設計出發(fā)點與一般公共建筑是基本一致的。相信低耗能樓將會為我國建筑節(jié)能起到一個良好的示范作用。
　　
　　參考文獻：
　　[1]《可持續(xù)建筑圍護設計———以清華大學低能耗建筑為例》，李海英,北方工業(yè)大學建筑學院；洪菲，中國建筑科學研究院。
　　[2]《清華大學超低能耗示范樓》，武毅、王磊、孫熙琳，清華大學建筑設計研究院。