清華大學超低能耗示範樓

項目包括建築物理環境控制與設施研究（聲、光、熱、空氣質量等）、建築材料與構造（窗、遮陽、屋頂、建築節點、鋼結構等）、建築環境控制系統的研究（高效能源系統、新的採暖通風和空調方式及設備開發等）、建築智能化系統研究。超低能耗樓還將作為展示與宣傳各種最新技術的舞台，為技術交流、產研掛鉤、知識普及搭建橋樑；並成為清華大學與企業界合作開發、展示新產品的平台，以及向社會、大眾宣傳、展示建築節能和可持續發展建築概念、技術和產品的展台。

示範樓作為技術展示和效果測試，選用了近十種不同的外圍護結構做法，基本的熱工性能要求為透光體系部分（玻璃幕牆、保溫門窗、採光頂）綜合傳熱係數 K<1W/m2.K ，太陽得熱係數 SHGC<0.5 ，非透光體系部分（保溫牆體、屋面）傳熱係數 K<0.3 W/m2.K。冬季建築物的平均熱負荷僅為 0.7W/m 2 ，最冷月的平均熱負荷也只有 2.3 W/m 2 ，如果考慮室內人員燈光和設備等的發熱量，基本可實現冬季零採暖能耗。夏季最熱月整個圍護結構的平均得熱也只有 5.2 W/m 2。由於圍護結構導致的建築耗冷耗熱量僅為常規建築的 10%。

示範樓能源和設備系統採用多項節能措施和可再生能源技術，包括照明和辦公設備在內，示範樓單位面積全年總用電量指標為 40kWh/m 2 , 僅是北京市高檔辦公建築平均總用電量指標的 30 %。

清華大學超低能耗示範樓是我國首個綜合了示範、展示、試驗功能的綠色建築，是一個以真實建築為基礎的試驗台，在大樓方案論證階段，就貫穿了可更新、可調節、可拓展的思路，為未來更加深入的試驗及科研創造條件。

示範樓集成了近百項建築節能和綠色建築相關的最新技術，由包括美國、德國、日本、丹麥等國外企業以及清華同方、秦皇島耀華等國內高新技術企業在內的 近 50 家單位捐贈了產品，有 近十項產品和技術為國內首次採用。

超低能耗示範樓的建設得到了北京市各政府部門和大量專家學者的支持和幫助，於 2005 年 3 月竣工，並投入使用，多種生態與節能措施的實際應用效果將通過詳細的測試及計量結果進行驗證、調整修正和改進，服務於我國的建築節能及綠色建築事業。

 玻璃幕牆和保溫牆體

東立面和南立面採用雙層皮幕牆及玻璃幕牆加水平或垂直遮陽兩種方式，綜合得熱係數 1W/m2K ，太陽能得熱係數 0.5。雙層皮幕牆按照室內室外的溫度差別，調節室外空氣進出風口的開合，夏季室外空氣經過熱的玻璃表面加熱后升溫，在幕牆夾層形成熱壓通風，帶走向室內傳遞的熱量，冬季進風口出風口關閉后，可減少向室內的冷風滲透。水平遮陽和垂直遮陽葉片寬度 600mm ，每個葉片均設置單獨的自控系統，分別根據採光、視野、能量收集、太陽能集熱的不同區域功能要求進行控制調節，實現冬季最大限度利用太陽能、夏季遮擋太陽輻射，同時滿足室內自然採光的最佳設計。

西北向採用 300mm 厚的輕質保溫外牆，鋁幕牆外飾面，傳熱係數 0.35W/m2K。外窗採用雙層中空玻璃，外設保溫捲簾。

 相變蓄熱活動地板

示範樓的圍護結構由玻璃幕牆、輕質保溫外牆組成，熱容較小，低熱慣性容易導致室內溫度波動大，尤其是在冬季，晝夜溫差會超過 10℃。為增加建築熱慣性，以使室內熱環境更加穩定，示範樓採用了相變蓄熱地板的設計方案。如圖 3 所示，具體做法是將相變溫度為 20 ～ 22℃ 的定形相變材料放置於常規的活動地板內作為部分填充物，由此形成的蓄熱體在冬季的白天可蓄存由玻璃幕牆和窗戶進入室內的太陽輻射熱，晚上材料相變向室內放出蓄存的熱量，這樣室內溫度波動將不超過 6℃。

活動地板架空層高度 1.2 米，空調風道、各類水管、電纜、綜合布線等均隱藏在架空層內。保證室內乾淨整潔，而且不需要吊頂，房間凈空高度大，有效利用空間多。

 植被屋面和光導採光系統

為提高屋頂的隔熱保溫性能，同時改善生態與環境質量，採用種植屋面技術，結合防水及承重要求，選用喜光、耐乾燥、根系潛的低矮灌木和草皮，適合於北京地區氣候特徵。屋頂同時設置光導管採光系統，利用太陽光為地下室提供採光，減少白天照明電耗。

 自然通風利用

室內環境控制系統有限考慮被動方式，用自然手段維持室內熱舒適環境。根據北京地區的氣候特點，春秋兩季可通過大換氣量的自然通風來帶走餘熱，保證室內較為舒適的熱環境，縮短空調系統運行時間。

利用熱壓通風和風壓通風的結合，根據建築結構形式及周圍環境的特點，在樓梯間和走廊設置通風豎井，負責不同樓層的熱壓通風。在建築頂端設計玻璃煙囪，利用太陽能強化通風。此外在建築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築。

 濕度獨立控制的新風處理方式

超低能耗示範樓共設置 4 台 4000m3/h 新風機組，通過溶液除濕設備的處理，可提供乾燥的新風，用來消除室內的濕負荷，同時滿足室內人員的新風要求。

目前空調工程中採用的除濕方法基本上是冷凍除濕，這種方法首先將空氣溫度降低到露點以下，除去空氣中的水分后再通過加熱將空氣溫度回升，由此帶來冷熱抵消的高能耗。此外為了達到除濕要求的低露點，要求製冷設備產生較低的溫度使得設備的製冷效率低，因而也導致高能耗。

溶液除濕方式能夠將除濕過程從降溫過程中獨立出來，利用較低品位能源進行除濕，同時減少顯熱冷負荷，不僅能夠保證室內環境質量，而且還能降低空調能耗。

此外為保證室內空氣質量要求有足夠的新風，隨之而來的新風負荷是空調系統高能耗的原因。示範樓的新風機組同時可實現全熱回收效率超過 80 %的高效熱回收，可充分利用排風中的全熱同時又保證新風不被排風污染。

 模塊化的末端調節設備

通過溶液除濕后的新風可帶走室內的濕負荷，房間內的末端裝置僅負責顯熱部分（冷凍水溫度可採用 18℃ ），按照干工況運行，不存在結露現象，徹底避免了潮濕表面滋長黴菌，惡化空氣質量。

示範樓內提供模塊化的空調末端配置，根據房間實際使用功能靈活組合。

辦公室室內人員密度低，人員工作時間及活動區域相對固定，個人的舒適要求不盡相同，採用冷輻射吊頂或者輻射牆來消除室內的基本顯熱負荷，溶液除濕后的新風通過置換通風來消除室內的基本濕負荷。工位送風則提供每個辦公人員個人活動區域的送風，通過調節風口角度、出風速度來滿足自身的要求。

示範樓內另一類房間為報告廳和會議室，室內人員密度高，散熱散濕集中，單位面積冷負荷大，且使用時間不穩定。因此除冷輻射吊頂和置換通風外，採用仿自然風的動態風 FCU 來消除室內尖峰負荷。

 BCHP 系統

超低能耗樓採用固體燃料電池及內燃機熱電聯供系統，清潔燃料天然氣作為能源供應， BCHP 系統總的熱能利用效率可達到 85 %，其中發電效率 43 %。基本供電由內燃機或者氫燃料電池供應，尖峰電負荷由電網補充。發電后的餘熱冬季用於供熱，夏季則當作低溫熱源驅動液體除濕新風機組，用於溶液的再生。

 高溫冷水機組或直接利用地下水

配合獨立濕度控制的新風機組，夏季冷凍水溫度 18℃ 即可滿足供冷的要求。採用電製冷，冷凍機 COP 可達到 9 以上，高效節能。另一種方式更為簡單，就是直接利用地下水，超低能耗樓所在清華大學校園東區地表淺層水溫基本穩定在 15℃ ，單口井出水量可達 70m3/h ，完全能夠滿足示範樓的供冷要求。地下水通過板換換熱后全部回灌，僅利用土壤中蓄存的冷量，不會造成地下水資源的流失。

 太陽能利用

超低能耗樓南側立面裝有 30 平米的光伏玻璃，發電用於驅動玻璃幕牆開啟扇和遮陽百葉。屋頂設有太陽能集熱器，所獲得的熱量用於除濕系統的溶液再生。此外屋面還裝有太陽能高溫熱發電裝置，該系統為拋物面碟式雙軸跟蹤聚焦，峰值發電功率 3kW。

 智能化的控制系統

控制系統自動採集室外的日照情況，根據不同的朝向方位，調節遮陽百葉的狀態，同時根據室外氣象參數，決定外窗、熱壓通風風道、雙層皮幕牆進出風口的開閉。控制系統採集工作區各點的照度數據，調節百葉的角度和人工照明的燈具。室內的新風量根據房間內的 CO2 濃度和濕度來調節。其餘能源設備、水泵、太陽能裝置等均根據負荷情況自動調節。

實時測量系統 示範樓屋頂布置氣象參數測點，測量數據包括室外溫度、濕度、風速、太陽輻射強度。圍護結構的測試包括各玻璃、窗框、遮陽百葉、保溫牆體的表面溫度、熱流。環境控制系統和能源系統的測試包括各設備的運行參數，如冷輻射吊頂表面溫度、送迴風溫度濕度、盤管出水溫度、溶液除濕系統的溶液濃度等

首先，我們現在投資渠道。大家看到這個樓是實驗項目，2002年時是300萬，當時由我們老師吳老師、江老師指導這個項目，跟房地產商、建設院合作設計一些新項目，用一些新技術。當然我們跟地產商合作很多，從來沒有一個那麼聽我們話，讓我們試，所以變成我們自己蓋這麼一個樓，相當於自己搭建一個實驗台，用300萬的啟動資金做這些事情，後來快建成時，得到科技部60萬支持，同時有清華同方、我們學校企業捐資600萬，將近900萬，將近1千萬，整個樓現在造價2800萬。2800萬，剩下的資金是國內外公司、產品的捐贈。基於這個情況，我們把這個樓立異為一個大實驗台或者一個嘗試，不做任何裝飾和裝修，是一個非成品建築，有的人去樓里看了以後，覺得施工粗糙，產品不做裝飾。如果做裝飾，所有東西都遮擋進去，吊頂在外面做裝飾，所有東西看不到了。今天講到的東西，比如輻射的東西全部看不到了，吊頂一摸全部看不到，我們不希望做裝飾，包括雙鉤玻璃窗戶國內第一次用。打膠是人工打膠，並沒有相應的器材，所以看到的是非成品建築。所以這個樓本身並不具備整體服務性。

這是做廣告，給我們捐產品，捐設備的，這是國內的，包括輻射等各種各樣的東西。

接下來是大概這個樓投資使用情況：

地下600平米，地上2400平米，總共3千平米樓。

土建450萬；結構150萬；幕牆400萬，電器150萬，給排水50萬，能源500萬，能源遠高於常規樓，因為這個樓有電池，發10千瓦電，一下子是400萬（括弧里是特殊東西）

空調用的方式很多，常規10萬，照明50萬，遙控300萬，括弧里300萬是整個樓2千個感測器和整個測量網，一般樓頂不用這套測量的東西，相當於這兒是300萬。

太陽能剛才講到三種太陽能利用方式，由於要跟學校供電、供熱，包括給學校大電網聯繫起來，與其他市政建設100多萬，總計2800萬裡面有700相當於特殊東西，是為做實驗的。

剩下的2100萬是相應的投資。對這塊理解，我們認為建這種類型寫字樓應該3千塊一平米是基本投資，就是說這塊錢是空間結構積累。從3千到6千塊是多投的錢相應得到一個節能效果，但是超過6千，再往上還有一些節能，比如幾千多，比如太陽光採光，兩個向日葵24萬，算下來100多年都不能收回投資，這是為了相應的新技術的運用，從6千往上，這個樓接近1萬塊錢，有這麼一塊是為了做展示，而另外一大塊是為了做試驗。

基於這個樓我們還開展一些相關工作，今年年底我們把這個叢書出全，我們現在在金東出版社有一套叢書，《建築節能技術與實踐》，由江老師主編，第一本是這套叢書我們所作工作的引子，《超低能耗建築技術運用》，詳細介紹這個樓相應幕牆當時設計是怎麼考慮，包括過濾器是怎麼原則，設計的想法。基於這個體系，這11本書現在出版了《超低能耗建築技術運用》，剩下十本分二批，6月份《天然氣運用》這部分會全部出完，包括對一些建築環境系統分析的方法介紹，包括供熱研究、天然氣，在樓里講的三連功方式，包括溫室獨立控制系統，包括住宅，我們這麼多年來為北京市1千多戶住宅、小區做測試、調查分析，有詳細的關注住宅的成果和大家交流，到年底通過《建築維護結構體系》。