摘要：本文通過(guò)對(duì)清華大學(xué)超低能耗樓從外圍護(hù)結(jié)構(gòu)到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)揭示了它們的節(jié)能原理并予以分析。對(duì)可持續(xù)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和方法進(jìn)行分析與探討,重點(diǎn)探討相關(guān)的詳細(xì)技術(shù),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(shù)、屋頂種植技術(shù)、自然采光技術(shù)、相變蓄能樓面技術(shù)、太陽(yáng)能利用等。
　　關(guān)鍵詞：超低耗能樓；節(jié)能分析
　　1、項(xiàng)目概況介紹。
　　清華大學(xué)超低能耗示范樓是北京市科委科研項(xiàng)目，作為2008年奧運(yùn)會(huì)辦公建筑的“前期示范工程”，旨在通過(guò)其體現(xiàn)奧運(yùn)建筑的“高科技”、“綠色”、“人性化”。同時(shí)，超低能耗示范樓是國(guó)家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)研究”的技術(shù)集成平臺(tái)，用于展示和實(shí)驗(yàn)各種低能耗、生態(tài)化、人性化的建筑形式及先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品。
　　超低能耗示范樓座落于清華大學(xué)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(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)臺(tái)及相關(guān)輔助用房組成。從建筑全生命周期的觀點(diǎn)出發(fā)，采用了鋼框架結(jié)構(gòu)。建筑物內(nèi)部為靈活隔斷，空調(diào)和強(qiáng)弱電系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)中選擇生態(tài)策略時(shí),設(shè)計(jì)人主張“被動(dòng)式策略(自然通風(fēng)、相變蓄熱體、陽(yáng)光房、保溫隔熱墻體等)優(yōu)先,主動(dòng)式策略(太陽(yáng)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(jié)構(gòu)體系,外圍護(hù)是以金屬為飾面的多層復(fù)合輕質(zhì)墻體和玻璃幕墻,鋼構(gòu)件支承外遮陽(yáng)百葉,體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑精密、細(xì)致的技術(shù)美感。同時(shí)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(kāi)間、相同方向的不同層采用的圍護(hù)做法也不盡相同,為今后開(kāi)展各項(xiàng)與綠色建筑相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量作了準(zhǔn)備。
　　2、低能耗樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能分析。
　　超低能耗示范樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系主要示針對(duì)對(duì)可調(diào)控的“智能型”外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，使其能夠自動(dòng)適應(yīng)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(fēng)、太陽(yáng)能利用等進(jìn)行綜合分析，給出不同環(huán)境條件下的推薦形式。圖2標(biāo)明了示范樓外各個(gè)外立面采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方式。通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)，使得冬季建筑物的平均熱負(fù)荷僅為0.7W/m2，最冷月的平均熱負(fù)荷也只有2.3W/m2,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷指標(biāo)遠(yuǎn)小于常規(guī)建筑，如果考慮室內(nèi)人員燈光和設(shè)備等的發(fā)熱量，基本可實(shí)現(xiàn)冬季零采暖能耗。夏季最熱月整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均得熱也只有5.2W/m2。
　　2-1雙層玻璃幕墻設(shè)計(jì)和遮陽(yáng)設(shè)計(jì)。
　　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(yáng)兩種方式，綜合得熱系數(shù)1W/m2K，太陽(yáng)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(jìn)出風(fēng)口的開(kāi)合，夏季室外空氣經(jīng)過(guò)熱的玻璃表面加熱后升溫，在幕墻夾層形成熱壓通風(fēng)，帶走向室內(nèi)傳遞的熱量，冬季進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)口關(guān)閉后，可減少向室內(nèi)的冷風(fēng)滲透。水平遮陽(yáng)和垂直遮陽(yáng)葉片寬度600mm，每個(gè)葉片均設(shè)置單獨(dú)得自控系統(tǒng)，分別根據(jù)采光、視野、能量收集、太陽(yáng)能集熱的不同區(qū)域功能要求進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)冬季最大限度利用太陽(yáng)能、夏季遮擋太陽(yáng)輻射，同時(shí)滿(mǎn)足室內(nèi)自然采光的最佳設(shè)計(jì)。
　　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(shè)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(shè)寬50mm的電動(dòng)百葉,為加速通道內(nèi)風(fēng)速,采用小型風(fēng)機(jī)連通到室內(nèi)通風(fēng)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(dòng)百葉寬度為25mm,在每層上下端分設(shè)排風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口。無(wú)論是內(nèi)循環(huán)還是外循環(huán)式,內(nèi)層幕墻均可開(kāi)啟,以便清潔;在凸出部分的兩個(gè)側(cè)面設(shè)置進(jìn)風(fēng)百葉,用以在過(guò)渡季節(jié)有更多的自然通風(fēng)。
　　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(jìn)入檢修。以每層和每個(gè)開(kāi)間劃為一個(gè)獨(dú)立單元,上下層以及左右開(kāi)間不連通,噪音不會(huì)在通道內(nèi)傳播,在每層上部和下部分別設(shè)出氣和進(jìn)氣的外旋窗,這樣可在立面上形成不同的進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)口的位置關(guān)系,以便對(duì)比測(cè)量結(jié)果,但較好的方式為進(jìn)氣口和出氣口錯(cuò)開(kāi)開(kāi)啟,減小下層出風(fēng)口對(duì)上層進(jìn)風(fēng)口的污染,同時(shí)有利于雙層通道內(nèi)部風(fēng)的循環(huán)。其中B～C軸間采用可拆卸蓋板,能夠把單層通風(fēng)變?yōu)槎鄬哟��?lián)式通風(fēng),串聯(lián)式通道熱壓通風(fēng)效果優(yōu)于單層循環(huán)式通風(fēng)效果。在外側(cè)幕墻的豎梃上設(shè)折光板,調(diào)節(jié)角度,可增加室內(nèi)深部照度,緊靠?jī)?nèi)層幕墻玻璃以外100mm處設(shè)鋁合金遮陽(yáng)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(yáng)設(shè)計(jì)。
　　玻璃幕墻的保溫隔熱功能與很多因素有關(guān),其中影響最大的是傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)。傳熱系數(shù)受材質(zhì)和厚度的影響,而遮陽(yáng)系數(shù)受玻璃本身特性(太陽(yáng)得熱系數(shù))的控制,又受到遮陽(yáng)構(gòu)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(dǎo)率的玻璃邊部密封材料;窗外設(shè)外保溫卷簾。智能化遮陽(yáng)是一套較為復(fù)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(dòng)機(jī)構(gòu)的全過(guò)程控制系統(tǒng)。它涉及到氣候測(cè)量、制冷繼續(xù)運(yùn)行狀況的采集、電力系統(tǒng)配置、樓宇系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制、外立面構(gòu)造等多方面因素。節(jié)能樓單層幕墻外部設(shè)可控水平或垂直遮陽(yáng)板,遮陽(yáng)板的支承鋼構(gòu)件必須從主體鋼柱相連,在連接點(diǎn)處,盡管填塞了保溫棉,但冷橋并沒(méi)有完全避免。在冬天,葉片平行于入
　　射光線(xiàn),太陽(yáng)入射光線(xiàn)進(jìn)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(yáng)板分為3個(gè)不同的功能區(qū)———采光、視野、遮陽(yáng)能量收集進(jìn)行分別控制。每層較高位置的葉片控制角度,光線(xiàn)通過(guò)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(zhuǎn)動(dòng)到基本和入射光線(xiàn)垂直的位置,阻擋直射光線(xiàn)的進(jìn)入并遮擋室外的太陽(yáng)輻射熱,在冬季則平行入射光線(xiàn)。由于空氣間層的存在,無(wú)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(gè)保護(hù)空間用以安置遮陽(yáng)設(shè)施。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的測(cè)試包括各玻璃、窗框、遮陽(yáng)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(gè)測(cè)點(diǎn)的日照情況,以調(diào)節(jié)遮陽(yáng)百葉的狀態(tài),減少建筑負(fù)荷。
　　2-3植被屋面和光導(dǎo)采光系統(tǒng)。
　　為提高屋頂?shù)母魺岜�溫性能，同時(shí)改善生態(tài)與環(huán)境質(zhì)量，采用種植屋面技術(shù)，結(jié)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(gòu)造依次向下為濾水層(無(wú)紡布),排水層(陶粒30～50)、防水保護(hù)層、防水層(EPDM)、找坡層、保溫層(130聚氨酯)、防水層(SBS)和結(jié)構(gòu)層,綜合傳熱系數(shù)達(dá)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(shè)600mm寬走道走道以?xún)傻来u墻架空,上鋪活動(dòng)蓋板作為人行通道走道下設(shè)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(qiáng)化室內(nèi)熱壓通風(fēng)效果。在植物種類(lèi)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(dá)的植物,不宜選直根系植物或根系穿刺性較強(qiáng)的植物。
　　屋頂同時(shí)設(shè)置光導(dǎo)管采光系統(tǒng)，利用太陽(yáng)光為地下室提供采光，減少白天照明電耗。
　　在樓頂設(shè)置主動(dòng)式集光器，通過(guò)傳感器控制來(lái)跟蹤太陽(yáng)，最大限度地采集陽(yáng)光。在樓梯間垂直敷設(shè)直徑約500mm的管體，利用全反射或鏡面反射把自然光傳導(dǎo)到地下室，導(dǎo)光管的出光部分采用漫反射的方式控制光線(xiàn)進(jìn)入地下室（圖5）。
　　2-4采光擱板。
　　采光擱板是在側(cè)窗上部安裝1個(gè)或1組反射裝置,使窗口附近的直射陽(yáng)光經(jīng)過(guò)1次或多次反射進(jìn)入室內(nèi),以提高房間內(nèi)部照度的采光系統(tǒng)。房間進(jìn)深不大時(shí),采光擱板的結(jié)構(gòu)可以十分簡(jiǎn)單,僅是在窗戶(hù)上部安裝1個(gè)或1組反射面,使窗口附近的直射陽(yáng)光,經(jīng)過(guò)一次反射,到達(dá)房間內(nèi)部的天花板,利用天花板的漫反射作用,使整個(gè)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(yú)池?zé)o異，其實(shí)它不僅僅用于觀賞，而是一個(gè)“景觀水體—人工濕地”復(fù)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(duì)水池的水進(jìn)行循環(huán)處理，去除水中的有機(jī)物、病原微生物等多種污染物，使水池能長(zhǎng)期保證較好的水質(zhì)，也減少了維護(hù)管理的費(fèi)用。
　　3、室內(nèi)環(huán)境控制節(jié)能分析。
　　3-1自然通風(fēng)的利用。
　　室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)有限考慮被動(dòng)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(diǎn)，春秋兩季可通過(guò)大換氣量的自然通風(fēng)來(lái)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(yùn)行時(shí)間。
　　利用熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)的結(jié)合，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)形式及周?chē)�環(huán)境的特點(diǎn)，在樓梯間和走廊設(shè)置通風(fēng)豎井，負(fù)責(zé)不同樓層的熱壓通風(fēng)。在建筑頂端設(shè)計(jì)玻璃煙囪，利用太陽(yáng)能強(qiáng)化通風(fēng)。此外在建筑外立面合適部位設(shè)置開(kāi)啟扇，使得室外空氣在風(fēng)壓通風(fēng)的作用下可順暢地貫穿流過(guò)建筑。
　　3-2相變蓄熱活動(dòng)地板
　　示范樓的圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(dǎo)致室內(nèi)溫度波動(dòng)大，尤其是在冬季，晝夜溫差會(huì)超過(guò)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(shè)計(jì)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(dòng)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(hù)進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)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(dòng)將不超過(guò)6℃。
　　活動(dòng)地板架空層高度1.2米，空調(diào)風(fēng)道、各類(lèi)水管、電纜、綜合布線(xiàn)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(lán)色網(wǎng)柵。設(shè)計(jì)人員管它們叫“輻射吊頂”，其實(shí)就是一根根直徑6毫米的塑料管，里面充滿(mǎn)一定溫度的水，通過(guò)水循環(huán)帶給房間加熱或者降溫。冬季取暖時(shí)，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(fēng)”的不適，舒適度大大提高（圖7）。
　　4、結(jié)語(yǔ)。
　　清華大學(xué)超低能耗示范樓是各種綠色建筑新技術(shù)的集成，不僅是清潔能源、節(jié)能設(shè)備和材料的示范基地，而且也是智能化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究平臺(tái)。雖然相對(duì)于一般建筑而言，示范樓在能源利用、智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面有著特殊的地方，但是作為一座辦公樓，其設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)與一般公共建筑是基本一致的。相信低耗能樓將會(huì)為我國(guó)建筑節(jié)能起到一個(gè)良好的示范作用。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]《可持續(xù)建筑圍護(hù)設(shè)計(jì)———以清華大學(xué)低能耗建筑為例》，李海英,北方工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院；洪菲，中國(guó)建筑科學(xué)研究院。
　　[2]《清華大學(xué)超低能耗示范樓》，武毅、王磊、孫熙琳，清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院。