节能理念在清华环境能源楼的应用

１ 前言

当今世界能源问题已成为各国研究的焦点问题，而建筑物能源消耗的迅猛增长更是引起各国专家的普遍重视，降低建筑能耗和减少二氧化碳排放已经迫在眉睫。清华环境能源楼正是在这种背景下诞生的。

２ 总述

清华大学环境楼位于北京市海淀区清华大学校园内，地处清华大学校区东南侧。

清华大学环境楼是由意大利政府出资建设、清华大学提供建设用地和配套资金。它是一座智能化、生态环保型和能源高效率的新型办公楼。该项目通过先进的建筑技术集成化设计和结构设计，优化节能建材选择，控制施工、运行、监测及管理等各个环节，建设成为一个国际先进的绿色办公示范性建筑，并为建设适合中国国情的绿色办公建筑提供技术案例。

清华环境楼的建筑类别为二类公共建筑；耐火等级为一级；抗震设防烈度为８度；人防等级为６级物资库，防化等级为丁级，平时用途：汽车库；战时用途：物资库。环境楼主要为清华大学环境系的办公和科研服务，同时也为中意两国在环境能源方面进行合作提供交流的场所。建筑面积为２０２６８m2，环境楼主体建筑檐口高度４０m，地上十层，地下两层。结构形式地下为钢筋混凝土结构，地上为钢结构。正负零以上房间、走廊及大厅均设有架空地板和吊顶。

从能源角度来说，此建筑有四大特色：①建筑物的独特外形设计使其充分的利用了太阳光，自然风等天然能源；②中央控制系统全面管理各类能源；③冷热电三联供控制系统使其能源的综合利用率有了质的提高；④房间内采用的智能控制系统在保证人体舒适度的同时使房间单体能源消耗达到最低。

３ 建筑设计中的节能理念

大楼的整体建筑特色已经有不少媒体报导，这里只做简单介绍。从平面上看，该建筑形状为一个“Ｃ”字；而从剖面上看（南北方向），建筑两翼是一系列的退台；中间则是一个开放的绿化大中庭。建筑两翼的退台被一层轻质顶蓬遮挡着，它可避免建筑的内部空间被太阳直接照射，同时可有效地进行自然采光。为减少过多的直射阳光进入室内，东西立面采取了高热工性能玻璃＋外置的丝网印花（可有效地通风、采光）的幕墙构造。它在设计时遵循了以下的原则。

（1）紧凑的体形；

　　（2）最低限度地减少建筑热损失；

　　（3）冬季最大限度地利用太阳能；

　　（4）外露立面采取必要的遮挡；

　　（5）太阳能光电板（ＰＶ板）结合建筑造型一体化设计；

　　（6）促进自然通风。

这种设计使此建筑在美观和大方的建筑风格下充分利用了自然能源。

４ 中央管理系统将各类能源进行统一管理

中央管理系统对整个建筑内的能源（指电能）进行系统的分析，以控制能源的进出，以达到以最优方式利用能源，节约能源的目的。

项目中能源的输入主要有燃气发电机产生的电能，市网供给的电能，太阳能光电板采集的电能。而输出分为三种负荷，其中安防系统电源、消防设施电源、通信系统、应急照明及计算机系统电源等为一级负荷；生活水泵、普通客梯、排水泵等为二级负荷；其它为三级负荷。

发电机所发出的电能和电网供给的电能是建筑物电能的主要来源，太阳能光电板所发出的电能通过逆变器直接并入电网（在电网失电时自动从电网切除，保证检修安全）。对电网进行补充。太阳能作为一种真正的绿色能源，对缓解外网的负荷压力，产生无污染能源方面的贡献是有目共睹的。

在电能输入端中央管理系统根据具体情况交替以发电机或者电网为主进行供电（具体分析见下文），并对后级负荷进行分析，实时调整控制方式。在用电高峰期，所有供电设备进行满负荷供给；对于用电低谷，根据实际情况，选择最为节能的供电方式。当三种供电方式的任何一种出现问题，造成不能完全满足大厦供电要求时，中央管理系统将断掉三级负荷和二级负荷的供电，当问题排除后，再进行配给。

５ 三联供的控制系统带来的能源综合利用率的极大提高

清华能源楼控制系统的核心是冷热电三联供控制系统。所谓楼宇冷、热、电三联供也就是在建筑物内设燃气（或燃油）发电机组，在发电的同时，将发电产生的废热进行再次利用，提高能源利用率。楼宇冷、热、电三联供是在分布式能源系统的基础上发展起来的，所谓“分布式能源”（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｏｕｒｃｅｓ）是指分布在用户端的能源系统。一次能源以气体或液体燃料为主，可再生能源为辅。在以往电力系统建设的观念上，大容量、高参数机组发电，超高压、远距离输电，机组互联形成大电网集中供电是现代电力系统的主要特征，这是发达的工业化国家电力工业曾走过的道路，也是发展中国家电力工业正在走的道路。但是其安全系数差，能源利用率低等缺点也是当今世界不得不面对的事实。而“分布式能源及冷热电三联供系统”正好解决了这个问题。下面通过对项目中三联供系统的阐述来分析其在节能领域的作用。

众所周知，天燃气是一种洁净能源，用其发电污染小，但是其发电效率低于４０％，使其成为大厦里的贵族。而项目中发电机的能源综合利用率却高达８０％以上，是什么原因造成了如此大的差距，那就是冷热电三联供系统。

发电机在发电的同时，产生了大量的热能，这些热能，通常会被烟囱排出建筑物并散发掉，这就造成了能源的极大浪费，如果把这些能量利用起来，就能极大的提高能源的综合利用率。比如我们把它用在空调系统。在大厦里面能源消耗最大的系统就是空调系统，包括冷机、空调及新风机组、锅炉等设备无一不是耗能大户。下面就介绍整个的三联供系统是如何工作的，又是如何节能的。在夏季，发电机发出电能供给大厦用电，其产生的废热以热水的形式送出到溴化锂吸收式制冷机组（吸收式冷机耗电量极低）里面，吸收式冷机将能量转化成冷水，供给大厦的空调系统，控制系统依据冷冻水供回水温差及流量计算出瞬时需求的冷量，若出现剩余，启动排风扇将剩余热量排出；若不能完全满足，控制系统将根据计算出的冷量缺口确定启动电制冷机组的台数。而在冬季，冷机系统关闭，发电机发电产生的废热通过换热器进行热交换后产生热水对建筑供热，控制系统依据末端供回水温差及流量计算得出瞬时需求的真正热量，当热量剩余时，产生启动排风扇将剩余热量排出；若不能完全满足，控制系统将根据计算出的热量缺口确定启动燃气锅炉的台数。

以上就是冷热电三联供的基本控制原理，下面分析其在额定状态下的能源综合利用率。该项目采用的燃气发电机参数为：２５０kＶＡ，４００Ｖ，５０Ｈｚ.其在单位时间内消耗燃料的能量为５３８kＷ，输出的电能为２００kＷ，回收热能数量为２４７kＷ，所以其能源综合利用率为（２００＋２４７）/５３８＝０．８３.从公式中可以看出，这个系统的确极大的提高了能源利用率。但是大家马上会发现里面有一些问题无法解释：①既然夏季和冬季都很节能，为什么不完全采用这种方式，而偏偏还要把高耗能的电制冷机组和燃气锅炉引进来；②如果是春季或秋季，根据最开始所提到的大厦设计时自然通风良好，也就不需要制冷和制热，室外的自然风完全能够满足要求，发电机的废热用量非常的小几乎为零，那么燃气发电机的能源利用率就是发电机的效率，即２００/５３８＝０．３７.这个系统可能仍旧是个高耗能的系统。

上文所述第一个问题是由我国的电网制度决定的，它不允许个人或团体向市网卖电，也就是说你只能自用，不能多发。从刚才的数据可以看到，发电机热回收的能量要高于所发的电量，而在项目中大厦的用电量要高于用热量，如果以热定电的话，多发出的电不能向市网送，会造成浪费。所以这个项目必须是以电定热，热量不够仍要借助高耗能设备。当然脱离开政策而言，以热定电的会让余热更加充分的利用，能源利用率会比以电定热高一些。第二个问题也是实际存在的，当发电机的废热不能被利用时，它的确仍旧是个高耗能的家伙。

针对这两个问题，如何解决主要有几个问题需要注意：首先，供电系统在设计的时候采用了两个不同的电力来源，一个是上面提到的发电机系统，另外一个仍旧是电网。控制系统在决定采用何种方式进行供电的时候需要判断两个指标：（１）大厦实际需要电量的多少；（２）冷热源系统是否需要启动。由于发电机组在低于４０％负荷的情况下，效率很低，达不到预期的节能效果，所以当用电负荷很低的时候直接采用电网供电，这种情况通常发生在晚上和节假日，大厦内人很少，只需要正常的应急照明即可。而像过渡季，基本用不到空调时，发电机同样效率低下，这种情况下同样直接使用电网供电。像夏季和冬季这种冷热量需求很多，而用电量也相对较大的时候，发电机将被启动，并根据实际用电量对其进行控制调节。

综上所述，整个系统可以简单规划出图1所示的控制流程图。

６ 房间控制系统使节能从点滴做起

在房间的控制单元中，控制系统要做的是在满足人类对环境要求（人类对办公环境的要求一般分三点：（１）合适的光照度；（２）合适的温度；（３）空气的清新度。同时，力保能源消耗的最低化。要想实现这一点，人与控制系统，人与环境，环境与控制系统之间的互动是必不可少的，通过这些互动充分利用自然能源是降低能源消耗的重要手段。

在此项目中采用了西门子公司的全套控制系统，力求使控制能达到准确，快捷。照明控制系统采用的是ＥＩＢ总线架构，能方便的调节每个区域的灯光，保证人员对照明的要求。空调控制系统通过辐射温度和ＣＯ２等传感器保证人体舒适度。下面介绍控制系统是如何工作的。

首先，采用红外移动探测器，进行房内有人探测，但探测器发出有人信号后，包括空调控制系统和照明控制系统的两套系统即时开始运转。当人离开房间以后，探测器发出无人信号，照明系统延时关闭，空调系统延时进入节能模式（关闭辐射板水阀，新风保持在１５％的设计风量上，保持屋内空气清新度）以避免工作人员偶尔被遮挡造成的误报。

照明控制系统运转以后，光照度传感器会根据房间的瞬时照度对室内灯光进行调整，保持室内是一个恒照度系统，当室外照度高于设定值时，光源不打开。在前面的建筑特点中我们提到，此项目采用的是玻璃幕墙，因而采光性能非常好，所以和其它项目灯光的不可调整性相比，此系统的节能是相当可观的。当然，每个人要求的照度可能是不一样的，控制系统按大多数人的习惯设计了一个初始值（一般为５００ＬＶＸ），如果不满意可以按自己的喜好对房间内每个工作区域的灯光进行单独设置，墙壁上的四联面板就是起到这个作用的。

综上所述，照明系统的控制流程图如图2所示。

在介绍空调的控制系统前，先来谈一下该项目的空调系统的特色。众所周知，热量传递有三种方式：传导，对流与辐射。大多数项目采用的空调机组就是采用对流的方式，通过室外风经过通有冷热水的风机盘管把冷风或热风送进室内。而该项目采用的对流和辐射两种方式。辐射方式为主，对流为辅。所有房间的屋顶均采用辐射板的方式，辐射板内是通有冷水（或热水）的铜管，如同家中的暖气片一样，针对整个房间进行温度调节。架空地板下安装有ＶＡＶ，这里的ＶＡＶ的作用主要是换气而不是空气调节，目的是保持室内空气的清新。

空调控制运转以后，系统首先检测是否存在开 窗状况。当存在有人开窗的情况时，系统开始给出一个延时，延时结束而仍然还是开窗的状况，所有辐射板水阀关闭，新风关闭。这样做的原因在于建筑风格单元，曾经提到此建筑通风性能良好。当有人长时间开窗时，系统认为室外的温度和通风状况符合室内人员的要求，可以撤除外部能源，已达到节能的效果。当窗子关闭后，控制系统根据辐射温度传感器（传感器测量结果为８０％的辐射温度和２０％混合温度的平均值）对太阳辐射进来的热量和辐射板辐射下来的热量以及ＶＡＶ送进来的热量进行混合测量，通过对走道内集分水器的电动阀进行调节，达到调温的目的。室内人员可以通过墙壁上安装的调温旋钮，来告诉系统自己所需要的适合温度。有了合适的温度，怎么保持室内的空气清新度，其方法是每个房间内都安装ＣＯ２传感器，可以通过它来测知室内人员的多少。众所周知，大气内的ＣＯ２含量为３６０ｐｐｍ，当大气内的ＣＯ２含量超过１０００ｐｐｍ时，人就会感到窒息，身体会感到极度不适。所以系统会根据房间内不同的ＣＯ２值，给出不同的送风量。人员越多，风量越大，单位时间内房间的换气次数就越高，以保证人体的舒适。反之，有人会问既然ＶＡＶ单元的控制是以ＣＯ２为参照物的，但是它也参与了室内的温度调节，这样会不会影响温度调节的效果：当然，ＶＡＶ系统肯定在空气调节中起到一定的作用，但是这个作用和辐射板调节相比不是一个数量级，它只是一个辅助的因素，即便它对室内的温度产生了影响，控制系统通过对辐射板的控制，也可以消除它的影响。

综上所述，空调系统的控制流程图如图3所示。

７ 结束语

从以上介绍可以看出，整个建筑无论从大（整个建筑和系统）到小（每个房间）无处不体现出节能的概念，在当今能源日益紧缺的情况下，项目涉及建筑的理念为未来中国的智能建筑提供了很好的参考。