中国可持续能源项目 The China Sustainable Energy Program 能 源 基 金 会 The Energy Foundation 项目成果报告系列 Technical Report 利用可再生能源的中国特色零能耗建筑 The Zero Energy Building Using Renewable Energy with Chinese Character 华中科技大学 建筑与城市规划学院 智能建筑研究所 2012 年 08 月 项目信息 项目资助号 Grant NumberG-1011-13546 项目期 Grant period12/1/10 - 11/30/11 所属领域 Sector 可再生能源利用 零能耗建筑 Renewable Energy Use, Zero Energy Building, 项目概述夏热冬冷地区全年使用可再生能源进行温度和舒适性调节 的教学、办公建筑；在项目中，采用了有流动的空气间层的主动式 动态空心墙；气候适应性窗户；充分利用夏热冬冷地区地温年度总 平衡的优势，结合可再生能源的利用，将地下冷热源采集水管中的 循环水，在室内地板散热器中进行循环，用地板通风的方式，调整 进入室内的新风温度。舒适度调节系统全年耗能量等于或小于建筑 屋顶上的太阳能电池全年发电量。还能将夏、冬季热、冷量互存地 下，反季应用。以实现节能、节地、节水、节材、保护环境和减少 污染的目标。 The national demonstration project of renewable energy building in Huazhong University of Science and Technology, approved by the Ministry of Finance and the Ministry of Housing and Urban-Rural Development, is achieved to build up a teaching or office building with renewable energy use to adjust temperature and comfortableness all year in Hot-summer the floor air supply system achieve the proper temperature and wind speed with less energy by using the control of local indoor thermal environment; the dynamic ventilation wall improves the indoor radiation temperature by using the active ventilation to isolate the impact of outdoor thermal environment on the indoor one. The combination of the three s above improves the thermal environment comfort of indoor working space. The research is based on the study of the expansion projects of the College of Architecture and Urban Planning in Huazhong University of Science and Technology, which is the demonstration construction of the application of renewable energy building ratified by the Ministry of Finance and the Ministry of Construction in China. It will carry out the research mainly from the following aspects At first the author analysis the mechanism of three subsystems of the Integrated system for low energy useing building from related research and practical experience both domestic and international and gets clear the functional streamline of the system operation. The author takes a long-term measurement on the climatic characteristics of the site, the indoor thermal environment of the construction, the envelope surface temperature of the building, the energy consumption of the building and some other related aspects, and researchs the characteristics by using comparative study . During the simulation study, the author tests the computer models with measured data, optimizes the design of buildings with integrated Integrated system for low energy useing building using the CFD simulation , and studies the impact on the indoor thermal environment with different ways of air supply, materials of walls and tectonic pattern of the system. Based on the experimental study and the simulation, the author takes a discussion on the design of low-power office buildings with integrated Integrated system for low energy useing building. In the aspect of system operation, the optimization of integrated system in building design are summarized, and several additional design ideas are suggested; while in the aspect of architecture design, the article probes into the impact of the integrated design on the Interior space of buildings and the tectonic design of retaining structures, and the design process of the low energy office building integrated with Integrated system for low energy useing building are described. This paper aims at laying a foundation for the promotion and application of the design patterns of low energy buildings with Integrated Integrated system for low energy useing building; and meanwhile, the concept of integrated design provides a new thought for low energy building design. 目 录 一、 系统集成的目的和理论基础“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 一、 建筑能耗使用的集成系统框图“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 二、 围护结构“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ “墙体和屋顶““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ “’ 气候适应性窗户““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ 三、 室内舒适度调节系统“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 四、 太阳能建筑一体化“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 五、 建筑自动化部分“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““* 六、 实测结果“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““* *“夏季运行状况“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““* “室内气温分布规律“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ “平均辐射温度的特点“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’ “ 系统运行时储能池水温的变化“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““’* “’系统能耗“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ “ 实测小结“““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““ 从当地的自然条件出发，当气候适宜和建筑内热环境适宜时，以人为的被动式舒适 度调节手段为主；在自然条件不能满足人们生活、工作的舒适度条件时，不依靠被动式的手 段，而辅之于主动式的方式实现自然和谐的室内环境，这是富有中国特色的生活和工作方 式，另外，建筑还需要最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少 污染（简称“四节一环保”），为人们提供健康、适用和高效的适用空间的建筑。“四节一 环保”政策体现了以人为本的设计理念，建筑尽量利用自然条件、与自然和谐的设计策略， 减少资源、能源消耗和排放，运用适宜的工程技术创造现代社会的人居环境品质。在不断的 探索和改善中，“四节一环保” 也是富有中国特色的建筑节能方式。 财政部、建设部可再生能源建筑应用示范项目，华中科技大学建筑与城市规划学院教室 扩建和既有建筑改造工程，称之为 000PK 建筑（零能耗、零排放、舒适度 PMV 为 0、 Popular 大众化、Key 共性关键技术）。建筑主要目标夏热冬冷地区全年使用可再生能源 进行温度和舒适性调节的教学、办公建筑，以全年的屋顶太阳能电池板的发电量等于或小于 室内舒适度调节系统和照明总耗电量，所有发电都送入电网，用电从电网输入。由于春、秋 季以及寒、暑假的太阳能产生的电能都回馈电网，完全可补足夏、冬季舒适度调节系统和照 明耗电量大时的电力消耗。 作为围护结构改造的示范，主动式动态空心墙的最大特点是拥有一个流动的空气间层， 在冬、夏两季，采用主动式送风的方法，用一定温度的空气不断从墙体内部通过，有效的阻 隔室外冷、热量通过墙体集聚，提高墙体的保温和隔热功效。通往空气间层的空气，是主动 输入与室外有较大温差的室内空调废风；玻璃窗的改造，则在玻璃窗上增加一个附件，夏天 可玻璃窗遮阳，而冬天则反射太阳光取暖和改善照明。由于围护结构的自适应能力加强，室 内每年需要调节的时间大为减少。 结合可再生能源的利用，将采集到的地下冷热源（室内地板散热器的循环水与地下冷热 源采集水管中的水进行循环）去调整进入室内的新风温度；并通过新风冷热交换系统进行热 交换；然后，收集建筑内部已经使用后的废风，与新鲜空气交换热量后，输送到动态空心墙 的空气间层当中。 充分利用夏热冬冷地区地温年度总平衡的优势，变夏热冬冷地区气候双向影响的劣势为 优势，以土壤中的冷、热源，用竖埋管中水循环方式带至室内地板下，再用地板送风的方 式，进行夏热冬冷时的室内舒适度调节，这也是夏热冬冷地区不用压缩机技术的热舒适度调 整技术，增强的围护结构自适应性减少了需要进行室内舒适度调节的时间；由于系统中有一 个储能器，故还能将秋、春季（无需室内温度调节时段）的热、冷量互存地下，反季节应 用。 项目在充分进行了计算机计算和模拟的基础上进行设计的，特别对围护结构的建筑性能 以及舒适度调整系统的设计提供了较为充分的数字设计基础。 一、 系统集成的目的和理论基础 系统集成的目标是调整室内的空气温度和辐射温度，如上图所示，在相同 的 PMV 值下，衣着和人体活动值固定，则空气的湿度与风速对 PMV 的敏感度 要远远小于空气温度和辐射温度，也就是说，在一定的建筑室内环境要求下， 达到 PMV 值，调整空气温度和辐射温度，本文讨论的主要是调整辐射温度， 可以更快和更好的达到室内舒适度的要求。 既满足中国人的生活习惯，又能达到建筑节能的要求，特别强调“部分时 间，部分空调”的应用，是本项目的主要实现目标。在围护结构既满足室内舒 适度调整，又达到建筑节能的要求，且还能亲和大自然的前提条件下，如何在 不舒适的气候条件下调整室内舒适度，尽量利用自然条件以及可再生能源，达 到建筑节能和和谐自然室内环境的共生要求，使之具有中国特点，也是本项目 的目标。 一、 建筑能耗使用的集成系统框图 图 2.1 建筑能耗使用的集成系统框图 二、 围护结构 “墙体和屋顶 项目采用独立自主创新的主动式动态空心墙（Active Dynamic Air Envelop，ADAE），其墙体采用的是复合轻质材料组合。主动式动态空心墙的 最大的特点是拥有一个流动的空气间层，在冬、夏两季，采用主动式送风的方 法，用一定温度的空气不断从墙体内部通过，有效的阻隔室外冷、热量通过墙 体集聚，提高墙体的保温和隔热功效。通往空气间层的空气，是主动输入与室 外有较大温差的室内空调废风； 结合可再生能源的利用，将采集到的地下冷热源去调整进入室内的新风温 度；并通过新风冷热交换系统进行热交换；然后，收集建筑内部已经使用后的 废风，与新鲜空气交换热量后，输送到主动式动态空心墙的空气间层当中。 围护结构内层使用轻质内墙板，由内外两层防火板 聚苯颗粒与粘接剂 水泥、粉煤灰等构成。厚度为 100 mm；导热系数为 0.78 W/m.k。围护结构 外层的主要材料为 30 mm 聚氨酯，内外用防火材料和外墙材料包裹，与内层 之间形成 60 mm的空间；如图 2.2所示。 图 2.2 动态空气墙示意图（自绘） 动态空气墙还能与光伏电池板一起组成屋顶，其内层与主动式动态空气墙 体一样；外层为太阳能光伏电池板（薄膜太阳能光伏玻璃）。电池板既是建筑 结构的瓦，也是动态空心墙的外层。动态空心墙的出风口由屋顶无动力风机完 成，它既是动态空气墙，也是动态空气屋顶的出风口，既调整墙体的保温、隔 热性能，又为太阳能电池降温，提高发电效率；如图 2.3所示 图 2.3 动态空气墙和屋顶太阳能电池的无动力风机出风口（自拍） 主动式动态空气墙的特点是内层隔热，外层保温，空气间层调 节与气候之间的适应性，且施工方便，外层可使用聚氨酯块干挂。 建筑和安装费用低，符合框架结构特征的建造，还能减轻建筑的总 重，配套设备费用也低，整个建筑生命周期中的使用费用也较低； 适应性广；防火性能好；作为光伏屋顶，光伏电池板替代瓦，使得 建筑的建造费用降低。使用膜电池，对光亮度的要求低，发电时间 长，总发电量高，也能达到屋顶的防水要求；在屋顶施工也较为方 便； “气候适应性窗户 围护结构中的窗的改造是建筑节能的另一关键点，这里既包括 既有建筑，又包括新建建筑。符合人们的生活习惯的窗户，也是极 具中国特色的建筑要求 就是要能开窗通风。气候适宜时，特别是 春、秋天，开窗通风，呼吸大自然的空气。窗的可开启性，也是自 然和谐室内环境的必要条件。但它也是气候不适宜时，室内环境调 节的弱点。窗的开启也是中国人判断生活舒适性的心理因素，特别 是在居住建筑中。那么，经过详细计算机计算以及模拟，在实测数 据的支持下，认为在窗的密闭性解决后，遮阳的合理使用比墙体改 造（外墙外保温）的实用性高，性价比也高，可操作性强，还特别 适合于既有建筑的改造。 在南向窗上增加夏天可完全遮阳，冬天可反射阳光进室内提高 室内温度和照度，而又不影响玻璃视觉的附件，就可以满足对太阳 辐射利用的两面性的要求，夏热冬冷变为冬暖夏凉。窗的改造为南 向窗是内侧为普通中空玻璃窗，窗外侧为两层，即活动上、下层的 遮阳附件。东、西、北向窗为内侧普通中空玻璃窗，外侧遮阳为遮 阳天窗和遮阳侧窗附件。所有遮阳附件只需满足一个参数，即它的 阳光反射参数。那么，调节遮阳附件的角度，夏天或在需要遮阳时 间段里，将它对准太阳，即能将太阳辐射反射回天空；而冬天，调 整遮阳附件与窗垂直，同样利用它的反射特性，将太阳辐射的热和 太阳光线反射至室内天花板，再反射至室内地板，用以调整室内温 度和自然光线。这样，既能符合中国人开窗的生活习惯，又能满足 建筑节能的要求。下图为南向窗相片。 图 2.4 气候适应性南向窗（自拍） 图 2.5 气候适应性南向窗冬季反射阳光效果（自拍） 气候适应性窗的特点就是外遮阳附件只要玻璃的一个特性，即 阳光反射性，它既能夏天遮阳，还能冬天反射热量和光线进室内， 特别适合长江以南使用；而对内窗没有任何特别要求，只需保证一 定的密封性，使用普通中空玻璃即可。这样，玻璃窗的价格即能大 幅降低。还基本不影响窗的采光；由于遮阳附件的反光对准太阳， 夏、春、秋天的光反射回天空，不会对附近建筑产生光污染；故也 特别适合既有建筑改造，因只需在旧墙和旧窗上安装遮阳（反射） 附件。且价格低廉，制造容易，施工容易； 三、 室内舒适度调节系统 地下勘探资料表明，本学院大周边地区没有地下水，从地下 15 米到 70 米左右为石灰石岩层。这是有代表性（无地下水作冷热量交 换）的地质条件。所以，采用“竖埋管 地下冷热源缓冲器（地表 浅层水池） 热回收换气技术 地板送风系统 智能控制系统”的 集成方案，利用各自的优点进行互补，避免各自的缺点，是本项目 解决室内舒适度调整的策略。 地下冷热源采出后，在我们所处地区，常年为 18-20 度的冷、 热（循环水）源，实际上本身已能满足很大部分在夏、冬两季对室 内舒适度调整要求不严格的建筑空间使用，特别是冬季采暖。再与 使用热回收换气技术和地板送风系统进行集成，形成不使用热泵 （压缩机）的建筑空间舒适度调整技术，把舒适度调整中最耗电的 部分去掉，应用在建筑中全年对室内环境要求不是非常严格的场 合。该策略不仅为城市所用，还能为农村和城镇的未来舒适度调整 也可起到关键示范作用，解除对该地区城市、农村和城镇的部分建 筑，对未来全年舒适度调整要使用化石燃料的后顾之忧。 室内舒适度调节系统，采用自循环回路通过地下竖埋管采集地 下冷（热）源，将冷热源储存在储水池中，该储水池也可称为储能 池，在建筑中，可由建筑中的消防水池完成此功能。另一自循环回 路再将该储能池中的水（也是冷、热源）循环送到室内地板下表冷 器，其冷（热）源再由新风系统的吹出的新风带进室内。新风系统 再收集室内的废风，送进主动式动态空气墙，调节围护结构的气候 适应性，提高保温、隔热性能，实现可再生能源梯级使用。新风去 湿由新风机中特殊材料解决。地板送风系统由地下静压箱缓冲风压 和风量。地板送风系统能耗是传统空调系统能耗的 66％，还可提高 工作区空气品质。新风部分去湿由新风机解决，机内有特殊材料的 过滤器，可以去掉一定程度的湿气，能进行一定程度的热交换。 新风机的新风进口可在室外或室内二层上部，新风出口在室内 地板风冷器下，新风出口风将温度带进室内。新风机污风进口则抽 取室内一层顶部的空气，与新风进口的风进行热交换后，送入动态 空气墙中的空气间层，增强围护结构的气候适应性。见图 2.6，图 2.7。 图 2.6 地板送风系统（自拍） 图 2.7 储能池（自拍） 四、 太阳能建筑一体化 坡屋顶的角度经计算后，采用 23 度的坡度，以利更多的收集阳 光。太阳能膜电池板与屋顶的空气间层的支撑节点结构为钢结构， 屋顶间层的气流冷却太阳能板，提高太阳能板发电效率，主要解决 春季末期、夏季、秋季早期的发电效率问题。太阳能电池板温度超 过一定温度后，发电效率下降。而本地区上述季节时间段内，特别 是夏天，太阳直射下的温度，经实测，高达 50-60 度，致使在太阳 光最丰富的季节，太阳能电池板发电效率较低。用排出室外的废风 （温度大约在 30-34 度左右）去冷却太阳能电池板背面的部分。实 现可再生能源梯级利用，还能适当调整太阳能电池板的发电效率， 这也是本项目要解决的关键问题之一。 主动式动态空心墙和动态空气屋顶的出风口都是无动力屋顶风 机。它一机三用，微弱风力即可旋转，形成机内负压，引导动态空 气墙内和屋顶内的空气逸出，即利用了风力，也是‘热’烟囱，因为它 是不锈钢材质，与下部材质形成温度差，也可起热烟囱作用，同样 引导废气排出，见图 2.7。 建筑的二层北面，有一室外平台。平台栏杆将用由细铜管和铁 翅片做成的空气冷水器完成（实际上是南方流行的太阳能热水 器），在这里，空气冷水器中的循环水采集冬天和春天中空气中的 冷源，然后循环到储能池中，再被循环水带到地层 50 米下的岩石 中，争取实现空气和地下的冷源反季节储存、使用。建筑的东墙面 和西墙面将安装太阳能热水器，其循环系统将与室内地板下风冷器 的循环水连通。在冬天，若室内温度需要提升，而太阳能热水中的 水温高于室内温度时，补充提高室内循环水温度。另外，也在夏末 和秋季，送热源进储能池，循环储存进地下岩石，以备冬天使用。 见下图。 图八 建筑东面预留太阳能热水器安装钢架和二楼北面小平台（自拍） 五、 建筑自动化部分 将对地下冷、热源部分的分、集水器上的温度和流速，以及地 下水循环马达的变频调速进行监控；对储能池中水温进行采集；室 内舒适度调节系统的水泵，风机进行马达的变频调速，循环水进行 监控；室外冷空气采集系统，以及太阳能热水器的控制系统按照上 两节所述功能进行监控。整个系统将形成完整的可再生能源利用的 计算机控制理论和实际运行系统。 六、 实测结果 “夏季运行状况 1 室内热环境 选取 2010 年 8 月 9 日凌晨至 15日凌晨的六天时间来分析夏季 系统开启时的室内热环境（图 7-1）。这六天内系统的地下水泵均一 直开启，室内水泵及地板送风系统在人员工作时同时开启，开启时 段见图 7-1a 中所示（10～12日仅开启部分送风口）。 由图中可知，这几天均为晴天，室外太阳辐射非常强烈，正午 时可达到 800W/㎡以上，给建筑形成很大的热负荷；白天的室外气 温很高，11～13日的最高最高气温都超过 36℃，夜间气温也超过了 30℃，最高气温出现在下午 15时左右，最低气温出现在凌晨 6 时日 出之前；室外的湿度变化与温度变化规律基本相反，白天相对湿度 随气温升高而降低，夜间随着气温降低而升高，平均湿度约 70％。 系统开启后室内测点温度迅速下降，经过一小时左右可以达到 29℃左右，随后室内气温略有上升的趋势，这主要是室外气温和太 阳辐射的影响，以及后面要提到的水温变化的影响。送风系统关闭 后室内气温迅速上升，夜间温度比较稳定，早上太阳升起后室内温 度会逐渐上升，直至送风系统开启。由于示范建筑中没有除湿系 统，系统开启时随着温度的降低，室内相对湿度约增大 10％左右， 室内外的日平均湿度基本相等。 将室内外气温进行比较可以发现系统开启时室内气温远低于 室外气温，室外气温受太阳辐射的影响急剧升高，室内则由于地板 送风系统的送风抵消了这部分影响，温度基本保持稳定。太阳落山 后室外气温下降很快，至夜间 21时左右室内外温度相等，随后室内 气温高于室外，接近室外的日平均气温。第二天日出后室外气温上 升，至系统开启时室内外气温又接近相等。 a） b） 图 7-1 夏季大厅温湿度与室外环境参数 从上述分析可知，冬夏季集成系统开启时建筑室内热环境可以 达到一定的效果，对于室内热环境要求不严格的建筑，可以达到设 计要求。开启后温湿度达到稳定状态需 1 小时左右，随后室内温湿 度相对稳定，但仍会受到太阳辐射及室外气温一定的影响。 2 围护结构温度 图 7-2 为南墙和南窗内外表面温度的变化情况（10～12日期间 测点所在风口未开启）。白天强烈的太阳辐射作用到墙体和窗的外 表面，使其温度升高剧烈，在下午 14时，南墙外表面温度达到最高 值，平均在 47℃左右。南窗外表面与南墙外变化规律一致，最高温 度高出墙外 2℃左右；在系统运行时，南墙内表面温度基本与室内 温度的变化趋势保持一致，墙内外温差很大，可达到 17℃。南窗内 表面则受到太阳辐射的影响，温度略有波动。夜间随着室外气温下 降，21时以后墙体和窗的外表面温度逐渐低于内表面，这会产生通 过墙和窗从室内向室外的热流作用，此时由于窗户的传热系数较 高，降温比墙体要快。 图 7-2 南墙和南窗内外表面温度 图 7-3 为围护结构外表面各朝向的温度变化情况。在各个朝向 中斜屋面受到的太阳辐射量最大，且为玻璃材质的太阳能膜电池 板，因此其白天温升也最快，在下午 14时左右温度达到最高值。西 墙外表面在上午受到的太阳辐射小，温升较慢；到下午由于受到太 阳直射辐射的作用，温度加快，在下午 16时左右达到最高值。北墙 外表面位于太阳辐射的阴影区，温度最低而且变化较慢，最高气温 出现在下午 15时左右。因此，在系统运行的时间段内，通过围护结 构的传热负荷情况是斜屋面＞南墙面＞西墙面＞北墙面。 图 7-3 围护结构外表面温度 图 7-4 是围护结构内表面的温度变化情况，在系统运行时北墙 内表面的温度最低，与室内温度变化的趋势一致。南墙由于热负荷 较大，内表面温度高于北墙约 1℃。由于西墙内部没有设空气间 层，其内表面温度受室外影响较大，在傍晚时可达到 37℃。斜屋面 的传热负荷最大，内表面的温度最高，受室内设备开启的影响较 小。 图 7-4 围护结构内表面温度 “室内气温分布规律 地板送风系统是一种侧重于对室内局部热环境进行调节的送风 方式，本节中对系统开启时室内温度分布的规律进行研究，在室内 布设了多个测点，研究室内不同位置不同高度处的温度分布情况。 在示范建筑中的办公室一中布点进行测量，包括风口处的测点和房 间中部的测点，测点位置见 Error Reference source not found.。冬 季测试时间为 2011 年 1 月 2 日，夏季测试时间为 2010 年 8 月 4 日。 冬季的测点包括办公室一中的南 3风口处 0.2m、1.5m、2.8m 高度的三个测点，房间正中的 0.2m、1.5m、2.8m 高度的三个测点，