细数超高层建筑绿色低碳技术的被动与主动

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超高层建筑说起来都是耗能大户,也是一贯被建筑业内人士诟病的一项内容。所以超高层建筑越是高度高、规模大,越是重视绿色节能的问题,从政府规划到建设的全过程都是有很高的要求。尤其新的国家绿建标准出来后,对超高层的绿建建设更是提出了巨大的挑战。

笔者由于近多年一直从事超高层建筑的开发建设,2019年也和同仁们进行过超高层建筑绿色技术的适配性研究,期间查阅了大量高层建筑与绿建方面的资料、案例;今年也有有幸作为参编单位代表而现场聆听了省建设主管部门牵头编写的《超高层绿色建筑指引》评审会,聆听过业内权威专家的想法,很受启发。对此虽有较多思考,但这里仍不敢谈太专业的绿建论述,仅通过本文,从项目实际使用绿建技术角度,梳理归纳超高层目前常用的绿色节能技术,从通常的被动式技术和主动式技术两个方面进行简要整理,也可能不尽全面。希望可以作为个人知识积累和与朋友们的共同知识分享,具体如下:

#1被动式绿色低碳技术

被动式绿色低碳技术是建筑本身通过各种自然方式收集和储存能量,与建筑周围环境之间形成自然循环的系统,不需要耗能的机械设备充分利用自然资源,达到节约传统能量的效果。被动式节能强调的是建筑对气候和自然环境的适应及协调。

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1.1 被动式太阳能利用技术

被动式太阳能利用技术式不采用其他机械动力,直接通过辐射、对流和传导实现太阳能采暖或供冷,利用太阳能直接满足建筑内人们的需求。

超高层建筑可采用的太阳能利用方式有以下几种

1)直接收益式:太阳辐射穿过太阳房的透明材料后,直接进入室内的方式,其原理图如图1所示。

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此方式南方或者夏热冬冷区域的超高层建筑经常使用。

2)集热蓄热墙式:太阳辐射透过材料后,投射在集热(蓄热)墙的吸热面上,加热夹层中的空气(墙体),再通过空气(墙体)的对流(热传导、辐射)向室内传递热量的采暖方式,如图2所示。集热蓄热墙体可以分为实体式集热蓄热墙、花格式集热蓄热墙、水墙式集热蓄热墙、相变材料集热蓄热墙、快速集热蓄热墙等。

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此方式多用于北方寒冷地区,如东北地区的超高层建筑。

1.2 围护结构热工性能的优化

通过对维护结构的优化设计来降低能耗,提高居住的舒适性,具体涉及夏季隔热、冬季保温等措施。

热的传递有传导、对流和辐射三种基本方式,热流在各种建筑(热工)材料中传递的速度是不同的。对于一定厚度的建筑材料,当其他两个方向的长度大于其厚度时,即成为一维稳定传热,使维护结构传热计算得以简化。

建筑外围护结构在稳定传热条件下,热流平衡式:

室内空气温度高于室外空气温度时:

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室外空气温度高于室内空气温度时:

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式中:

t1室内空气平均温度(℃);
te室外空气平均温度(℃);
θ1, θ2外围护结构内、外表面平均温度(℃);
R0外围护结构的传热阻(m2·K)/W;
Ri外围护结构的内表面换热阻(m2·K)/W,一般取0.11(m2·K)/W;
R外围护结构的热阻,为各层热阻材料热阻之和,即R=∑RJ ;

以上两式也可写成:

室内空气温度该与室外空气温度时:

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室外空气温度高于室内空气温度时:

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建筑热工节能是通过控制建筑体形系数、窗墙面积比、围护结构的传热系数等几个重要指标来实现的。

1)体形控制系数

建筑物体形系数是指建筑物与室外接触的外表面积与其所围成的体积的比值。根据国家的有关规范和实践,办公建筑体形系数一般不大于0.4,而住宅建筑宜在0.3左右。寒冷地区建筑的体形系数应小于或等于0.4,当不能满足时,应进行权衡判断。宜小不宜大,最好控制在0.3及以下。一般认为,耗热量会随着建筑物体形系数沿直线上升,经验值是:体形系数每增加0.01,则耗能指标就要增加2%。

2)控制窗墙面积比

各个朝向窗墙面积比是指不同朝向外墙上的窗、阳台门及幕墙的透明部分总面积与所在朝向建筑的外墙面的总面积之比。外窗作为外围护结构中一种透明的薄型轻质构建,其保温隔热性能比外墙和屋面差很多,所以控制窗墙面积比是必要的。

3)建筑朝向设计

我国位于北半球,建筑主体应采用东西或接近东西向,为便于取得冬季日照和利用夏季主导风气流,最佳位置宜为南西至东南方向,但也需结合地形布局,既避开冬季东北风向直吹,也有利于吸纳夏季西南风向,便于疏散热量。

4)建筑保温、隔热设计

在建筑的围护结构中,采用轻质高效的玻璃棉、岩棉、泡沫塑料等保温材料。利用保温能增加墙体热阻,增加墙体的隔热能力,有效防御室外气温对室内环境的影响,从而使得维护结构单位面积冷热负荷最小,建筑能耗降低。

5)建筑气密性

控制门窗、透明幕墙的气密性,同时采用一些构造措施提高维护结构的气密性,使整个房间达到一定的气密性水平,减少渗风引起的能耗。

1.3 太阳能光电系统

太阳能光伏发、供电系统:在太阳光照射下,电池板产生的电能(直流电),经联网逆变器转换为交流电,经由配电箱将电能的一部分供建筑内电器使用,另一部分多余的电能馈入公共电网,在晚上和雨天发电量不足时,由公共电网向建筑内设备供电。

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对于超高层建筑来说,除了目前主流的在屋顶设置光伏板系统以外;超高层的特点决定了其建筑外墙是与太阳光接触面最大的外表面,所以如果能合理的利用幕墙构造,将光伏系统置于外墙上或者将光伏板直接集成到玻璃幕墙上,则不仅能屏蔽太阳热辐射,还可以利用太阳能转化为电能,有效降低墙体温度,从而降低建筑物室内空调的冷负荷。如果利用面积大的话,可以带来很大的能源效益。当然现阶段投资偏大,但随着光伏材料、技术的发展,价格一定会越来越亲民,则此方面优势会更明显。

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大楼幕墙光伏板实例图

1.4 风能利用系统

高度超过400米、500米的建筑,则高处必然有一定的风速分布,行业经验值显示500米以上每天平均风速在9~12m/s,有较大利用潜力。而风机发电机预计每1m2的风轮发电功率约为400~500W,全年拟可产生100~200KW的电力。当然,风力机的方案涉及到结构荷载、建筑美学等因素,需要综合考虑。国内目前的案例,如上海中心大厦设有风力发电系统,在大厦顶端的风洞口,设有270台风机发电机,用来收集高空风能;2016年投入的世贸深港国际中心大厦也采用了风机发电设备;还有大连某超高层建筑等。


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上海中心屋顶的风机发电设备

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世茂深港国际中心大厦

1.5 冷却塔供冷技术

冷却塔侧(免费)供冷是指在原有常规空调水系统的基础上增设部分管路和设备,当室外空气湿球温度达到一定条件时,可以关闭冷水机组,以流经冷却塔的循环冷却水直接或间接向空调系统供冷,提供建筑空调所需要的冷负荷。

封闭式冷却塔直接供冷的形式与开式直接供冷系统的原理非常类似,它也是用从冷却塔流出的冷却水直接代替冷冻水进入空调末端进行供冷,所不同的只是冷却塔改为封闭式,如图示。

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闭式冷却塔(蒸发冷)示意图

封闭式冷却塔是一种新的冷却设备,流经冷却塔的冷却水始终在冷却盘管内流动,通过盘管管壁与外界空气进行换热,不与外界空气接触,与冷却水的主要污染源即外界空气实现了隔离,能保持冷却水水质洁净。

1.6 新风直接供冷技术

对于高度超过四五百米,甚至近千米的建筑而言,有业内专业公司模拟气象参数规律数据披露,其塔冠及以上区域外部空气的干球温度随高度增加而逐渐降低,夏季时比地面空调干球温度低约5~7度左右。所以如果将高空空气作为新风引入室内(雾霾天+除外),与引入地面高度空气相比,可适当减少夏季空调系统能耗。

据了解,目前国际、国内某些项目有类似做法,主要是将新风机组置于大楼顶层设备层内,然后向下分区供新风,设置竖向风井,不过缺点是核心筒的新风井面积会扩大较多。有资料显示新风直接供冷空调系统节能率可达20%,当然数据需要进一步项目实践考证。

#2主动式技术:机电系统的能效提升

2.1 水泵变频

大家知道,一般在空调水系统中,通过调节阀门可以实现水量减小,但又会使得水泵的扬程增加,效率降低,而水泵实际消耗功率变化并不会太大,所以节能效果比较有限。

而采用变频调节改变水泵的转速,则效果常常截然不同。就是说变频状态下,阀门开度不变,根据空调负荷减少时的流量减少需求情况,通过变频调节水泵转速来改变系统流量,则同时水泵消耗的功率也随之降低显著(因为水泵的流量与转速成正比,水泵的输入功率与转速成立方比的关系),例如有资料数据显示变频水泵流量减少到75%时,消耗功率可减少到原来的42%,所以整体上节能效果更好。

2.2 风机变频

一般来说,变频调节的风机可以节约功率消耗,主要体现在两方面:一是阀门节流损失功率;二是由于变速后风机的压头降低以及运行效率提高使风机本身少消耗的功率,所以采用变频风机调节风量可大幅节约电能。当然,也需要根据风机工况合理选择,不可盲目加变频,比如在风机几乎一开就要全风量运行或者仅有两种风量需求工况的情形就不一定适用。

2.3辐射系统

现在市面上采用的辐射系统类型较多,通常有以下多种:

1)按使用功能分为:供冷辐射板、供热辐射板、供暖/冷辐射板。

2)按表面温度分为:常温辐射板、低温辐射板、高温辐射板。

3)按辐射板构造分为:埋管式、毛细管式、风管式、装配式、整体式。

4)按辐射板位置分为:平顶式、墙面式、地面式。

辐射系统因为采用与常用冷水机组空调相区别的高温冷水系统(一般15度左右),所以制冷性能系数提高,且省去了风机的耗电,节能效果明显,且室内安静无噪音。根据近多年使用辐射系统的建设方、施工方等的资料数字显示,置换式新风系统加辐射供冷系统与常规空调系统相比,节能在20%~60%。

当然,对于超高层而言,因为大都采用大幕墙形式,所以对采用辐射系统有一定不利因素,需要谨慎的综合比较才可确定是否选用。目前超高层综合体使用较少。有些超高层公寓中当不开窗时可结合置换式新风系统组合使用,有的也与风机盘管一并搭配使用。但主流的还是地暖使用的多一些。

2.4 能量回收

1)排风热回收

新风能耗在空调通风系统中占了较大比例。为保证房间室内空气品质,不能以削减新风量来节能,尤其在当前疫情蔓延情势下更是如此,还可能需要增加新风量的供应。建筑中有新风进入,必有几乎等量的室内空气排出,这些排风对于新风来说含有热量或冷量。在许多建筑中,排风是有组织的,不是无组织的从门窗等缝隙排出。这样就有可能从排风中回收热量或冷量,以减少新风的能耗。

目前使用较普遍的新风排风热回收设备是全热交换器。例如常见的转轮式全热交换器,利用转轮转芯的蓄热和吸收水分的作用来回收排风中的冷量或热量,并将其回收的冷热量直接传给新风,在夏季和冬季分别使新风获得降温去湿和升温加湿处理,从而降低空调系统中处理新风的用能。

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2)空调冷凝热回收

常规空调系统主要由制冷剂循环、冷却水(或空气)循环、冷冻水(或空气)循环组成。室内冷负荷通过蒸发器进入制冷剂循环,变成冷凝排热的一部分,再通过冷却水(或空气)循环排放到大气中去。因此,对于常规空调制冷机,空调系统的冷凝热直接排放到大气中未加以利用。制冷机组在空调工况下运行时向大气环境排放大量的冷凝热,通常冷凝热可达制冷量的1.15~1.3倍。大量的冷凝热直排散失,能源浪费较大,这些热还会对环境热污染和大气温室效应不利。若将制冷机组放出的冷凝热予以回收利用,用来加热生活热水和其他热水,则不但可以减少热排放的环境污染,还是一种变废为宝的节能措施。

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3)内区热量回收

建筑内区无外墙、外窗,四季无维护结构冷、热负荷。但内区中的人员、灯光、发热设备等会余热,且全年存在。回收内区热量主要采用水环热泵空调系统,即用水环路。将小型的水/空气热泵机组并联在一起。水环热泵空调系统由室内水/空气热泵机组、水循环环路和辅助设备(冷却塔等)组成。

水环热泵系统原理图:

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当然,水环热泵的选用应该结合项目特点,确定是否合适采用,前些年这个系统流行时出现过一些项目不太适合采用但却盲目采用,使用几年后弊病显著,也没有实现预期节能目标,有被“节能忽悠“的嫌疑,需要慎重或者变通使用方为良策。

1 (15).jpg随着国家零碳目标的战略推出,绿色低碳技术的发展非常之快,新的技术和做法层出不穷,加上篇幅所限,因此本文梳理的可能不全面,有些表述也需要继续推敲,希望行业大咖们指正!

同时,对于超高层而言,由于近两年国家开始限制建设,而凡是标杆性超高层建筑,地方政府一般都会对绿色建筑方面做出较高的要求,故此已经成为近年超高层参与建设同仁们的一道难题,成为“热门”关注点。而实际上,许多绿建技术尚且存在着技术、经济的合理适配性问题,也不能盲目一哄而上,造成经济投资过大或者华而不实的结果,需要综合评估,所以谈论起来较为复杂,后续有机会将继续学习、探讨,这里仅作为阶段性绿色技术的知识沉淀,总结至此,与朋友们共勉。


文章分类: 绿建能耗
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