集一切可用节能措施于一身,这座建筑让空调下岗?

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  建筑能耗是人类最大宗的能耗之一。

  进入新世纪后,人类对生存环境的关注度越来越高,在兴建建筑时,除了关注建筑的安全性与舒适性之外,还越来越多地关注其环保性能。

  从建材的选择、建筑的修造施工,到使用、管理与维护,环境科学家们在建筑的全寿命周期都想了很多办法,争取“节省一点是一点”,尽可能地降低碳排放与污染。

  清华大学的环境学院大楼,就是这些丰富多彩的节能方案的集大成之作。


  (环境节能楼全景)

  (一)意大利出资,力图将一切可用的节能措施集于一身

  2003年1月,意大利环境和领土部同中国科技部签约,决定在清华大学内建造一座建筑节能示范楼。它的目的有两个:一是推进《京都议定书》中关于减排目标的实现,二是为中国建筑节能做出探索。

  这座中意环境大楼是一座示范工程,换句话说,科学家与工程师们的最终目的并不是建造一座最完美、最节能的大楼,而是不计工本,将一切可用的节能措施汇集于一身,这样才能在比较中最好地评价这些节能措施的好坏优劣。

  为了建好这座节能大楼,建筑项目汇聚了中外著名专家和公司,包括意大利米兰理工大学、Favero&Milan建筑设计咨询公司和清华大学能源专家组、中国建筑设计研究院等等王牌机构,由意大利著名建筑大师马利奥·古奇内拉主刀设计。

  建筑位于清华大学东南侧,是一座“退台式C型建筑”,占地面积约4000平方米,建筑面积2万平方米,高约40米,地上10层,地下2层。地下为钢筋混凝土结构,地上为钢结构。楼层和楼体双层玻璃外壳均采用钢梁和钢柱构成的支撑框架,采用现浇方式使混凝土楼板和钢梁系统紧密结合。地面以上楼层的施工材料为可完全回收再利用的钢材。


  (二)从材料到布局,这座大楼都有哪些节能举措?

  清华中意环境大楼的结构主体采用钢结构,而非传统常见的钢筋混凝土结构。

  这是因为钢材是一种可回收利用的材料,当建筑拆除后,只需将钢材融化重铸就可以重新使用,而混凝土一旦成型就很难重新利用,成为废品。此外,混凝土的生产过程还会消耗大量的能源,造成排放。

  因此,从全生产和使用过程来看,钢结构虽然价格较贵,但比混凝土结构碳排放量更低。


  (从建筑外观可见的钢结构框架)

  建筑能耗的一大来源就是照明,高效合理地利用自然光可以有效地降低建筑能耗。

  中意环境大楼根据北京的日照条件,通过设置长短不一的遮阳板,为日晒窗设置了有效的遮阳系统。

  建筑坐北朝南,依据北京冬至(27.3°)和夏至(73°)正午太阳高度角进行设计,在夏天可以减少太阳辐射量,冬天又可以允许阳光进入室内,既减少了照明用电,又减少了冬夏的取暖和制冷的空调用电。


  夏季时,采用玻璃幕墙的建筑往往会有很强的温室效应。

  强烈的日晒使得室内累积有大量的热量,而玻璃的密闭又使得室内热空气无法排出,热量“许进不许出”,室内温度就会急剧升高,必须消耗大量的能源来降低室温。

  而中意环境大楼采用的幕墙系统十分先进,它的东西两侧为带检修走廊的双层幕墙,其外层采用丝网印刷玻璃,内层上下填充隔热石棉,中间为透明玻璃窗。这样一来,不仅能够有效地阻挡强烈的日照,保证室内采光,还可以在两层幕墙中间形成空气对流通风层,将日晒产生的热量及时排出中间夹层,从而大大减少空调系统的能耗。


  (温室效应原理)

  在普通建筑中,人们不喜欢使用自然光的一大原因就是光强和入射方向很难控制,对人的视力伤害很大,因此常常宁可拉上窗帘、屏蔽自然光,然后在室内开灯,也不愿直接使用自然光。

  而中意环境大楼则借助一种特殊的百叶窗避免了这一困扰。大楼的外侧幕墙有一部分特殊的玻璃百叶窗,它们可以被计算机控制旋转角度,反射阳光到室内天花板上,形成均匀的室内自然采光效果。


  建筑的通风空调系统由安置在室内的二氧化碳传感器和红外传感器控制。

  红外传感器可以探测到室内是否有人,当室内无人时,空调自动将送风量降至最小值,使之刚好能够去除室内污浊空气。房间内还可以探测到窗的开闭状态,当开窗时,空调风量自动降低,从而达到节能的目的。

  为了准确地评价大楼碳排放,大楼采用天然气内燃机进行独立供电。在发电的同时,对发电机组的废气、冷却水以及润滑油路中的废热进行回收利用,这些废热可用于建筑供暖和生活热水系统。

  经过评估,大楼的发电效率高达37%,能源综合利用效率高达83%,这是一般建筑无法比拟的。除了天然气供电外,南侧遮阳系统覆盖了太阳能发电板,在控制光照强度的同时,还可以作为电力系统的有效补充。

  (三)依靠自然的力量,连大楼周边的绿化都是为了节能而生

  除了建筑本身的节能措施外,中意环境大楼还借助周边的绿化系统来践行节能。

  北京的冬季盛行西北风,因此在大楼的西北侧,种植有常绿高大乔木,可以阻挡冬季寒冷的西北风对建筑产生影响。在大楼南侧的阳台上,还设置了绿化种植屋面,利用屋顶的种植土和植被为大楼隔热保温。

  阳台上种植的植物以灌木类和藤蔓类为主,这实际上是一种“古老的智慧”。


  (老建筑上的爬墙虎)

  人们很早就开始在建筑的周边种植爬墙虎这类的藤蔓植物,待它们爬满建筑外墙,就可以吸收阳光,起到很好的隔热效果,让夏季的室内十分凉爽。

  此外,藤蔓类植物还能调整直射光照对室内光线的影响,在节能环保的同时,依附于建筑的植物系统还会让使用者的心情变得舒畅,保护视力。


  (布满植被的中庭气候缓冲区)

  (四)水资源的循环利用:每天可处理50立方中水再利用

  除了节约能源外,大楼的另一个重要环保措施是节约水资源。

  降雨发生时,所有降落到建筑屋顶及平台上的雨水都会被自动收集起来,与楼内生活废水混合,流入地下二层的中水处理站,这里每天可以处理50立方米的中水。

  这些中水虽然达不到饮用标准,但是满足基本的无毒无害指标,可以用于卫生间的便器冲洗、车库地面冲洗等功能。


  (隔热、保温、集雨补水系统合三为一)

  此外,楼内的卫生间采用负压式大小便分离系统。它的耗水量只有普通抽水马桶的十分之一,节水的同时还可以将大小便分离,降低污水管网中的氮、磷含量,减轻污水处理的负担,分离出的粪便处理后还可以用作绿化的肥料。

  结语

  中意建筑节能楼于2006年7月建成,如今已投入使用了13年,经初步估算,大楼每年可减少二氧化碳排放1200吨,减排二氧化硫5吨,烟尘2吨,节能效果瞩目。

  这座堪称“建筑节能系统博物馆”的大楼目前是清华大学建筑学院的院馆,由于建筑年代较早,这座大楼的节能措施远远谈不上完美,也并不是每一项节能措施都被证实是有用的,但它的存在为中国的建筑节能事业打开了一扇大门,也积累了丰富的经验。

  未来,越来越多、越来越高效的建筑节能手段将会在更多的普通建筑中推广开来。

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  编辑| 史文慧

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