廣州珠江城項(xiàng)目建筑節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用綜述

華錫鋒/周名嘉 （廣州市設(shè)計(jì)院， 廣州 510620）

1 前言

作為發(fā)展中國家，我國能源消耗逐年以驚人的速度增長，能源消耗總量已超過14億t標(biāo)準(zhǔn)煤，成為美國之后的第二能源消費(fèi)大國，我國乃至全球的常規(guī)能源越來越短缺。因此，節(jié)約能源及利用可再生能源是我國乃至全世界共同面臨的重大課題。在我國的能源消耗總量中，建筑能耗約占1/3，因此，建筑節(jié)能對節(jié)能減排起著至關(guān)重要的作用。本文將對已獲我國“2010年低能耗建筑示范工程”及“2010年太陽能光電應(yīng)用示范項(xiàng)目”的廣州珠江城項(xiàng)目綠色節(jié)能建筑技術(shù)進(jìn)行闡述。

2 氣候概況及建筑介紹

廣州市位于東經(jīng)112o 57" ～ 114o 03"，北 緯22o35"～ 23o 35"，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。由于處于低緯度地區(qū)，地表接受太陽輻射量較多，年平均太陽輻射值為4367.2～4597.3MJ/m2，分布是南高北低。年內(nèi)太陽輻射以2月最低，7月最高。年平均日照時數(shù)為1820～1960h，年日照百分率為41%～44%，南多北少。季節(jié)上以夏季最多，秋季次之，冬季再次，春季最少。同時受季風(fēng)的影響，夏季海洋暖氣流形成高溫、高濕、多雨的氣候；冬季北方大陸冷風(fēng)形成低溫、干燥、少雨的氣候。由于受季風(fēng)影響和華南冷高壓控制，年內(nèi)冬季（1月）多偏北風(fēng)和東北風(fēng)；春季（4月）風(fēng)向較零亂，以東南風(fēng)偏多；夏季（7月）受副熱帶高壓和南海低壓的影響，以偏南風(fēng)為主；秋季（10月）由夏季風(fēng)轉(zhuǎn)為冬季風(fēng)，以偏北風(fēng)為主。在平均風(fēng)速方面，冬、春季節(jié)風(fēng)速較大；夏季風(fēng)速較小，但夏季間常有熱帶氣旋侵襲，風(fēng)速可急劇增大，形成風(fēng)力8級以上的大風(fēng)。由此可見，廣州全年風(fēng)向以偏南風(fēng)、東南風(fēng)和偏北風(fēng)、東北風(fēng)為主，風(fēng)力資源比較豐富。

廣州珠江城項(xiàng)目定位為地標(biāo)性國際超甲級寫字樓，建筑高度309.6m，地上71層，地下5層，總建筑面積214,029 m2。B1夾層為貴賓入口；B1為設(shè)備用房/卸貨平臺；B2～ B5為機(jī)械停車。1層及夾層為大堂、銀行；2～ 6層為餐廳；7層為避難層；8層為設(shè)備層；9～ 22層為辦公1區(qū)，其中22層為避難層 ；23～ 26層為風(fēng)力發(fā)電/設(shè)備層；28～ 48層為辦公2區(qū)，其中38層為避難層；49～ 52層為風(fēng)力發(fā)電/設(shè)備層；53～ 69層為辦公3區(qū)，其中54層為避難層；70層為設(shè)備/避難層；71層為高級商務(wù)會所。

3 本項(xiàng)目建筑節(jié)能新技術(shù)

本項(xiàng)目采用了如下11項(xiàng)節(jié)能新技術(shù)：

（1）風(fēng)力發(fā)電建筑一體化——巧妙在建筑塔樓24層及50層上設(shè)置貫穿南北方向的4個風(fēng)洞，在風(fēng)洞內(nèi)設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)，利用可再生能源風(fēng)能產(chǎn)生電能。

（2）光伏發(fā)電建筑一體化——在建筑東西向遮陽板處及屋頂玻璃幕墻處設(shè)置光伏組件，光伏與建筑一體化，利用可再生能源太陽能產(chǎn)生電能。

（3）智能型內(nèi)呼吸式雙層玻璃幕墻——珠江城采用超高層建筑智能型雙層內(nèi)呼吸幕墻與遮陽技術(shù)。采用300mm寬度單元式雙層內(nèi)呼吸幕墻，并在雙層幕墻空腔內(nèi)設(shè)置鋁合金遮陽百葉，增強(qiáng)其采光和遮陽的效果和靈活性。提高室內(nèi)的熱舒適性，使其具有抗噪聲性能強(qiáng)、自然采光效果好等特點(diǎn)。

（4）輻射制冷帶置換通風(fēng)——辦公室天花采用冷輻射天花板，采用溫、濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)（即房間內(nèi)區(qū)冷輻射空調(diào)系統(tǒng)+周邊區(qū)干式風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)+地板送新風(fēng)的置換通風(fēng)系統(tǒng)）。

（5）高效辦公設(shè)備——辦公設(shè)備如電腦顯示屏等采用低能耗的辦公設(shè)備。

（6）低流水與無流水裝置——衛(wèi)生間采用用真空負(fù)壓沖洗及紅外感應(yīng)控制等節(jié)水控制裝置。

（7）高效照明——選用高效燈具、高效光源。

（8）照度及紅外感應(yīng)控制——大空間辦公室窗邊照明、個人辦公室照明及衛(wèi)生間照明均采用照度及紅外感應(yīng)控制。

（9）高效加熱/制冷機(jī)房——本工程開創(chuàng)性的采用了乙二醇溶液冷卻螺桿式熱泵冷水機(jī)組，夏季供冷、冬季供暖，巧妙的實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用和制冷系統(tǒng)的一致性，既節(jié)省了初投資、節(jié)約了裝機(jī)有效建筑面積和解決了風(fēng)冷熱泵機(jī)組所帶來的環(huán)境噪聲污染和震動的問題；也提高了夏季的制冷效率（相對風(fēng)冷冷水機(jī)組，其COP值要高很多）；同時也能維持與風(fēng)冷熱泵機(jī)組相當(dāng)?shù)闹茻酑OP值，其節(jié)能效果也是非常明顯的。

（10）需求化通風(fēng)——采用變風(fēng)量變頻節(jié)能控制方案，辦公用房的新風(fēng)系統(tǒng)采用絕對含濕量的VAV控制。

（11）冷凝水回收——將本大樓的空調(diào)冷凝水全部收集后輸送至首層冷卻塔的出水端，從而降低冷卻水的供水溫度，提高冷水機(jī)組的運(yùn)行效率。

4 重點(diǎn)節(jié)能新技術(shù)方案分析

4.1 風(fēng)力發(fā)電建筑一體化

1）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置的位置

根據(jù)廣州的氣候特點(diǎn)，珠江城項(xiàng)目建筑朝向南偏東13度，目的是充分利用廣州地區(qū)的風(fēng)力資源。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在建筑上的應(yīng)用例子很少，尤其應(yīng)用于超高層建筑上以及風(fēng)力發(fā)電與建筑一體化的案例幾乎沒有。作為廣州的地標(biāo)性建筑，既要體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的理念，又要體現(xiàn)天人合一的建筑理念，因此，如何將風(fēng)力發(fā)電機(jī)與建筑有機(jī)的結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電建筑一體化，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置的關(guān)鍵。建筑師根據(jù)珠江城項(xiàng)目體形與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別于24～ 25層、50 51層巧妙地設(shè)置了4個貫通南北的風(fēng)洞，用來安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)（圖1），夏季以偏南風(fēng)、東南風(fēng)發(fā)電，冬季以偏北風(fēng)、東北風(fēng)發(fā)電。

2）選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝位置，選擇合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)按結(jié)構(gòu)形式分為水平軸發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩大類，根據(jù)兩大類風(fēng)機(jī)的技術(shù)對比（如表1所示），最終采用了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（參見圖2）。根據(jù)廣州地區(qū)的風(fēng)力資源條件，如年平均風(fēng)速、常年主導(dǎo)風(fēng)向等，選擇合適的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，機(jī)組技術(shù)參數(shù)如表2所示。

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由于該項(xiàng)新技術(shù)在高層建筑中沒有先例，對其可能產(chǎn)生的震動、附加荷載、噪聲等尚不清楚。為了確保建筑的結(jié)構(gòu)安全、幕墻安全、施工安全及運(yùn)行安全，有必要對發(fā)電機(jī)風(fēng)洞層進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，作為設(shè)計(jì)、施工和使用推廣的依據(jù)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：利用建筑結(jié)構(gòu)形體風(fēng)洞風(fēng)速增大效應(yīng)，可大大提高風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率；本大樓周圍局部最大噪聲值不會超過國家規(guī)定的限值；對附近樓層樓板引起的加速度均較小，不會引起附近樓層樓板的共振；安裝基座及固件均未進(jìn)入塑性階段。這些研究成果為風(fēng)力發(fā)電機(jī)首次安裝在高層建筑中提供了有力的技術(shù)支持。

3）風(fēng)力發(fā)電電氣系統(tǒng)的構(gòu)成

風(fēng)力發(fā)電電氣系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

隨著風(fēng)速的變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出交流電壓為0～ 100V，最大電流為90A。電源輸入至交流變直流控制器后，輸出電壓為90～ 100V的直流電流。直流電流對蓄電池充電，蓄電池既能蓄電，又能保證電壓穩(wěn)定。穩(wěn)定的電壓再進(jìn)入并網(wǎng)裝置的輸入柜，先經(jīng)過直流升壓裝置，輸出直流電壓為650V；最后經(jīng)并網(wǎng)逆變器逆變，輸出電壓為400V、頻率為50Hz的穩(wěn)定交流電，輸出的電能直接并網(wǎng)至大樓低壓配電裝置。

WS-10型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定功率為6kW，輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化。WS-10風(fēng)機(jī)在8m/s的風(fēng)速下將輸出0.5～ 1.5kW的功率；在14.5m/s將輸出2～ 6kW的功率。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的預(yù)期年發(fā)電量如以MWh計(jì)算時，可由如下公式計(jì)算：

年發(fā)電量（MWh）=掃風(fēng)面積×風(fēng)能密度×年發(fā)電小時數(shù)×WS效率比×威布爾系數(shù)

掃風(fēng)面積：風(fēng)機(jī)葉片掃過的面積（m2）

風(fēng)能密度：不同年平均風(fēng)速下的風(fēng)的潛在功率（W/m2）

2） 光伏組件的安裝位置及組件

根據(jù)珠江城項(xiàng)目體形與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（圖4），原設(shè)計(jì)方案是將光伏組件設(shè)于屋頂、東西立面遮陽板及南立面風(fēng)洞層內(nèi)彎凹位處。后經(jīng)多方專家論證，南立面風(fēng)洞層內(nèi)彎凹位處的光伏組件不但對整體建筑玻璃幕墻的顏色效果影響較大，不協(xié)調(diào)，而且由于該處彎度較大，彎度對光伏組件的發(fā)電效率及壽命均產(chǎn)生較大影響；鑒于目前光伏組件的彎度處理技術(shù)尚未成熟，因此，最終取消了該處的光伏組件，只保留屋頂及東西立面遮陽板處的光伏組件。

由于本建筑東、西立面的固定遮陽板處裝設(shè)的光伏組件顏色對大樓沒影響，因而選用了光電轉(zhuǎn)換效率高的單晶硅電池組件（圖5），并起著隔熱作用。本建筑屋頂為玻璃屋頂，整體幕墻顏色為淺藍(lán)色，由于單晶硅顏色多數(shù)偏深藍(lán)色或黑藍(lán)色，而多晶硅的顏色偏淺藍(lán)色，因此，建筑屋頂最高處裝設(shè)與建筑顏色相協(xié)調(diào)的多晶硅電池組件（圖6）。多晶硅電池組件與玻璃集成一體，外層采用鋼化雙夾膠中空玻璃，既能起著隔熱作用，又能節(jié)省建筑材料，可謂一舉兩得。

珠江城塔樓屋頂采用P8+1.14PVB+3mm多晶硅電池板+1.14PVB+TP8（LOW-E） +16A+ TP6+1.52PVB+TP6mm鋼化雙夾膠中空玻璃，安裝面積約為360m2，

WS效率比：按照0.54計(jì)算

威布爾系數(shù)=2

廣州地區(qū)年平均風(fēng)速為2m/s，建筑100m高處時的風(fēng)洞吸風(fēng)效應(yīng)可增至8.25m/s，此時風(fēng)能密度為348W/m2。WS-10 的掃風(fēng)面積是10m2，因此 ：

發(fā)電量＝10×348×8760×0.54×2=32.9 MWh

該項(xiàng)目共設(shè)置了4個風(fēng)力發(fā)電機(jī)，則一年的預(yù)期發(fā)電量為：4臺×32.9 MWh/臺=131.6MWh，即13.16萬度電。

4.2 光伏發(fā)電建筑一體化

1） 光伏建筑一體化的形式及特點(diǎn)

光伏建筑一體化的形式及特點(diǎn)如表3所示。其轉(zhuǎn)換效率不低于14%。東西立面31 71層的遮陽板安裝了高光電轉(zhuǎn)換效率的單晶硅太陽能電池片，通過層壓，制作成雙玻組件，安裝面積各約為650.5 m2，其轉(zhuǎn)換率≥16%。組件采用5mm超白低鐵鋼化玻璃+1.14PVB+125×125單晶硅片+1.14PVB+5mm鋼化玻璃層壓封裝。

表3 光伏建筑一體化的形式及特點(diǎn)

3） 光伏建筑一體化電氣系統(tǒng)的構(gòu)成

光伏建筑一體化電氣系統(tǒng)由光伏組件、匯線盒、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等組成，東、西立面及屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成如圖7所示。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)采用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)逆變器將電能反饋入電網(wǎng)，以電網(wǎng)為儲能裝置，省掉蓄電池，既節(jié)省投資，又避免了蓄電池的二次污染。并網(wǎng)逆變器除了實(shí)現(xiàn)上述并網(wǎng)功能外，還應(yīng)具備以下功能：同步跟蹤功能、最大功率跟蹤功能、自動運(yùn)行與關(guān)閉功能、過壓、欠壓保護(hù)功能、過載保護(hù)功能、短路保護(hù)功能、過熱保護(hù)功能、防止“孤島效應(yīng)”功能。

光伏系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)主要是對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，能有效地反映光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況。監(jiān)測系統(tǒng)主要由逆變器、傳感器、PC、顯示屏（可選）、通信電纜等組成，可通過以太網(wǎng)將各種信號傳到大樓的監(jiān)控中心。

光伏方陣預(yù)計(jì)年發(fā)電量（kWh）＝光伏組件總面積×安裝面年平均輻射量（kWh/ ）×光伏系統(tǒng)發(fā)電效率×光伏電池轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)上述公式，可預(yù)測珠江城項(xiàng)目光伏年發(fā)電量如表4所示。

4.3 智能型內(nèi)呼吸式雙層玻璃幕墻

辦公樓層的干式風(fēng)機(jī)盤管的回風(fēng)箱有與雙層內(nèi)呼吸玻璃幕墻相連的旁通風(fēng)管，必要時（當(dāng)內(nèi)層玻璃表面溫度超過35.6℃）可以打開其連通閥，改善周邊區(qū)域的熱舒適度；另外在冬季可以完全打開旁通閥，捕獲太陽輻射熱、降低冬季的采暖負(fù)荷，起到環(huán)保節(jié)能的效果。

表4 珠江城項(xiàng)目光伏各月預(yù)計(jì)發(fā)電量統(tǒng)計(jì)

內(nèi)呼吸式雙層玻璃幕墻原理如圖8所示。

4.4 冷輻射+需求化（VAV）置換送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

本項(xiàng)目辦公用房采用溫、濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)（即房間內(nèi)區(qū)冷輻射空調(diào)系統(tǒng)+周邊區(qū)干式風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)+地板送新風(fēng)的置換通風(fēng)系統(tǒng)），冷輻射空調(diào)系統(tǒng)和干式風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)擔(dān)負(fù)消除室內(nèi)大部分顯熱負(fù)荷、控制室內(nèi)溫度的任務(wù)；而置換送風(fēng)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)消除室內(nèi)濕負(fù)荷、控制室內(nèi)相對濕度的任務(wù)，空調(diào)送新風(fēng)系統(tǒng)采用絕對濕度控制的“VAV” 系統(tǒng)。如圖9所示。

4.5 高效照明

1）弧形冷輻射天花與漫反射照明

本項(xiàng)目辦公室天花采用弧形冷輻射天花板，既實(shí)現(xiàn)冷輻射空調(diào)的功能，又由于弧形天花板的應(yīng)用，使辦公空間最大化，提升了建筑的使用價值。同時，為了解決弧形天花照明，辦公室采用漫反射照明方式，利用弧形天花的作用，將燈光漫反射至辦公桌面，實(shí)現(xiàn)弧形冷輻射天花與漫反射照明的有機(jī)結(jié)合（效果圖如圖10所示，安裝示意圖如圖11所示）。漫反射照明很好地解決了照明所帶來的眩光問題，從而大大提高了工作環(huán)境的舒適性。

2）選用高效的光源和燈具

電氣照明的節(jié)能設(shè)計(jì)最主要的核心問題就是選擇高效的光源和燈具，嚴(yán)格控制照明功率密度。衡量光源是否節(jié)能，關(guān)鍵要看光源的發(fā)光效率，即光源的lm/W數(shù)。光效越高，說明在同等的用電功率下，光源發(fā)出的光越多，也就越節(jié)能。直管熒光燈的選擇四項(xiàng)原則是三基色、細(xì)管徑 、大功率 、中色溫。三基色熒光粉取代傳統(tǒng)的鹵磷酸鈣熒光粉，光效提高17%～30%，顯色指數(shù)Ra從55%～ 72%提高到83%～ 85%，壽命延長了約50% ～100%。相同照度條件下，使用燈管數(shù)可減少17%～ 25%，建設(shè)投資降低15%～ 25%，運(yùn)行費(fèi)減少20% ～25%。幾種直管熒光燈的技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 幾種高效直管熒光燈主要技術(shù)參數(shù)比較

從表5可知，同樣是三基色光源，但T8高頻三基色直管熒光燈光效在目前所有直管熒光燈當(dāng)中是最高的。另外，同等的光源，采用不同的燈具，光源利用系數(shù)也是不同的。如圖11所示，燈光經(jīng)燈具反射后再經(jīng)弧形天花二次漫反射，因此，光源利用系數(shù)必然將降低。為此，我們在普通燈具上增加了鋁鏡面反射板，以提高光源利用系數(shù)。

經(jīng)過在該項(xiàng)目第9層樣板間進(jìn)行多次方案調(diào)整及測試，最終得到一個較滿意的實(shí)施方案。該方案測得的平均照度為346lx，功率密度值為10.19W/m2。根據(jù)測試結(jié)果，反算出綜合漫反射利用系數(shù)為0.31。光源主要技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表6 樣板間測試光源主要技術(shù)參數(shù)

5 效益分析

（1）節(jié)能預(yù)測分析

珠江城在多個方面進(jìn)行了低能耗研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)達(dá)到公共建筑60%以上的總體節(jié)能率，并將該工程中所采用的綠色環(huán)保措施、建筑節(jié)能技術(shù)規(guī)模應(yīng)用與推廣，起到借鑒參考和指導(dǎo)作用：

類別 建筑綜合單位面積 可再生能源單位 常規(guī)能源的建筑年耗電量 面積年發(fā)電量 單位面積年耗電量（kWh/m2） （kWh/m2） （kWh/m2）設(shè)計(jì)建筑 65.43 1.33 64.1參考建筑 85.36 0 85.36節(jié)能率 61.7% ——62.5%

（2）環(huán)境影響分析

按照目前的節(jié)能設(shè)計(jì)，項(xiàng)目建成后與沒有采用節(jié)能措施的建筑相比每年可節(jié)約電能2320.2萬度，以對環(huán)境影響較大的火力發(fā)電為例，減排量如下（單位：t/a）：

類別 節(jié)煤 減排SO2 減排CO2 減排放粉塵指標(biāo) 9280.99t 137.4 4547.67 126.2

結(jié)束語

珠江城項(xiàng)目已被國家住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部列為“2010年低能耗建筑示范工程”和“2010年太陽能光電應(yīng)用示范項(xiàng)目”。該項(xiàng)目的建成和實(shí)施對指導(dǎo)類似項(xiàng)目的綠色節(jié)能建筑設(shè)計(jì)，提高綠色建筑水平，促進(jìn)綠色技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

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