广州珠江城项目建筑节能新技术应用综述

2011-09-18华锡锋周名嘉广州市设计院广州510620

智能建筑电气技术 2011年3期

华锡锋/周名嘉（广州市设计院，广州 510620）

1 前言

作为发展中国家，我国能源消耗逐年以惊人的速度增长，能源消耗总量已超过14亿t标准煤，成为美国之后的第二能源消费大国，我国乃至全球的常规能源越来越短缺。因此，节约能源及利用可再生能源是我国乃至全世界共同面临的重大课题。在我国的能源消耗总量中，建筑能耗约占1/3，因此，建筑节能对节能减排起着至关重要的作用。本文将对已获我国“2010年低能耗建筑示范工程”及“2010年太阳能光电应用示范项目”的广州珠江城项目绿色节能建筑技术进行阐述。

2 气候概况及建筑介绍

广州市位于东经112º 57" ～ 114º 03"，北纬22º35"～ 23º 35"，属南亚热带季风气候区。由于处于低纬度地区，地表接受太阳辐射量较多，年平均太阳辐射值为4367.2～4597.3MJ/m2，分布是南高北低。年内太阳辐射以2月最低，7月最高。年平均日照时数为1820～1960h，年日照百分率为41%～44%，南多北少。季节上以夏季最多，秋季次之，冬季再次，春季最少。同时受季风的影响，夏季海洋暖气流形成高温、高湿、多雨的气候；冬季北方大陆冷风形成低温、干燥、少雨的气候。由于受季风影响和华南冷高压控制，年内冬季（1月）多偏北风和东北风；春季（4月）风向较零乱，以东南风偏多；夏季（7月）受副热带高压和南海低压的影响，以偏南风为主；秋季（10月）由夏季风转为冬季风，以偏北风为主。在平均风速方面，冬、春季节风速较大；夏季风速较小，但夏季间常有热带气旋侵袭，风速可急剧增大，形成风力8级以上的大风。由此可见，广州全年风向以偏南风、东南风和偏北风、东北风为主，风力资源比较丰富。

广州珠江城项目定位为地标性国际超甲级写字楼，建筑高度309.6m，地上71层，地下5层，总建筑面积214,029 m2。B1夹层为贵宾入口；B1为设备用房/卸货平台；B2～ B5为机械停车。1层及夹层为大堂、银行；2～ 6层为餐厅；7层为避难层；8层为设备层；9～ 22层为办公1区，其中22层为避难层；23～ 26层为风力发电/设备层；28～ 48层为办公2区，其中38层为避难层；49～ 52层为风力发电/设备层；53～ 69层为办公3区，其中54层为避难层；70层为设备/避难层；71层为高级商务会所。

3 本项目建筑节能新技术

本项目采用了如下11项节能新技术：

（1）风力发电建筑一体化——巧妙在建筑塔楼24层及50层上设置贯穿南北方向的4个风洞，在风洞内设置风力发电机，利用可再生能源风能产生电能。

（2）光伏发电建筑一体化——在建筑东西向遮阳板处及屋顶玻璃幕墙处设置光伏组件，光伏与建筑一体化，利用可再生能源太阳能产生电能。

（3）智能型内呼吸式双层玻璃幕墙——珠江城采用超高层建筑智能型双层内呼吸幕墙与遮阳技术。采用300mm宽度单元式双层内呼吸幕墙，并在双层幕墙空腔内设置铝合金遮阳百叶，增强其采光和遮阳的效果和灵活性。提高室内的热舒适性，使其具有抗噪声性能强、自然采光效果好等特点。

（4）辐射制冷带置换通风——办公室天花采用冷辐射天花板，采用温、湿度独立控制系统（即房间内区冷辐射空调系统+周边区干式风机盘管系统+地板送新风的置换通风系统）。

（5）高效办公设备——办公设备如电脑显示屏等采用低能耗的办公设备。

（6）低流水与无流水装置——卫生间采用用真空负压冲洗及红外感应控制等节水控制装置。

（7）高效照明——选用高效灯具、高效光源。

（8）照度及红外感应控制——大空间办公室窗边照明、个人办公室照明及卫生间照明均采用照度及红外感应控制。

（9）高效加热/制冷机房——本工程开创性的采用了乙二醇溶液冷却螺杆式热泵冷水机组，夏季供冷、冬季供暖，巧妙的实现一机多用和制冷系统的一致性，既节省了初投资、节约了装机有效建筑面积和解决了风冷热泵机组所带来的环境噪声污染和震动的问题；也提高了夏季的制冷效率（相对风冷冷水机组，其COP值要高很多）；同时也能维持与风冷热泵机组相当的制热COP值，其节能效果也是非常明显的。

（10）需求化通风——采用变风量变频节能控制方案，办公用房的新风系统采用绝对含湿量的VAV控制。

（11）冷凝水回收——将本大楼的空调冷凝水全部收集后输送至首层冷却塔的出水端，从而降低冷却水的供水温度，提高冷水机组的运行效率。

4 重点节能新技术方案分析

4.1 风力发电建筑一体化

1）风力发电系统设置的位置

根据广州的气候特点，珠江城项目建筑朝向南偏东13度，目的是充分利用广州地区的风力资源。目前，风力发电机安装在建筑上的应用例子很少，尤其应用于超高层建筑上以及风力发电与建筑一体化的案例几乎没有。作为广州的地标性建筑，既要体现节能环保的理念，又要体现天人合一的建筑理念，因此，如何将风力发电机与建筑有机的结合在一起，实现风力发电建筑一体化，是风力发电系统设置的关键。建筑师根据珠江城项目体形与结构特点，分别于24～ 25层、50 51层巧妙地设置了4个贯通南北的风洞，用来安装风力发电机（图1），夏季以偏南风、东南风发电，冬季以偏北风、东北风发电。

2）选用的风力发电机类型

根据风力发电机的安装位置，选择合适的风力发电机。目前风力发电机按结构形式分为水平轴发电机和垂直轴风力发电机两大类，根据两大类风机的技术对比（如表1所示），最终采用了垂直轴风力发电机（参见图2）。根据广州地区的风力资源条件，如年平均风速、常年主导风向等，选择合适的垂直轴风力发电机组，机组技术参数如表2所示。

由于该项新技术在高层建筑中没有先例，对其可能产生的震动、附加荷载、噪声等尚不清楚。为了确保建筑的结构安全、幕墙安全、施工安全及运行安全，有必要对发电机风洞层进行风洞实验研究，作为设计、施工和使用推广的依据。风洞实验研究结果表明：利用建筑结构形体风洞风速增大效应，可大大提高风洞内风力发电机的发电效率；本大楼周围局部最大噪声值不会超过国家规定的限值；对附近楼层楼板引起的加速度均较小，不会引起附近楼层楼板的共振；安装基座及固件均未进入塑性阶段。这些研究成果为风力发电机首次安装在高层建筑中提供了有力的技术支持。

3）风力发电电气系统的构成

风力发电电气系统构成如图3所示。

随着风速的变化，风力发电机输出交流电压为0～ 100V，最大电流为90A。电源输入至交流变直流控制器后，输出电压为90～ 100V的直流电流。直流电流对蓄电池充电，蓄电池既能蓄电，又能保证电压稳定。稳定的电压再进入并网装置的输入柜，先经过直流升压装置，输出直流电压为650V；最后经并网逆变器逆变，输出电压为400V、频率为50Hz的稳定交流电，输出的电能直接并网至大楼低压配电装置。

WS-10型的垂直轴风力发电机组额定功率为6kW，输出功率随风速的变化而变化。WS-10风机在8m/s的风速下将输出0.5～ 1.5kW的功率；在14.5m/s将输出2～ 6kW的功率。

风力发电机的预期年发电量如以MWh计算时，可由如下公式计算：

年发电量（MWh）=扫风面积×风能密度×年发电小时数×WS效率比×威布尔系数

扫风面积：风机叶片扫过的面积（m2）

风能密度：不同年平均风速下的风的潜在功率（W/m2）

2）光伏组件的安装位置及组件

根据珠江城项目体形与结构特点（图4），原设计方案是将光伏组件设于屋顶、东西立面遮阳板及南立面风洞层内弯凹位处。后经多方专家论证，南立面风洞层内弯凹位处的光伏组件不但对整体建筑玻璃幕墙的颜色效果影响较大，不协调，而且由于该处弯度较大，弯度对光伏组件的发电效率及寿命均产生较大影响；鉴于目前光伏组件的弯度处理技术尚未成熟，因此，最终取消了该处的光伏组件，只保留屋顶及东西立面遮阳板处的光伏组件。

由于本建筑东、西立面的固定遮阳板处装设的光伏组件颜色对大楼没影响，因而选用了光电转换效率高的单晶硅电池组件（图5），并起着隔热作用。本建筑屋顶为玻璃屋顶，整体幕墙颜色为浅蓝色，由于单晶硅颜色多数偏深蓝色或黑蓝色，而多晶硅的颜色偏浅蓝色，因此，建筑屋顶最高处装设与建筑颜色相协调的多晶硅电池组件（图6）。多晶硅电池组件与玻璃集成一体，外层采用钢化双夹胶中空玻璃，既能起着隔热作用，又能节省建筑材料，可谓一举两得。

珠江城塔楼屋顶采用P8+1.14PVB+3mm多晶硅电池板+1.14PVB+TP8（LOW-E） +16A+ TP6+1.52PVB+TP6mm钢化双夹胶中空玻璃，安装面积约为360m2，

WS效率比：按照0.54计算

威布尔系数=2

广州地区年平均风速为2m/s，建筑100m高处时的风洞吸风效应可增至8.25m/s，此时风能密度为348W/m2。WS-10 的扫风面积是10m2，因此：

发电量＝10×348×8760×0.54×2=32.9 MWh

该项目共设置了4个风力发电机，则一年的预期发电量为：4台×32.9 MWh/台=131.6MWh，即13.16万度电。

4.2 光伏发电建筑一体化

1）光伏建筑一体化的形式及特点

光伏建筑一体化的形式及特点如表3所示。其转换效率不低于14%。东西立面31 71层的遮阳板安装了高光电转换效率的单晶硅太阳能电池片，通过层压，制作成双玻组件，安装面积各约为650.5 m2，其转换率≥16%。组件采用5mm超白低铁钢化玻璃+1.14PVB+125×125单晶硅片+1.14PVB+5mm钢化玻璃层压封装。

表3 光伏建筑一体化的形式及特点

3）光伏建筑一体化电气系统的构成

光伏建筑一体化电气系统由光伏组件、汇线盒、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等组成，东、西立面及屋顶光伏并网系统构成如图7所示。

太阳能发电系统采用并网发电系统，并网逆变器将电能反馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，既节省投资，又避免了蓄电池的二次污染。并网逆变器除了实现上述并网功能外，还应具备以下功能：同步跟踪功能、最大功率跟踪功能、自动运行与关闭功能、过压、欠压保护功能、过载保护功能、短路保护功能、过热保护功能、防止“孤岛效应”功能。

光伏系统的监测系统主要是对光伏发电系统进行实时监测，能有效地反映光伏发电系统运行情况。监测系统主要由逆变器、传感器、PC、显示屏（可选）、通信电缆等组成，可通过以太网将各种信号传到大楼的监控中心。

光伏方阵预计年发电量（kWh）＝光伏组件总面积×安装面年平均辐射量（kWh/ ）×光伏系统发电效率×光伏电池转换效率。

根据上述公式，可预测珠江城项目光伏年发电量如表4所示。

4.3 智能型内呼吸式双层玻璃幕墙

办公楼层的干式风机盘管的回风箱有与双层内呼吸玻璃幕墙相连的旁通风管，必要时（当内层玻璃表面温度超过35.6℃）可以打开其连通阀，改善周边区域的热舒适度；另外在冬季可以完全打开旁通阀，捕获太阳辐射热、降低冬季的采暖负荷，起到环保节能的效果。

表4 珠江城项目光伏各月预计发电量统计

内呼吸式双层玻璃幕墙原理如图8所示。

4.4 冷辐射+需求化（VAV）置换送风空调系统

本项目办公用房采用温、湿度独立控制系统（即房间内区冷辐射空调系统+周边区干式风机盘管系统+地板送新风的置换通风系统），冷辐射空调系统和干式风机盘管系统担负消除室内大部分显热负荷、控制室内温度的任务；而置换送风系统担负消除室内湿负荷、控制室内相对湿度的任务，空调送新风系统采用绝对湿度控制的“VAV” 系统。如图9所示。

4.5 高效照明

1）弧形冷辐射天花与漫反射照明

本项目办公室天花采用弧形冷辐射天花板，既实现冷辐射空调的功能，又由于弧形天花板的应用，使办公空间最大化，提升了建筑的使用价值。同时，为了解决弧形天花照明，办公室采用漫反射照明方式，利用弧形天花的作用，将灯光漫反射至办公桌面，实现弧形冷辐射天花与漫反射照明的有机结合（效果图如图10所示，安装示意图如图11所示）。漫反射照明很好地解决了照明所带来的眩光问题，从而大大提高了工作环境的舒适性。

2）选用高效的光源和灯具

电气照明的节能设计最主要的核心问题就是选择高效的光源和灯具，严格控制照明功率密度。衡量光源是否节能，关键要看光源的发光效率，即光源的lm/W数。光效越高，说明在同等的用电功率下，光源发出的光越多，也就越节能。直管荧光灯的选择四项原则是三基色、细管径、大功率、中色温。三基色荧光粉取代传统的卤磷酸钙荧光粉，光效提高17%～30%，显色指数Ra从55%～ 72%提高到83%～ 85%，寿命延长了约50% ～100%。相同照度条件下，使用灯管数可减少17%～ 25%，建设投资降低15%～ 25%，运行费减少20% ～25%。几种直管荧光灯的技术指标如表5所示。