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清华大学超低能耗示范楼

2010-05-11 19:49阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1678439315

清华大学超低能耗示范楼位于清华大学校园东区，总建筑面积约2930㎡，是为配合2008年北京奥运会而建造的示范性项目，是国内外建筑领域的各种先进的科研成果的展示平台。该项目着重从围护结构、环境控制、能源系统、自控测量等四个方面进行了精心的设计，并在此基础上陆续开展建筑技术科学领域的基础与应用性研究。
太阳能与生态技术：
1、驱动溶液除湿系统
2、太阳能热发电系统
3、光伏发电系统
4、太阳能照明系统
5、自然通风系统
6、景观型湿地
7、种植屋面
能源系统
示范楼由多种形式的能源保障电力供应。基本负荷由天然气固体燃料电池供电，市电网作为高峰时的补充电源，构成燃料电池—市电互补系统。在提供电能的同时从燃料电池回收的热能还可以给暖通系统提供动力，构成热电联供系统。太阳光发电和热发电构成独立的供电系统，为智能化系统的部分执行机构提供电源。
1 天然气固体燃料电池—市电互补供电系统
1.1 天然气固体燃料电池热电联供系统
1) 燃料电池的分类及特点
燃料电池是一种化学电池，被称为第四代发电方式，它通过燃料(氢气)在电池内进行氧化还原反应产生电能。按照燃料电池采用的电
解质不同和开发早晚顺序，把磷酸燃料电池PAFC称为第一代燃料电池，把熔融硅酸盐燃料电池MCFC称为第二代燃料电池，把固体氧化物燃料电池SOFC称为第三代燃料电池。
示范楼采用的第三代燃料电池SOFC，是正在兴起的新型发电方式之一，具有如下特点：
a．发电效率高，可以达到80％以上，能连续供电；
b．燃料适应性强，可以用CO、煤气化、天然气等作为燃料；
c．电池本体的构成材料全部是固体，没有电解质的蒸发、流淌，其气体排放物的CO2的含量低，环境污染小；
d．燃料极、空气极没有腐蚀，寿命长；
e．发电系统简单，与其他设备很容易进行高效热电联产，具有广泛用途。
2) 系统组成
a．反应剂供给装置：将天然气和水蒸气催化转化为氢气；
b．燃料电池本体：由氢气和空气反应产生直流电的多电池单元装置；
c. 电能控制及换流装置：将直流电转换为交流电输出；
d．热能回收装置：回收系统放出的热量，用于冬季供暖和夏季空调系统的使用。
3) 固体燃料电池热电联供系统由于只有一级能量转换，没有中间的能量转化环节，因而能量损失低，其发电效率为43％，另外还有42％的热能回收利用，总效率可以达到85％。燃料电池的输出功率为100kW，基本可以满足70％负荷用电；通过回收装置吸收的热能，冬季时用于供暖，夏季时可以作为低温热源驱动液体除湿空调机组，用于溶液的再生。
1.2 供电系统的运行
供电系统采用燃料电池系统与市电并网运行的方式。这主要基于以下原因：燃料电池系统的供电能力有限，必须与市电并网运行才能满足全楼的满负荷运行；由于负载的紧急启停带来的配电系统的电压、频率的波动，可以通过市网的自动调整，保持供电的稳定；当燃料电池系统因保养或故障等原因停止运行时，可以保证负载连续地从电网获得电力供应。
由于供电部门的有关规定，燃料电池只向楼内负载供电，不会向电网送电，为无倒流并网系统，燃料电池系统产生的电力总是小于或等于负载，通过并网逆变器来调整市电与燃料电池的负载分配。市电采用0.4kV供电，电源来自建筑馆变电站。
2 太阳能发电系统
示范楼通过两种途径将太阳能转化为电能；一种是把太阳辐射热能转换为电能，即“太阳热发电”；另一种是将太阳光直接转化为电能，即“太阳光发电”。
2.1 太阳热发电
在示范楼的屋顶上安装了一套碟式聚光热发电系统，系统组成如图8所示。系统通过双轴跟踪装置对太阳进行跟踪，使碟式聚光镜反射的太阳光聚焦到集热器上，集热器位于聚光镜的聚焦面上并与聚光镜一起运动，其功能是使聚焦的太阳光有效地转化为斯特林发动机工作流体的热能，驱动发动机—发电机体系运转，发出电能。由于输出的交流电不稳定，还需要经过整流—逆变装置得到特性稳定的交流电才能输送到配电系统中去。系统将太阳能转换为电能的净效率可以达到20％以上，峰值发电功率为3kW。
2.2 光伏发电
在楼南侧的外墙上装有玻璃窗式太阳能单晶硅高效电池，电池使用两层平板玻璃，中间封有膜状电解液和导电膜，形成夹层结构。电池虽带有颜色但可以透过光线，这样无论室外射人的阳光还是室内照明的光线都可以转化为电能。光伏玻璃的安装面积有30㎡左右，峰值发电能力为5kW，转换效率为12％左右。其发出的电主要用于开启百叶和玻璃幕墙上的窗扇。
3 绿色照明系统
示范楼的绿色照明系统包括人工照明和自然光照明两部分。
3.1 人工照明系统
根据使用要求，将示范楼每个楼层的办公区划分为6～8个面积基本相同的区域，每个区域的照明由专门的智能区域配电箱供电，区域配电箱由层箱通过照明母线供电。每个智能区域配电箱中至少配有三种模块：电源模块、网关模块、继电器模块，并在安装处留有网络接口，各个配电箱之间通过清华同方HCN总线串接，并且最终接人大楼的智能化系统。区域配电箱与灯具间采用星型连接，每一个灯具都可以单独控制。系统根据人员的工作情况以及室内照度，调整灯具的亮度和点燃灯具的数量，从而保证合理的照度，并达到节能的目的。灯具的布置是将基本照明和工作照明分开的，公共照明只满足建筑内较低的基本照度，工作照明由工作台上的灯具来保证
3.2 自然光照明系统
在示范楼的照明设计中很重要的一部分就是利用自然光创造以人为本的光环境。采用自然光照明具有以下特点：
1) 具有比人工光更高的视觉光效，能够提供更健康的光环境。
2) 可以降低人工照明的电能损耗。
3) 如果提供相同的照度，自然光带来的热量比绝大多数人工光源的发热量少，可以大大减少夏季空调负荷。
3.3 导光管技术的利用
示范楼采用了导光管技术利用自然光。在楼顶设置主动式集光器，通过传感器控制来跟踪太阳，最大限度地采集阳光。在楼梯间垂直敷设直径约500mm的管体，利用全反射或镜面反射把自然光传导到地下室，导光管的出光部分采用漫反射的方式控制光线进入地下室。
4 测量网
测量网主要用于监测、记录环境参数和设备运行参数，为建筑环境和建筑设备的研究提供逐时准确的测量数据。控制网的网络结构虽然能够满足测量网的要求，但是随着控制系统研究内容的不同，控制网中的测点有可能变化。因此为了保证研究数据的完整性和可靠性，将测量网单独划分成一个子网。
5 通信办公网
综合布线系统将办公网络接口分布在建筑的各个角落，计算机通过网络接口随时随地连接到办公网上。通信办公网设置网管工作站、WEB服务器和MAIL服务器，用来管理网络和提供网络服务。
结 语
清华大学超低能耗示范楼是各种绿色建筑新技术的集成，不仅是清洁能源、节能设备和材料的示范基地，而且也是智能化系统和网络技术的研究平台。虽然相对于一般建筑而言，示范楼在能源利用、智能化系统网络结构等方面有着特殊的地方，但是作为一座办公楼，其设计出发点与一般公共建筑是基本一致的。这些设计对于其他建筑的能起到一定的示范作用。
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