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超高层绿色建筑技术应用实践

2016-11-10 16:46:04.0   |    作者:周伟民   |   浏览:128
摘要:作为21世纪新建超高层摩天大厦,上海中心大厦以积极响应全球可持续发展战略和国家节能减排科学发展等重大国策为己任,定位于打造一个资源高度集约化、能源高度节约化,实现人、建筑、城市与自然和谐共存的绿色超级垂直城市,成为中国首座同时获得美国LEED铂金认证和中国绿色建筑设计标识三星的绿色超高层建筑。本文将从LEED认证的视角,从设计理念、技术亮点等角度进行案例剖析,并从整体上对项目所采用的绿色节能技术进行总结。

  一、背景

  LEED认证体系是“能源与环境先锋设计”—Leadership in Energy and EnvironmentalDesign 的英文缩写,是由美国绿色建筑协会(USGBC)在1993年提出并建立的。LEED认证体系旨在通过建立广泛认可和应用的标准,鼓励和促进全球可持续绿色建筑设计与开发,是目前在世界各国的各类建筑环保评估、绿色建筑评估以及建筑可持续性评估标准中被认为是最完善、最有影响力的评估标准。其项目遍及103个国家、超过10735个认证项目、超过43063个注册项目。LEED 评估体系由五大指标,若干具体条文构成其技术框架,主要从可持续建筑场址、水资源利用、建筑节能与大气、资源与材料、室内空气质量几个方面对建筑进行综合考察、评判其对环境的影响,并根据每个方面的指标进行打分,综合得分结果,将通过评估的建筑分为铂金、金、银和认证级别,以反映建筑的绿色水平。截至2015年8月12日,根据USGBC官网统计,全球共有4570个LEED白金项目,其中180个LEED CS项目。中国地区(包含港澳台)的所有LEED铂金奖项目共59个,其中仅10个是LEED CS铂金级项目。上海中心大厦根据自身特点,详细分析了适用的绿色元素以及配合的LEED得分情况,于2015年7月取得LEED CS铂金奖。

  二、项目概况

  上海中心大厦选址于中国金融投资机构、跨国公司总部、要素市场、各种服务中介机构最为密集的地区之一——上海浦东陆家嘴金融贸易核心区,综合基地面积:30368m2;总建筑面积:569212m2;地上建筑面积:405293m2;地下建筑面积:163919m2。建筑高度约580米(不含建筑顶部装饰高度),项目地上部分主要为办公、高级酒店、大型国际级会议中心及文化、商业、娱乐、观光休闲等配套设施,建成后将与金茂大厦、环球金融中心等形成国际顶级的办公商务中心,向世界展示上海这座现代化国际大都市的经济实力、科技水平以及“海纳百川,追求卓越”的城市精神,成为城市经济发展的新航标。作为21世纪新建超高层摩天大厦,上海中心大厦以积极响应全球可持续发展战略和国家节能减排科学发展等重大国策为己任,在确保安全的前提下,以生态、节能、环保、以人为本为灵魂,不再是按常规建设一个封闭的、消耗更多能源与资源,同时给周围环境与城市交通带来压力、给人员心理和生理造成负面影响的纯粹的钢筋水泥空间,而是定位于打造一个资源高度集约化、能源高度节约化,实现人、建筑、城市与自然和谐共存的绿色超级垂直城市,是一个符合国家绿色建筑评价标准、实现健康、舒适和高效人本环境的标志性建筑。该定位对于引领国际超高层建筑的可持续发展必将发挥重要作用。

  三、建筑节能技术

  项目在绿色建筑设计领域追求卓越。外形采用螺旋上升的造型以降低风阻,运用双层玻璃幕墙以降低室外环境对室内的影响。针对双层幕墙中由于“烟囱效应”形成的热聚积现象,设计团队进行了热环境模拟测试,并给出了最佳的热回收解决方案。上海中心大厦不仅外形“绿色”,其复杂的核心机电系统也深入贯彻了绿色的设计理念。包括3兆瓦的冷热电三联供系统同时为整幢大楼提供冷源、热水和电力;冰蓄冷系统利用夜间的用电低谷蓄积冷量供白天使用;常规的冷热源、地源热泵系统用于地下办公等。另外,还采用了雨水收集、中水回用、风力发电等技术。通过精细化的节能系统设计及高效的运行策略整合,该建筑能耗模拟测试结果证明其节能效果非常显著,比美国节能建筑的平均水平提高24%以上。建筑节能方面的突出表现,上海中心大厦成为中国首座同时获得美国LEED铂金认证和中国绿色建筑设计标识三星的绿色超高层建筑。

  (一)被动式节能

  1、双层玻璃幕墙

  双层幕墙系统是上海中心大厦的主要外部围护结构。双层幕墙在每个区(14层)形成一个约60米的中庭缓冲区,不仅为室内的用户提供了中庭景观,而且降低了室外环境对室内的影响,降低了空调、采暖的负荷。其中,外层幕墙采用铝框超白夹胶玻璃,传热系数4.6W/m2·K,遮阳系数0.88;内层幕墙采用Low-E中空玻璃,空气层厚度12mm,传热系数1.64W/m2·K,遮阳系数0.43。

图1 双层幕墙系统图.jpg

  图1 双层幕墙系统图

  2.屋顶绿化

  本项目裙楼屋面绿化率达到50%以上,是一处绝佳的室外活动及聚会空间。屋顶花园改善了顶层租户的室内热环境和舒适度,为超高层建筑内的人们提供了室外休闲空间,有效地改善了城市的第五立面。

图2 屋顶绿化规划图.jpg

  图2 屋顶绿化规划图

  3、空中花园

  景观设计在配套层的每个中庭,即内外幕墙之间的大堂区域内都设置了极其精彩的空中花园,有助于大厦温度自然调节,提高了大厦的空气质量。

图3 空中花园剖面图.jpg

  图3 空中花园剖面图

  4、外遮阳系统

  塔楼最外层幕墙采用25%彩釉玻璃以提供遮阳并降低遮阳系数。内层幕墙在窗框的保温层外侧固定竖向玻璃肋作为遮阳翼。裙楼东、西立面窗局部采用保温彩釉玻璃,同时该部分屋顶悬挑以提供遮阳。裙楼5层宴会厅的西侧立面采用可控竖向百叶及电动内卷帘遮阳设备。外遮阳系统在保证窗户的采光、通风、日照、视野等前提条件下,减少了夏季阳光直射,有效降低空调能耗,起到节能减排的目的。

图4 外遮阳系统图.jpg

  图4 外遮阳系统图

  5、屋面和外墙保温

  屋面和非透明外墙通过保温处理,使其传热系数分别达到了0.35W/m2·K和0.76W/m2·K,低于上海市现行节能标准,有效降低了室内空调负荷。

图5 中庭通风系统模拟图.jpg

  图5 中庭通风系统模拟图

  6、中庭通风系统

  大厦中庭环境通过位于中庭顶部和底部的机械通风和办公排风进行调控。设置于设备层的百叶将空气引入每个中庭的底部,并在中庭顶部进行排风。通过调节进入中庭顶部送风量和底部的排风量来对每个中庭的温度进行控制。当室外空气温度太高或湿度太大时,室外空气经空调机组后再送入室内,以维持中庭内的热舒适。

图6 中庭通风系统图.jpg

  图6 中庭通风系统图

  (二)主动式节能

  1、复合空调系统

  冷源系统由低区和高区能源中心组成。低区能源中心由设置在地面冷却塔系统和设置于地下室的水冷冷冻机、配套三联供的溴化锂机组和冰蓄冷系统设备组成。高区冷源中心由设置在123层的高区冷却塔系统和82层的水冷冷冻机组成。热源系统由设置在地下室的蒸汽锅炉、蒸汽输送管网系统和设置在机器设备层的管壳式汽-水热交换器组成。蒸汽通过管壳式汽-水热交换器转换成热水供给整个大厦的供热设备。大厦针对不同的建筑情况设置最佳的空调系统,并通过各个系统的相互配合达到最优的节能效果。

  2、冰蓄冷系统

  冰蓄冷系统仅为大厦低区服务。在夜间谷电时段,低区能源中心的蓄冰系统将冰蓄存在地下室的蓄冰槽中。融冰将提供白天供冷峰值约30%±5%左右的冷量。通过采用冰蓄冷系统减少了制冷系统的装机容量及其变配电容量,减少了白天的机械制冷以及峰电时段的电力需求,也实现了对电网的移峰填谷。冰蓄冷系统配置了三台双工况离心式电制冷机及蓄冰总容量为26400TRh的冰盘管内融冰蓄冰槽,双工况离心式电制冷机与蓄冰槽采用串联,双工况离心式电制冷机在空调工况下的制冷量为6329kw,其蒸发器进/出口温度为11.5℃/5℃,所要求的冷却水进出水温度为32℃/37.5℃。制冰工况下,双工况离心式制冷机的制冷量为3868 kw,其蒸发器进出口温度为-1.57℃/-5.56℃,所要求的冷却水进/出水温度为30℃/33.46℃。冰蓄冷可在单制冰蓄冷、单融冰蓄冷、主机单供冷以及主机与冰槽联合供冷四种工况的任何一种工况下运行。

  3、地源热泵系统

  地源热泵系统与低区能源中心的其他空调冷热源系统配合使用,夏季预冷低区空调冷冻水回水,冬季预热低区空调热水回水。在低区能源中心设置螺杆式地源热泵机组1台,其夏季运行工况制冷量为191kw,冷冻水供回水温度为7℃/10.2℃,冬季制热量为302kw,热水供回水温度为51℃/46℃。地源热泵系统的地下换热系统采用与大厦裙房桩基结合的竖向地埋管型式,在大厦西南侧的127根大厦裙房桩基中分别设置了W型地埋管换热器。

  4、三联供系统

  为了实现能源的综合利用,提高能源的总体效率,推进循环经济和资源节约型城市的建设,本项目设置了以燃气发电机组为原动机的三联供系统。燃气发电机组产生的高温烟气供给大厦溴化锂制冷机组和余热锅炉,余热锅炉产生的蒸汽供给大厦生活热水和空调热水。正常情况下,燃气发电机组发出的电与市电并网向大厦供电。当市电发生故障时,燃气发电机组发出的电可作为大厦的备用电源,向大厦供电。采用2台燃气内燃机作为三联供系统的原动机,每台燃气内燃机天然气耗量为274Nm3/h,发电量为1065kw,所发电量并入大厦内部电网。燃气内燃机发电时产生的高温烟气(427℃)和高温缸套水(90℃)分别经过烟气——水热交换器和水——水板式热交换器与二次侧热水进行热交换以回收余热。二次侧热水(77℃)经过水——水板式热交换器后(87℃)再通过烟气——水热交换器后(95.5℃)夏季作为热水型溴化锂吸收式制冷机的热源用于空调供冷;冬季作为热水型溴化锂吸收式制冷机的热源用于空调供冷或通过水—水板式换热器进行热交换后用于空调供暖。热水型溴化锂吸收式制冷机共配置2台,单台制冷量为840kw,冷冻水供/回水温度为6℃/13.5℃,冷却水进/出口温度为32℃/37.5℃。

  5、高空风力发电系统

  屋顶全年风速可达8m/s-10m/s,适合利用风力发电。本项目在122层~124层安装了270台共发电量为135kW的垂直风力发电机。风力发电系统每年可以为大厦提供约1182000kw·h的绿色电力。

  6、二氧化碳监测系统

  大厦所有酒店和办公楼层均采用基于需求控制的通风系统(二氧化碳监测)。在建筑的每一层,通过对新风和排风量进行持续监控,确保新风量随人员数量的变换而变化,并维持一定的楼层正压。据检测,本项目二氧化碳的排放量同比减少1164吨,相当于3.5个陆家嘴中央绿地相同时间内的二氧化碳的吸收量。

  7、电梯智能控制系统

  大厦电梯配备有变速和变加速/减速操作方式,可最大效率地使用和延长电梯寿命。在非高峰期间,降低电梯速度和加速/减速率,以节省能源和减少机器的磨损。通过目的地进入系统的呼叫监测,电梯控制系统可自动监测乘客流量,并且根据所监测到的人员数量来启动相应数量的电梯,从而提高电梯的服务质量。

  8、建筑能耗管理系统

  建筑能耗管理系统主要是对大厦的电量、水耗量、燃气量、集中供热耗电量、集中供冷耗电量、集中热水供应量、可再生能源等的节能分析、综合能耗管理、能耗费用管理、账单管理、用电设备能耗分析,单位面积综合能耗计算、节能检查等。通过对大型建筑的能源消耗进行能耗实时监控,实现能耗超标预警、节能潜力分析、设备运行工况分析,设备维修优化方案分析等,以达到建筑的节能增效目的。

  四、结论

  上海中心大厦在设计过程中注重结合自身特点,通过对屋顶绿化、双层幕墙结构、外遮阳系统、高效空调系统、风力发电系统以及建筑能耗管理系统等一系列绿色节能技术的应用,配合在LEED CS认证系统中的得分情况,于2015年7月获得了LEED CS铂金奖。


关键字:绿色建筑,空调系统,通风系统,地源热泵
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