奥运理念展示中心 践行世界先进节能技术

●新闻中心记者 顾淑霞

  让夏天为冬天取暖,让冬天成为夏天的空调,这种大自然的本身能量的转换真的能实现吗?由清华大学建筑学院提供技术支持的“奥运公园节能与可再生能源利用示范项目”——“奥运村三大理念展示中心——微能耗幼儿园”(以下简称奥运村幼儿园),将这听起来不可能的事情现在却变成了现实。奥运村幼儿园采用清华大学江亿院士提出的温湿度独立控制系统等世界先进技术,同时巧妙地建立由自然冷能、太阳能光热光电、地源热能以及风能等组成的可再生能源系统,在世界上首次实现跨季节综合蓄冷等技术手段,实现“微能耗”目标,为解决能源短缺问题开了一剂良方。以系统能耗和可再生能源贡献率为系统节能效果的综合评价指标,该建筑比目前同类的节能建筑还要节能2/3。

  为实现“微能耗”建筑设计目标,在2005年5月到2008年5月3年的时间里,清华大学建筑学院的李先庭教授、石文星副教授、王宝龙博士等组成的技术团队,和北京国奥投资发展有限公司及天鸿圆方建筑设计有限责任公司一起,为奥运村幼儿园的设计和建成倾注了大量心血。自今年5月建成以来,奥运村幼儿园各项新节能技术按预期设计运行良好。奥运会期间,该建筑将作为“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大理念最新建筑科技成果的展示中心,迎接来自五湖四海的客人;在奥运会之后,它将走进人民的生活,成为一所幼儿园,为儿童的成长提供舒适、健康、活泼的教育成长环境。

  世界上首次实现用自然能量保证“冬暖夏凉”

  奥运村幼儿园展示的节能技术中,采用温湿度独立控制空调系统,通过最核心的技术——跨季节与夜间蓄冷技术相结合将冬天的冷能转为夏季冷源,并在夏季夜间为白天蓄冷,这在世界上尚属首次。

  北京属于寒冷地区,气温年较差在30℃以上,冬季蕴含着大量的自然冷能。如何将这些冷能保存下来再利用?在奥运村幼儿园的地下一层,有一个混凝土质地的特殊水池——蓄水槽,池底及四周都有保温层;与水池连接的,是分离式重力热管,他们共同组成了跨季节蓄冷装置。在冬季,当外界空气温度低于池水温度时,热管循环自动运行,将水体的热量通过热管冷凝器排放至大气环境,将外面的冷传至水池中,使水体冷却直至结冰并附着在蓄冷槽内热管蒸发器表面,以存储室外空气的自然冷能。在夏季时,这些被存储的自然冷能,通过取冷系统为房间提供冷源。“这是纯粹的自然能源的转移,跨季节蓄冷实现冬天为夏天的清凉埋单。”李先庭教授说。

  自然冷能为奥运村幼儿园夏季空调提供了38%的冷量,并不能完全满足夏天所需全部冷量的要求,因此,用“蓄冷空调”与跨季节蓄冷结合使用,联合组成复合蓄冷系统,一起为夏天供冷。夏天时把蓄水槽分成内区和外区两部分,并都存储冬天冻结的自然冰。在夏季供冷初期,首先利用水池外区的冰供冷,为了保证冰的存量,当夜间用冷量减少时,通过功率较小的制冷机为外区的水“蓄冷”。“为什么选在晚上?这是利用电价的峰谷差,因为夜间的电价相对便宜,这也在一定程度上节约了‘蓄冷空调’的运行成本。”李先庭说。此时,水池内区的冷量通过隔板“漏”入外区,与夜间蓄冷量一同供冷。

  由于冷源来自于水池,因此,水池的大小基本决定了冷源的多少。为了降低成本,该建筑夏季空调采用温湿度独立控制系统,使水池中的水只用来提供冷源,不用来除湿,“这就能供18℃的冷水,常规的冷水只能供7℃,这样就有10℃的温差可用,同样大小的池子蓄存的能量就比较多了,从而减低了成本。”李先庭说。

  在除湿方面,该建筑采用两台盐溶液除湿新风机组承担新风及室内的潜热,其中一台由太阳能驱动,由太阳能系统夏季储存的能量供应;另一台则由电驱动。两台机组都由盐溶液全热回收模块,对室内排风与室外新风实现热回收。采用这种技术,整个建筑的供冷能耗相对于同类型的普通建筑都大为降低。

  而在冬季供热方面,该建筑除采用良好的保温措施外,大量采用太阳能集热系统给建筑提供采暖、生活热水所需要的热量,并在夏季将太阳能用于新风机组盐溶液的再生,几乎不再消耗额外的热量。

  从目前来看,这种综合供冷供热系统可节省约70%的运行费用。“如果在寒冷地区使用,节能效果会更好。”李先庭说。

  巧妙合理地利用各种节能技术 为解决能源短缺问题开良方

  将各种节能技术巧妙合理地利用,实现各种技术之间“用、蓄、补”三原则相结合,达到综合的节能效果,是奥运村幼儿园的又一大特色,也为解决当前世界能源短缺问题开了一剂良方。除跨季节与夜间复合蓄冷系统外,奥运村幼儿园还采用太阳能光热综合利用系统、水环地源热泵系统、风光互补系统等可再生能源系统,以及高性能墙体、自然通风、自然采光与高效节能灯互补照明、新风全热回收装置等技术,展示了良好的节能效果。

  太阳能光热综合利用系统使奥运村幼儿园更好地体现了能源之间“用、蓄、补”结合的原则,实现全年提供生活热水、冬季采暖和夏季温湿度独立控制空调系统的盐溶夜再生。由于太阳能具有随时性和周期性的缺点,夏天“旺季”时太阳能多,冬天“淡季”时太阳能就会变少。如何克服这一缺点,使每时每刻积蓄的太阳能像冬天的冷能一样都能得到充分利用?考虑到这一点,奥运村幼儿园太阳能热水系统由集热器、蓄热水箱、用热设备及辅助加热设备组成。太阳能集热器产生的热水蓄存在蓄热水箱中,蓄热水箱通过水泵和阀门的切换,满足冬季供热和全年生活热水等需要。

  由集热器作为核心元件的太阳能热水系统全年太阳能保证率达85%,夏季制备的70℃热水,为担负除湿任务的盐溶液新风机组提供热量,还能提供生活热水,首次实现了太阳能驱动温湿度独立控制系统。“这就实现了太阳能集热系统全年的高利用率,这也是温湿度独立空调系统的妙处所在,使得夏天充足的太阳能也被充分利用起来,最大限度地实现了节能效果,和跨季节蓄冷有异曲同工之妙。”李先庭说。冬季太阳能热水器蓄热温度调控在50℃,蓄热水箱通过换热器加热生活热水并提供采暖热量。

  为保证采暖和生活热水供热的安全性和可靠性,还设置了高效的地源热泵和地源热水器作为补充。“地源热泵系统利用土壤中的能量,不受外界影响既可制冷又可制热,用来补充太阳能的不足,安全又可靠。也是对整个节能系统的有益补充。”李先庭教授说。

  此外,奥运村幼儿园还采用了风光互补发电系统提供部分设备用电,风光互补发电系统通过并网器与城市电网相连,当系统电量盈余时可并网供出,发电量不足时由电网补充,每年能提供建筑15.4%的用电量,进一步减少了能源系统对常规能源的消耗。

  另外,奥运村幼儿园节能系统的分项计量也采用先进的软件技术可随时监控能耗状况,保证系统合理地运转。

  李先庭教授还介绍说,由于采用新型的节能技术,以及建筑本身的自然通风、采光、照明、房间里局部的微循环通风等技术也得到了很好综合运用,使得奥运村幼儿园空气品质等环境保障达到了更好的效果,提供了一个绿色舒适的环境。

  模拟结果表明,奥运村幼儿园可再生能源贡献率达到67.4%,实现了“微能耗”设计目标,并因此获得了2007年度精瑞住宅科学技术奖金奖(绿色生态建筑节能奖)。

2008年07月18日 11:36:07  清华新闻网

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