绿色住宅技术集成与示范.doc

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1、绿色住宅技术集成与示范2007-6-5汪 维 韩继红 安 宇摘要：绿色建筑遵循“节约能源、节省资源、保护环境、以人为本”的基本理念，是最能体现可持续发展能力的建筑模式。本文重点介绍上海市科委重大科研攻关项目主要成果之一“上海生态住宅示范楼”的“零（低）建筑能耗、资源高效循环利用、智能高品质居住环境”等先进技术集成体系，为大力发展节能省地型绿色住宅、推广“四节一环保”等关键技术提供示范借鉴。关键词：绿色住宅，示范楼，技术集成1 前言绿色建筑是21世纪国际建筑业发展的主要趋势。基于对国内外绿色建筑发展的经验探索，其理念可以概括为“节约能源、节省资源、保护环境、以人为本”十六个字。它是指为人们提供健

2、康、舒适、安全的居住、工作和活动的空间，同时在建筑全生命周期（材料生产、建筑规划、设计、施工、运营维护和拆除过程）中实现高效率的利用资源（能源、土地、水资源、材料等），最低限度地影响环境的建筑物。绿色建筑也称为生态建筑。发展绿色建筑是建筑业贯彻落实科学发展观、实现可持续发展的具体体现，是大力发展循环经济，建设资源节约、环境友好型社会的必然要求。绿色建筑在我国的发展尚处于起步阶段，通过开展广泛的国际交流，学习和借鉴发达国家绿色建筑先进理念和技术体系，结合中国特色、地域特点和时代特征，上海在全国率先开展绿色建筑技术集成及其示范研究，2004年9月，由上海市建筑科学研究院总体负责的上海市科委重大科研

3、攻关项目“生态建筑关键技术研究与系统集成”取得阶段性成果，汇集了上海交通大学、上海电力学院、宏润建设集团、上海植物园和上海格爱绿色环保科技有限公司以及国内外60多家企业的先进技术研究成果的“上海生态办公示范楼”（图1）在上海市建筑科学研究院莘庄科技园区落成，为我国绿色建筑关键技术的研究和建筑一体化集成提供了示范和实验平台。该工程已获得2005年建设部授予的首届“全国绿色建筑创新奖”一等奖，研究成果已汇编在中国建筑工业出版社出版的“上海生态建示范工程生态办公示范楼”一书中，不少先进适用技术已经在许多民用建筑设计中予以推广应用。2005年9月，该重大科研攻关项目的又一重要成果“上海生态住宅示范楼”

4、（图2）也在同一场址相继落成，本文重点介绍其“零（低）建筑能耗、资源高效循环利用、智能高品质居住环境”等先进技术集成体系，为大力发展节能省地型绿色住宅、推广“四节一环保”等关键技术提供示范借鉴。图1 上海生态办公示范楼2 示范楼概况上海生态住宅示范楼由一幢代表联排小住宅之一个单元（一户）的“零能耗”独立住宅（图3）和一幢代表多层公寓的低能耗生态公寓组成（图4），独立住宅建筑面积238，为二层砖砼结构，在这一幢建筑中全面集成了当今国内外的绿色住宅先进技术，力求达到“零建筑能耗”的目标，许多技术将能在五至十年内得到广泛推广应用。生态公寓将多层建筑一梯两户型单体两套和木结构轻质屋顶加层合为一体，总建

5、筑面积402，以技术推广为目的，在该建筑中集成了大量一两年内即可在住宅建设中推广应用的绿色住宅实用技术，增加的建筑造价控制在500元/以内。整体示范楼实现“零（低）建筑能耗、资源高效循环利用、智能高品质居住环境”等先进技术集成目标。a. 示范楼实景图 b. 复原后的效果图图3 联排小住宅之一个单元的独立住宅 a. 示范楼实景图 b. 复原后的效果图图4 多层建筑中两套单元公寓和木结构屋顶加层3 示范楼先进技术集成体系3.1“零（低）能耗”建筑节能技术“零能耗”建筑是通过最优化的建筑节能设计、采用先进的节能材料和节能技术使建筑物的建筑能耗降低到尽可能低的水平，再采用可再生能源补充剩余所需能量，以

6、实现建筑物采暖空调不使用常规能源即“零能耗”的目标。显然，零能耗是降低建筑能耗的理想状态。建筑节能的技术措施不仅包括提高围护结构的保温隔热效率，还包括降低系统设备的运行能耗、提高设备运行效率和充分利用取之不尽的可再生能源。降低建筑能耗是以上三方面的综合效果。为实现“零（低）能耗”建筑的目标，独立住宅和生态公寓建设中主要集成了以下节能技术措施：3.1.1 超低能耗围护结构 “零能耗”独立住宅围护结构：采用高效外墙外保温系统，结构形式为非水泥基EPS100外墙外保温体系与砂加气200填充墙，平均传热系数为0.32W/（m2K）（图5）；采用高效的节能门窗系统，外窗采用真空低辐射中空塑钢窗，玻璃传热

7、系数为1.2W/（m2K），外窗平均传热系数为1.5W/（m2K），遮阳系数0.72；天窗采用夹胶钢化低辐射中空塑钢窗，玻璃传热系数1.8W/（m2K），外窗平均传热系数为2.5W/（m2K），遮阳系数0.69；采用倒置式保温与种植屋面相结合的屋面保温体系，屋面采用XPS100保温，种植屋面传热系数设计为0.24W/（m2K），坡屋面传热系数设计为0.31W/（m2K）。图5 高效外墙保温系统根据建筑设计风格和日照规律，采用多种高效智能遮阳系统，包括户外可调铝合金百叶帘（图6）、可伸缩外遮阳蓬（图7）、户外天窗遮阳帘（图8）、户外卷闸百叶帘（图9）、户内百叶帘等内外遮阳系列产品，其中南窗、东窗

8、和天窗采用外遮阳方式，北窗采用内遮阳方式；应用并展示了日光增强型百叶帘、太阳能驱动卷闸帘、太阳能驱动风光感应及无线控制器、无线遥控及编程控制器、户外24V安全性遮阳帘等一些具世界领先水平的遮阳技术产品，通过固定开关、无线遥控发射器、风光感应控制器共同实现对全部遮阳帘的控制，提高其工作效率和安全性。使外窗的综合遮阳系数达到0.4，天窗遮阳系数为0.2。 图6 户外可调铝合金百叶帘 图7 可伸缩外遮阳篷 图8 户外天窗遮阳帘 图9 户外卷闸百叶帘“低能耗公寓”围护结构：外墙采用混凝土空心砌块与XPS外保温体系，平均传热系数为0.81W/（m2K），坡屋面采用木龙骨与OSD板保温体系，平均传热系数为

9、0.16W/（m2K），窗采用中空Lowe塑钢窗，传热系数1.8 W/（m2K）。采用南向铝合金遮阳百叶。3.1.2 地源热泵空调系统在独立住宅中应用了地源热泵空调系统，比常规空调系统节能20% 40%，具有较高的室内热舒适性，无吹风感和噪音；组成共计三部分：冷热源部分为土壤热泵机组加地下埋管换热器系统，末端系统为毛细管辐射，加独立除湿新风系统。土壤热泵系统的地下换热器采用垂直埋管形式（图10），通过地下埋管管内的介质循环与土壤进行闭式热交换达到供冷供热目的。辐射末端均选用直接采用特制砂浆粘贴在天花板上的毛细管席KS15系列来供冷及供暖（图11）。 图10 地源热泵地下换热器示意图 图11 毛

10、细管辐射末端3.1.3 太阳能光伏发电独立住宅采用3kw太阳能光伏发电和并网技术，光伏电池每块200W，是目前世界上最大的单块光伏电池，并与屋面结构浑然一体（图12）。园区采用太阳能庭院灯，草坪灯和风光互补路灯。在理想光照强度下，充电4小时即可保证景观灯35天的正常工作。据计算一台太阳能路灯一般每年可节约电费1000元。图11 3Kw太阳能BIPV系统和太阳能庭院灯3.1.4太阳能集热器与建筑一体化太阳能利用与建筑一体化已成为太阳能大量推广应用的技术关键。生态住宅示范楼注重实现了太阳能集热器与建筑一体化设计：生态公寓的二、三层阳台分别安装2.7和4.2的阳台护栏悬挂式太阳能热水系统（图12）；

11、独立住宅上方安装了4.6的遮阳屋檐悬挂型太阳能建筑一体化热水系统（图13）；。该新颖设计不仅为建筑增添特有的美学建筑风格，而且为多层住宅建筑中规模化利用太阳能提供了工程示范和应用可行性。 图12 阳台悬挂式太阳能集热器 图13 遮阳屋檐悬挂型太阳能集热器3.1.5 风力发电系统独立住宅采用了一套性能优异的涡轮式小型风力发电机（图14），该系统寿命长达几十年，额定功率140W，启动风速仅2m/s，额定风速15m/s，扫掠面积仅0.3，比常规风力发电机可多发50%的电力，与建筑实现一体化设计，具有高效、美观、长寿和无噪音等优点。图14 涡轮式小型风力发电机3.1.6 空气源热泵热水系统独立住宅还应

12、用了空气源热泵热水器，将空气能与热泵节能技术有机地结合起来，采用逆卡诺循环原理，以极少的电能通过热泵工质把空气中的低温热能吸收起来，其用电量仅仅是电热水器的四分之一，燃气热水器的三分之一，是继燃气热水器、电热水器、太阳能热水器之后的第四种热水器。环境温度为5时，系统能效比COP达到2.93，在环境温度为25时，系统能效比COP达到4.52。空气源热泵热水器还可充分利用谷时低价电，节约开支。3.1.7 相变储能材料生态公寓中采用纳米石墨相变储能材料制成的蓄能罐安放在吊顶层，用作空调相变储能装置（图15）。夏季在电力低谷时段开启空调器制冷功能，冷量便直接传入相变蓄能罐中蓄冷，待相变材料相变完全后，

13、空调器停止运转，在电力需求高峰时段，再需要制冷时，仅需启动风机，利用空气循环换热，将蓄热罐中的冷量逐步释放到室内空间；冬季相变材料可以发挥蓄热功能；从而实现电力调峰和节省电费支出的目的。图15 吊顶层内相变材料蓄能罐3.1.8 家用燃气空调生态公寓采用最新开发的家用燃气中央空调，以天然气作为动力直接使用初级能源，可以减少城市用电负荷，优化能源结构，减少城市污染。该系统可制冷、制热并供热水，与同类空调相比节能效果明显。经节能效果分析，独立住宅全年采暖空调耗电量约3100kWh（中庭不采用空调时），3kW的光伏发电系统，在上海一年可发3300度电，再加上风力发电机的发电量，可满足建筑全年采暖空调的

14、耗电量，实现了“零”能耗住宅示范楼节能设计目标。而生态公寓通过采取不同节能措施，分别实现了50%和65%的节能目标。3.2 资源高效循环利用资源节约的核心是占用资源少、环境负荷小、可循环率大，上海生态住宅示范楼采用了资源高效循环利用的三方面技术措施。3.2.1 3R（Reduce Reuse Recycle）环保材料3R材料是指可减量使用，能重复使用和可再生使用的建筑环保材料。示范楼选用了大量3R环保材料，混凝土采用高性能混凝土，提高混凝土的强度和耐久性，减少建筑中混凝土的使用量；采用低水泥用量混凝土，利用粉煤灰和矿渣粉等工业废料取代水泥作为掺合料，变废为宝，减少自然资源、能源的消耗和二氧化碳

15、的排放，改善环境质量；采用再生骨料混凝土，将废旧混凝土和建筑垃圾加工制成的骨料取代天然碎石，节约天然石材资源，使混凝土成为可再生利用的材料。砌筑、抹灰和地面砂浆均采用了再生骨料、粉煤灰等制成的商品砂浆，减少天然用砂25%，水泥用量15%，内外墙均采用有废渣、废骨料制成的加气混凝土或砌块砌筑而成。土建和装饰工程中精心选用了旧木料、废石材、废渣、旧砖碎瓦等废旧和可再生的环保材料。3.2.2 节水综合技术建筑节水技术途径主要有三方面：一是采用节水器具；二是采用雨污水收集回用措施；三是应用就地保水措施。示范楼全部采用经主管部门评定的3升、6升两段型节水型坐便器和节水型龙头；采用雨污水处理装置回收处理雨

16、水和生活污水，出水水质采用自动在线监测，再生水回用于绿化浇水、景观补充用水和冲厕用水；步行道路和附近的停车场全部采用了透水混凝土就地保水(图16)，其透水率为8001000mL/分钟，强度达到C25，能提高地表的透水性和透气性，雨水能渗入地下平衡地表含水率，同时可增强地表与空气的热量、水分交换，有利于调节住宅周围的微气候。 图16 透水混凝土路面 图17 中央垃圾分类收集处理3.2.3中央吸尘和垃圾真空分类收集将生活垃圾分类收集可防止垃圾在运输和储存过程中对建筑物和环境造成的二次污染，为减少粉尘污染，独立住宅除设计有中央吸尘外，还采用中央垃圾分类收集处理和传输控制系统对生活垃圾进行收集和处理利

17、用(图17)。3.2.4 轻质木结构加层为了发挥现代木框架结构技术坚固、安全、舒适、资源利用高效的特点，公寓顶层进行了混凝土多层结构与木结构整合的尝试(图18)，为上海在旧房改造中推广应用轻质木结构进行了有益的探索。 a. 建成后的木结构价层 b. 木结构内部构造图18 木结构加层3.3智能高品质居住环境3.3.1 智能家居控制系统（i-HOME）示范楼采用先进的i-HOME家庭网络智能控制系统，实现以下功能： 家电智能控制系统：设置多种模式，如离家模式、回家模式、就餐模式、睡眠模式等，并可对控制模块进行个性化控制：对不同房间中的照明灯、窗帘、电视机、厨房中的电器和遮阳棚等分别进行控制，或对多

18、个设备的联动控制。可视对讲系统：借助住宅内的电视机或网络视频技术随时查看住宅门口和来访者的情况。家庭安防和门禁系统：布设了煤气泄漏报警、红外幕帘入侵报警、红外动感入侵报警、紧急求助按钮等，可紧急触发短信功能；掌形门禁系统进行住户身份识别。家庭信息系统家庭服务网是家庭宽带网的入口，支持ADSL、CableModem、FTTBLAN等多种宽带接入方式。远程视频监控用户可以随时再Internet网上查看网络摄像机实时拍摄的画面，从而可以了解到家中的状况。家庭留言功能当用户不在家想给家人留言时，可上网进入系统中的“家庭留言”功能，选择预先已编写好的留言。室内可视对讲主机即可接收并显示短信内容。3.3.

19、2自然通风和天然采光利用CFD模拟技术辅助设计，模拟建筑周边的风环境(图19)，独立住宅设计了可遥控开启关闭的3天窗和通透明亮的中庭，辅以南高北低的建筑结构合理的南向窗墙比0.450.5。经模拟计算，在东南主导风向、室外平均标准高度风速为3m/s时，室内主要人体活动的区域范围内各层居住高度（1m）的风速，基本处于0.51m/s的范围之内，达到自然通风的设计要求，从而达到利用自然通风减少全年空调使用时间、提高换气次数和空气质量的目的。图19 室外风场模拟结果采用光学模拟软件优化设计方案，并对建筑实际采光效果进行测试评价。模拟结果显示底楼中庭区域的照度相对较弱，而直接立面开窗口附近区域则照度很高，

20、形成一定的眩光，经对设计方案进行了相应的优化，最终通过测试采光满足设计要求(图20)。第一轮方案1楼模拟结果 第一轮方案2楼模拟结果图20 独立别墅示范楼采光模拟结果，9月21日12时3.3.3 通风隔声窗在公寓中安装的双层机械通风隔声窗包含隔声系统、消声系统和通风系统。具有微小夹角的双层窗将吻合低谷降低，从而整体提高窗体的隔声性能；风道被设计成阻抗综合式消声器，在满足通风速率的前提下，隔离室外噪声并消减气流噪音；通风系统采用135m3/h的低噪音风机，可以分档控制，风量供给，这种排风式通风隔声窗有助于改善室内空气质量(图21)。图21 通风隔热窗3.3.4 生态绿化独立住宅90平屋面选用耐寒

21、性、慢生常绿草坪做屋顶绿化，既容易人工保养维护又有提高屋面保温隔热效果和储水功能，能将50%的屋面降水保留在屋面上，然后再通过植物蒸发掉，从而改善了气候环境。与没有屋顶绿化的同类建筑相比，夏季酷热的白天室内温度可降低34，冬天取暖费可节约1/3。生态公寓则采用成本低、易于维护的窗台开槽绿化形式，营造美观视觉环境。示范楼东西外墙采用爬藤等垂直绿化，既减弱日晒，又美化环境，提升居住品质(图22) a.屋顶绿化 b. 窗台开槽绿化 c. 垂直绿化图22 三种形式生态绿化4.示范楼生态性能评估在住宅竣工运行一段时间后，为了评价独立住宅的绿色综合性能，分别应用美国和英国的生态住宅绿色性能评估工具LEED

22、-H（V1.4）和Eco-homes对独立住宅进行了绿色性能评估。应用LEED-H对独立住宅的绿色性能评价结果（图22），总分为71分，评估等级属“金”等级。同时应用英国Eco-home评估工具对独立住宅的评价结果（图23），总分达到71.23分，属“最好”等级，其中能源的评估分数相对较高，这得益于独立住宅采用的先进节能技术体系。 图22 LEED-H评估结果 图23 Eco-home评估结果5.结束语上海生态住宅示范楼的建成，为全面展示绿色建筑理念和集成技术体系、引导我国绿色建筑的研究和推广应用提供了示范平台。目前对该示范楼的运营研究工作已全面开展。通过跟踪实测评价其绿色技术集成体系效果，并开展绿色新技术、新产品的应用研究，形成适宜推广的绿色技术集成体系，为房产商建设绿色建筑提供技术支撑；为我国的绿色建筑设计和建造及上海2010世博建筑示范区的建设提供可行的技术借鉴。