廣州珠江城項目建筑節能新技術應用綜述

華錫鋒/周名嘉 （廣州市設計院， 廣州 510620）

1 前言

作為發展中國家，我國能源消耗逐年以驚人的速度增長，能源消耗總量已超過14億t標準煤，成為美國之后的第二能源消費大國，我國乃至全球的常規能源越來越短缺。因此，節約能源及利用可再生能源是我國乃至全世界共同面臨的重大課題。在我國的能源消耗總量中，建筑能耗約占1/3，因此，建筑節能對節能減排起著至關重要的作用。本文將對已獲我國“2010年低能耗建筑示范工程”及“2010年太陽能光電應用示范項目”的廣州珠江城項目綠色節能建筑技術進行闡述。

2 氣候概況及建筑介紹

廣州市位于東經112o 57" ～ 114o 03"，北 緯22o35"～ 23o 35"，屬南亞熱帶季風氣候區。由于處于低緯度地區，地表接受太陽輻射量較多，年平均太陽輻射值為4367.2～4597.3MJ/m2，分布是南高北低。年內太陽輻射以2月最低，7月最高。年平均日照時數為1820～1960h，年日照百分率為41%～44%，南多北少。季節上以夏季最多，秋季次之，冬季再次，春季最少。同時受季風的影響，夏季海洋暖氣流形成高溫、高濕、多雨的氣候；冬季北方大陸冷風形成低溫、干燥、少雨的氣候。由于受季風影響和華南冷高壓控制，年內冬季（1月）多偏北風和東北風；春季（4月）風向較零亂，以東南風偏多；夏季（7月）受副熱帶高壓和南海低壓的影響，以偏南風為主；秋季（10月）由夏季風轉為冬季風，以偏北風為主。在平均風速方面，冬、春季節風速較大；夏季風速較小，但夏季間常有熱帶氣旋侵襲，風速可急劇增大，形成風力8級以上的大風。由此可見，廣州全年風向以偏南風、東南風和偏北風、東北風為主，風力資源比較豐富。

廣州珠江城項目定位為地標性國際超甲級寫字樓，建筑高度309.6m，地上71層，地下5層，總建筑面積214,029 m2。B1夾層為貴賓入口；B1為設備用房/卸貨平臺；B2～ B5為機械停車。1層及夾層為大堂、銀行；2～ 6層為餐廳；7層為避難層；8層為設備層；9～ 22層為辦公1區，其中22層為避難層 ；23～ 26層為風力發電/設備層；28～ 48層為辦公2區，其中38層為避難層；49～ 52層為風力發電/設備層；53～ 69層為辦公3區，其中54層為避難層；70層為設備/避難層；71層為高級商務會所。

3 本項目建筑節能新技術

本項目采用了如下11項節能新技術：

（1）風力發電建筑一體化——巧妙在建筑塔樓24層及50層上設置貫穿南北方向的4個風洞，在風洞內設置風力發電機，利用可再生能源風能產生電能。

（2）光伏發電建筑一體化——在建筑東西向遮陽板處及屋頂玻璃幕墻處設置光伏組件，光伏與建筑一體化，利用可再生能源太陽能產生電能。

（3）智能型內呼吸式雙層玻璃幕墻——珠江城采用超高層建筑智能型雙層內呼吸幕墻與遮陽技術。采用300mm寬度單元式雙層內呼吸幕墻，并在雙層幕墻空腔內設置鋁合金遮陽百葉，增強其采光和遮陽的效果和靈活性。提高室內的熱舒適性，使其具有抗噪聲性能強、自然采光效果好等特點。

（4）輻射制冷帶置換通風——辦公室天花采用冷輻射天花板，采用溫、濕度獨立控制系統（即房間內區冷輻射空調系統+周邊區干式風機盤管系統+地板送新風的置換通風系統）。

（5）高效辦公設備——辦公設備如電腦顯示屏等采用低能耗的辦公設備。

（6）低流水與無流水裝置——衛生間采用用真空負壓沖洗及紅外感應控制等節水控制裝置。

（7）高效照明——選用高效燈具、高效光源。

（8）照度及紅外感應控制——大空間辦公室窗邊照明、個人辦公室照明及衛生間照明均采用照度及紅外感應控制。

（9）高效加熱/制冷機房——本工程開創性的采用了乙二醇溶液冷卻螺桿式熱泵冷水機組，夏季供冷、冬季供暖，巧妙的實現一機多用和制冷系統的一致性，既節省了初投資、節約了裝機有效建筑面積和解決了風冷熱泵機組所帶來的環境噪聲污染和震動的問題；也提高了夏季的制冷效率（相對風冷冷水機組，其COP值要高很多）；同時也能維持與風冷熱泵機組相當的制熱COP值，其節能效果也是非常明顯的。

（10）需求化通風——采用變風量變頻節能控制方案，辦公用房的新風系統采用絕對含濕量的VAV控制。

（11）冷凝水回收——將本大樓的空調冷凝水全部收集后輸送至首層冷卻塔的出水端，從而降低冷卻水的供水溫度，提高冷水機組的運行效率。

4 重點節能新技術方案分析

4.1 風力發電建筑一體化

1）風力發電系統設置的位置

根據廣州的氣候特點，珠江城項目建筑朝向南偏東13度，目的是充分利用廣州地區的風力資源。目前，風力發電機安裝在建筑上的應用例子很少，尤其應用于超高層建筑上以及風力發電與建筑一體化的案例幾乎沒有。作為廣州的地標性建筑，既要體現節能環保的理念，又要體現天人合一的建筑理念，因此，如何將風力發電機與建筑有機的結合在一起，實現風力發電建筑一體化，是風力發電系統設置的關鍵。建筑師根據珠江城項目體形與結構特點，分別于24～ 25層、50 51層巧妙地設置了4個貫通南北的風洞，用來安裝風力發電機（圖1），夏季以偏南風、東南風發電，冬季以偏北風、東北風發電。

2）選用的風力發電機類型

根據風力發電機的安裝位置，選擇合適的風力發電機。目前風力發電機按結構形式分為水平軸發電機和垂直軸風力發電機兩大類，根據兩大類風機的技術對比（如表1所示），最終采用了垂直軸風力發電機（參見圖2）。根據廣州地區的風力資源條件，如年平均風速、常年主導風向等，選擇合適的垂直軸風力發電機組，機組技術參數如表2所示。

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由于該項新技術在高層建筑中沒有先例，對其可能產生的震動、附加荷載、噪聲等尚不清楚。為了確保建筑的結構安全、幕墻安全、施工安全及運行安全，有必要對發電機風洞層進行風洞實驗研究，作為設計、施工和使用推廣的依據。風洞實驗研究結果表明：利用建筑結構形體風洞風速增大效應，可大大提高風洞內風力發電機的發電效率；本大樓周圍局部最大噪聲值不會超過國家規定的限值；對附近樓層樓板引起的加速度均較小，不會引起附近樓層樓板的共振；安裝基座及固件均未進入塑性階段。這些研究成果為風力發電機首次安裝在高層建筑中提供了有力的技術支持。

3）風力發電電氣系統的構成

風力發電電氣系統構成如圖3所示。

隨著風速的變化，風力發電機輸出交流電壓為0～ 100V，最大電流為90A。電源輸入至交流變直流控制器后，輸出電壓為90～ 100V的直流電流。直流電流對蓄電池充電，蓄電池既能蓄電，又能保證電壓穩定。穩定的電壓再進入并網裝置的輸入柜，先經過直流升壓裝置，輸出直流電壓為650V；最后經并網逆變器逆變，輸出電壓為400V、頻率為50Hz的穩定交流電，輸出的電能直接并網至大樓低壓配電裝置。

WS-10型的垂直軸風力發電機組額定功率為6kW，輸出功率隨風速的變化而變化。WS-10風機在8m/s的風速下將輸出0.5～ 1.5kW的功率；在14.5m/s將輸出2～ 6kW的功率。

風力發電機的預期年發電量如以MWh計算時，可由如下公式計算：

年發電量（MWh）=掃風面積×風能密度×年發電小時數×WS效率比×威布爾系數

掃風面積：風機葉片掃過的面積（m2）

風能密度：不同年平均風速下的風的潛在功率（W/m2）

2） 光伏組件的安裝位置及組件

根據珠江城項目體形與結構特點（圖4），原設計方案是將光伏組件設于屋頂、東西立面遮陽板及南立面風洞層內彎凹位處。后經多方專家論證，南立面風洞層內彎凹位處的光伏組件不但對整體建筑玻璃幕墻的顏色效果影響較大，不協調，而且由于該處彎度較大，彎度對光伏組件的發電效率及壽命均產生較大影響；鑒于目前光伏組件的彎度處理技術尚未成熟，因此，最終取消了該處的光伏組件，只保留屋頂及東西立面遮陽板處的光伏組件。

由于本建筑東、西立面的固定遮陽板處裝設的光伏組件顏色對大樓沒影響，因而選用了光電轉換效率高的單晶硅電池組件（圖5），并起著隔熱作用。本建筑屋頂為玻璃屋頂，整體幕墻顏色為淺藍色，由于單晶硅顏色多數偏深藍色或黑藍色，而多晶硅的顏色偏淺藍色，因此，建筑屋頂最高處裝設與建筑顏色相協調的多晶硅電池組件（圖6）。多晶硅電池組件與玻璃集成一體，外層采用鋼化雙夾膠中空玻璃，既能起著隔熱作用，又能節省建筑材料，可謂一舉兩得。

珠江城塔樓屋頂采用P8+1.14PVB+3mm多晶硅電池板+1.14PVB+TP8（LOW-E） +16A+ TP6+1.52PVB+TP6mm鋼化雙夾膠中空玻璃，安裝面積約為360m2，

WS效率比：按照0.54計算

威布爾系數=2

廣州地區年平均風速為2m/s，建筑100m高處時的風洞吸風效應可增至8.25m/s，此時風能密度為348W/m2。WS-10 的掃風面積是10m2，因此 ：

發電量＝10×348×8760×0.54×2=32.9 MWh

該項目共設置了4個風力發電機，則一年的預期發電量為：4臺×32.9 MWh/臺=131.6MWh，即13.16萬度電。

4.2 光伏發電建筑一體化

1） 光伏建筑一體化的形式及特點

光伏建筑一體化的形式及特點如表3所示。其轉換效率不低于14%。東西立面31 71層的遮陽板安裝了高光電轉換效率的單晶硅太陽能電池片，通過層壓，制作成雙玻組件，安裝面積各約為650.5 m2，其轉換率≥16%。組件采用5mm超白低鐵鋼化玻璃+1.14PVB+125×125單晶硅片+1.14PVB+5mm鋼化玻璃層壓封裝。

表3 光伏建筑一體化的形式及特點

3） 光伏建筑一體化電氣系統的構成

光伏建筑一體化電氣系統由光伏組件、匯線盒、直流配電柜、并網逆變器、交流配電柜等組成，東、西立面及屋頂光伏并網系統構成如圖7所示。

太陽能發電系統采用并網發電系統，并網逆變器將電能反饋入電網，以電網為儲能裝置，省掉蓄電池，既節省投資，又避免了蓄電池的二次污染。并網逆變器除了實現上述并網功能外，還應具備以下功能：同步跟蹤功能、最大功率跟蹤功能、自動運行與關閉功能、過壓、欠壓保護功能、過載保護功能、短路保護功能、過熱保護功能、防止“孤島效應”功能。

光伏系統的監測系統主要是對光伏發電系統進行實時監測，能有效地反映光伏發電系統運行情況。監測系統主要由逆變器、傳感器、PC、顯示屏（可選）、通信電纜等組成，可通過以太網將各種信號傳到大樓的監控中心。

光伏方陣預計年發電量（kWh）＝光伏組件總面積×安裝面年平均輻射量（kWh/ ）×光伏系統發電效率×光伏電池轉換效率。

根據上述公式，可預測珠江城項目光伏年發電量如表4所示。

4.3 智能型內呼吸式雙層玻璃幕墻

辦公樓層的干式風機盤管的回風箱有與雙層內呼吸玻璃幕墻相連的旁通風管，必要時（當內層玻璃表面溫度超過35.6℃）可以打開其連通閥，改善周邊區域的熱舒適度；另外在冬季可以完全打開旁通閥，捕獲太陽輻射熱、降低冬季的采暖負荷，起到環保節能的效果。

表4 珠江城項目光伏各月預計發電量統計

內呼吸式雙層玻璃幕墻原理如圖8所示。

4.4 冷輻射+需求化（VAV）置換送風空調系統

本項目辦公用房采用溫、濕度獨立控制系統（即房間內區冷輻射空調系統+周邊區干式風機盤管系統+地板送新風的置換通風系統），冷輻射空調系統和干式風機盤管系統擔負消除室內大部分顯熱負荷、控制室內溫度的任務；而置換送風系統擔負消除室內濕負荷、控制室內相對濕度的任務，空調送新風系統采用絕對濕度控制的“VAV” 系統。如圖9所示。

4.5 高效照明

1）弧形冷輻射天花與漫反射照明

本項目辦公室天花采用弧形冷輻射天花板，既實現冷輻射空調的功能，又由于弧形天花板的應用，使辦公空間最大化，提升了建筑的使用價值。同時，為了解決弧形天花照明，辦公室采用漫反射照明方式，利用弧形天花的作用，將燈光漫反射至辦公桌面，實現弧形冷輻射天花與漫反射照明的有機結合（效果圖如圖10所示，安裝示意圖如圖11所示）。漫反射照明很好地解決了照明所帶來的眩光問題，從而大大提高了工作環境的舒適性。

2）選用高效的光源和燈具

電氣照明的節能設計最主要的核心問題就是選擇高效的光源和燈具，嚴格控制照明功率密度。衡量光源是否節能，關鍵要看光源的發光效率，即光源的lm/W數。光效越高，說明在同等的用電功率下，光源發出的光越多，也就越節能。直管熒光燈的選擇四項原則是三基色、細管徑 、大功率 、中色溫。三基色熒光粉取代傳統的鹵磷酸鈣熒光粉，光效提高17%～30%，顯色指數Ra從55%～ 72%提高到83%～ 85%，壽命延長了約50% ～100%。相同照度條件下，使用燈管數可減少17%～ 25%，建設投資降低15%～ 25%，運行費減少20% ～25%。幾種直管熒光燈的技術指標如表5所示。

表5 幾種高效直管熒光燈主要技術參數比較

從表5可知，同樣是三基色光源，但T8高頻三基色直管熒光燈光效在目前所有直管熒光燈當中是最高的。另外，同等的光源，采用不同的燈具，光源利用系數也是不同的。如圖11所示，燈光經燈具反射后再經弧形天花二次漫反射，因此，光源利用系數必然將降低。為此，我們在普通燈具上增加了鋁鏡面反射板，以提高光源利用系數。

經過在該項目第9層樣板間進行多次方案調整及測試，最終得到一個較滿意的實施方案。該方案測得的平均照度為346lx，功率密度值為10.19W/m2。根據測試結果，反算出綜合漫反射利用系數為0.31。光源主要技術參數如表6所示。

表6 樣板間測試光源主要技術參數

5 效益分析

（1）節能預測分析

珠江城在多個方面進行了低能耗研究和應用，實現達到公共建筑60%以上的總體節能率，并將該工程中所采用的綠色環保措施、建筑節能技術規模應用與推廣，起到借鑒參考和指導作用：

類別 建筑綜合單位面積 可再生能源單位 常規能源的建筑年耗電量 面積年發電量 單位面積年耗電量（kWh/m2） （kWh/m2） （kWh/m2）設計建筑 65.43 1.33 64.1參考建筑 85.36 0 85.36節能率 61.7% ——62.5%

（2）環境影響分析

按照目前的節能設計，項目建成后與沒有采用節能措施的建筑相比每年可節約電能2320.2萬度，以對環境影響較大的火力發電為例，減排量如下（單位：t/a）：

類別 節煤 減排SO2 減排CO2 減排放粉塵指標 9280.99t 137.4 4547.67 126.2

結束語

珠江城項目已被國家住房與城鄉建設部列為“2010年低能耗建筑示范工程”和“2010年太陽能光電應用示范項目”。該項目的建成和實施對指導類似項目的綠色節能建筑設計，提高綠色建筑水平，促進綠色技術的應用與發展具有深遠的意義。

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[4]太陽光發電協會. 太陽能光伏發電系統的設計與施工[日][M].劉樹民譯. 北京:科學出版社，2006:1-86.

[5]華錫鋒, 周名嘉. 淺談風力發電機在超高層建筑珠江城項目的應用[J].電氣應用, 2010（6）.

[6]華錫鋒, 周名嘉. 淺談光伏建筑一體化在超高層建筑珠江城項目的應用[J].電氣應用, 2010（8）.