李倩娛/陳藍志（廣州市設(shè)計院， 廣州市 510620）

引言

隨著當(dāng)前人類生存環(huán)境的日益惡化，低能耗建筑是追求人類社會可持續(xù)發(fā)展和營造良好人居環(huán)境的必然選擇。我國正處于經(jīng)濟快速發(fā)展階段，作為大量消耗能源和資源的建筑業(yè)，必須發(fā)展低能耗建筑，改變當(dāng)前高投入、高消耗、高污染、低效率的模式，承擔(dān)起可持續(xù)發(fā)展的社會責(zé)任和義務(wù)。

低能耗建筑是指少消耗煤、電、燃氣等商品能耗的建筑，且能充分利用可再生能源如太陽能、風(fēng)能、室內(nèi)設(shè)備、空調(diào)、照明等產(chǎn)生的熱量、排出的熱（冷）空氣和廢水的回收的熱量。

廣州塔在保證健康、舒適的室內(nèi)、外環(huán)境，節(jié)約能源和資源，減少對自然環(huán)境影響的條件下，對可再生資源利用、建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)、空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)、照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)等多個方面進行研究和應(yīng)用。

1 工程概況

廣州塔位于廣州新城市中軸線與珠江景觀軸的交匯處，塔身高度為450 m，天線桅桿高度150 m，總高度為600 m，其中塔身分為A、B、C、D、E五個功能段，是一座以觀光旅游為主，并具有廣播電視發(fā)射、科學(xué)教育、文化娛樂和城市窗口功能的大型地標(biāo)式建筑，是世界最高的電視塔。

廣州塔在設(shè)計、施工中始終堅持可持續(xù)發(fā)展原則，注重建筑節(jié)能，采用新技術(shù)、新設(shè)備、新材料，重視環(huán)境保護，實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材的綠色建筑理念。結(jié)合建筑物本身的特點，采用了以下節(jié)能技術(shù)和節(jié)能材料：

1）綜合采用適宜夏熱冬暖地區(qū)的圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)，實現(xiàn)室內(nèi)熱舒適的同時達到節(jié)能效果。

2）采用綜合的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。3）雙轎廂電梯節(jié)能模式。

4）太陽能光伏技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電。

5）自然采光和智慧照明控制技術(shù)。6）屋面雨水收集、綠化滴灌技術(shù)。

7）采用資源消耗和環(huán)境影響小的鋼結(jié)構(gòu)為主的結(jié)構(gòu)體系，并采用了大量可循環(huán)材料，可再循環(huán)材料比重達到18%。

8）運用先進的智能化樓宇管理系統(tǒng)。

下面將對該塔的太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和智能照明控制系統(tǒng)進行介紹，并結(jié)合整個廣州塔所采用的節(jié)能技術(shù)和材料進行效益分析。

2 可再生能源

廣州塔在標(biāo)高438.4m～ 448.8m的E段阻尼器層幕墻位置安裝了半透明非晶硅光伏電池組件，同時還在標(biāo)高168.0m處安裝了兩臺風(fēng)力發(fā)電機，滿足建筑設(shè)計安全、美觀要求的同時達到生產(chǎn)可再生能源的目的。

2.1 太陽能發(fā)電

本項目采用了非晶硅薄膜電池模塊，非晶硅薄膜電池模塊弱光響應(yīng)特性好，對陽光入射角度要求范圍最寬，散射光接受率高，這一特性使其在薄云遮日或在風(fēng)沙天氣可以正常工作。非晶硅薄膜電池顏色柔和、板面尺寸大，做成半透明的電池組件，其本色與茶色玻璃的顏色一樣，類似于傳統(tǒng)幕墻用的鍍膜玻璃，直接用作標(biāo)高438.4m～448.8m的E段阻尼器層幕墻，從而實現(xiàn)光伏發(fā)電和建筑房屋一體化。見圖1。

光伏幕墻安裝面積為1100m2，系統(tǒng)總安裝功率為18060W，在標(biāo)準(zhǔn)條件（標(biāo)準(zhǔn)光強、最佳照射角度等）下，每天可發(fā)電22.93kWh。本設(shè)計為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，無論晴天或陰天，系統(tǒng)中光伏方陣所發(fā)電力可隨時給電網(wǎng)或負載供電。因此，系統(tǒng)沒有配備蓄電池作為儲能裝置，在降低系統(tǒng)造價的同時，也可免除維護和定期更換蓄電池的麻煩。

通過逆變器和監(jiān)控系統(tǒng)，記錄當(dāng)前發(fā)電功率、當(dāng)日最高功率、當(dāng)日發(fā)電量、總發(fā)電量、總運行時間等一系列數(shù)據(jù)，同時把這些數(shù)據(jù)通過安裝于E段觀光大廳的顯示屏顯示出來。這些數(shù)據(jù)包括：當(dāng)前的溫度濕度、當(dāng)日發(fā)電量、總發(fā)電量、二氧化碳減排量等，可使游客對綠色廣州塔有更直觀的了解。

2.2 風(fēng)力發(fā)電

廣州塔風(fēng)力發(fā)電項目由兩臺垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，1臺輸入機柜和1臺輸出機柜組成。輸入機柜、輸出機柜和并網(wǎng)設(shè)備安裝在168m層的控制機房內(nèi)，兩臺風(fēng)力發(fā)電機安裝在控制機房的樓頂，與光伏發(fā)電一樣，實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機和建筑物一體化。見圖2。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，葉片受風(fēng)旋轉(zhuǎn)時利用升力與阻力的向量和在葉片運動方向上的投影產(chǎn)生機械能，同時葉片可在全方位接受來風(fēng)，無需偏航裝置，可多次截風(fēng)充分利用風(fēng)能。每臺風(fēng)力發(fā)電機裝機容量約為3 ～5kW，年發(fā)電量約為4.1kWh。

3 設(shè)備管理系統(tǒng)

除了可再生能源的利用外，廣州塔在設(shè)計的時候還設(shè)置了建筑設(shè)備控制和智能照明控制系統(tǒng)等，管理人員可以在日常使用中通過合理的控制進一步減少能源消耗而達到節(jié)能的目的。

3.1 建筑設(shè)備控制系統(tǒng)（BA系統(tǒng)）

3.1.1 系統(tǒng)介紹

本工程設(shè)BA系統(tǒng)，暖通空調(diào)自控系統(tǒng)為BAS的獨立子系統(tǒng)。其中冷水機組、水泵、冷卻塔、空氣處理機、新風(fēng)處理機、熱回收型新風(fēng)處理機、排風(fēng)機、各種電動閥門等設(shè)備均接入自控系統(tǒng)。暖通空調(diào)系統(tǒng)的自控系統(tǒng)，可在中央空調(diào)控制室實現(xiàn)對上述設(shè)備進行參數(shù)檢測、參數(shù)與動力設(shè)備狀態(tài)顯示、自動調(diào)節(jié)與控制、工況自動轉(zhuǎn)換、設(shè)備聯(lián)鎖與自動保護以及中央監(jiān)控和管理等。優(yōu)化了運行管理工作，提高運行效率，見圖3。

3.1.2 各類設(shè)備的控制

1）水冷離心式冷水機組系統(tǒng)

（1）設(shè)群控系統(tǒng)，群控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的空調(diào)實際負荷、平衡管設(shè)的流量傳感器和水流方向開關(guān)探測到的流量變化及流向，合理選擇冷水機組和一次冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔和電動水閥的運行臺數(shù)、并實現(xiàn)順序開啟（關(guān)閉）及故障自檢。

二次冷凍水泵（含高區(qū)二次冷凍泵）根據(jù)管道壓差和流量控制二次冷凍水泵運行臺數(shù)及實施變頻調(diào)速，實現(xiàn)變流量運行。

（2）冷卻塔為自帶風(fēng)機變頻器的智能型節(jié)能冷卻塔。

（3）高區(qū)二次冷凍水根據(jù)水-水板式熱交換器二次冷凍水出水溫度，控制板式熱交換器一次冷凍水流量，實現(xiàn)對高區(qū)二次冷凍水溫的控制。

2）風(fēng)冷冷水機組系統(tǒng)

（1）設(shè)群控系統(tǒng)，群控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的空調(diào)實際負荷，合理選擇冷水機組和冷凍水泵的運行臺數(shù)、并實現(xiàn)順序開啟（關(guān)閉）及故障自檢。

（2）實現(xiàn)冬夏季工況，分區(qū)兩管制系統(tǒng)冷熱區(qū)的自動切換。

（3）水系統(tǒng)為變流量系統(tǒng)，在冷凍水（熱水）供回水總管間設(shè)壓差旁通裝置，壓差控制器根據(jù)供回水總管壓差自動調(diào)節(jié)旁通比例式電動二通閥，以實現(xiàn)保持冷水機組水量不變及負荷側(cè)供回水壓力恒定。

3）空氣處理機

（1）溫度控制由設(shè)于回風(fēng)關(guān)管處的溫度傳感器、水路比例式調(diào)節(jié)閥（常閉式）、控制器組成，控制器根據(jù)回風(fēng)溫度與設(shè)定值比較自動調(diào)節(jié)電動二通閥開度來調(diào)節(jié)冷凍水流量，從而實現(xiàn)對溫度的控制。

（2）需采暖的機組還帶冬夏季自動切換。

4）新風(fēng)處理機（含熱回收新風(fēng)處理機）

由設(shè)于送風(fēng)管處的溫度傳感器、水路比例式調(diào)節(jié)閥（常閉式）、控制器組成，控制器根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定值比較自動調(diào)節(jié)電動二通閥開度來調(diào)節(jié)冷凍水流量，從而實現(xiàn)對送風(fēng)溫度的控制。

5）大房間的風(fēng)機盤管

風(fēng)機盤管的供水量由設(shè)于回風(fēng)管中的溫度傳感器調(diào)配，并按區(qū)域分區(qū)控制溫度和啟停。

6）小房間的風(fēng)機盤管

風(fēng)機盤管采用溫控器控制電動二通閥（常閉）實現(xiàn)對房間溫度的控制，并設(shè)手動三速調(diào)風(fēng)開關(guān)。

3.2 智能照明系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)組成

廣州塔智能照明控制系統(tǒng)由開關(guān)/調(diào)光控制模塊、智能控制面板、智能探測器（聲光、紅外、照度）、智能時鐘和系統(tǒng)設(shè)備組成，采用五類雙屏蔽8芯4對雙絞線連接。控制模塊安裝于照明配電箱內(nèi)；智慧控制臺安裝于公共入口、樓梯間和前室；聲光加紅外傳感器安裝在樓梯間內(nèi)；照度外傳感器安裝在接近室外的房間內(nèi)；網(wǎng)橋安裝于弱電間接線箱內(nèi)。

3.2.2 系統(tǒng)功能

1）時間自動控制

通過系統(tǒng)軟件設(shè)定集中控制照明燈具，根據(jù)業(yè)主使用要求在不同時間段設(shè)置不同的照明模式，每天根據(jù)時間自動切換；同時在特殊的日子，也可以在控制中心再進行設(shè)置。例如停車場：平時在中央主機系統(tǒng)控制的作用下，車庫照明處于時間自動控制狀態(tài)。車庫照明根據(jù)使用情況可分為幾種狀態(tài)：工作時間、非工作時間、深夜。工作時間時、車庫照明全開；非工作時間只開車道燈；深夜時間只開部分車道燈，適當(dāng)降低照度，節(jié)省能耗。

2）智慧感應(yīng)控制

通過軟件設(shè)定由現(xiàn)場智能控制面板或智能探頭控制。如樓梯部分從節(jié)能方面考慮希望不要常明，根據(jù)需要在合適的時段內(nèi)，采用智慧探測器（聲光、紅外、照度）控制燈具的開關(guān)。但保安人員巡更時需要照明，所以將現(xiàn)場控制臺和智慧探頭在深夜時間段內(nèi)設(shè)置成現(xiàn)場控制。例如樓梯間：樓梯間采用定時控制和紅外移動控制等方式，在平時啟動聲光加紅外移動控制方式，人來開燈，人離開后延時關(guān)閉，節(jié)約能源。

3）場景控制

場景是指相關(guān)區(qū)域燈光回路的明暗或開關(guān)組合，工作人員只需要按單個按鍵就可以通過預(yù)先的設(shè)定將相關(guān)的燈光回路調(diào)節(jié)至需要的亮度。利用場景的概念設(shè)計控制模式，還可以避免誤操作。例如大廳（特別是登塔大廳，需要提供更多的照明模式）：人員進出較多的時段，打開大廳全部回路的燈光，方便人員進出；人員進出較少時段，打開部分回路的燈光。同時可以根據(jù)業(yè)主要求把燈光照明調(diào)到不同的亮度，營造出各種各樣的場景。此操作既可由現(xiàn)場就地操作，也可由中央監(jiān)控計算機控制，還可以設(shè)置時間控制。如圖4。

4 效益分析

4.1 成本分析

廣州塔在設(shè)計之初就根據(jù)自身的特點選擇合適的節(jié)能技術(shù)和節(jié)能材料，除上文介紹的太陽能發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā)電裝置、建筑設(shè)備控制系統(tǒng)和智能照明控制系統(tǒng)外，綜合廣州塔的其他節(jié)能技術(shù)和材料，可計算出建筑物面積增量成本，如表1所示。

表1 綠色建筑增量成本概算

4.2 效益分析

采用綠色節(jié)能材料和節(jié)能技術(shù)，增加了建設(shè)成本，但同時由于節(jié)能技術(shù)和材料的使用，廣州塔在使用過程中可節(jié)省不少運行費用（所有參數(shù)為計算數(shù)值）：

1）太陽能光伏系統(tǒng)預(yù)計的年發(fā)電量12660度，每年可節(jié)省運行費用1.3萬元。

2）風(fēng)力發(fā)電機年發(fā)電量約為41472度, 每年可省運行費用4.1萬元。

3）雨水收集系統(tǒng)，每年可節(jié)水量約為1.2萬t，按自來水價2.95元/t計，每年可節(jié)約費用約為3.54萬元。

4）可再循環(huán)材料利用率達到了18%。

廣州塔建筑綜合節(jié)能率將達到61.6%，與基準(zhǔn)建筑相比較，建筑每年節(jié)電約為264.5萬度，節(jié)約運行成本約270萬元。節(jié)約能源，除了節(jié)省運行成本，最重要是通過減少碳的排放，保護我們的環(huán)境。以對環(huán)境影響較大的火力發(fā)電為例，每年可實現(xiàn)減排指標(biāo)如表2所示：

表2 每年可實現(xiàn)減排指標(biāo)（t/a）

5 總結(jié)

目前中國年人均用電約1100度，僅為世界平均用電的1/3，而且中國用電量正以年均10%的速度增長。如用電量照這樣不斷的增長，其節(jié)電的效益也會逐年增加。我國的建筑節(jié)能節(jié)電市場有巨大潛力，特別是對于大型綜合建筑，從綠色、節(jié)能的整體潛在效益來說，它帶來的效益是明顯的。低能耗建筑是未來建筑設(shè)計的發(fā)展方向，本工程中對綠色環(huán)保措施、建筑節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用具有推廣和借鑒參考的意義。