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柏林能源论坛大厦的建筑节能设计—办公大楼能源设计一体化

作者:硕士工程师——罗伯特.希姆勒1
      工程学博士——M.N.费希教授2
1布伦瑞克理工大学建筑与太阳能技术科学研究所研究员
2布伦瑞克理工大学建筑与太阳能技术科学研究所所长
布伦瑞克理工大学网址:www.igs.bau.tu-bs.de
E-mai:lgs@ tu-bs.de
项  目 参 与:
所    有  人: 汉莎十六地产投资联合有限责任公司
获    益  人: 汉莎十六地产投资联合有限责任公司入股方A+V公共保险公司不动产部门
建    筑  师:  旧:柏林耶特希建筑设计室   
               新(设计):汉堡波特.里希特.特赫拉尼建筑设计室德国建筑师联合会
               主管:维尔纳雅恩 古多雅恩 柏林自由建筑师
支承结构设计:  旧:柏林里斯坦希奥普公司
               新: 柏林皮希勒工程有限责任公司
消  防 预 设: 不伦瑞克霍斯尔.哈斯.帕特内尔公司
大楼技术设备:多塞尔多夫维特工程有限公司
能源、建筑模拟实验:斯图加特斯坦恩百思能源建筑太阳能技术转换中心
监 控 设 备: 不伦瑞克理工大学建筑与太阳能技术科学研究所硕士工程师罗伯特.希姆勒和工程学博士M.N.费希教授
项 目 资 助: 联邦经济劳动部门PTJ项目主管贝尔特拉姆博士于利希
太阳能设备监控:德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会太阳能源系统 弗莱堡
 

 
 

柏林能源机构是未来能源的中心同时也是国际太阳能源中心。正因为有了柏林能源机构,公司企业或者研究所的可再生能源部门和环境技术部门能够共存。于是一体化能源概念应运而生,从而使得办公大楼能够更有效的利用能源。它十分重视能源的可再生性和合理转化。这个项目在“能源优化建筑——太阳能建筑”的概念下由联邦经济劳动部门积极推动。

 
图1:楼的新侧翼及前院剖面图(旧建筑)
 
 

图2:正厅的立面图
 
节能办公大楼的实现
 
柏林市中心最具建筑潜力之一的地域,是跨越亚历山大广场从亚历山大大街穿过,经过施普雷河上的亚诺维茨桥直到埃尔森桥的那一带地区。其特殊又便利的地理位置以及卓越的城市基础设施为柏林州政府的城市规划决议奠定了基础,在这一决议中,柏林东火车站(施普雷岸火车站)周边地区将被作为整个柏林城最重要的中心发展起来。
这座集古老与现代为一体的能源型建筑于2003年建成。座落在这块地皮上的是1906到1908年间由莱美尔及柯尔特成立的城市煤气公司原中心储藏仓。这个五层的储藏大楼及它附属的门房和管理大楼是在文物保护计划的前提下被柏林Jentsch建筑工作室作为文物用途修缮的,建筑理念主要来源于现有的储藏大楼。这座建筑是由两个L型建筑构成的,建筑的侧翼及主体部分构成了一个开口的前厅,这个开口能够通往施普雷河,它也是整个建筑的前厅。非主体部分的建筑草图来自Bothe Richter Teherani(BRT)建筑工作室(图9)。新建筑的楼体将被建为拥有八个楼层的多功能多用途化的新式建筑。它将像老建筑那样,除了保留大规模的多样化房间分配布局,使各建筑间在保留个性化的同时达到最大的统一,同时再进一步对传统的双体建筑结构进行重新布置。前厅是整个建筑的中心。它一方面可作为多功能的展览和集会场所,另一方面又可算作是推广新理念、新思想及可持续发展的能源经济型产品的榜样。

图3:南边办公室的能源概念(典型空间)

 

 
 
企划

大厅照明
进/排气装置
百叶窗
通过此处电机二次通风
照明强度可由外部自然光进行调整
全面的能源理念将投入到这座节能办公大楼以符合太阳能建筑项目工程的指标,这便是工程的目标所在。每年的基本能源需求的目标值是100kwh/(m2a),即净地面受热时采暖及消耗总量为100kwh/( m2a)。

 
手动照明线路
悬挂向下驱动:太阳遮板、外部阳光
混凝土围护结构
带温阀的加热装置
LED显示
红色:通风装置
绿色:窗式排风扇
计算出的建筑基本能源需求分配如下:采暖40 kwh/( m2a),电源20 kwh/( m2a)(不包括一些特殊设备的能耗:如电脑、打印机、咖啡机)。该项目的另一个目标是对一些具有实用的节能技术的使用,即能够“被看到的”节能技术。(比如小型燃料电池的使用)

建筑的结构、基础及热防护
这个储藏大楼建在一块狭长的地基上并且具有60-90cm厚的墙体。在翻修旧建筑的框架上将附加上8cm由矿物纤维构成的内隔热层,它与具有适应潮湿环境能力的蒸汽引擎及新的窗户相结合。老建筑的檀条顶及屋顶架将连同储备绝热一起建造。新建筑的基础由270根混凝土柱构成,其中的190根用作能源柱。在由防水混凝土注成的地面上有额外涂上一层12cm厚的聚苯乙烯隔热层。建筑的支承结构将以平顶的圬工建筑方式和由钢筋混凝土构成的环形支架建成。东西两边立面,由悬挂在前面的16cm厚的矿物纤维构成的金属部分建成。南边房屋立面作为连接立面同样由16cm厚的矿物纤维隔热层以柱体结构形式构成。
通过高额的预制度,房屋立面将达到高度的空气密闭性。
WU-混凝土混合20cm的聚苯乙烯。在起居室使用钢框架桁梁作为支撑结构。
所有新老建筑的窗户都根据BAZ采用了材料族1.0的绝热框架和铀值1.1W/(m2k)的玻璃化。唯一的绝热玻璃分隔采用了不锈钢。
 

图4:所采用的遮阳系统
起居室作为建筑物的中央构件与新建筑挡水板和存储建筑相结合。由此产生出一个坚实的建筑主体表面积/容积比(A/V)为0.15m-1(图1和图2)。

通过建筑物的良好绝热性能,预测的热需求量的47%在计划时间点有效的WSVO’95(表3)的需求水平之下。

图5:能源调节功能原理(冬季)
 
夏季绝热
所有朝南,朝东和朝西的建筑物窗户(玻璃化物)配有一个手动(带曲柄传动装置),内置的高反射遮阳装置以及日光转换结合色彩中性的遮阳玻璃(g=34%。T=68%)(表4)。两种方法都减少了外部的热量负载,保护区域免受过量加热,保护了防反光的工作以及持续的视线接触。房屋南面(施普雷河边)装有50mm宽的“灯管-百叶窗”(图3图4)。它的特殊造型影响了夏天的直接日射率并且减少了不必要的太阳能照射。在冬天房屋表面接受到了深层阳光辐射。在房屋东面装有“灯管-百叶窗”。25mm宽的百叶窗的微观结构影响了直接日射率。在冬天具有穿
透力的散射照射到办公广场。基于百叶窗的特殊造型的表面,通过它几乎水平的定向保证了使用者向外看的自由视线。
 
 


表1:建筑主体
老建筑楼层       5
新建筑楼层       8
A/V比           0,15 m-2
总体积           118 800m3
建筑面积           21 240㎡
实际面积           15 520㎡
 

表2:绝热证明
建筑部分           传热系数[W/m2K]
外墙               0,21
屋顶               0,17
窗户(玻璃+框架)  1,3
地板               0,3
玻璃起居室(玻璃+框架)1,3

表3:年供热需求量(Qn)依据WSVO’95
最大许可Qn/V       16,4kWh/㎡a
现存Qn/V           8,71Wh/㎡a
现存Qn/V           48,8Wh/㎡a
低于额定最大Qn     47%
表4:房屋正面的窗户面积(转向31°,图11)
北              35%
东              35%
西              48%
南              64%

 
只要有阳光照眼,百叶窗就可垂直拉起。在新建筑的房屋西边和北边以及起居室正面(内部正面)是凹型的遮阳悬挂物,其百叶窗宽度规定为25mm-80mm。悬挂物有一个穿孔的遮光和遮阳装置(下面三分之二部分)以及一个日光转换范围(上面三分之一处)(图4)。在很强的太阳照射中下面的遮阳和遮光装置可以垂直拉起,同时上面
的日光转换部分保持水平。在降下的遮阳装置中,一个日光利用装置也是可以安装的。悬挂物打孔使观看周围环境成为可能。
 

进气
窗户空气
日间
手动
夜间
自动
 
室内空气
换气
 


图6:能源调节功能原理(过渡阶段)
 
电力需求量
安装的遮阳-遮光系统使深入的日光利用成为可能。为了使能源潜力的使用成为可能,在办公室的艺术系统中加入了一个电串连机(15W/m2)和一个固定灯光规定(500流明)。第二个照明队列根据需求只手工接通了。大厅的照明为声控的(表3)。在空气通道网的计划中必须关注能源效益就像泵和鼓风机的广告陈述的那样。
 
供暖和通风换气草图
 
冬季
新建筑部分A和B通过两个进/出气装置和转动热能交换机进行通风换气(卫生健康的最少空气转换:4m3/(m2h)(图5)。两个装置都可以在建筑挡水板的6.OG处发现。进/出气的提升绳索处于新建筑主体和闸的井状构造中(图11)。水平的分配在回廊顶部得以实现。在办公室中的进/出气打开装置作为圆盘阀安装的并且按照规定在走廊边直接处于楼层顶部。单独楼层的通风换气可以在非出租情况下解除。供热需求量由房屋正面和起居室规定的低温供热体补偿(参数:60/40)。在深层的外界空气温度下楼层顶部的混凝土核心温度与20至26度之间滑动的预测温度相接,因此覆盖了固定负荷。被保护的储存建筑文物的通风换气通过一个排气装置和消极的隔音的进气部分加上窗花下面栏杆范围内的风压阀得到实现。为了避免冷空气残余,进气部分的出气口依据供热体进行调整。换气通道网可以由此减少至所必须的最低值,而不用必须放弃舒适度以及机械通风换气的能源节约。出气产生的回流换热通过热传送器和一个出气热泵得以实现。紧挨着出气热泵的是储存室的WC核心以及新建筑的一部分。一个4,0热泵的COP回流换热比率大概为25%。在供热期间办公室通过换气装置得到外界空气的供给,而起居室只是在议程表上附带被涉及到,起居室的进气/出气阀调节至外界空气温度15℃以下,风速8m/s。
过渡季
新建筑中的换气装置和回流换热首先服务于能源节约。回流换热的数值小于装置电需求量所消耗的原始能源因素的考量,因此它们被关闭而使用者必须通过窗户换气(图6)。窗户上LED屏幕会显示出来(红色表示机械换气,绿色表示窗户换气),使用者会在变换时刻被告知。老建筑的换气装置常年通过施特劳尔广场的声音发射得以运行。

窗户空气
日间
手动
夜间
自动
 
室内空气
进气
换气
混凝土核心活化作用
 

图7:能源调节功能原理(夏季)
 
混凝土核心加热(供热)在过过渡期间内不使用,为了防止办公室过热。供热体依据需求而起动。中间的外界空气温度提升,因此办公室,即起居室自动的夜间换气问题就得到了解决。这边导致了内部热存(楼层顶部)的热回收并且减少了随后几日的温度峰值。东面,西面和北面的每两个窗户配备有两个伺服发动机和一个锁紧装置发动机。旋转窗可以装有链发动机并且达到40cm的打开宽度。5或6OG的阀门叶轮可以通过两个纺轴发动机运行。在房屋南面和起居室的装有伺服发动机的天窗(降翼叶轮和阀门叶轮)被打开,而在房屋南面则通过一个锁紧发动机关闭。转向施普雷河的一个几何形状的50m2的起居室进气通口由一块附带电发动机的可旋转百叶窗叶轮区域组成。这块在施普雷河转向的起居室垂直部分的出气通口总共为大约50m2,由电力发动的百叶窗叶轮组成。夜间换气取决于外部和房间内换气温度进行调节。起居室的进气和出气通口由自动控制连接,因此在使用者夜间打开办公室门的情况下,办公室与起居室的横向换气也成为可能。

 
夏季
在夏季新建筑的办公室同起居室一样可以自然换气(图7和图8),老建筑的办公室如上述已经提到的机械换气(健康卫生的最小换气频率为4m3/(m2h))—— 使用者可以随时打开窗户。夜间换气保持活跃状态并且根据需求量释放。
在夏季,新建筑里的办公室将像前厅一样仅采取自然通风。(合乎卫生标准的最少换气量为4立方(m3/h))窗户随时都可被用户打开。夜间通风也可被维持并按需求得到控制。一旦中等程度的外界气温上升到超过可被调控的程度,新建筑中屋顶的混凝土核恒温处理系统将自动调节到预设温度18℃对房间进行降温。混凝土核恒温处理将直接由能源柱靠冷水进行控制。在新建筑主体的西南部是预设的餐厅,在这里将配以靠太阳能支持的吸着式冷却技术,包括一些技术的暂时提供。
而对于传统的建筑,制冷只是在具有特殊用途的房间中有以上计划。
 
 
 
能源柱设施
能源柱设施中的190根混凝土柱直径为0.5m,平均长度为8.5 m。每两个这样的柱子中便有两根U型管(2×正向和反向)(管子直径为22mm,壁厚为2mm)被安置在钢筋栏内部并用混凝土浇固。除了具有稳定作用,这种混凝土柱还可额外用作土层换热器。(图10)在高温时期地板下基柱中间的一个靠电力运作的热泵将把热量抽走以达到降温目的。
不同于其他的地面热量感应器,能源柱无论如何都要确保避免热量转换器结冰,因为这样可能会弱化柱体的承受作用。只要蒸发器的外表温度未达到4℃,设备便会中止运行。当柱体周边的土层冷却到5-6℃时(柱体开发时所涉及到的土层的平均温度),以上情况便会发生。柱体温度也达到5-6℃.与其相关的建筑模拟和设备模拟表明,土层在十月至四月间可被抽走的热量大约为85MWh/a(图13)夏季时,储存在底层土中的凉气被用作大楼的制冷。为此,能源柱设施及楼顶的液压圈将通过一个热量转换器直接连接在一起将水翻转。多余的房屋热量将被混凝土屋顶中的循环流动水所吸收,水便通过这样自动加热。水通过能源柱将这部分热量交还于底层土,柱体周边的土层便升至15℃.底层土的热量便又能达到大约85 MWh/a,在低温的半年里可通过热泵重新提取。(符合柏林水利法许可条件)基于支出热量的平衡对照表及热量录入,从长远看来还没有出现固定的气温变化。底层土仅限于与建筑直接相接的那部分,离柱体超过5 m远的部分相对于自然界的温度值便无区别可言。为了热量的录入及支出平衡对照表能够在气候与往年相比完全反常的年度仍能保持稳定,还会配有一个录有热量数值的运作监控器和控制器。除此之外,处于调控目的在地表还会安装多台温度感应器。
能源供给大约20﹪的能源柱设施,5﹪储藏大楼里热泵的使用及75﹪远程热量中转将用来满足大楼采暖需求。(图12)一个年耗量为46 MWh/ade 55kw的联网顶级相片处理器就能满足大楼10﹪的供电需要。单晶硅太阳能电池模块(面积约为500m2)被安装在两个新建筑的屋顶及南边的房屋立面。(图表6)
单晶太阳能电池(面积约为500m2)模块安装在新建筑屋顶的两边和房屋南面(表6)。
一个电功率为4.6kw的规划中的小燃料电池-中央供暖和一个7kw热功率出于示范性目的而建造,为了给使用者和未来技术能源形式的研究者以示范。主电力需求量覆盖在网上。
 
 
 
 


图12:建筑物热供给与冷供给
 
 
监控
BMWA所要求的研究项目太阳能建筑领域:由建筑和太阳能技术学院IGS自2003年秋季起实施一个为期两年的针对能源形式的测量技术监控。除了天气数据外,还包括建筑技术的最重要数据点以及IGS建立的测量点。热集合读数和电仪表读数在一个分界面被记录了下来。至少15个数据记录在计算器上。
在每周一次的间歇中对测量数据进行评估,建筑物的管理机构将会短期内对额定值的误差进行通告。每季度公布一个报告,根据当时的能源需求量,热舒适度和房屋技术装置的能源效益运行来制定。运行报告依据测量数据产生。计划在2004/2005冬季和2005夏季进行使用者调查以及日光灯调查和艺术灯调查。
 
第一手经验和测量结果
附加着测量数据在2003年秋季开始进行。图14展示了2003/2004供热阶段建筑物每周的能源需求量。相关的2003年秋季的高供热需求量以及缺失的换气装置时间项目、余热回流问题都进行解释。供热能源需求量大约为50kwh/(m2a)超过了预测需求量的25%。近似测算结果显示,在换气装置正常运转下达到了计划的最终能源需求量。

图13:能源设备的热平衡(热建筑和热设备模拟结果)   
 

图14:能源设备的热平衡(热建筑和热设备模拟结果)    

 

 
 

图15:丧失的热量(柱),土地回程温度(Trl)和能源前温度(Tvl)
 
   
图16:阳历18周期间主房的热运动
 
 

图15显示土地丧失的热量,能源设备在一周中的平均前温度和回程温度。2003年秋季当温度下降、土地开始散热时,土地的回程温度大概为15℃。在阳历15周,观察期的最后期限里,能源设备的回程温度大概为7.7℃,前温度为5.2℃。回程温度平均值下降到6.3℃,土地温度在夏天恢复。在测量时期丧失的热量总计为135MWh。模拟中测量的85MWh热量超过42%。其原因是土地显示了其它的热特性(热容量),和在模拟中推测的一样。
在能源设备旁建造一个主房—作为通风草案的一个重要组成部分—主房是检查的重点。图16表明在晴朗天气主房的热运动。很明显的是在没有遮光装置和人工通风情况下,主房整体温度也可以得到控制。主房温度在打开薄板下最大为5K大气温度。但是,因为通过中性颜色的遮阳玻璃装置后,太阳能减少,另因为主房里空气流动,在室内会感到温度较低,十分舒适。在观察期的第五天,主房内温度会在薄板关闭后回升到30℃。从风速达到4m/s起,出于建筑控制技术的安全运作,须关闭主房的进风口和排风口。建筑控制技术的调节值会更新到6m/s。
同时进行的为期半年的监控阶段表明,从建筑规划到开始工作以及到整个工作过程,能源草案是多么重要。由于在最近建筑阶段造成一些延误,能源热力泵不能照计划在企业中实现2003/2004加热期,导致温度下降,土地变凉。2003年盛夏期间,这些降温潜力没有得到利用,导致了室内高温,像在模拟中预测的一样。建筑加热和冷却的各种系统继续减少,造成了一些问题。以测量和紧接下来的热模拟为基础,可以研究出建议方案(如新的规则策略),这些方案在2004年秋会得到转化,并且在方案中会说明测量技术。
 
2003年建筑物理奖
在“建筑物理”杂志创刊25年之际,在德语国家和地区出版建筑技术专业书籍的Eunst&Sohn出版社首次公布了“2003建筑物理奖”。因为在建筑物理和整体建筑草案领域方面拥有独特、富有创意的规划表现,STZ-EGS和该规划小组获得“2003建筑物理奖”第一名。
STEINBEIS—转移中心
能源、建筑和太阳能技术
“STEINBEIS—转移中心能源、建筑-和太阳能技术”(STZ-EGS)能源方面的工程师在之前草案过程和规划过程中进行了通力合作,使得在建筑和技术方面的运作达到了最大优化。
在热建筑和设备模拟的帮助下,建筑包装和经过模拟用来预测能源需求和用户舒适度的供电技术出现许多变值。在质量管理范围内,规划小组继续转化、实现初稿草案。对于可能的变化和偏差会及早做出应对措施。
因为在建筑物理和整体建筑构想领域方面拥有独特、富有创意的规划表现,STZ-EGS和该规划小组获得“2003建筑物理奖”第一名。
STZ-EGS_Hessbruehl街 15_70565 斯图加特_ 电话:0711/ 99 007-5_传真:0711/99 007-99_邮箱: info@stz-egs.de
 
 
 

来源: 互联网
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