被动式摩天大楼:可持续性的新边界

  • 绿色建筑
  • 2019-01-17 17:06:39
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全球唯一一座通过被动式建筑认证的摩天大楼——维也纳RHW 2大楼。

莱夫艾森(Raiffeisen)银行保险集团维也纳总部的扩建是全球唯一一座通过被动式建筑认证的摩天大楼,该扩建项目以示范、提升集团经营理念为目标。而该集团也是中欧地区一家主要的银行保险商,它为建筑节能推出了包括“气候保护”创意在内的多项特定产品。

 

新大楼的技术内涵体现了一种最先进的可持续建筑技术:双层建筑外壳可以控制内外环境的整合;依靠混合可再生能源发电和供热;通过将一种能够激活楼体的系统与自然通风和人工通风突出作用的整合,实现了种种舒适条件。

图1:夜晚,维也纳RHW.2大楼(中央位置)的外景

 

一、项目目标

莱夫艾森集团维也纳第二总部(RHW.2)是一幢薄片状摩天大楼,位于这座历史名城的边缘,俯瞰着旧城所有建筑的屋顶。该金融服务集团依靠这幢建筑的加入,完成了其在奥地利中心设置总部的布局。

 

这幢摩天大楼高77.2 米,耸立在一个主要分布第三产业的街区中央、容纳欧佩克办公机构的建筑群中,而街区内还有一家大型软硬件生产商的办公楼及其数据中心、一家温泉医疗中心和莱夫艾森集团的现有总部大楼。

 

整个项目的设计以最高能效可行性为定位,包括:

  • 建筑形状和朝向的优化;
  • 对抑制热量散失的研究;
  • 整合建筑物使用时当地可提供的能源,包括可再生能源和免费能源;
  • 仔细选择计划安装的各种装置、各种技术服务设备,一直到规定摆放在办公楼层的咖啡机;
  • 采用耗能水平低的空调设备;
  • 采用先进的电子监控系统;
  • 让用户参与其中。

图2:该大楼是全球第一幢被动式摩天大楼:利用当地能源设计能源生产系统,其中包括就在几米之外流着的多瑙河河水(ManfredBurger)

 

二、建筑结构的作用

钢筋混凝土筏板基础是一个巨型白色沉箱式的密封容器,作用是防止杂砾岩水形成的地下水渗透。筏基深入地下六层(约19米),其构件厚度各不相同,厚度为120~210cm;内部敷设了超过40 km的管道,并与地热泵相连接。

 

为了在四周建筑的附近建成筏基,在现场设置了两百多个传感器,用于测量道路标高、对地层的作用力和相邻结构的移动,包括运河河岸和一直通到河岸的街道。利用专门钻成的四口井,在筏基逐渐稳定的过程中,总共抽出了10,000m3的地下水。另外,温泉中心管道和大楼夏季供冷管道还穿过筏基,与引自多瑙河的河水换热。

图3:大厅主要入口前的区域:上部可以看到双层幕墙的联接构成,由通风隔栅和交替排列的透明幕墙带。

 

而且,这些高层结构在楼内空间的空气调节方面起着极其重要的作用。圆柱(典型柱距7.8米)与中央支撑核心构件组成的网格支撑着连续浇筑的钢筋混凝土楼板,楼板内部环绕嵌入了预定激活建筑楼体供暖的水暖管道。这是在中欧和北欧气候条件下(气温较低,平均光照时间短,故温差有限)用得特别广泛的一种辐射供暖系统,能够方便地将结构楼体缓慢地带到要求的运行温度。

 

楼体激活供暖系统用于工作环境的冬季供暖和夏季供冷。在这种场合,管子集中在水平结构的下部区域。因此,辐射面为天花板,而技术管网的分布孔洞大部分隐蔽在地板之下。

 

这种激活系统对环境气温波动响应小,并由配高压蒸汽绝热装置的除湿机械通风设备支持。通过风室和安装在地板上的圆形风口分配风量,而沿楼体外周一共配置了大约1,250台高效换热风机,按此情况,或用于管道送风,或用于输送外界新风。仅在必要时,才启动机械通风设备:实际上,每一间办公室都认作相对于其它办公室而独立的单元,能够通过双层幕墙获得自然通风。

 

三、主动式外壳

图4:大堂的特点是利用玻璃天窗采光,是一个真正的带屋顶广场,内部人流由此可到达街区;有三层用于举办会议

 

构建建筑物外壳所研究的方案作为该项目设计深化的主要课题之一,其本身具有双重目的。一是显著减少建筑物的热负荷;二是获得一种能够积极支持设备系统的外壳。

 

大楼正面朝西。对整个楼体的形状作了模拟,以求减少夏季下午时分立面的受晒面积。同时,依据维也纳气候特点对设计图纸作了优化,以求按照当地建筑规定,减少阴影对周围建筑视野的遮蔽效应。

 

大楼外壳大部分是透明的,但是,尽管形象是统一的,其正面(11,000 m2)却远不止只显示一种景观。大部分垂直立面为铰接式双层幕墙,从而在大楼的内部和外部之间形成扩大的通风调节系统。

 

一层内层幕墙之间为一根根表面涂刷了绝热材料的钢筋混凝土围栏,其上安装了断桥隔热铝合金双层玻璃窗,由固定反光玻璃和可开启的反光玻璃交替构成,分别按垂直方向排列。于是,从保温隔热功能来讲,整个内层幕墙成为了一层性能极好的保温隔热薄膜。

 

在热学上与人居空间隔离的外层幕墙沿水平方向伸展而形成腰带状。与围栏相对应的,夹层空隙(深约50 cm)整个嵌入金属窗匣(可安装双层反光玻璃的箱子),以金属隔栅或片条交替封闭匣底和/或匣顶。

 

匣子正面是敞开的,安装倾斜的玻璃板,使幕墙夹层内的空气流入流出。这些窗匣就构成了真正的太阳能空气集热器。当金属墙壁被太阳光线加热时,使匣内空气做上升运动,随之又抽引室外空气流入,并在窗户半掩的条件下,冷却夹层或内部环境,于是,交叉形成了自然通风。

图5:展厅设在21层:建筑本体有源驱动的热能激活表面由天花板构成,而架空地板内嵌入了换热风机。

 

相反,窗前的空闲区装备了自动窗户遮阳装置,而关窗机构是结构简单的控制太阳光线的保险板。固定遮阳装置为垂直布置的尺寸相当于反光玻璃间距的薄板;在夜间,一系列装在遮阳板上的LED 带照亮着摩天大楼的立面。

 

至于不透明的立面部分,与采用铝合金型材的传统下层结构不同,包覆板由夹头支承而直接挂在墙体上。夹头是钢制的,由一根玻璃纤维棒串连起来,固定在墙体上钩挂外板。

 

后者实现了外层幕墙与建筑外壳内墙的分隔,允许按需要插入所需厚度的绝热层,并有可能修改有效的绝热长度。这样就有可能形成完全不存在热桥的通风幕墙,同时可以显著地减小绝热层的厚度。

 

四、联合供热供冷

图6:人工通风设备配备了绝热型高压蒸汽除湿:通过气室和设在地板上的循环风口分配空气。

 

空调所需的制冷制热能源是由环境影响小的能源、可再生能源和/或高效能源混合供给。冬季,以沼气为燃料的热电联产发电机(300kWe;440kWt)覆盖了40%的能源需求,而38%来自邻近的数据中心废热回收,7%左右来自热泵的地热换热。在用能高峰时,余下的15%由当地的远程供热管网提供。

 

夏季,一个吸收式制冷机组由热电联产发电机供给能源,供给空调需要的33%供冷需求,并由压缩式冷冻机提供29%的支持以及换热器提供28%以上的支持;其余的8%需求由连接筏基上的地热泵(COP>5)提供。

 

300~400kW热泵配备磁垫式压缩机。换热器用于冷却制冷机组,并在条件允许时,用于直接冷却通风回路中的空气。换热器置于一个特定的地下槽罐,通过地下管道(直径约一米)既与同一街区中的温泉相连,又通向多瑙河。

 

多台空气处理机组是按照间歇运行支持不同使用情况设计的,并且都配备了废热回收装置,负责为大楼内八个区域实施人工通风。卫浴热水生产通过按照使用需求安装的电热水器解决。

 

五、性能、信息、认证

图7:在冬季,依靠当地的远程供热管网及压缩式冷冻机组(有几个设在屋顶上),解决万一可能出现的能源需求高峰。

 

供热能耗比为14 kwh / m2a,而供冷能耗比不超过9kwh / m2a,相比于一次能源需求不到117kwh/ m2a,部分由热电联产(60%)和设在屋顶的太阳能电场(1%,功率26kwp,光照面积420 m2)解决。此外,大楼还配备了与电梯连接的减速制动能量回收装置。

 

设在门厅内的多媒体系统实时记录能量流动,并起到了指导工作人员抑制能耗的作用。在大楼运行的初期,工作人员接收了有关整个系统特点及其运行方式的详细说明书,目的是使他们的工作行为符合企业的节能目标。

 

大楼于2012年12月开始启用,然后由设计师依照优化综合性能的目标,按该建筑不同的使用条件进行运行管理。综合监控系统按照气候条件和大楼的运行条件,实现了各种能源贡献的平衡,与一幢装备了传统技术装备的等效建筑相比,实际回归到了能耗减半的水平。

 

2013年夏季,RHW.2大楼获得了达姆施塔特被动式节能屋研究所的“非住宅用途的被动式建筑”认证。此外,该项目还获得了奥地利可持续建筑协会(ÖGNB)和奥地利健康与生态学会(IBO)的“气候:活性金”级的TQB认证。

 

整幢摩天大楼的建设成本大约8,400万欧元。建造建筑 / 外壳系统的成本可以分段估算,与可对照建筑相比,收回成本估计大约需要十四年。

 

六、热能有源建筑系统

图8:双层幕墙的细部结构:外部窗匣底部的透光片可让空气进入匣内,依靠隔栅形成空气对流

 

在中欧国家里,建筑本体的热能驱动空调系统(TABS:热能有源建筑系统)成为市场标准已有十年之久。简言之,这是一个激活建筑本体供暖的水暖管网系统,其中楼板通常为钢筋混凝土浇筑而变成了真正的供暖供冷终端,其特点是容量大、能力强,因此,能够蓄积热能和 / 或冷能,然后逐渐释放给室内环境。

与传统的辐射式地板、墙壁和天花板相比,TABS中的水暖回路与结构本体是联成一体的。与一些常见的系统区别在于管道位置,其管道可能处于:

1、楼板截面的中央区域内,即埋入浇筑混凝土中,以便同时激活此水平构件的各个表面而与周围环境交换热量;

 

2、楼板表面的带状区域(顶面或底面)中,主要利用其中一个表面进行热交换;在这种情况下,另一个表面通过架空地板或天花板和隔热材料(可能时)与环境隔离。

图9:不透明围护板的支承结构:系定板直接固定在墙上;玻璃纤维夹头实现了对于钩挂板(FDT)的隔热断桥作用

 

因热惯性大,故衰减和 / 或滞后负荷尖峰为 TABS 系统的主要优势之一。与其它种类的设备系统相比,这种现象一般会导致所装机器的尺寸缩小。

 

这类系统可以采用较低的接近舒适感的供热温度(冬季25~27℃;夏季18~22 ℃)。因此,TABS 特别适合采用可再生能源。

 

在冬季运行期间,需要考虑热应力与其有效分散之间存在着滞后,关键是要考虑采用某种手段在设备系统与环境之间进行干预,以及所激活的结构本体温度与环境温度之间存在温度差。

 

即使在用于夏季供冷的场合,除去在结构本体内集聚的热量也有一定的滞后,而且通常发生在环境负荷减小时。这样,就可以按大楼不占用的时间表,推迟一点临界供冷阶段,甚至在夜间并用通风系统。

 

一般说来,TABS的功能不是瞬间的,在白昼有可能减轻室内外热应力变动效应的影响,使空气温度只有轻微的波动,甚至不超出可接受的热舒适度范围。

 

来源:全球暖通空调杂志

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