奥运新能源示范建筑简介
我国人口众多，在经济高速发展的同时，也使得在能源及环境上的压力不断增大，特别在建筑耗能方面，随着人们对居住环境要求的提高，建筑能源消费量逐年上升，已达社会总能源消费量的30%以上，与此同时，常规能源的使用对环境产生的污染成为急需解决的问题。现阶段节能环保观念已逐渐深入人心，人们对太阳能等新能源的开发应用的力度越来越大，新能源产业已进入增长阶段，新能源与建筑技术的结合亦成为在能源行业和建筑行业所关注的焦点，探讨新能源技术与建筑结合，以及如何与其它节能新技术嫁接，互补短长，特别是提高新能源在建筑中的年平均贡献率对新能源的推广应用和建筑节能具有重要的意义。
目前，由中国科学院广州能源研究所、北京中科能能源高科技公司、北京天普太阳能公司等单位共同承担的国家科技攻关计划奥运科技专项——《新能源综合利用建筑研究与示范》课题(课题编号：2002BA904B08)的实施已经进入尾声，建筑主体和新能源系统已经全部竣工投入试运行并通过中国科学院和国家科技部组织的中期验收。本研究课题将太阳能空调、太阳能采暖，太阳能热水，太阳能蓄能，地源热泵，太阳能光伏并网发电等多项先进的新能源技术与建筑结合并采用多种建筑节能技术并，在北京大兴创建了我国目前新能源集成度，新能源替代率方面均属领先的生态环保建筑。
作为该项目的实施单位成员，笔者参与了该项目的前期论证和设计、施工及验收等相关环节，特将本新能源示范建筑的相关情况进行简要介绍，希望能给从事这方面工作的读者提供参考。
一、建筑概况：
本新能源示范建筑的建筑面积8000平方米，地下一层,地上五层。是一座集办公、住宿、餐饮、娱乐等功能为一体的综合性建筑，地下一层为综合服务区, 附设有半地下室内游泳池。首层，二层为办公区，三层以上为客房公寓。该建筑规模适中，功能齐全，以此作为新能源与建筑结合的示范工程，具有一定的代表性和显示度。
本示范建筑的结构设计充分利用自然采光和自然通风。在建筑美学设计、建筑围护结构等方面，充分考虑新能源设备、构件与建筑的匹配融合。建筑外墙屋顶外保温，外窗采用低能耗玻璃和有利于自然通风的节能结构。本建筑采暖空调负荷达到国家节能建筑标准规定的指标，建筑设计空调冷负荷330kW，设计采暖热负荷281kW，设计卫生热水用量每日8 m3。
二、示范建筑中利用的新能源及其与建筑的结合
本新能源建筑示范研究项目在实施前期，针对目前新能源领域的实际情况，综合考虑实施成本及运行效果等各方面的因素，经过有关专家的反复论证，最终确定在建筑中采用太阳能制冷、太阳能热水、地源热泵制冷制热、太阳能并网发电等新能源技术，与之对应，与建筑结合的太阳能集热器模块、与建筑结合大直径储热式真空管太阳能集热器、太阳能阳光顶、太阳能吸收式制冷机组、地源热泵机组、蓄能供暖（冷）、太阳能光电与建筑的结合等产品和技术都成为本项目的主要研究对象。
示范建筑新能源利用示意图如图3所示
1、太阳能光热技术与建筑的结合
太阳能光热技术在本示范建筑的新能源系统中占有重要的份额。太阳能光热技术作为最早被人们利用的新能源技术，发展到今天，已经相对比较成熟，但将它与建筑结合，使其与建筑相适应，大面积的应用并保证高效、可靠、长寿命却是一个难点。本示范建筑在这方面做了大量的工作，主要采用了三种类型的太阳能集热技术。
（1） 与屋面结合的太阳能集热器模块
在示范建筑和设备间的屋顶安装了与屋顶一体化的可承压运行的1200 m2真空管太阳能集热器模块，其中800m2为U型真空管太阳能集热器模块（专利号：02245701.1），400m2为热管真空管太阳能集热器模块（专利号：02245702.X）。这两种集热器模块都是由若干支太阳能集热管组成，并与保温材料结合在一起，如图4所示。由太阳能集热器模块组成的屋顶太阳能集热系统在采光集热的同时又作为一个建筑构件，对建筑物起到保温隔热的作用，与整个建筑浑然一体，如图5所示。每个太阳能集热器模块作为一个相对独立的部分，拆装维护方便并不影响整个系统的运行。
安装于建筑屋面的1200 m2真空管太阳能集热器模块加热热水夏季用于驱动太阳能吸收式制冷机组制冷，冬季作为采暖系统热源的一部分为供建筑供暖。
(2)与建筑南立面结合的大直径储热式太阳能集热器模块
在新能源示范建筑的建筑物南立面上安装了大直径储热式（直通闷晒式）全玻璃真空太阳能集热管组装的太阳能集热器模块。每个太阳能集热器模块由10根集热管预制,与建筑物融为一体,具有良好的装饰效果，同时起到较好的建筑物南墙保温效果，如图6所示。南立面共安装72个太阳能集热器模块，总集热面积156m2。
安装于南立面的太阳能集热器模块主要用于加热生活热水并为游泳池供应部分热量。
(3)、双层玻璃管式太阳能阳光顶
本示范建筑的阳光大厅屋顶采用被动式太阳房原理，安装双层玻璃管式太阳能阳光板255 m2。太阳能阳光板所采用的双层玻璃管内壁镀有半透明太阳能选择性吸收涂层，阳光透过率可根据建筑采光需要在生产时加以控制。安装后的阳光屋顶中各玻璃管首尾相连，形成一个通道，并在玻璃管阳光顶的高低两端设可调节进出口方向的集箱。夏季室内空气由阳光顶低端的集箱进入玻璃管内，吸收太阳能热量后上升至阳光顶高端的集箱排出室外，起增强室内通风的作用并减少室内日照得热，而在冬季，在玻璃管加热后的室内空气则通过阳光顶高端的集箱回流到室内，增加热量输入。与常规的平板玻璃阳光顶比较，夏季降低室内建筑冷负荷65％，冬季降低室内建筑热负荷35％。
以双层玻璃管作为建筑的阳光顶的重要部件，在直接或间接的利用太阳能的同时，保证了建筑屋的正常采光和观感效果，避免了普通玻璃屋顶造成的建筑能耗大幅增加问题，是一次大胆的创新和尝试。
2、太阳能光电技术与建筑的结合
本示范建筑的中庭屋顶上方（图9-a）、屋顶挑梁和南阳台（图9-b）及中厅庭南门斗（图9-c）均装设太阳能光伏发电板组成50kW太阳能光伏发电系统，太阳能光伏发电系统所发出的电能并入电网。图9-d为太阳能并网发电的设备及控制室，设在本建筑一层。各种不同的太阳能光伏发电板除发电外，还作为建筑构件与建筑物各部分有机结合,起到装饰和保温作用。本示范建筑共安装各种不同的太阳能发电板共520平方米。
3、太阳能制冷和地源热泵技术的应用
如前所述，本示范建筑的冬季采暖和夏季空调的冷热源主要由太阳能提供。采暖太阳能集热器采集的热量向建筑供暖，空调期利用太阳能集热器采集的热量驱动吸收式太阳能制冷机向建筑供冷。本系统所安装太阳能吸收式制冷机组的制冷能力为200kW。为了使采暖空调系统不收天气情况的影响，能够连续不断的运行，本系统设一制冷能力350、制热能力400kW的水源热泵机组一台作为采暖空调系统的备用制冷制热设备，水源热泵机组以常温地下水作为冷热源，在太阳能不足时和夜间工作，为建筑供冷或供热。
为了最大限度的将太阳能用于建筑的采暖和空调之中，本示范项目在附属设备机房的地下建造了一座容积为1200m3的蓄能水池。在空调期结束后，屋顶太阳能集热器开始对水池进行加热，到了采暖期，利用蓄能水池储存的热量向建筑供热，同时太阳能集热器继续对水池加热。当蓄能水池供热不足时，启动水源热泵机组制热运行，对蓄能水池加热。采暖期结束后，通过管路切换，屋顶太阳能集热器系统产生的热水开始驱动吸收式太阳能制冷机运行向蓄能水池蓄冷， 到了空调期，利用蓄能水池储存的冷量向建筑供冷，同时吸收式太阳能制冷机组继续向水池蓄冷，当蓄能水池供冷不足时，启动水源热泵机组制冷运行向蓄能水池供冷。
本示范建筑所采用的吸收式太阳能制冷机组和水源热泵机组都是中国科学院广州能源研究所最新研制开发的环保节能设备。太阳能制冷机如图10所示，水源热泵如图11所示。
本太阳能空调系统采用中科院广州能源所开发的控制软件进行全自动控制,控制系统对各系统设备进行适时监控，通过分析运行数据调整设备运行状态，并可通过网络对系统远程控制、调整运行参数和接受运行数据。
三、示范建筑采取的建筑节能措施
众所周知，在以常规化石类能源为主的能源消费领域，虽然新能源的使用成本低廉，但因前期投资成本较高，成为阻碍其发展的瓶颈。将新能源与建筑结合，以新能源代替常规能源为建筑供电、供热和空调，就必须精打细算，使建筑的能量消耗尽可能的降低，以减少新能源采集利用系统的初期投资，使其有效利用率达到最高。
本示范建筑在规划设计之初，就以建设一座节能建筑为目标，经过专家和技术人员的反复论证，考察了众多的相关或类似的建筑工程，结合实际情况，在本建筑设计施工中采取了多项建筑节能措施。
1、建筑外墙采用轻质陶粒混凝土,并加贴挤塑泡沫塑料板材外保温，厚度60mm,该新型保温材料导热系数0.036W/(m.℃),施工方便。建筑屋顶北坡屋面采用200mm聚苯板外保温；
2、建筑外窗采用双层中空玻璃窗，阳台封闭；
3、建筑物屋顶、南立面墙与太阳能集热器模块结合，集热、保温一体化；
4、被动太阳房技术
建筑阳光大厅安装255 m2双层玻璃管式太阳能阳光板，在合理采光的同时降低夏季建筑冷负荷和冬季采暖热负荷。花格式光电板封阳台，在不影响建筑采光和美观的前提下，减少建筑物玻璃外窗产生的冷热损失。
5、地板辐射采暖、空调
本建筑在房间地板、顶板和部分墙面预埋供热供冷盘管。夏季空调供回水温度20℃/25℃，制冷设备效率大大提高，节约运行能耗。冬季供热供回水温度40℃/30℃，可以有效的利用太阳能，提高辅助热泵制热效率，减少制热能耗。
通过上述建筑节能措施，使本建筑物采暖热负荷＜30W/m2，空调冷负荷＜40W/m2。
四、新能源系统运行经济性分析
本新能源示范建筑在2003年夏季进行了空调制冷系统的初步实验运行，运行室内温度维持在26℃左右，吸收式太阳能制冷机组在太阳能热水温度大于50℃即可正常启动，机组平均致冷系数可达0.8；水源热泵机组辅助制冷运行时，致冷系数可达4.9。
2003年12月2日建筑正式投入使用，太阳能光热、地源热泵及光电系统全面启动，采暖系统日平均供暖运行时间9小时，白天利用太阳能热水采暖，夜间水源热泵机组利用低谷电制热运行，系统设备日均耗电量800度，实测期间采暖系统新能源提供能量达到80%的预期目标。
目前，示范建筑的太阳能发电系统已经并网发电三万多度，发电系统峰值功率达到了50kW的设计要求。
经过对系统运行数据的初步分析，在试运行期间，太阳能等新能源替代建筑用能80%以上，并可以有效减少污染物排放，低电力消耗，减轻电网压力。
根据本示范建筑的实际运行情况，将新能源示范建筑的采暖空调及热水系统运行费用与使用常规能源运行费用的比较，如图12所示，以天然气为例，在同样的采暖空调和热水负荷下，本新能源系统每年可节约运行费用32万余元，节约费用比率为82%。
四、结论
本新能源建筑应用了太阳能，地能，蓄能，节能等多项新能源技术，并在太阳能集热器，太阳能光电板和建筑物屋顶，墙面，窗户，阳光顶有机结合方面作了大量创新。符合建筑美学。既创造了冬暖夏凉舒适的人居环境，又因使用新能源而将在长期的供电、采暖空调及热水运行中节约大量的能源费。具有明显的经济和环境效益。通过本示范项目的实施可见新能源和建筑结合在技术上是切实可行的，具有很好的推广价值。同时我们也看到，新能源在建筑中大规模的推广应用还要经过一个漫长的过程，需要新能源设备生产单位、建筑设计单位、建筑施工单位等多方面密切配合，结合实际对现有技术进行大量的创新和发展，共同打造可以兼容多种新能源的现代节能建筑。
