杭州绿色建筑科技馆位于杭州钱江开发区国家循环经济示范园区内，由中国节能环保集团浙江分公司投资，杭州市政设计院做建筑和设备设计，杭州地源热泵所完成地源热泵系统设计，上海大学承担楼控系统的设计和优化、智能控制在低碳技术中的应用研究，Honeywell实施弱电总包和施工。

杭州绿色科技馆为科研办公用房，建筑高度18.5米，地上四层，地下一层，建筑面积4600m2。该项目2010年12月10日通过了美国LEED铂金级评审，2011年获得住建部绿色建筑技术创新奖。

杭州绿色建筑科技馆造型独特:南北方向外墙倾斜，以减少南向墙面的太阳辐射，增加北向墙面的太阳照射，参见图1。该馆集成了国内外多种先进、适用的建筑低碳技术，包括被动通风系统、地源热泵系统、溶液调湿新风系统、外遮阳系统、温湿度独立控制辐射吊顶空调系统、自然采光调节系统、太阳能光伏电池系统、风力发电系统和雨水收集、中水回用系统。科技馆还采用了完善的能耗的分项计量，控制系统着力于各子系统的融合，实现节能的优化。

1 被动通风系统（Passive ventilation system）

杭州绿色科技馆被动式通风示意图参见图2。为实现被动通风，建筑物地下室南北各设计有6个进风口，配置有电动双层 窗50个；屋顶层有拔风烟囱14个，配置电动双层窗60个；建筑物总共有17个竖向风道，分布在每个房间窗户旁。该风道内同时布有新风管道，在有源空调运行时提供新风。1到4楼合计设置了房间进风调节风阀86个。由BA完成对被动通风阀的 开关控制和调节控制。

采用被动通风方式时：首先打开所有地下室双层窗、房间的风阀和屋顶的电动双层窗。风从地下室的进风口进来，由风道通过被动通风阀进入各个房间，再从房间内侧的窗户流向中庭，最后从屋顶的拔风烟囱排出。

（1）被动通风系统仿真

杭州绿色科技馆的被动通风由英国De Montfort大学能源和可持续发展学院依据杭州市气候焓湿图做仿真设计，参见图3。杭州全年中有72%的时间内室外气温在0℃到24℃。随着冬夏季风逆向转换，气团和天气状况均会发生明显的季节性变化，形成春多雨，夏湿热，秋气爽，冬干冷的地区气候特征。根据杭州气候条件，过渡季节采用被动通风技术，夏季则采用传统的有源空调制冷方式。采用被动通风技术，结合应用控制技术可以推迟夏季有源空调的使用时间；在盛夏夜间被动通风也能发挥节能的作用，从而达到节能的目的。图4a和图4b分别为CFD仿真的被动通风条件下各个房间的风速分布和温度分布。从图3中我们可以看到，被动通风条件下科技馆里大部分区域的最低风速大于0.2米/秒,办公区域的大部分区域的温度都在舒适范围之内。

（2）绿色建筑科技馆被动式通风可行性分析

被动通风可在基本不消耗能源的情况下降低室内温度，带走潮湿污浊的空气，改善室内热环境，实现被动式制冷，是一种经济的通风方式。被动通风属自然风，其风速柔和，空气比较清新，有利于人的心理和生理健康。

为了分析被动通风系统应用的效果，在杭州绿色科技馆室外空旷草坪上设置了一个小气象站，用以实时测量室内外温湿度、风向风速、太阳辐射和紫外线等天气参数。在地下室风道、一楼风道和拔风烟囱内设置了22个温度传感器、12个微风速传感器以监测被动通风的效果。BA采集的实时和历史数据一分钟一个记录，每个记录有字段项1000多个，每天半夜自动发送到科研人员的邮箱中。

分析记录的历史数据（如表1所示）表明，一楼风道温度一致性非常好。

图5是2010年5月27日被动式通风开启时科技馆小气象站室外温度、1楼风道温度和三楼办公室南向平均温度一天的数据对比图。从图5中可以看出，风道温度与室外温度走向基本一致，白天工作时间风道温度比室外温度要低6℃左右；三楼办公室南向平均温度则比较平稳，在25℃到27℃之间。说明被动通风在过渡季节是完全可行的。这些数据也表明即使室外温度达到30℃，被动通风仍然能满足办公室舒适度的要求。因此，通过被动通风延长过渡季节以实现节能是可行的。

（3）被动通风的建模

要想建立一致性较好的被动通风的数学模型，正确确定模型的输入和输出量是十分关键的。原则是尽量把影响输出的重要物理量作为系统输入。本文的输出量是决定人的舒适度的办公室的平均温度，输入则较为复杂。根据被动通风原理，影响被动通风的因素主要有两个，风压和热压。风压和热压的共同作用产生被动通风，由此初步确定输入量是室外温度、室外湿度、室外风速、室外风向和太阳辐射等参数。

研究各个输入相对于输出的相关性可以验证模型输入的合理性（如图6所示），室外温度与输出的相关性为0.85，是高度正相关；室外湿度与输出的相关性为-0.7，是显著负相关；风速与输出相关性为0.7，是显著正相关。太阳辐射量与三楼室内平均温度的相关性为0.3，是低度相关，因此最终不将太阳辐射作为输入量。

我们用控制理论的辨识方法对被动通风系统尝试了不同的模型结构，最终确定的模型拟合精度参见图7。利用残差中剩余信息量的大小可以评价模型质量的好坏。图8为输出残差，从图中可以看出残差序列可以视作零均值的白噪声序列，且其大部分值位于95%置信区间内，所以辨识的模型是可靠的。

（4）室内温度预测与控制

根据网站预报的杭州天气预报参数，我们可以利用被动通风的数学模型预测得到第二天办公室的温度。图9中实线为三楼室内平均温度实际值，虚线为三楼平均温度预测值。可以看出预测最大误差为0.25℃，最高温度约为26.8℃，误差不超过10%，说明预测是有意义的。

2 地源热泵系统的应用和土壤温度场的监测

杭州绿色科技馆暖通设计参数为夏季25℃~27℃，湿度50%~60%；冬季18℃~20℃，湿度40~%50%，新风量40m3/人•小时。采用1台型号为PSRHH0401-D-Y的克莱门特螺杆式地源热泵机组，制冷量\输入功率为99.1kW\19.8kW，制热量\输入功率为103.7KW\23.3kW。地耦换热器共设64孔，钻孔孔径130mm，孔深60m，间距5.5m。换热单元管径为DN25的HDPE管，埋设方式为同程单U式。

为了监测和研究地源热泵运行条件下土壤温度场的热平衡，我们在BA中专门设计了地耦换热器周围土壤的温度场监控。共布置了9个温度检测立柱，从W1到W8，参见图10。每个立柱设5个温度传感器，分别位于深度-5m、-20m、-30m、-40m和-50m处。图10中，W1、W2沿换热管管壁敷设；W4、W6距离换热管管壁约2.75m；W3则位于W2和W4中间约1.375m的位置。

温度传感器采用工业Pt100，三线制传输，传输线缆采用RVV1mm2截面积，以保证三线电阻的对称性。

除了施工中吊车挖断4点以外，全部测点在工作1年半以后依然可靠。测试数据参见图11、12。图11是W2温度立柱某天温度变化值，图12是W3温度立柱某天的温度。从图中可以看出，敷设在换热管管壁上的W2上的温度随着地源热泵的启停有规律地发生相应变化，而W3温度立柱的温度由于土壤的热传导性能差，并不随地源热泵的启动停止而发生变化。这说明温度立柱布局时应当尽可能靠近换热管。

但是，正是W3、W4这样的温度立柱能够检测土壤温度场的平衡。图13a，b分别显示了2010.6.22和相距整整1年后2011.6.22那天W3的温度场数值。从图13中可以看出土壤温度场是不平衡的。经过了一年，温度下降了大约0.5℃。这一情况和杭州绿色科技馆冬季负荷情况是一致的。

3 溶液调湿新风系统和辐射吊顶的控制

杭州绿色科技馆采用四台热泵式溶液调湿新风机组。新风量3000CMH，制冷量59kW，制热量39kW，除湿量60kg/h，加湿量19kg/h。空调末端采用辐射毛细管158个，辐射吊顶330个。

辐射吊顶的控制纳入BA中央控制系统。因为本地控制只能调节房间的温湿度，在夏季特别是梅雨季节不能自动解决辐射吊顶的结露问题。理论和实践都说明，要避免产生结露必须控制新风温度、房间辐射吊顶的进水温度和房间温湿度三个因素。

为了及时掌握新风温度，设计BA系统通过通信读取新风机组内部数据，包括新风温湿度、送风温湿度、回风温湿度、排风温湿度、蒸发器温度和冷凝器温度，参见图14。为了控制房间温湿度，我们在分水器上设计了开关阀门，在房间里分内外区布置了温湿度传感器，预测计算露点温度。一旦预测到有结露可能，立即关闭分水器开关阀门。同时在集水器上设计了调节阀门，用于平时调节、控制房间的温度。

由于任何空间的同一高度温度分布都存在一个差异，或称为温度梯度分布，所以分内外区布置温湿度传感器，按最不利情况判断露点，防止结露于预期之中。

4 外遮阳系统的控制

外遮阳不仅能调节室内的光照度，更使建筑物减少接受过多的太阳光辐射，避免室内过热，减少建筑物的热负荷，从而达到节约空调能耗的目的。杭州绿色科技馆采用了德勒建材工业（中国）有限公司生产的12组电动AS450水平旋转机翼型外遮阳系统，南北各6组。每组通过连接楼层外遮阳的连杆同步调节1楼至3楼的每幅外遮阳的开度，因此，同一跨度外遮阳的开启角度是相同的。外遮阳系统主要由四部分组成：水平遮阳百叶，电机驱动器，控制器和传感器（光照度计）。机翼型外遮阳电源为交流220V，采用浮点控制方法。

杭州绿色科技馆的外遮阳系统控制有三大亮点：第一，考虑到目前所有的外遮阳产品的控制器价格非常昂贵，其控制策略仅仅是和太阳入射角度相关，不能符合我们节能的要求。我们决定采用BA的DDC控制器控制，自己研发控制策略。为此硬件用了12块浮点控制模块，价格仅为原先的三十分之一。浮点控制模块输出有三根线和电机连接，其中一根线是地线，另外两根线的通电与否分别控制电机的正反向转动；通电时间的占空比大小决定电机的开度。

第二，我们建立了桌面光照度和吊顶光照度的数学回归模型。这是因为光照度计通常安装在吊顶或梁上，而光照度的控制目标却往往是桌面照度。按规范要求，对一般的办公室，桌面照度不小于300lux，高级办公室桌面照度大于或等于500lux才能达到眼睛舒适的要求。在按吊顶照度控制外遮阳角度时，使用回归数学模型可以确保桌面光舒适。

第三，外遮阳的控制策略不仅取决于桌面照度，而且取决于楼层空调的能耗。在夏季，当外区灯光源的功率总和小于空调能耗时，选择外遮阳叶片朝关闭方向增加15度，以减小太阳辐射增加的建筑物负荷；反之，则按照光舒适度原则调控外遮阳叶片角度；冬季，由于太阳光辐射是正向负荷，所以选择全开外遮阳叶片。过渡季节按照光照度舒适原则调控。

实施过程中我们发现光照度传感器的选择和精度存在非常大的问题，需要引起业界的充分注意。绝大多数光照度传感器都不能提供照度-电输出量特性图，性能不能保证。典型的，夜间充分黑暗的条件下光照度不为零。有的厂家的光照度传感器量程过小，不能满足一般办公室的要求，在全暗的情况下，传感器显示居然有80~120lux，最大值也严重不正确。

5 杭州绿色科技馆的能耗分项计量系统

杭州绿色科技馆严格遵照“国家办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则”的规定，分别对水、电进行了分类计量（本项目没有气和油能源消耗），共使用多功能功率表29块，水表9块。其中，电计量按照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电分项计量，太阳能光伏电池和风力发电自成系统，计量不包含在内。空调用电对二级子项的地源热泵、冷冻泵、地下循环泵的电功和电度分别进行了计量，溶液调湿新风系统每两台设置1台多功率表；动力用电主要对电梯、室外和地下室排水泵、中水系统水泵和通风机用多功能功率表分别进行计量；另外对冷冻水总管、各楼层进出水管分别进行了冷量计量，共使用卡姆鲁普冷量表6块。

6 杭州绿色科技馆的BA系统

杭州绿色科技馆楼宇自控系统的主要功能是完成对被动式通风系统的测量和风阀的控制，对暖通系统末端即辐射吊顶和风机盘管的控制，对除展厅以外的照明系统的控制（办公室照明回路严格按内外区划分），根据优化的节能策略实施对外遮阳系统的控制等等。另外，通过接口监测地源热泵系统内部和外部的参数，传输能评估子系统能效比的参数；检测变水量泵的状态，测量地源热泵系统土壤热平衡性能，监测电梯的状态和各用能设备的能耗等等。

系统共有控制点位1579点，规模相当于一栋数万平方米的办公楼的点位。其中模拟输入(AI)581点, 数字输入(DI)640点,模拟输出(AO)150点,数字输出(DO)208点。每个DDC每种监控点预留15%。

BA系统与地源热泵系统、溶液调湿新风系统、智能照明系统、 PLC、电梯系统、小气象站、电力能量管理系统、冷热量计系统、水表计量系统、展示厅大屏和PDA等十余个子系统通过接口和通讯实现互联。BA实现了对上述10余个系统的集成管理。

系统在后台建立实时数据表，每分钟一个记录。记录共有1000余项字段，每天150万个数据，全部自动于夜半时分发到指定邮箱，便于专家的分析和诊断；也便于今后的研究和建模。

7 结语

杭州绿色科技馆是一次有益的对于建筑低碳技术的尝试，其诸多技术的应用是比较成功、甚至有创意的，因而获得了2011年度住建部绿色建筑创新三等奖。

参与杭州绿色科技馆建设的最大体会是致力于各种技术的融合。单项低碳技术都是可以购买和引进的，但只是技术的堆积。只有把智能化技术和低碳技术融合起来，研发出自己知识产权的控制策略才能真正提高建筑能效，产生良好的低碳效果。

目前科技馆尚存在房间和中庭密封不够的缺点，这导致冬季热负荷过大，升温比较困难。另外，溶液调湿新风机组能耗占建筑总能耗比例也过大。这些都需要进一步整改。