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徐伟:被动式超低能耗绿色建筑(下)

来源:徐伟

4 被动式超低能耗建筑能源系统

  被动式超低能耗建筑由于良好的围护结构及密闭性设计建造工艺,有效的降低了建筑的冷热负荷需求,这给建筑供能系统带来了新的机遇和挑战,机遇是有效的降低了建筑能耗需求,输入的能量可以更小,系统可以更加灵活,挑战是传统的供能系统往往过大,过于复杂,灵活性不足,已经无法满足被动式超低能耗建筑的需求。

  因此,各国在发展不同气候区域内的被动式超低能耗建筑的同时,都在不断探索适宜的辅助能源系统,包括太阳能光伏、太阳能光热、可再生能源热泵系统、点源天然气壁炉、电阻加热器、生物质锅炉、小型热电联产等。

  经过对国内外被动式超低能耗建筑资料的调研分析,可以知道决定被动式超低能耗建筑能源系统的关键因素:所处气候区域;建筑类型;当地资源条件。明确了被动式超低能耗建筑能源系统的决定因素后,结合我国当前被动房建设主要集中在寒冷地区的实际特点,分析寒冷地区被动式超低能耗建筑能源系统,对当前工作最具有实际指导意义。

  寒冷地区的被动式超低能耗建筑,同时具有补充冷热负荷的需求,因此,能源系统需要同时考虑辅助冷热源。本文通过对国内外同时具有冷热负荷需求的被动式超低能耗建筑项目进行综合分析,期望为未来我国寒冷地区被动房建设提供参考。

  本文以国际能源署联合太阳能供热供冷项目TASK40“走向近零能耗太阳能建筑”中调研的30个近零能耗建筑为参考,重点分析其中同时具有冷热负荷需求的项目。图6为其全部30个监测项目中应用技术方式示意图。

图6 不同建筑类型应用技术方式

  由图6可知,太阳能光伏发电和太阳能生活热水技术是被动式超低能耗建筑中应用比例最高的技术形式。其中,具有冷热负荷需求的,近似于我国寒冷地区气候条件的项目如表6所示。

表6 具有冷热负荷需求气候区内被动式超低能耗建筑项目应用技术列表

  由表6可知,实现被动式超低能耗建筑的近零能耗目标,即实现建筑能量供求平衡,提高可再生能源供给与降低建筑能源需求是两个密不可分的部分。采用光伏发电(PV)几乎是每个项目都需要用到的技术,但是同时采用PV也会对建筑设计及外观产生影响,尤其是对非南方向会需要更大的安装面积(北半球),需要的发电量越大,由其带来的增量投资也越大。

  太阳能生活热水是一种非常有效的降低能耗的技术方式,尤其对于中小型项目,其灵活紧凑的满足了用户需求。 但在较大的被动式项目中,太阳能集热器则可由生物质热电联产(CHP)取代。生物质热电联产,具有更好的经济性,可以更稳定的以较小热水管网向较多末端设备供热水。

  由于热泵产品不断提升能效和降低价格,使得热泵技术在被动式超低能耗建筑中应用更具有竞争力。而且,不需要在建筑物内储存燃料或建造烟囱,节省了建筑空间。以电力作为驱动能源,也简化了监测管理系统。

  虽然图6中,一些项目采用小型风力发电机组,但是在表6寒冷地区被动式超低能耗建筑中,并没有风力发电的应用,这是因为城市地区的低风速和噪声问题,使得风力发电机在较大范围内无法使用。

  分析了国外寒冷地区被动式超低能耗建筑能源系统应用技术措施后,对比我国寒冷地区现有项目应用技术情况如表7所示。 

表7 寒冷地区被动式超低能耗建筑项目能院校通应用技术列表

  由表7可知,我国现有项目与国际上的同类气候区域内项目应用的技术类型大致相同,但是就具体技术应用仍有区别。首先,目前投入使用的公建,均为示范项目,由于科研及展示的需要,集成了多种能源系统,增量投资估算不具有参考性,项目的经济性较差。其次,由于我国人口众多,新建被动式住宅均为高层密集型的特点,目前已经建成的两个住宅类被动式超低能耗建筑均没有应用PV补充建筑能源系统用电,主要原因是由于高层住宅缺乏PV安装位置,以及我国住宅分户产权所有,建筑用电系统分户计量,PV补充用电系统并网及管理问题复杂。第三,我国寒冷地区被动式超低能耗建筑热泵技术应用广泛,地源热泵由于具有能效高,供能稳定等特点,较多的应用于公建中。空气源热泵由于安装灵活及方便管理,责权划分容易,较多的应用在住宅类建筑中。

  小型风力发电机,在我国现有被动式超低能耗建筑建设中没有应用,除了上面提到的与国外项目相同的风力及噪声因素外,与我国发电及并网的相关法律法规也有很大关系。

5 发展展望

 5.1 发展被动式超低能耗建筑是实现可持续发展的必由之路

  大力发展被动式超低能耗建筑是中国建筑业同时也是住房城乡建设领域实现可持续发展的必由之路。随着改革开放的不断深入,我们越来越清晰地看到中国建设业在取得的巨大发展及能源消耗所占的比重。中国从1949年以前每人每年消耗100公斤标准煤,1978年达到了0.5吨,从1978年—1998年达到了每人每年1吨,到2008年达到了人均2吨的标准煤,到2013年达到了人均接近3吨标准煤,能源消耗的总量是巨大的。为此,需要我们进行能源转型,随着建筑节能和可再生能源技术的进步,一定有很大的发展前景。建筑行业在这方面做出了贡献,且得到了世界的承认。

  从全球气候变化的角度而言,人类有一个共同的目标,就是从1895年到2100年全球气候升高不超过2℃。自1992年起,人们开始重视这个问题。1992—2012年,用了8年时间研究和讨论,得出一个结论,从2012年到2100年全球气候排放的总量为5000-10000亿吨,也就是说全球平均每年的排放总量在60—100亿吨左右。实际情况看,2012年全球排放了312吨,中国排放了80亿吨,超过了美国52亿吨,中国的人均排放已经达到了6.4吨,超过了世界4.6吨的平均水平,也接近欧盟的平均水平;2013年全球气候排放总量360亿吨,中国达到100亿吨,都已经远远超过了全球允许的排放空间。中国人均排放达到7.6吨,超过了欧洲,我们这方面压力很大。建筑节能作为世界公认的三大节能减排的主要领域之一,潜力最大。所以,发展被动式超低能耗,可以大幅度调整建筑节能的用能结构,从根本上解决这个问题,对世界的能源消耗,对减少全球温室气体排放和气候变化将会做出巨大贡献。

 5.2 积极探索符合中国国情的被动式超低能耗建筑技术

我  国地域广阔,各地气候差异大,没有哪个完整的国外经验可以照搬,因此我们要结合中国实际,发展被动式超低能耗技术,积极探索符合中国国情的被动式超低能耗绿色建筑技术。我们学习全人类包括中国古代的理念,学习西方技术,要因地制宜地解决我们的实际问题。中国经过5000年的发展,很多理念和技术都不落后,可在结合与因地制宜上并未做得很好。我们国家横跨多个气候带,南北地区的供暖和空调分布极不平衡,与同一纬度的欧洲国家、美国相比,冬季比较寒冷,夏季十分炎热,又是一个发展中国家,各地经济发展不平衡,城市和农村不平衡。受社会经济发展水平影响,我们的居住环境要达到小康水平,要利用各种技术控制和智能化手段,利用自然结合的方式,利用中国高层建筑的特点,这需要一个深入系统全面的研究方案。

  东西方观点有区别,中国人观察宇宙地球,崇尚天人合一;而西方人更多是分析、采集,将地球作为客观对象认识,充分地发展了他们的特色。这一点我们确实落后西方,所以我们在吸收欧洲被动式绿色节能建筑技术的基础上,立足我国国情,因地制宜发展我国建筑节能技术,特别是考虑气候特征的因素。现在国内设计的低能耗技术,很多带有机械性,全盘地甚至原汁原味来学习西方的技术,创新的还不多。为了建立中国被动式超低能耗建筑技术,我们委托中国建筑科学研究院、中国被动式超低能耗建筑联盟编制了《被动式超低能耗建筑技术导则》,该导则经过十几次修改,现在基本定稿,即将发布,希望能够指导我国被动式超低能耗建筑这项工作的实施。

  我们发展被动式超低能耗建筑,同时要发展绿色建材来促进符合中国特色的超低能耗建筑的发展。绿色建材和装备技术是发展中国被动式建筑重要的物质基础和手段,被动式建筑需特殊高效的保温材料,高性能的围护结构及热回收的新风系统,很多技术和材料与传统技术要求不一样,我们在这方面与国外还有很大的差距。自2014年以来,我们联合工信部,陆续出台了绿色建材评价的标准办法,促进绿色建材生产和应用的评定方案,绿色建材评价标准管理细则和绿色建材评价技术导则,我们希望可以从生产、运输、使用、循环整个全过程,对新材料,新方式进行评价。

 5.3 发扬科学精神,扎扎实实地工作

  我国的建筑节能工作相较于西方起步得比较晚,起点也比较低,然而我们在绿色建筑方面起步没有那么晚和低,我们在被动式超低能耗建筑方面可以说和西方发达国家基本上处在同步水平,虽然西方人在这方面研究得比较早,工程建设比较好,但真正发展从规模、总量、速度上,中国现在不亚于世界上任何国家,所以我们要抓紧这个机会。可以完全从这次重新起步的机会深入研究,取得创新性的成果。德国的被动式技术也是受到了中国南北窑洞和闽西土楼的理念影响,虽然我们做到了可是没有科学的理论,而西方人有这种特长和认真检测、分析计算制定各种公式。

  应该说,在开展符合中国实际的超低能耗建筑技术方面,没有哪个国家比我们更有优势。其中还有无数的“苹果”、“针眼大的窟窿”需要广大建筑技术人员去分析和测试。我们应该根据气候条件,应该研发中国的计算公式。说我们建筑技术发展得很快,但在居住环境技术方面我们还有很大的差距,所以我们又一定要学习国外先进的技术,开放合作,扎扎实实地工作,促进符合中国实际的超低能耗建筑技术达到国际水平,改善中国人民的居住环境,为全面建成小康社会作出我们建筑技术人员的贡献。

  建筑节能标准先行,被动式超低能耗建筑作为我国建筑最终迈向零能耗的先导,制定科学的标准是其健康有序发展的先决条件。加强被动式超低能耗建筑的基础性研究工作,包括标准及设计评估工具的开发、技术适宜性的研究、高性能建筑部品和设备的研发工作。为我国逐步提高建筑节能标准,最终迈向建筑零能耗的目标的实现提供技术积累。

(本文收录于中国城市科学研究会主编的《中国绿色建筑2016》,作者系中国建筑科学研究院环境与节能研究院院长)




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